李文博，李宛桐，史 靜，姜 明，崔 明

(天津市氣象探測中心，天津 300061)

0 引言

我國是自然災(zāi)害多發(fā)的國家之一，各類災(zāi)害給人民生命和財(cái)產(chǎn)造成了巨大損失[1-2]。自動氣象站遍布街道、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、山區(qū)、湖泊，是地面氣象觀測站網(wǎng)的重要組成部分，在氣象預(yù)報(bào)預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用[3-4]。站點(diǎn)大規(guī)模建設(shè)的同時對運(yùn)行維護(hù)和技術(shù)保障工作提出了前所未有的考驗(yàn)與挑戰(zhàn)[4]。由于站點(diǎn)受設(shè)備質(zhì)量、站點(diǎn)環(huán)境、保障能力等影響，其系統(tǒng)性能、故障損耗、設(shè)備狀態(tài)等難以及時地全面掌握，無法對設(shè)備運(yùn)行狀況做出綜合性的客觀評價(jià)。此外，隨著站點(diǎn)使用年限增加，各類故障出現(xiàn)頻次逐年上升，在站點(diǎn)基數(shù)較大、保障人力物力有限的情況下，運(yùn)行維修成本不斷增加。僅以天津市統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為例，全市區(qū)域自動氣象站每年平均發(fā)生故障350余站次，維護(hù)維修消耗備件330余件次，維護(hù)維修年行車?yán)锍坛^11萬公里。

根據(jù)國家氣象部門氣象裝備未來業(yè)務(wù)發(fā)展規(guī)劃，預(yù)防性運(yùn)維將成為今后的主要研究方向和維護(hù)方式，在降低氣象觀測數(shù)據(jù)缺失風(fēng)險(xiǎn)的同時，及時發(fā)出故障預(yù)警、準(zhǔn)確定位設(shè)備故障，降低運(yùn)維成本。故障預(yù)測與健康管理(PHM,prognostics and health management)技術(shù)理念與自動氣象站運(yùn)行管理與技術(shù)保障具有較好的兼容性，它是指利用各種傳感器，廣泛獲取設(shè)備的狀態(tài)信息，借助各種智能算法評估設(shè)備本身的健康狀態(tài)并對故障的發(fā)展進(jìn)行預(yù)測[5]。近年來，我國PHM技術(shù)研究在關(guān)鍵技術(shù)、智能故障診斷及預(yù)測算法方面都有了研究和應(yīng)用[6]，諸多相關(guān)研究課題被列入“863”發(fā)展計(jì)劃[7-9]。國內(nèi)在PHM技術(shù)研究和應(yīng)用方面當(dāng)前處于技術(shù)探索階段[10]。PHM技術(shù)理念與自動氣象站運(yùn)行管理與技術(shù)保障具有較好的兼容性，具備開展深入研究的技術(shù)條件。目前基于PHM的自動氣象站方面相關(guān)研究開展不多，僅有程永明等[11]基于GIS和天氣實(shí)況及預(yù)報(bào)分析出天氣等外部環(huán)境引起的可能出現(xiàn)故障的站點(diǎn)，在一定程度上解決了站點(diǎn)維修的滯后性，但該方法較為依賴GIS數(shù)據(jù)和天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，且數(shù)據(jù)更新存在缺陷，局限性較強(qiáng)。此外未查閱到其它學(xué)者在該方面的研究成果。

針對自動氣象站提出一種基于PHM的站點(diǎn)健康評價(jià)和故障預(yù)判方法，該方法的創(chuàng)新點(diǎn)在于：一是以“健康值”作為綜合指標(biāo)反映自動氣象站當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)用層次分析法將諸多定性問題定量化處理，直觀體現(xiàn)站點(diǎn)的“健康”程度；二是利用自動氣象站狀態(tài)信息進(jìn)行故障預(yù)判，對其中電源和通訊狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析，為供電和通訊故障的預(yù)防性運(yùn)維提供技術(shù)支撐，也為自動氣象站未來故障預(yù)測技術(shù)研究與發(fā)展提供借鑒思路。

