周繼先,聶 云,袁 慶,孫啶棚,郎貴英

(1.貴州省銅仁市氣象局,貴州 銅仁 554300;2.貴州省思南縣氣象局,貴州 思南 565100)

0 引言

為全面實現(xiàn)地面氣象觀測自動化，根據(jù)中國氣象局統(tǒng)一部署，自2020年4月1日起全國國家級地面氣象觀測站由原來的每天值班、守班改為有觀測任務(wù)時值班、守班(除長期保留人工觀測任務(wù)的臺站)，大大減少一線業(yè)務(wù)人員的工作量，臺站業(yè)務(wù)人員工作重心將轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)應(yīng)用、氣象服務(wù)。當前，全國所有地面氣象觀測臺站已更新為以新型自動氣象站(以下簡稱為新型站)為核心，綜合集成硬件控制器為手段的地面氣象觀測業(yè)務(wù)體系[1]。新型站一般具備穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸能力[2-3]，由于需24 h不間斷采集、處理、儲存和傳輸數(shù)據(jù)，硬件和軟件故障也時有發(fā)生[4]。因此當前全面提升臺站業(yè)務(wù)人員的技術(shù)水平，使臺站業(yè)務(wù)一線人員熟練掌握新型站硬件和軟件的使用，具備故障判斷及處理故障的能力至關(guān)重要。本文結(jié)合實際工作中的新型站常見故障，總結(jié)故障判斷和處理辦法，供同行借鑒和參考。

1 故障排除方法

根據(jù)新型站的組成結(jié)構(gòu)和工作原理，按照從觀測場到室內(nèi)、從硬件到軟件、從采集器到傳感器的基本路徑，綜合分析和判斷故障發(fā)生的原因。常見故障排除方法有以下3種。

1.1 排除法

根據(jù)所發(fā)生的故障現(xiàn)象，一步一步追蹤查找。對故障現(xiàn)象進行因果分析，一般情況能快速判斷故障所發(fā)生部位。如：某一氣象要素缺測或者異常，大部分為傳感器故障，在供電和光纖通訊均為正常的情況下，可直接對傳感器進行故障排查。

1.2 測量法

正常的氣象傳感器可按照一定規(guī)律輸出信號，氣象傳感器一般采用電信號輸出(電壓、電流、電阻、電容及頻率)。如線纜中斷可用萬用表通斷檔判斷，溫度傳感器輸出電阻信號80～120 Ω，濕度傳感器輸出電壓信號0～1 VDC，風速傳感器輸出頻率，風向傳感器輸出電壓，蒸發(fā)傳感器輸出電流。只要選擇萬用表合適的檔位，輸出信號均可測量，從而根據(jù)測量輸出結(jié)果判斷故障原因及部位。

1.3 替代法

替代法，顧名思義就是用同型號好的備件替換懷疑部件，如故障現(xiàn)象消失，則說明分析判斷正確。在實際工作中，通常利用排除法找到懷疑部位，用替代法進行確認。替代法在地溫傳感器故障判斷時利用最多，如15 cm地溫傳感器數(shù)據(jù)缺測或者異常，其余地溫均正常，采用就近原則，可用10 cm或者20 cm地溫線替代15 cm，如果數(shù)據(jù)恢復正常，可判斷15 cm地溫傳感器故障。

2 故障分類和措施

新型站由軟件和硬件兩部分組成，軟件包括業(yè)務(wù)軟件和嵌入式軟件，硬件包括采集器、傳感器、外圍設(shè)備和外部總線。新型站故障最終體現(xiàn)在終端業(yè)務(wù)計算機數(shù)據(jù)出現(xiàn)缺測或者異常，故障可分為軟件故障和硬件故障。常見故障及排除方法如圖1。

圖1 常見故障及排除方法

2.1 軟件故障

2.1.1 安裝 自2017年9月起，中國氣象局業(yè)務(wù)主管部門規(guī)定所有國家級地面氣象觀測站需用集成版ISOS軟件。集成版軟件實現(xiàn)了分鐘BUFR格式文件的自動生成與傳輸，數(shù)據(jù)量大、交互頻次高，需選用配置較高的計算機。計算機基本配置要求:主頻2.4 G及以上，8 G或以上內(nèi)存，160 G及以上硬盤，安裝win7專業(yè)版或旗艦版正版系統(tǒng)；與外網(wǎng)物理隔離，建議關(guān)閉Windows防火墻、殺毒軟件或?qū)④浖x為殺毒軟件信任模式[7]。高性能計算機能確保ISOS軟件穩(wěn)定運行，若電腦硬件配置不夠，在軟件運行過程中可能出現(xiàn)計算機頻繁藍屏、自動重啟、死機和軟件部分功能無法正常應(yīng)用等現(xiàn)象，電腦防火墻和殺毒軟件可能誤殺程序而導致業(yè)務(wù)軟件運行不正常。

