左湘文，張 磊，薛箏箏，徐 峰，劉青松

(1.中國氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預警與風險管理重點實驗室，銀川 750002；2.寧夏氣象防災減災重點實驗室，銀川750002；3.寧夏大氣探測技術保障中心，銀川 750006)

0 引言

國家級地面氣象觀測站是地面氣象觀測站網(wǎng)的主體，觀測要素有溫度、濕度、氣壓、雨量、風速、風向、地溫、能見度、日照、蒸發(fā)和降水現(xiàn)象等[1]。為氣象預報、氣象災害預警、氣候預測等氣象服務提供了及時、準確、全面的地面氣象觀測數(shù)據(jù)。隨著全國氣象部門業(yè)務體制改革的深入，對國家級地面氣象觀測站的穩(wěn)定、高效運行提出了更高要求。為了滿足這一需求，文章設計開發(fā)了一套智能化程度高，穩(wěn)定可靠的國家地面氣象觀測站運行監(jiān)控與技術支持系統(tǒng)。文章以實現(xiàn)國家級地面氣象觀測站觀測數(shù)據(jù)、設備運行狀態(tài)的獲取，以及監(jiān)控、設備維修流程的管理和設備維修遠程技術支持為目標，希望能夠促進國家級地面氣象觀測站維修保障效率的提升，促進國家級地面氣象觀測站穩(wěn)定運行。

1 系統(tǒng)結構設計

1.1 系統(tǒng)功能概述

國家級地面氣象觀測站可分為硬件和軟件兩部分：硬件分為自動氣象站和供電線路；軟件主要指的是收集氣象數(shù)據(jù)并編發(fā)報文的地面氣象觀測業(yè)務軟件[2，3](簡稱ISOS軟件)。除此之外，ISOS軟件還可收集部分自動氣象站設備的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，如主采集器、降水現(xiàn)象儀工作狀態(tài)和供電電壓等。通過研究開發(fā)，實現(xiàn)利用帶有短信傳輸功能的電力監(jiān)測模塊獲取供電監(jiān)測數(shù)據(jù)；通過在ISOS軟件部署數(shù)據(jù)采集軟件的方法獲取自動氣象站運行狀態(tài)數(shù)據(jù)；通過寧夏氣象信息綜合數(shù)據(jù)獲取實時和整點觀測數(shù)據(jù)。分析當前國家級地面氣象觀測站維修保障業(yè)務流程，得出合理的維修業(yè)務流程圖，實現(xiàn)維修過程記錄管理。建立國家級地面氣象觀測站運行監(jiān)控與技術支持系統(tǒng)Web接口，微信小程序客戶端和運行狀態(tài)采集軟件，實現(xiàn)對國家級地面氣象觀測站實時監(jiān)控、報警分析提示、國家級地面觀測站觀測數(shù)據(jù)和報警部件的三維展示，以及維修過程管理、系統(tǒng)數(shù)據(jù)的載入、轉儲、恢復和數(shù)據(jù)系統(tǒng)字典的維護功能等。

1.2 系統(tǒng)分層結構設計

國家地面氣象觀測站運行監(jiān)控與技術支持系統(tǒng)結構分為3層：數(shù)據(jù)層、服務接口層和表示層。第1層是數(shù)據(jù)層，該層為系統(tǒng)提供基礎數(shù)據(jù)訪問和二次加工數(shù)據(jù)的存儲底層服務，是系統(tǒng)的基礎。數(shù)據(jù)層的基數(shù)據(jù)主要有：結構化數(shù)據(jù)—臺站信息、臺站實時(5 min)、整點觀測數(shù)據(jù)、自動氣象站狀態(tài)數(shù)據(jù)、自動氣象站供電系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)系統(tǒng)存儲在數(shù)據(jù)庫中，非結構化數(shù)據(jù)存儲以文件的形式存儲在文件管理系統(tǒng)中；第2層是服務接口層，該層起到“承上啟下”作用，既為表示層提供接口化服務，也是數(shù)據(jù)層的直接使用者。服務接口層主要進行數(shù)據(jù)采集、發(fā)送、數(shù)據(jù)格式化、數(shù)據(jù)判斷分析和數(shù)據(jù)調度等工作；第3層是表示層，該層通過調用服務接口層的服務，經(jīng)過本層處理，實現(xiàn)與業(yè)務人員的交互。該層需完成的任務有：運行監(jiān)控信息數(shù)據(jù)圖形化顯示、故障報警、維修管理、運行評估和技術支持等。

2 系統(tǒng)功能及特點

2.1 系統(tǒng)功能布局

根據(jù)業(yè)務工作需求，同時充分考慮功能完整性和使用性[4]，將系統(tǒng)分為B/S結構的Web服務接口、實現(xiàn)維修流程管理和技術支持的微信小程序客戶端和C/S結構的運行狀態(tài)采集軟件。

2.2 系統(tǒng)功能介紹

2.2.1 Web服務接口功能介紹

1)運行監(jiān)控功能。該模塊實現(xiàn)了對國家級地面氣象觀測站的綜合硬件控制器運行狀態(tài)、采集器運行狀態(tài)、能見度儀運行狀態(tài)等6種狀態(tài)和風向、風速、氣壓等27項觀測數(shù)據(jù)的圖形化實時監(jiān)控；以微信的方式實現(xiàn)了報警的提醒和推送，也可通過3D實時展示定位并展示報警部件[5，6]。

2)運行評估。當用戶發(fā)起統(tǒng)計請求時，系統(tǒng)從維護維修信息、報警產(chǎn)品中提取統(tǒng)計需要的關鍵數(shù)據(jù)，并根據(jù)計算要求進行格式處理。根據(jù)所計算的內(nèi)容提取公式，將提取的關鍵數(shù)據(jù)帶入公式進行計算，得出計算結果，若結果異常則拋出異常提醒。最后整理計算結果，存入數(shù)據(jù)庫，并生成報表。

