周任柳，高玲

（安徽省當(dāng)涂縣氣象局，安徽當(dāng)涂243100）

新型自動(dòng)氣象站外圍設(shè)備保障設(shè)計(jì)

周任柳，高玲

（安徽省當(dāng)涂縣氣象局，安徽當(dāng)涂243100）

新型自動(dòng)氣象站設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和保障十分重要，針對(duì)業(yè)務(wù)運(yùn)行中外圍設(shè)備面臨的實(shí)際問(wèn)題，本研究分別從數(shù)據(jù)本地傳輸線路和保障電源2個(gè)方面，提出合理可行的改進(jìn)設(shè)計(jì)思路和解決方案。主要方法是數(shù)據(jù)本地傳輸線路新增備用線路，解決線路單一和軟件功能限制問(wèn)題；電源方面改進(jìn)UPS布局和發(fā)電機(jī)電路，使保障電源更完善。結(jié)果表明，新設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸線路實(shí)現(xiàn)多重備份，改進(jìn)后保障電源有2套UPS主機(jī)和電池組互為備份，發(fā)電機(jī)操作實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。改造簡(jiǎn)單成本合理，操作安全布局清晰，實(shí)現(xiàn)新型自動(dòng)氣象站外圍設(shè)備的全面保障。本研究以成熟穩(wěn)定的設(shè)計(jì)、合理的成本，為新型自動(dòng)氣象站外圍設(shè)備保障設(shè)計(jì)提供最優(yōu)方案，確保新型站設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和全面保障，為氣象現(xiàn)代化建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

新型自動(dòng)氣象站；外圍設(shè)備；備用線路；保障電源

0 引言

“十三五”時(shí)期氣象事業(yè)發(fā)展仍處于可以大有作為的重要戰(zhàn)略機(jī)遇期，氣象工作與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、糧食安全、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)文明、百姓生活等都密切相關(guān)，主動(dòng)適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展新常態(tài)，堅(jiān)持公共氣象發(fā)展方向，堅(jiān)持全面推進(jìn)氣象現(xiàn)代化，著力構(gòu)建現(xiàn)代氣象監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警體系和現(xiàn)代公共氣象服務(wù)體系，提高氣象監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警的準(zhǔn)確率和精細(xì)化水平，提高氣象防災(zāi)減災(zāi)能力和應(yīng)對(duì)氣候變化工作水平，是氣象部門(mén)的重要任務(wù)[1]。綜合氣象觀測(cè)系統(tǒng)提供的準(zhǔn)確、可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù)，是提高預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率和服務(wù)能力的重要保證[2-3]。近年中國(guó)氣象觀測(cè)臺(tái)站自動(dòng)氣象站設(shè)備開(kāi)始大規(guī)模升級(jí)新型自動(dòng)氣象站（以下簡(jiǎn)稱新型站），同時(shí)老自動(dòng)氣象站備份運(yùn)行。新型站實(shí)現(xiàn)了風(fēng)向、風(fēng)速、空氣溫度、相對(duì)濕度、氣壓、地溫、草溫、降水與能見(jiàn)度等多要素的自動(dòng)觀測(cè)與數(shù)據(jù)處理，部分臺(tái)站還實(shí)現(xiàn)了云、天氣現(xiàn)象等更多要素的自動(dòng)觀測(cè)。全國(guó)臺(tái)站建成了以新型自動(dòng)氣象站為主的地面綜合觀測(cè)系統(tǒng)。