1 總體方案

自動氣象站的健康評價(jià)與故障預(yù)判分別以實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)的直觀量化健康狀態(tài)評估結(jié)果和及時故障預(yù)判告警為目標(biāo)，基于現(xiàn)有站點(diǎn)的各類數(shù)據(jù)信息通過相應(yīng)方法實(shí)現(xiàn)上述功能。其中健康評價(jià)方法以站點(diǎn)固有屬性、運(yùn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、維護(hù)維修信息、站點(diǎn)故障信息為基礎(chǔ)，通過層次分析法確定各相關(guān)因子的權(quán)重，最終計(jì)算得到站點(diǎn)的“健康值”；故障預(yù)判方法根據(jù)站點(diǎn)運(yùn)行監(jiān)控信息和故障信息，結(jié)合歷史極值設(shè)置告警閾值實(shí)現(xiàn)供電和通訊故障的及時預(yù)判。方法的整體方案和主要流程如圖1所示。

圖1 總體方案和流程

2 健康評價(jià)方法

2.1 健康評價(jià)體系的構(gòu)建

目前，國內(nèi)尚未對自動氣象站開展健康評價(jià)的研究與應(yīng)用，依照“量化評估、直觀展現(xiàn)、盡量客觀”的理念，按照層次分析法的基本思路[12-14]，將綜合評價(jià)的影響因素按互相支配、隸屬的關(guān)系分成不同層次，用線段將下層因素和上層有隸屬關(guān)系的屬性聯(lián)接，將指標(biāo)聚合成有序的遞階層次結(jié)構(gòu)。通過收集、整理有關(guān)文獻(xiàn)資料，并結(jié)合長期自動氣象站建設(shè)和維護(hù)工作經(jīng)驗(yàn)，對影響站點(diǎn)健康狀況的關(guān)鍵因素進(jìn)行了集中梳理和整合，將自動氣象站健康評價(jià)指標(biāo)體系分為四層：目標(biāo)層A、準(zhǔn)則層B、準(zhǔn)則層C和指標(biāo)層D，如圖2所示?；诖丝蚣?，自動氣象站健康評價(jià)的思路如下：首先，根據(jù)層次分析法計(jì)算各層之間各因子所占的權(quán)重系數(shù)；其次，根據(jù)設(shè)備特點(diǎn)、環(huán)境狀況等條件建立評級因子等級劃分標(biāo)準(zhǔn)；再次，根據(jù)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)和權(quán)重系數(shù)，計(jì)算各層評價(jià)分?jǐn)?shù)；最終得到以“健康值”為表征的站點(diǎn)綜合健康評價(jià)指標(biāo)。

圖2 自動氣象站健康評價(jià)體系層次結(jié)構(gòu)圖

2.2 構(gòu)造判斷矩陣

判斷矩陣表示上一層次的某一因素與本層次有關(guān)因素之間相對重要性的比較。如對某一準(zhǔn)則，對其下的方案進(jìn)行兩兩比較，按其重要性程度評定等級(一般為9個比例標(biāo)度)，兩兩比較結(jié)果構(gòu)成的矩陣稱之為判斷矩陣。判斷矩陣的構(gòu)成是層次分析法的關(guān)鍵一步，通常通過專家咨詢完成。為保證判斷矩陣構(gòu)造的合理性，我們在全國范圍內(nèi)甄選了11位相關(guān)專家進(jìn)行了綜合評價(jià)打分，專家范圍包括國家級、省級業(yè)務(wù)技術(shù)和管理專家，以及儀器設(shè)備生產(chǎn)廠家及維保單位技術(shù)骨干。表1～表3展示了其中一位專家目標(biāo)層A、準(zhǔn)則層(系統(tǒng)設(shè)備B1)、準(zhǔn)則層(設(shè)備質(zhì)量C1)判斷矩陣示例。

表1 B1、B2、B3滿足A判斷矩陣

表2 C1、C2滿足B1判斷矩陣

表3 D1、D2、D3滿足C1判斷矩陣

2.3 權(quán)重值計(jì)算

由全部專家打分，將評價(jià)體系指標(biāo)進(jìn)行逐層遞階兩兩比較得到成對比較矩陣，再計(jì)算出每位專家對評價(jià)模型指標(biāo)的權(quán)重值，即計(jì)算判斷矩陣每一行元素乘積的n次方根，然后歸一化求解出判斷矩陣最大特征值λmax和特征向量W，特征向量W即為該層權(quán)重。