2.1.2 數(shù)據(jù)缺測 當出現(xiàn)全要素數(shù)據(jù)缺測，一般首先檢查ISOS等相關(guān)業(yè)務(wù)軟件是否處于活躍狀態(tài)→通過Ping命令檢查網(wǎng)絡(luò)是否通暢→檢查參數(shù)設(shè)置(波特率、串口號等)，依次按照這個步驟進行下去，在硬件設(shè)備正常的情況下，仍無數(shù)據(jù)，那就需要重裝軟件，甚至重裝系統(tǒng)恢復。

當出現(xiàn)部分數(shù)據(jù)缺測時，可利用業(yè)務(wù)軟件維護終端中輸入命令: SENST XX(SENST××，××為傳感器標識符，返回值為1，表示開啟，返回值為0，表示關(guān)閉)，查看缺測的氣象要素傳感器是否關(guān)閉，若以上設(shè)置正確，那就可能是傳感器、采集器通等硬件設(shè)備故障。

當出現(xiàn)觀測成功率不高，主要表現(xiàn)為非連續(xù)性的分鐘數(shù)據(jù)缺測。故障原因有以下兩種可能：一是計算機與采集器時間不同步；二是計算機與采集器之間的通訊不正常。前者可以通過正確設(shè)置計算機網(wǎng)絡(luò)授時解決，后者需要檢查計算機與采集器之間的通信情況。

2.2 硬件故障

由硬件引起的自動站數(shù)據(jù)異常的故障可分為：電源系統(tǒng)故障、設(shè)備故障、計算機及網(wǎng)絡(luò)故障。

2.2.1 電源系統(tǒng)故障 電源系統(tǒng)故障是最為常見和主要的故障，出現(xiàn)原因有多種，如遭受雷擊、線路斷(短)路、市電供電異常等等。如遇電源故障，應(yīng)結(jié)合業(yè)務(wù)軟件數(shù)據(jù)顯示和各采集器指示燈狀態(tài)來初步判斷。可利用萬用表對電源電壓進行檢測和測量，具體流程見圖2。

圖2 常見電源系統(tǒng)故障及排除方法

2.2.2 采集器故障 在供電正常情況下，主采集器RUN指示燈處于正常秒閃狀態(tài)。如通訊正常的情況下，數(shù)據(jù)全部缺測，斷電后重啟主采集器，使用命令采用有線連接或遠程的方法進行測試，結(jié)合排除法、測量法來判斷是否主采集器故障。目前業(yè)務(wù)運行中主要的分采集器有溫濕分采和地溫分采，如顯示溫、濕度均缺測或地溫全缺測，首先用萬用表檢查分采供電是否正常，其次檢查分采各指示燈的狀態(tài)(CANR指示燈綠色常亮，CANE指示燈紅色不亮)，若狀態(tài)不正常，檢查CAN線是否連接正確，最后檢查是否出現(xiàn)線路斷路或短路，溫濕分采還需檢查120 Ω電阻是否成對使用，若以上所說均為正常，則斷電重啟，仍不能恢復，應(yīng)更換采集器。

2.2.3 傳感器故障 業(yè)務(wù)運行中常用七要素為氣壓、氣溫、濕度、風向、風速、雨量、地溫[7]。所有傳感器故障應(yīng)該首先檢查業(yè)務(wù)軟件和采集器的相關(guān)參數(shù)設(shè)置是否正確，在業(yè)務(wù)軟件維護終端輸入命令SENST ××(××為傳感器標識符，如T0代表氣溫，返回值為1，表示開啟，返回值為0，表示關(guān)閉),一般情況下參數(shù)不會受影響，只有新裝或更換時需要檢查，其次再逐一排查線纜、傳感器、采集器等方面的故障。由于氣溫和地溫傳感器原理一樣，這里不再對地溫傳感器進行單獨介紹。

①溫度、濕度傳感器故障 鉑電阻溫度傳感器是自動站采集系統(tǒng)使用最多的傳感器，采集要素包括氣溫、草溫、淺層地溫和深層地溫。溫度傳感器采用四線制,用萬用表測量同端電阻和異端電阻，計算出溫度值，與當前實際溫度相比差異較大，說明傳感器故障，通過以上逐一排查后，數(shù)據(jù)仍未恢復，更換溫濕度分采集器。濕度傳感器主要由濕敏電容和轉(zhuǎn)換電路兩部分組成，濕敏電容電容量經(jīng)外圍電路轉(zhuǎn)換后輸出電壓信號，電壓值與濕度值呈線性正比關(guān)系，輸出電壓為0～1 VDC之間，相對濕度在0～100%之間變化，計算公式為RH=U×100%(其中RH為相對濕度，U為輸出電壓)，用萬用表測量檢查供電電壓是否為12 VDC，然后測量輸出電壓計算濕度值，與實際值相比較，若相差較大，說明傳感器故障，需更換，通過以上逐一排查后，數(shù)據(jù)仍未恢復，更換溫濕度分采集器。具體流程見圖3。