新型自動(dòng)氣象站硬件包括采集器、外部總線、傳感器、外圍設(shè)備等，其中外圍設(shè)備主要包括電源、終端電腦、通信接口和外存儲(chǔ)器；軟件包括嵌入式軟件、業(yè)務(wù)軟件2個(gè)部分[4-5]。整個(gè)新型站設(shè)計(jì)達(dá)到了高精度、高穩(wěn)定、易維護(hù)、低功耗、易擴(kuò)展和實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控的要求。張立清等[6-8]對(duì)自動(dòng)站常見(jiàn)故障的檢測(cè)方法做過(guò)詳細(xì)介紹；張成祥等[9-12]研究了自動(dòng)站軟件、硬件故障的排除與維護(hù)。新型站軟硬件更先進(jìn)、更穩(wěn)定，影響運(yùn)行穩(wěn)定的傳統(tǒng)故障漸少，新問(wèn)題多在外圍設(shè)備方面，而國(guó)內(nèi)目前對(duì)新型站外圍設(shè)備的保障研究甚少。因此，確保新型站設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定和做好設(shè)備運(yùn)行保障十分重要和必要，本研究著重分析外圍設(shè)備常見(jiàn)故障、保障方法和改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1 研究思路

以當(dāng)涂國(guó)家氣象觀測(cè)站為例，觀測(cè)站位于安徽省當(dāng)涂縣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)內(nèi)，觀測(cè)場(chǎng)四面是山地、農(nóng)田，種植的是低矮植物、作物，環(huán)境良好。觀測(cè)站2套新型站主備運(yùn)行，還建有激光云量云高觀測(cè)儀和降水類視程障礙類天氣現(xiàn)象觀測(cè)儀等其他儀器。

在如此高規(guī)格建設(shè)的基礎(chǔ)上，穩(wěn)定運(yùn)行和保障仍出現(xiàn)一些問(wèn)題急待解決，這可能也是其他新型站面臨的共同問(wèn)題，主要有以下4點(diǎn)。

（1）數(shù)據(jù)本地傳輸線路（以下簡(jiǎn)稱數(shù)據(jù)線路）單一。由于所有儀器數(shù)據(jù)均通過(guò)串口服務(wù)器傳輸至電腦，當(dāng)線路故障，如串口服務(wù)器故障時(shí)，將導(dǎo)致所有數(shù)據(jù)無(wú)法及時(shí)傳輸至業(yè)務(wù)電腦，且沒(méi)有備用線路，線路故障若短時(shí)間內(nèi)無(wú)法恢復(fù)，將嚴(yán)重影響氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)質(zhì)量。

（2）軟件功能限制。臺(tái)站終端電腦現(xiàn)用的業(yè)務(wù)軟件功能有限，無(wú)法同時(shí)采集2套新型站數(shù)據(jù)，備份站數(shù)據(jù)采集須新增1臺(tái)備份站電腦。

（3）UPS（不間斷電源）保障不充分。觀測(cè)站原有UPS無(wú)備用設(shè)備，若UPS主機(jī)發(fā)生故障將導(dǎo)致電源失效且不能立即恢復(fù)，這將嚴(yán)重影響業(yè)務(wù)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

（4）發(fā)電機(jī)操作復(fù)雜。當(dāng)外部市電斷電，發(fā)電機(jī)需手動(dòng)啟動(dòng)，還需要手動(dòng)斷開(kāi)外部市電線路，操作復(fù)雜、耗時(shí)、安全性差。

可以看出，問(wèn)題主要集中在外圍設(shè)備，主要包括采集器把數(shù)據(jù)傳送到終端電腦的數(shù)據(jù)本地傳輸線路和設(shè)備保障電源2個(gè)方面問(wèn)題。外圍設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行是影響新型站穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素，做好數(shù)據(jù)線路和保障電源就顯得十分重要和必要。

2 解決方案

堅(jiān)持問(wèn)題導(dǎo)向，根據(jù)上述具體問(wèn)題，下面分別從數(shù)據(jù)線路和保障電源2個(gè)方面提出改進(jìn)設(shè)計(jì)思路和解決方案。

2.1 數(shù)據(jù)本地傳輸線路設(shè)計(jì)