2.4 一致性檢驗(yàn)

層次分析法的主要優(yōu)點(diǎn)是將決策者的定性思維過程定量化，所以在模型化過程中必須保持判斷矩陣的邏輯一致性。一致性檢驗(yàn)的步驟為：計(jì)算一致性指標(biāo)CI、確定相應(yīng)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI、計(jì)算一致性比率CR。當(dāng)CR<0.1時，認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的；反之，認(rèn)為判斷矩陣不符合一致性要求，需要對該判斷矩陣進(jìn)行重新修正。

上述示例中，準(zhǔn)則層B權(quán)重向量W及一致性檢驗(yàn)CR計(jì)算結(jié)果見表4。最大特征值λmax=3.012 6，一致性檢驗(yàn)CR=0.010 86<0.1。

表4 B-A判斷矩陣及層次排序結(jié)果表

計(jì)算指標(biāo)層D對應(yīng)目標(biāo)層A的組合權(quán)重，則可以分析各指標(biāo)對總目標(biāo)的影響大小。上述示例中，D1、D2、D3的組合權(quán)重向量WDi-A(i=1,2)為該路徑上相關(guān)向量的乘積，計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 D1、D2、D3對應(yīng)目標(biāo)層組合權(quán)重值表

2.5 “健康值”計(jì)算

健康值是反映探測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的綜合指標(biāo)，與準(zhǔn)則層和指標(biāo)層息息相關(guān)。在計(jì)算其大小時，其相關(guān)指標(biāo)必須是可量化的。為此，選取D1～D16及C4和C6作為健康值的相關(guān)因子，其等級劃分標(biāo)準(zhǔn)、分支和對應(yīng)權(quán)重如表6所示，其中，權(quán)重通過2.3節(jié)所述方法計(jì)算得到，分值在分析相關(guān)因子對實(shí)際業(yè)務(wù)影響程度的基礎(chǔ)上由專家討論得出。

表6 相關(guān)因子等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

從而建立起“健康值”與相關(guān)因子的關(guān)系模型，如公式(1)所示：

(1)

式中，S為設(shè)備的“健康值”，k為相關(guān)因子的個數(shù)(在本文體系中為18)，WDi-A為相關(guān)因子的權(quán)重，xi為相關(guān)因子的分值。

3 供電和通訊故障預(yù)判方法

3.1 供電類故障分析與預(yù)判方法

供電系統(tǒng)是整個站點(diǎn)正常工作的“源動力”。目前天津市自動氣象站均采用蓄電池供電的方式，與市電供電方式相比，其穩(wěn)定性較差[11]，依賴于太陽能板和蓄電池的產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)性能，且與所處位置和天氣情況相關(guān)。

根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)，供電系統(tǒng)故障主要表現(xiàn)為以下幾類：1)太陽能板受外界影響(長時間陰天或霧霾、異物遮擋等)無法為蓄電池正常充電；2)太陽能板損壞無法為蓄電池正常充電；3)蓄電池故障(一般為電池老化，內(nèi)阻過大、電池容量降低等)；4)主板供電模塊故障導(dǎo)致無法為蓄電池正常充電；5)供電系統(tǒng)線路故障；6)自動站部分部件損壞異常耗電。經(jīng)初步統(tǒng)計(jì)，近年來造成站點(diǎn)供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障的最主要原因：1)連續(xù)數(shù)日霧霾或陰天導(dǎo)致太陽能板充電電壓不足，蓄電池充電少、放電多，最終虧電無電流輸出；2)蓄電池正常老化，性能衰減，充放電能力不足導(dǎo)致虧電無電流輸出；3)異物遮擋太陽能板導(dǎo)致無法充電。

從供電系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)來看，根據(jù)目前能夠掌握的自動氣象站狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，能夠反映供電系統(tǒng)是否正常工作的狀態(tài)信息有：蓄電池電壓、蓄電池放電電流、太陽能板充電電壓。3類狀態(tài)信息與上文所述6種故障狀態(tài)一一對應(yīng)，具體如圖3。

