蘇 睿 ， 聞春華 ， 蘇涵智， 余博嵩

1. 江西省大氣探測技術中心， 江西 南昌 330096

2. 南昌市氣象局， 江西 南昌 330038

0 引 言

近年來，江西省國家級氣象觀測站啟用自動觀測的要素逐年增加，從最初的常規(guī)氣象六要素：溫度、濕度、翻斗雨量、氣壓、風速、風向，逐步增加地溫、蒸發(fā)、能見度、稱重雨量等，2017年列裝綜合硬件控制器后，又新增天氣現(xiàn)象、日照時長等自動觀測項目。新型自動氣象站的儀器系統(tǒng)日益復雜，發(fā)生故障后診斷難度增加，對臺站人員的設備保障能力提出了更高要求。有研究通過分析綜合氣象觀測系統(tǒng)運行監(jiān)控平臺中新型自動站的維護、維修記錄，來總結自動站日常維護重點與常見故障的排除方法，或通過研究自動站系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)報文,綜合硬件設備的工作原理來解釋復雜故障現(xiàn)象的成因，歸納排除方法(李秀英等，2016；周青等，2017)。也有學者研發(fā)了自動站診斷、測試、維修一體化平臺(莊紅波等，2016)和便攜式自動氣象站故障檢測儀(楊維發(fā)等，2017；王明輝等，2019)，在實驗室或室外實現(xiàn)對自動站部分設備的現(xiàn)場測試。這些研究無論是總結方法，還是研發(fā)設備提供測試手段，都是以人為主體進行故障診斷。程曦等(2021)采用故障樹理論及灰色關聯(lián)分析法建立專家系統(tǒng)，通過計算機對雨量數(shù)據(jù)進行分析，實現(xiàn)雨量筒的故障診斷。文中以新型自動氣象站儀器系統(tǒng)的故障為研究對象，分析以往新型自動站的故障診斷邏輯與方法，通過設備歸類與現(xiàn)象匹配，將人工診斷方法轉化為適合計算機處理的故障庫形式；設計基于STM32芯片的測控裝置代替人工檢查獲取自動站工作狀態(tài)；利用LoRa遠程通訊技術傳回值班機房作為計算機智能診斷的依據(jù)；開發(fā)基于C#語言的上位機軟件，實現(xiàn)智能診斷與人機交互；以機器作為故障診斷的主體，為臺站人員提供遠程智能診斷服務，以期提高新型自動站的保障時效。

1 故障資料統(tǒng)計分析

2017年5月起，江西省93個臺站列裝DPZ1綜合硬件控制器，氣象站保障服務的方法與重心均發(fā)生了較大的變化，選取2017年5月至2020年12月共596條保障服務記錄為樣本，統(tǒng)計出故障設備數(shù)量722件，包含供電、傳感器、采集器、電纜、光纖、通訊轉換、機房網(wǎng)絡7大類，根據(jù)這些設備的功能與在自動站儀器系統(tǒng)中所處的位置歸類，可細分為100種(附表1)。

分析樣本中故障診斷的方法，歸納為4個步驟：1) 觀察ISOS故障數(shù)據(jù)；2) 劃定可疑設備范圍；3) 現(xiàn)場排查可疑的設備；4) 處理故障設備觀察數(shù)據(jù)是否恢復正常，若未恢復則重復上述步驟。統(tǒng)計每種故障現(xiàn)象的可能成因與排除方法，建立標準故障庫并推廣，可以降低主觀經(jīng)驗的影響，提高臺站人員的診斷能力，也可指導計算機數(shù)據(jù)庫設計，是實現(xiàn)計算機智能診斷功能的前提。按照故障診斷方法，歸納2017—2020年江西省級自動站保障服務記錄故障庫(表1)。

表1中5—30項對應江西省國家站啟用自動觀測并接入ISOS軟件的項目，共26項，分別是風向、風速、雨量、固態(tài)降水量(冬季切換)、氣壓、氣溫、相對濕度、能見度、降水現(xiàn)象、日照時長、云狀云量、地面結冰、電線結冰、地表溫度、草面溫度、地溫(5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、40 cm、80 cm、160 cm、320 cm)、蒸發(fā)量、凈輻射、全輻射。主采集器、分采集器、綜合硬件控制器以及電腦之間的系統(tǒng)故障會導致系統(tǒng)的某些觀測項全部缺測(張初江等，2020)，將故障現(xiàn)象劃分為1—4號，存疑設備原件分類號參照附表1。故障現(xiàn)象的存疑設備越少，位置越集中，該現(xiàn)象的診斷方法就越簡單，反之則復雜。30項故障現(xiàn)象的存疑設備集中，以 “2：主采集器掛接(19)項缺測”故障現(xiàn)象發(fā)生數(shù)量最大、范圍最廣。以此故障現(xiàn)象為例，分析相關保障記錄發(fā)現(xiàn)，在觀測場，現(xiàn)場檢查“主采工作電壓”和“主采通訊端口狀態(tài)”后，可以對其進行故障細化分解，縮小存疑設備范圍，找出故障設備原件(表2)。