圖3 溫、濕度傳感器故障及排除方法

②氣壓傳感器故障 新型站的氣壓傳感器為智能傳感器。當出現(xiàn)氣壓數(shù)據(jù)缺測或異常時，在確保相關(guān)參數(shù)設(shè)置正確及氣壓傳感器處于開啟狀態(tài)時，如無數(shù)據(jù)輸出，應(yīng)先檢查供電是否正常，其次檢查主采集器通道上端子接線有無錯接(平常一般不會出現(xiàn)這種情況)。如：DYC1氣壓傳感器是通過傳感器附帶的一個DB9型插頭，其孔“2”必須與主采集器上氣壓通道中的“R”相連，“3”與“T”相連，“5”與“G”相連，“9”與“+12VDC”相連，用萬用表測量是否錯接或者短路。若全部正常，則證明氣壓傳感器故障，需更換。

③風向風速傳感器故障 在確定各項參數(shù)設(shè)置正確及傳感器處于開啟狀態(tài)下，針對風向風速傳感器首先檢查供電電壓是否為5 VDC。如DZZ4型自動站，在供電正常的情況下，可測量格雷碼信號D0～D6的氣壓值，電壓在4.5～5.0 VDC之間為高電平1，在0～0.7 VDC之間為低電平0，轉(zhuǎn)化為二進制，查出此格雷碼所對應(yīng)的方位，通過轉(zhuǎn)動風向，量取各個格雷碼是否具有高低電平變化來判斷；風速與脈沖頻率成一定線性關(guān)系，V=0.1F(其中V為風速，單位：m/s；F為脈沖頻率,單位：赫茲Hz)，測量頻率輸出，如無輸出或輸出不正常，表示傳感器故障。

④雨量傳感器故障 雨量傳感器是所有傳感器中最簡單的。在確定各項參數(shù)設(shè)置正確及傳感器處于開啟狀態(tài)下，利用萬用表檢查雨量器兩個線纜是否短路，如未短路，翻轉(zhuǎn)計數(shù)翻斗，用萬用表的通斷檔測量雨量傳感器紅、黑接線柱的輸出信號，每翻轉(zhuǎn)一次，萬用表發(fā)出一聲短路提示音，未聽到短路提示音說明干簧管故障，需更換。按照以上方法對雨量傳感器進行排查，數(shù)據(jù)仍不能回復，說明主采集器雨量計數(shù)通道故障，需更換采集器，具體流程如圖4所示。

圖4 雨量傳感器故障及排除方法

2.2.4 通訊故障 通訊故障一般表現(xiàn)為終端業(yè)務(wù)計算機與自動站無法進行實時通信。目前的新型站主要是采用綜合集成硬件控制器接入業(yè)務(wù)計算機的，因此通訊故障后首先應(yīng)檢查綜合集成硬件控制器是否正常。如果硬件控制器正常的情況下，數(shù)據(jù)仍然不能收發(fā)，最為快捷的辦法是在計算機終端連續(xù)發(fā)送命令，查看光纖模塊上TX、RX指示燈是否閃爍，若不閃爍，需檢查光纖模塊線路(必須交叉)、業(yè)務(wù)軟件通信串口配置，若通信仍不正常，則用光纖測試筆檢查光纖線路是否完好。此外，光纖通信線共有3對，其中兩對為備用，啟用備份時注意收發(fā)需交叉接。日照儀和降水現(xiàn)象儀也是通過同種方式接入綜合集成硬件控制器，如在綜合集成硬件控制器正常情況下，出現(xiàn)日照或者降水現(xiàn)象數(shù)據(jù)缺測或者異常，針對降水現(xiàn)象儀可檢查供電系統(tǒng)、傳感器和鏡頭是否被污染等；對于日照儀可依次檢查供電系統(tǒng)、傳感器和玻璃罩長時間結(jié)霜或起霧等。

2.2.5 計算機及網(wǎng)絡(luò)故障 新型站的業(yè)務(wù)計算機需24 h開機運行，如果計算機設(shè)備老化、操作系統(tǒng)長期不穩(wěn)定，可能出現(xiàn)故障導致無法形成BRUF數(shù)據(jù)上傳[5-6]。短時不能恢復，應(yīng)及時啟用備份計算機上傳BRUF數(shù)據(jù)，待主機恢復正常后再進行切換。特別注意利用備份計算機上傳BRUF數(shù)據(jù)時，應(yīng)將BRUF數(shù)據(jù)全部剪切而不是復制，這樣避免修復主機后重復上傳BRUF數(shù)據(jù)。

3 小結(jié)

①自動站數(shù)據(jù)全要素缺測或異常時，可檢查相關(guān)業(yè)務(wù)軟件是否開啟，供電系統(tǒng)、綜合集成硬件控制器、觀測場到業(yè)務(wù)機的光纖通訊是否正常。

②部分要素缺測或異常時，首先檢查分采集器供電及通訊是否正常，最后才檢查相應(yīng)的傳感器。

③某觀測要素缺測或異常時，首先檢查傳感器的通道是否關(guān)閉，逐一排查線纜、傳感器、采集器等方面的故障。

④電源系統(tǒng)故障作為新型自動站主要故障，出現(xiàn)原因有多種。出現(xiàn)時，應(yīng)結(jié)合業(yè)務(wù)軟件數(shù)據(jù)顯示和各采集器指示燈狀態(tài)來初步判斷。