圖3 供電系統(tǒng)故障表現(xiàn)與狀態(tài)信息對應(yīng)情況

通過圖3可見，供電系統(tǒng)狀態(tài)信息中蓄電池電壓是決定能夠?yàn)樽詣诱菊９╇姷臎Q定性因素，而太陽能板充電電壓和蓄電池放電電流是導(dǎo)致蓄電池電壓異常的原因。因此，供電系統(tǒng)故障的預(yù)判可通過“兩級預(yù)判”的形式開展，即：第一級預(yù)判為判斷太陽能板充電電壓、蓄電池滿電電壓和蓄電池放電電流是否正常，第二級預(yù)判判斷蓄電池電壓是否達(dá)到預(yù)警閾值。第一級預(yù)判對應(yīng)“關(guān)注告警”，說明供電系統(tǒng)在一定程度上或在某些方面存在問題，需向運(yùn)行監(jiān)控人員發(fā)出提示并持續(xù)關(guān)注；第二級預(yù)判對應(yīng)“風(fēng)險(xiǎn)告警”，說明電池在正常使用情況下可能很快到達(dá)電壓臨界并結(jié)束供電，需保障人員及時赴現(xiàn)場處理。根據(jù)上述思路，對3種供電系統(tǒng)狀態(tài)信息進(jìn)行查詢統(tǒng)計(jì)計(jì)算分析，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)及技術(shù)手冊確定兩級預(yù)判的閾值。

1)太陽能板充電電壓告警閾值：太陽能板充電電壓取決于所處位置的光照環(huán)境，主要因素為白天和黑夜，白天光照較為充足，太陽能板輸出電壓持續(xù)較高，不斷為蓄電池補(bǔ)充電能；傍晚太陽落山光線減少，輸出電壓迅速降低；夜間零光照情況下太陽能板僅由于連接負(fù)載而產(chǎn)生的5 V電壓；清晨太陽出來后，光線逐漸增加，輸出電壓迅速增大。由于全年四季日照時長不同，為了明確區(qū)分正常充電時段、非充電時段及過度時段，計(jì)算了50個站點(diǎn)歷史數(shù)據(jù)各整點(diǎn)時次太陽能板輸出電壓的平均值，如圖4所示。

圖4 全年各整點(diǎn)時次太陽能板輸出電壓平均值

根據(jù)技術(shù)手冊，12 V鉛酸蓄電池充電電壓約在15.4 V以上，因此由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可做如下判斷：在全年各種光照條件下，8∶00-17∶00太陽能板輸出電壓保持在15.4 V以上，為正常充電時段；21∶00-次日4∶00太陽能板輸出電壓保持5 V左右，為零光照非充電時段；5∶00-7∶00和18∶00-20∶00為過渡階段。因此，正常充電時段應(yīng)為蓄電池持續(xù)充電的時段，為了設(shè)定太陽能板充電電壓閾值，統(tǒng)計(jì)了50個站點(diǎn)供電系統(tǒng)全部狀態(tài)信息，得到在該時段內(nèi)A2170站于4月15日17∶00出現(xiàn)了最低太陽能板充電電壓，為9.4 V，前后時次充電電壓均正常，由于該時次充電電壓不足，導(dǎo)致蓄電池電壓下降0.4 V，又受太陽輻射降低的影響，下一時次蓄電池電壓并為得到提高，但未影響自動站的供電。具體電壓變化情況如圖5所示。因此，太陽能板充電電壓歷史最小極值為9.4 V，故其告警電壓閾值設(shè)置為9.4 V，根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)，低于閾值持續(xù)3小時后觸發(fā)關(guān)注告警。