表1 故障現(xiàn)象與存疑設備原件映射

表2 主采集器掛接(19)項缺測(故障現(xiàn)象2)的分解

在室外觀測場進行氣象設備故障檢查的過程常受外界環(huán)境制約。設計下位機測控模塊對主采電壓與通訊能力進行檢測并傳回機房，作為診斷的依據(jù)，可以規(guī)避環(huán)境影響。

2 框架設計

自動氣象站的故障具有突發(fā)性，在雷雨大風等強對流天氣過境時尤其容易發(fā)生。若惡劣天氣持續(xù)時間過長，導致保障人員無法及時前往觀測場進行檢查。本系統(tǒng)的總體設計思路是建立故障庫，確定故障現(xiàn)象與故障備件、處理方法間的映射關系；短距離遙測觀測場內主采集器的實時工作電壓與通訊端口狀態(tài)，規(guī)避人工檢查受天氣環(huán)境的影響限制；開發(fā)軟件，自動分析ISOS故障現(xiàn)象，綜合遠程測量的狀態(tài)參數(shù)，在故障庫中進行匹配，得出智能診斷結果，通過面向對象組件實現(xiàn)人機交互功能；對每次診斷處理記錄存檔，形成自動站設備的診斷“病例”。

為實現(xiàn)遠程測量功能，需設計一套能夠檢測儀器工作狀態(tài)的測控模塊,該裝置不干擾自動站的正常運行。利用程控繼電器，將測控模塊掛接在新型自動站主采集器原有通訊與供電端口，由維護人員遠程操控是否接入模塊進行測量，可以防止外掛設備長時間接入運行，影響自動站觀測數(shù)據(jù)的可靠性，系統(tǒng)框架設計如圖1。

圖1 自動站智能診斷系統(tǒng)流程

遠程通訊利用LoRa數(shù)傳電臺實現(xiàn)。LoRa作為低功耗廣域網(wǎng)LPWAN技術中的一種遠距離通信技術,解決了傳統(tǒng)無線通信技術無法兼顧的傳輸距離、功耗和抗干擾難題，作為一種新型無線通信技術,LoRa利用先進的擴頻調制技術和編碼方案,增加了鏈路預算和抗干擾性，具有通信距離遠、組網(wǎng)便攜、超低功耗和抗干擾能力強等特點(聞春華和余博嵩，2019；王明軍等，2020)。市場上已有成熟產品可以實現(xiàn)功率100 mW前提下3 km范圍的穩(wěn)定無線傳輸，滿足觀測場至機房的通訊需求。

智能診斷下位機模塊是檢測主采集器工作電壓和通訊能力的主體。自動站正常工作時，下位機模塊處于低功耗待機狀態(tài)，繼電器開關接入綜合硬件控制器端線路；發(fā)生故障時，維護人員在機房內的診斷軟件上確認開啟智能診斷后切換繼電器狀態(tài)，接入測控模塊進行測量。通過無線通訊將測量數(shù)據(jù)發(fā)送至機房上位機軟件，作為故障診斷的依據(jù)。

3 下位機設計

狀態(tài)監(jiān)控功能利用高級精簡指令集計算機(advanced RISC machine, ARM)嵌入式技術進行數(shù)據(jù)采集，ARM處理器芯片具有高性價比、豐富的內部資源和可移植實時操作系統(tǒng)等優(yōu)勢(韓琛曄，2020)。眾多ARM芯片中，STM32 使用較為廣泛，性價比高，綜合考慮芯片的低功耗性能與指令集編程能力，選用stm32f103c8t6芯片為測控模塊核心，采用C語言對其編程。下位機原理圖詳見圖2，其中MCU為STM32單片機測控模塊的主體。

圖2 硬件功能模塊原理(a.MCU主控芯片電路，b.測控模塊供電電路，c.RS232通訊協(xié)議轉換，d.控制、連接繼電器的預留端口)