3)系統(tǒng)管理。實現(xiàn)國家級臺站網(wǎng)站后臺管理。在用戶權限模型方面，將用戶分為2類角色，即系統(tǒng)級角色和數(shù)據(jù)級角色。系統(tǒng)級角色維度分為管理員和功能用戶。遵循扁平化原則，在數(shù)據(jù)級維度分為區(qū)、市兩級用戶。

2.2.2 運行狀態(tài)采集軟件功能介紹

1)供電與網(wǎng)絡環(huán)境監(jiān)控。該軟件通過AT指令集實現(xiàn)了與供電線路參數(shù)監(jiān)視器的通信。每10 min采集1次市電電壓。每1 min采集1次網(wǎng)絡ping值，并上傳系統(tǒng)服務器。

2)獲取ISOS軟件和部分自動氣象站運行狀態(tài)。通過讀取ISOS軟件運行日志獲取軟件運行狀態(tài)。通過自動氣象站串口命令集獲取采集器、能見度儀、降水現(xiàn)象儀的運行狀態(tài)和綜合硬件控制器狀態(tài)。考慮到盡量減少ISOS業(yè)務計算機的負荷，每5 min獲取1次ISOS軟件和部分自動氣象站運行狀態(tài)，并上傳系統(tǒng)服務器。

2.2.3 微信小程序客戶端功能介紹

1)報警信息提醒與維修管理。用戶可以通過小程序實時監(jiān)控國家級自動氣象站運行狀態(tài)和觀測數(shù)據(jù)。在自動氣象站出現(xiàn)報警信息時，接收來自運行狀態(tài)信息發(fā)布模塊發(fā)送的報警信息產(chǎn)品，并向技術保障人員手機通知欄推送提醒信息，用戶可以直觀地查詢到是哪個臺站于何時發(fā)生了何種報警信息。在進入維修流程后，可通過小程序客戶端實現(xiàn)故障單的生成、現(xiàn)場二維碼認證、維修記錄更新、維修單上報和維修單審核管理功能。

2)在線技術支持。用戶可根據(jù)系統(tǒng)類型、部件類型檢索查詢需要的技術文檔。還可通過小程序與在遠端的技術專家通過文字、圖形或音視頻進行溝通，實現(xiàn)在線技術支持，需要共享技術文檔時，可將該技術文檔實時推送給現(xiàn)場維修人員[7，8]。

3 關鍵技術實現(xiàn)

3.1 設備運行監(jiān)控產(chǎn)品、運行環(huán)境監(jiān)測產(chǎn)品生成算法

該算法輸出數(shù)據(jù)來自設備運行監(jiān)控產(chǎn)品要素和故障報警產(chǎn)品要素，輸入數(shù)據(jù)來自自動氣象站觀測數(shù)據(jù)、運行狀態(tài)數(shù)據(jù)和供電線路監(jiān)控數(shù)據(jù)。

算法流程分為3個階段：1)對采集到的自動氣象站觀測數(shù)據(jù)、自動氣象站部分狀態(tài)數(shù)據(jù)、地面觀測系統(tǒng)供電監(jiān)控數(shù)據(jù)進行格式處理，使數(shù)據(jù)轉變?yōu)榭勺x數(shù)據(jù)格式，生成自動氣象站健康狀況監(jiān)測產(chǎn)品并存儲；2)對自動氣象站觀測數(shù)據(jù)和地面觀測系統(tǒng)供電監(jiān)控數(shù)據(jù)進行分析，對布爾型數(shù)據(jù)進行真假分析，對浮點數(shù)數(shù)據(jù)進行閾值判斷滑動窗口平均值比較分析，若分析結果正確則循環(huán)執(zhí)行，若結果錯誤則產(chǎn)生初始報警信息；3)檢查有無檢定到期的傳感器，檢查ASOM系統(tǒng)是否產(chǎn)生報警，若產(chǎn)生報警則進行同步處理。經(jīng)過相關性檢查后輸出最終的報警信息并存儲。

3.2 維修過程信息化管理實現(xiàn)

通過梳理維修反饋流程，實現(xiàn)了以自動氣象站故障報警為驅動，以GPS定位、NFC掃碼等技術手段為技術支點的維修信息管理。具體流程為：1)報警推送。當系統(tǒng)產(chǎn)生報警時將報警推送給站點所屬單位的維修人員，若未接單則每10 min推送1次，同時記錄接單響應時效。2)維修階段。接單響應之后生成故障信息，現(xiàn)場維修時利用手機NFC掃碼功能掃描故障部件二維碼完成現(xiàn)場維修驗證，每次現(xiàn)場維修后維修人員在現(xiàn)場填寫維修記錄，同時通過GPS定位技術記錄維修地點及維修時效，可記錄多次維修過程。3)關閉維修階段。故障修復后填寫故障總結和故障單，并關閉故障，故障單提交至區(qū)級技術保障單位進行審核，審核結束后故障流程結束。

4 結束語

國家級地面氣象觀測站運行監(jiān)控與技術支持系統(tǒng)開發(fā)完成后，在賀蘭縣氣象局投入試運行，縣級技術保障人員對系統(tǒng)的各個功能進行了驗證。系統(tǒng)在應用中得到了不斷完善，系統(tǒng)各個功能模塊業(yè)務邏輯與實際工作流程相符，能夠滿足實際業(yè)務工作需要，切實促進了國家級地面氣象觀測站維修保障效率的提升。