圖5 A2170站點(diǎn)太陽能板充電電壓歷史極值

2)蓄電池壓降速度告警閾值：隨著鉛酸蓄電池使用年限增加，蓄電池性能逐漸退化，內(nèi)阻逐漸增加，蓄電池歐姆內(nèi)阻值的增量是蓄電池性能退化的重要指示器[15-16]。測量蓄電池內(nèi)阻目前主要有密度法、開路電壓法、直流放電法、交流法等[17]，但由于電池內(nèi)阻測量需要專用設(shè)備，而自動氣象站并為配備相關(guān)儀器，無法通過直接測量蓄電池內(nèi)阻進(jìn)而估計(jì)蓄電池剩余壽命，只能通過現(xiàn)有的蓄電池電壓變化情況進(jìn)行較粗略的估算。蓄電池老化直接導(dǎo)致電池容量降低，進(jìn)而加快蓄電池的電壓下降速度，因此可以間接通過電壓下降情況進(jìn)行分析計(jì)算。

根據(jù)前期試驗(yàn)驗(yàn)證，自動氣象站在正常工作時整站功耗基本保持恒定，幾乎不受外界環(huán)境的變化影響[18]。結(jié)合圖4的分析，21∶00-次日4∶00期間蓄電池處于純放電階段，而自動氣象站功耗一定，則該時段內(nèi)的蓄電池電壓下降速度可以反映電池老化程度。對50個站點(diǎn)全年21∶00-次日4∶00期間蓄電池逐小時電壓下降情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得到全部站點(diǎn)逐小時蓄電池電壓下降平均值如圖6所示，期間各站點(diǎn)平均電壓下降幅度為0.16 V，單站電壓下降幅度極值出現(xiàn)在A2126站點(diǎn)2月18日21∶00-19日4∶00，蓄電池電壓下降0.8 V。

圖6 蓄電池夜間逐小時電壓下降情況統(tǒng)計(jì)

4∶00蓄電池電壓為12.8 V并持續(xù)至7∶00，太陽輻射增加后8∶00電壓升至13.8 V，此后未出現(xiàn)異常。因此，A2126站點(diǎn)在夜間蓄電池電壓下降0.8 V的情況下仍未影響站點(diǎn)正常工作，因此可將該值作為蓄電池夜間壓降速度告警閾值，且達(dá)到閾值即觸發(fā)關(guān)注告警。

3)蓄電池放電電流閾值：根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，CAWS600-R(T)自動氣象站在搭載全要素傳感器觀測時，其放電電流在0.1 A以下，2要素站點(diǎn)放電電流試驗(yàn)最大值不超過67.5 mA，4要素站點(diǎn)放電電流試驗(yàn)最大值不超過97.5 mA[19]。目前，部分自動站狀態(tài)信息中含有蓄電池放電電流信息，由于采集器和搭載傳感器型號不同，放電電流與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)略有差別，但依然可以作為歷史經(jīng)驗(yàn)值設(shè)置蓄電池放電電流的閾值。經(jīng)過對50個站點(diǎn)全部21∶00-次日4∶00期間放電電流數(shù)據(jù)的分析，不同要素站點(diǎn)放電電流情況如表7所示。

表7 不同要素最大放電電流情況

由于帶有放電電流狀態(tài)數(shù)據(jù)的站點(diǎn)中4要素站點(diǎn)數(shù)量較多，因此數(shù)據(jù)分析具有較高的實(shí)際價(jià)值。4要素站點(diǎn)最大放電電流為220 mA，該站點(diǎn)對應(yīng)歷史平均電流為97.3 mA，遠(yuǎn)高于58.3 mA的4要素站平均放電電流。查看了該站點(diǎn)具體歷史記錄，夜間放電電流一直處于210 mA左右的水平，遠(yuǎn)大于其它站點(diǎn)，原因尚未查明，但該放電電流并未影響電池使用。結(jié)合該站數(shù)據(jù)和7要素站點(diǎn)放電電流、蓄電池電壓變化數(shù)據(jù)，放電電流大小與蓄電池電壓下降幅度呈正比例線性關(guān)系，放電電流每100 mA約對應(yīng)蓄電池電壓下降0.1 V/h。為了能夠保證蓄電池能夠以足夠的電量度過夜間無太陽輻射時期的8個小時，且電壓不低于11.1 V的極限值[18,20]，可以計(jì)算得到放電電流閾值為3 A，高于閾值3 h后觸發(fā)關(guān)注告警。