MCU供電模塊由U1.1U2U3組成，以2塊AMS1117為核心為MCU提供穩(wěn)定的直流5 V、3.3 V工作電壓。繼電器和端口部分是預留的測控模塊接口，DC12IN連接機箱供電，DC12OUT連接主采為其供電，SIN1連接繼電器控制端，SOUT連接LORA數(shù)傳電臺，SIN連接繼電器選通(NO)端，上電選通后與COM-主采232-1接通。硬件實物與各端口連接方式如圖3所示。

圖3 測控模塊(a)與繼電器(b)連線示意圖

4 軟件設計

C#可面向組件編程，綜合了VB的可視化操作和C++的高運行效率。采用C#進行上位機編程，利用串口控件實現(xiàn)測控模塊和PC機的數(shù)據(jù)傳輸，文本框控件接收并顯示串口控件輸出的內容信息，TabControl控件實現(xiàn)Tab頁切換顯示，GirdView控件展示對應故障現(xiàn)象數(shù)據(jù)集合，可實現(xiàn)通訊、顯示、存檔等常規(guī)功能。智能診斷功能通過建立故障數(shù)據(jù)庫與智能匹配算法實現(xiàn)。故障現(xiàn)象與故障設備之間是多對多型關系(表1)。因此在設計數(shù)據(jù)庫時采取了現(xiàn)象、設備分別列表，但互相關聯(lián)的方式。

智能匹配算法集成在上位機軟件中，利用C#的Readline函數(shù)，讀取ISOS數(shù)據(jù)狀態(tài)報警文件，分析處理后形成故障現(xiàn)象碼數(shù)列(圖4)。首先建立對應表1中1—30項現(xiàn)象的故障現(xiàn)象二進制數(shù)列{Bn}，Bn=1表示第n項現(xiàn)象發(fā)生，Bn=0表示未發(fā)生或暫時不需處理。B5—B30通過讀取報警日志賦值，B1—B4的賦值利用B5—B30邏輯與運算獲得，B2.1—B2.4根據(jù)下位機測得狀態(tài)參數(shù)進行賦值。軟件設計需考慮人工修改功能，加入人工修改或確認的環(huán)節(jié)可以避免因質控設置不當、誤報警等情況導致錯誤診斷。據(jù)此確定故障現(xiàn)象列，根據(jù)列值匹配故障庫，得出診斷結果。診斷結果包含當前應處理的故障現(xiàn)象、存疑設備、設備所處位置、檢測方法、處理方法、檢查優(yōu)先度等6項基本信息，可以指導維修人員進行維修工作。該算法的優(yōu)點是即使脫離下位機的測量，也可實現(xiàn)大部分故障現(xiàn)象的智能診斷。

圖4 新型自動氣象站故障智能診斷流程

5 小結與討論

文中基于2017—2020年江西省國家級臺站的新型自動站省級保障服務檔案進行分析，總結自動站故障診斷的邏輯方法形成故障庫，研制了新型自動氣象站故障智能診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)以電子設備遠程檢查代替關鍵部分人工現(xiàn)場測量，獲取設備運行狀態(tài)參數(shù)，對比故障庫進行智能診斷，給出處理方法建議，有效提高了臺站對新型自動站保障工作的時效性。

該系統(tǒng)已在南昌國家氣候觀象臺試驗運行，2021年3月31日凌晨，該站遭遇雷擊導致ISOS數(shù)據(jù)全部缺測。值班人員發(fā)現(xiàn)后立即啟動故障智能診斷系統(tǒng)，得到診斷結果后，判斷綜控故障，啟用備份通訊恢復15項觀測數(shù)據(jù)，再次進行智能診斷，得到更精確的診斷結果后通報維修人員，方便其申領維修備件。此次雷擊故障在6 h內基本排除，遠低于全省國家站雷擊保障時長的平均值。與傳統(tǒng)的保障流程相比，故障智能診斷系統(tǒng)讓缺少設備保障知識的值班人員在新型自動站應急保障中發(fā)揮更大作用，提高維修工作的時效性。

未來，隨著5G通訊技術與物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，我們有望將智能故障診斷系統(tǒng)嵌入智能氣象觀測儀器與站網(wǎng)系統(tǒng)的設計，實現(xiàn)精確到某一設備的長距離遠程智能診斷，本研究的研發(fā)思路可用于新一代嵌入式智能診斷儀器系統(tǒng)的設計。

附表1 南昌觀象臺的自動氣象站系統(tǒng)設備元素