觀測(cè)站原有數(shù)據(jù)線路是2套自動(dòng)站數(shù)據(jù)分別通過(guò)1根串口線傳至串口服務(wù)器，經(jīng)串口服務(wù)器處理再通過(guò)戶外光纖傳至終端電腦，見(jiàn)圖1。這樣設(shè)計(jì)帶來(lái)的問(wèn)題是當(dāng)串口服務(wù)器出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，2套自動(dòng)站數(shù)據(jù)都將無(wú)法傳至終端電腦，沒(méi)有備用傳輸線路，且終端電腦所用業(yè)務(wù)軟件無(wú)法同時(shí)完成2套新型站數(shù)據(jù)的采集和處理。為此，當(dāng)涂站會(huì)同安徽省大氣探測(cè)與技術(shù)保障中心提出解決思路，即增加備用傳輸線路和備份站終端電腦。

圖1 原數(shù)據(jù)線路

本設(shè)計(jì)維持原有線路，備份站新增備用數(shù)據(jù)線路，采用直連光纖加直連串口線雙路設(shè)計(jì)，其中光纖為戶外光纖，串口線為帶屏蔽戶外線材，直接與備份站電腦相連，單獨(dú)采集備份站數(shù)據(jù)。同時(shí)，備用線路兩端和主站線路兩端均預(yù)留一定長(zhǎng)度，以便線路切換使用，見(jiàn)圖2，這樣既實(shí)現(xiàn)主備站數(shù)據(jù)采集和處理，同時(shí)按照規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，做好線路防雷、屏蔽、防水、防鼠措施。當(dāng)主站設(shè)備故障不能及時(shí)恢復(fù)時(shí)可立即啟用備份站；當(dāng)主站數(shù)據(jù)采集線路故障不能及時(shí)恢復(fù)時(shí)可直接切換備用線路。主站與備份站實(shí)現(xiàn)互為備份，串口線實(shí)現(xiàn)雙備份，光纖按照光路實(shí)現(xiàn)多重備份，串口服務(wù)器與備份站線路實(shí)現(xiàn)雙備份。綜合來(lái)看新設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸線路實(shí)現(xiàn)了多重備份的設(shè)計(jì)，改動(dòng)簡(jiǎn)單成本小，保證了數(shù)據(jù)本地傳輸穩(wěn)定運(yùn)行和故障應(yīng)急處理能力。

圖2 新數(shù)據(jù)線路

按照業(yè)務(wù)規(guī)定和操作規(guī)程，當(dāng)數(shù)據(jù)線路或自動(dòng)站出現(xiàn)故障時(shí)，可按順序依次確定和排除故障隱患。以主站為主，優(yōu)先使用主站設(shè)備、數(shù)據(jù)線路。當(dāng)主站數(shù)據(jù)傳輸路徑串口線故障時(shí)可切換備用串口線，當(dāng)串口服務(wù)器故障時(shí)可切換備用線路，當(dāng)光纖故障時(shí)可切換備用光路，做到數(shù)據(jù)線路故障時(shí)有備用線路并能方便及時(shí)切換使用。故障時(shí)還要根據(jù)具體情況，決定啟用備份站或備用線路。

以上數(shù)據(jù)線路設(shè)計(jì)是在優(yōu)先保障新型站數(shù)據(jù)連續(xù)的前提下設(shè)計(jì)的，當(dāng)串口服務(wù)器上連接有其他儀器時(shí)，以上設(shè)計(jì)仍有局限性，并不能做到萬(wàn)無(wú)一失。在新型站主備運(yùn)行基礎(chǔ)上，通過(guò)串口服務(wù)器，還連接有激光云量云高觀測(cè)儀和降水類視程障礙類天氣現(xiàn)象觀測(cè)儀等其他儀器，建成了新型自動(dòng)氣象站綜合觀測(cè)系統(tǒng)。在以上設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，有條件的臺(tái)站，可在主站數(shù)據(jù)線路上設(shè)置備用串口服務(wù)器，見(jiàn)圖3，并使用備用數(shù)據(jù)線路連接主站、激光云量云高觀測(cè)儀、降水類視程障礙類天氣現(xiàn)象觀測(cè)儀與備用串口服務(wù)器。當(dāng)主站串口服務(wù)器發(fā)生故障不能立即恢復(fù)時(shí)確保有備用設(shè)備并能及時(shí)切換啟用，從而保障新型站、云、天氣現(xiàn)象等所有設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)新型自動(dòng)氣象站綜合觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)線路的全面保障。