4)蓄電池電壓閾值:自動氣象站供電系統(tǒng)包含太陽能充電控制器，該控制器具備過充和過放保護(hù)功能，當(dāng)蓄電池電壓低于11.1 V時，進(jìn)入過放保護(hù)，停止對系統(tǒng)供電。為了能夠提前預(yù)判蓄電池故障，電壓告警閾值應(yīng)高于11.1 V，為提前維護(hù)維修爭取足夠的時間。對50個站點(diǎn)蓄電池最低電壓進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，電壓分布情況如圖7所示，歷史數(shù)據(jù)中最低電壓為12.3 V，經(jīng)過查閱維修維護(hù)資料，該電壓并未導(dǎo)致蓄電池故障。因此，可將該值作為蓄電池電壓閾值(風(fēng)險(xiǎn)告警閾值)。

圖7 50個站點(diǎn)最低電壓出現(xiàn)次數(shù)

3.2 通訊類故障分析與預(yù)判

自動氣象站通訊故障一般表現(xiàn)為自動站數(shù)據(jù)無法傳輸至中心站數(shù)據(jù)庫[21]，由于自動氣象站均布設(shè)在野外，數(shù)據(jù)傳輸方式采用SIM卡的形式，因此其通訊故障主要來源于兩個方面，一是通訊模塊硬件故障，二是自動站所處位置移動信號較弱或無信號，導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)無法上傳或延遲上傳。而根據(jù)目前自動氣象站技術(shù)組成，無法對通訊模塊進(jìn)行實(shí)時狀態(tài)監(jiān)控，因此硬件故障無有效方式進(jìn)行預(yù)判，而移動信號強(qiáng)度可以根據(jù)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷。

移動信號強(qiáng)度直接影響自動氣象站觀測數(shù)據(jù)傳輸。對通訊類故障采用一級預(yù)判，即發(fā)現(xiàn)信號強(qiáng)度問題立即觸發(fā)風(fēng)險(xiǎn)告警，說明信號非常弱或已經(jīng)消失，可能出現(xiàn)較嚴(yán)重的延遲到報(bào)或已經(jīng)缺報(bào)。對50個站點(diǎn)全年信號強(qiáng)度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，各個站點(diǎn)受當(dāng)?shù)剡\(yùn)營商發(fā)射信號強(qiáng)度及所處位置影響，信號強(qiáng)度各有不同，具體情況如圖8所示。各站點(diǎn)平均信號強(qiáng)度為26.8 dB，信號強(qiáng)度最好的站點(diǎn)平均信號強(qiáng)度達(dá)到31.0 dB，信號強(qiáng)度最差的站點(diǎn)平均信號強(qiáng)度達(dá)到18.7 dB。表8統(tǒng)計(jì)了50個站點(diǎn)中全年信號較弱或無信號的個例及對應(yīng)時次到報(bào)情況。

圖8 各站點(diǎn)平均信號強(qiáng)度

由表8可知，全部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，信號強(qiáng)度為0時共發(fā)生3個時次，對應(yīng)時次均無數(shù)據(jù)傳輸，直至信號回復(fù)后延遲到報(bào)。信號強(qiáng)度最弱值為4 dB，經(jīng)過查詢該時次以及信號較弱的7 dB、9 dB對應(yīng)時次均正常到報(bào)，說明4 dB可以滿足信號的傳輸。由于未在相關(guān)技術(shù)手冊中查閱到自動氣象站對移動信號強(qiáng)度的最低要求，因此可將4 dB作為信號強(qiáng)度的風(fēng)險(xiǎn)告警閾值。