圖3 數(shù)據(jù)線路綜合設(shè)計(jì)

2.2 保障電源設(shè)計(jì)

觀測(cè)站原有保障電源采用UPS與發(fā)電機(jī)的組合保障設(shè)計(jì)，市電經(jīng)UPS保障觀測(cè)場(chǎng)設(shè)備和業(yè)務(wù)用電腦網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，發(fā)電機(jī)接入業(yè)務(wù)設(shè)備配電箱（UPS充電線路）。UPS在線式運(yùn)行，起到穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、抑制浪涌、尖峰、電噪音、補(bǔ)償電壓下陷、長(zhǎng)期低壓等因素干擾作用，電源輸出質(zhì)量高[13-15]，日常使用需做好維護(hù)[16-19]。但運(yùn)行期間，曾出現(xiàn)過(guò)UPS主機(jī)故障的情況，導(dǎo)致UPS電源無(wú)法使用，后緊急修改配電箱內(nèi)電路，臨時(shí)使用另一臺(tái)UPS主機(jī)才恢復(fù)供電。而且原發(fā)電機(jī)電路，停電時(shí)需手動(dòng)啟動(dòng)發(fā)電機(jī)，啟動(dòng)前還需斷開(kāi)業(yè)務(wù)設(shè)備配電箱外部市電，市電恢復(fù)時(shí)需手動(dòng)關(guān)閉發(fā)電機(jī)，再接入外部市電，操作復(fù)雜、耗時(shí)、安全性差。

根據(jù)以上問(wèn)題及處理方法，基本確定了電源改造方案，即增加1套備用UPS電源。在原有電路基礎(chǔ)上稍加改造，改動(dòng)成本較小，如圖4。由1套UPS為觀測(cè)場(chǎng)設(shè)備和業(yè)務(wù)電腦網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供電，另一套UPS備用，在UPS主機(jī)和電池組輸出端分別加裝雙電源開(kāi)關(guān)[20-22]，實(shí)現(xiàn)2套UPS主機(jī)和2組電池組互為備份和切換使用。因電池組有保護(hù)開(kāi)關(guān)需手動(dòng)開(kāi)啟，且氣象儀器內(nèi)置電源支持短時(shí)間斷電運(yùn)行，綜合考慮選擇手動(dòng)雙電源開(kāi)關(guān)。在發(fā)電機(jī)輸出端與UPS市電輸入端加裝自動(dòng)雙電源開(kāi)關(guān)，配合自啟動(dòng)發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)操作無(wú)人值守。市電斷電時(shí)發(fā)電機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)，雙電源開(kāi)關(guān)自動(dòng)斷開(kāi)業(yè)務(wù)設(shè)備配電箱外部市電；市電來(lái)電時(shí)發(fā)電機(jī)自動(dòng)關(guān)閉，雙電源開(kāi)關(guān)自動(dòng)接通業(yè)務(wù)設(shè)備配電箱外部市電。同時(shí)按照規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，做好線路防漏電、防雷、屏蔽、防水、防鼠措施。

圖4 保障電源設(shè)計(jì)

改造后業(yè)務(wù)設(shè)備電源有2套UPS主機(jī)和電池組互為備份，能保障業(yè)務(wù)設(shè)備高質(zhì)量電源供應(yīng)和較長(zhǎng)時(shí)間停電電力保障，為維修維護(hù)預(yù)留足夠時(shí)間。且自啟動(dòng)發(fā)電機(jī)能自動(dòng)完成啟停與電路轉(zhuǎn)換，減少人工操作，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。電源改造后更安全，能耗更低，布局更清晰，保障更便捷。

3 應(yīng)用效果

以上數(shù)據(jù)線路和保障電源設(shè)計(jì)方案，經(jīng)安徽省大氣探測(cè)與技術(shù)保障中心技術(shù)人員、專業(yè)電工技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)，于2015年10月最終改造完成并穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)歷低溫雨雪和高溫汛期近1年時(shí)間使用，運(yùn)行可靠穩(wěn)定，滿足新型站可靠性要求。方案對(duì)數(shù)據(jù)線路和保障電源設(shè)計(jì)布局簡(jiǎn)潔明晰，各節(jié)點(diǎn)功能合理，適用于全國(guó)大部分氣象觀測(cè)臺(tái)站推廣使用。且操作使用簡(jiǎn)單，不需要專業(yè)網(wǎng)絡(luò)或電工知識(shí)，只需要插拔線路插頭或切換電源開(kāi)關(guān)，即可安全完成操作，保障維護(hù)方便快捷，滿足新型站可維護(hù)性和安全性要求。同時(shí)整個(gè)方案改造所需材料，不增加額外功耗，都是普通線材或電源開(kāi)關(guān)，但改造施工需要專業(yè)人員按規(guī)范操作，改造和維護(hù)成本低廉，滿足新型站低功耗、擴(kuò)展性、互換性要求。相對(duì)于所保障的氣象設(shè)施設(shè)備和產(chǎn)出社會(huì)效益，可謂小投入大回報(bào)。在方案的改造和使用過(guò)程中，還能加強(qiáng)氣象工作人員對(duì)自動(dòng)氣象站的結(jié)構(gòu)和功能認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)氣象工作人員氣象裝備開(kāi)發(fā)使用和保障維護(hù)能力，提高氣象工作人員的綜合素質(zhì)。

4 結(jié)論與討論

本設(shè)計(jì)通過(guò)咨詢行業(yè)專家，結(jié)合本地實(shí)際，解決了新型自動(dòng)氣象站在數(shù)據(jù)線路和保障電源方面的實(shí)際問(wèn)題，以成熟穩(wěn)定的設(shè)計(jì)、合理的成本，為新型自動(dòng)氣象站外圍設(shè)備保障設(shè)計(jì)提供最優(yōu)方案，確保新型站設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和全面保障；為農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)、環(huán)境氣象服務(wù)等專業(yè)設(shè)備使用提供支持；為服務(wù)地方社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供更有力的氣象保障；為建成集成、優(yōu)化和高效益的新型觀測(cè)系統(tǒng)；為提高數(shù)據(jù)質(zhì)量、推動(dòng)技術(shù)發(fā)展；為氣象現(xiàn)代化建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

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New Automatic Weather Station:Maintenance and Design for Peripheral Devices

Zhou Renliu,Gao Ling
(Dangtu Meteorological Bureau,Dangtu 243100,Anhui,China)

Stability and maintenance is important for new automatic weather station.This paper proposed the design ideas and programs for improving peripheral devices from the data circuit and power supply.The main methods were adding spare data circuits to resolve circuits and software restrictions,and improving the UPS and generator circuits to make the power protection better.The results showed that:the new design realized data circuit and UPS power backup,and an unattended generator;the design was simple and cost-effective, safe for operation and could produce good effects.It also provided a scientific basis for the construction of meteorological modernization.

New Automatic Weather Station;Peripheral Devices;Spare Data Circuit;Power Supply

P414

A論文編號(hào)：cjas16090017

2016年度馬鞍山市氣象局自立科研項(xiàng)目“雙套新型自動(dòng)氣象站外圍設(shè)備雙重保障設(shè)計(jì)”(2016012)。

周任柳，男，1987年出生，安徽馬鞍山人，助理工程師，本科，主要從事綜合氣象觀測(cè)與服務(wù)工作。通信地址：243100安徽省馬鞍山市當(dāng)涂縣梅塘路215號(hào)當(dāng)涂縣氣象局，Tel：0555-6740218，E-mail：459617210@qq.com。

2016-09-30，

2016-12-16。