表8 信號較弱或無信號的個例

3.3 故障預(yù)判流程

在日常設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控中，定時(間隔最長不超過1小時)對太陽能板充電電壓、蓄電池電壓、蓄電池放電電流、信號強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)控，與閾值比較后判斷是否需要發(fā)出告警。根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)，太陽能板充電電壓、蓄電池電壓下降幅度、蓄電池放電電流三項(xiàng)狀態(tài)指標(biāo)分別滿足閾值和持續(xù)時間條件后觸發(fā)關(guān)注告警，運(yùn)行監(jiān)控人員予以重點(diǎn)關(guān)注，待蓄電池電壓低于閾值后，或者信號強(qiáng)度低于閾值后觸發(fā)風(fēng)險(xiǎn)告警，維修維護(hù)人員應(yīng)前往維修查看排除故障。由于上述狀態(tài)指標(biāo)均為歷史數(shù)據(jù)極值和經(jīng)驗(yàn)值，因此閾值采取動態(tài)調(diào)整策略，即若某次某項(xiàng)狀態(tài)數(shù)據(jù)低于閾值觸發(fā)告警但并未引起實(shí)際故障，則由人工根據(jù)具體數(shù)值和站點(diǎn)情況進(jìn)行閾值調(diào)整和優(yōu)化。

供電系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)故障預(yù)判流程如圖9所示。

圖9 故障預(yù)判流程圖

4 健康評價(jià)體系的主觀權(quán)重結(jié)果分析

4.1 因子權(quán)重分析

通過對全部專家判斷矩陣的數(shù)據(jù)處理，得出了所有影響因子項(xiàng)在各層及總目標(biāo)中的權(quán)重情況。分析因子權(quán)重路徑圖，見表9。由表可知，相較于設(shè)備本身，人們對設(shè)備安裝條件、備品備件儲備支持情況及潛在故障風(fēng)險(xiǎn)等指標(biāo)更為關(guān)心，原因在于氣象部門現(xiàn)行的裝備保障體制。由于氣象裝備市場的規(guī)范性，所有進(jìn)入業(yè)務(wù)列裝的儀器設(shè)備均需符合相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范，且需經(jīng)過長期的測試及評估，其設(shè)備質(zhì)量和性能均有較為嚴(yán)格的保證，因此，系統(tǒng)設(shè)備本身在綜合評價(jià)和運(yùn)維管理中的關(guān)注度較低。

表9 因子權(quán)重路徑圖

值得注意的是，專家普遍認(rèn)為，潛在故障風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)的指標(biāo)在氣象探測設(shè)備的綜合評價(jià)中最為重要，如表10所示?？梢岳斫鉃椋S著設(shè)備自身老化，其運(yùn)行穩(wěn)定性和觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度就會不斷下降；而且，從站點(diǎn)安全性角度來看，設(shè)備曾經(jīng)發(fā)生過外力破壞或不可抗力的影響次數(shù)越多，其存在的安全風(fēng)險(xiǎn)等級就越高，設(shè)備“健康狀況”就越值得關(guān)注。

表10 D15、D16對應(yīng)目標(biāo)層組合權(quán)重值表

4.2 因子逐層分析

從目標(biāo)層的因子堆積圖(圖10)中可知，對于氣象探測設(shè)備的綜合評價(jià)，裝備保障能力的重要程度超過了系統(tǒng)設(shè)備與環(huán)境之和，且系統(tǒng)環(huán)境的重要性也遠(yuǎn)高于設(shè)備本身。這個結(jié)論客觀反映了現(xiàn)行體制下，在對氣象探測設(shè)備“健康狀況”的綜合評價(jià)中，人們更關(guān)注系統(tǒng)所處的探測環(huán)境對觀測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響，以及裝備保障能力對設(shè)備能否長久穩(wěn)定運(yùn)行的支持程度。

圖10 目標(biāo)層因子堆積圖

對系統(tǒng)環(huán)境準(zhǔn)則層B2(圖11)進(jìn)行分析，設(shè)備安裝條件的因子權(quán)重為75%，系統(tǒng)觀測環(huán)境僅為25%。觀測環(huán)境的優(yōu)劣雖然能對觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性造成一定的影響，但仍在一定程度上反映了站點(diǎn)所在環(huán)境的氣象條件，而安裝條件的好壞則直接影響了設(shè)備能否真實(shí)測量到自然環(huán)境。以自動氣象站為例，有研究表明，防輻射通風(fēng)罩安裝條件下的溫度、濕度觀測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度比百葉箱安裝環(huán)境略差；測風(fēng)塔對風(fēng)觀測的影響比風(fēng)桿略大。這種人為差異化的安裝，對客觀評價(jià)氣象探測設(shè)備數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性方面存在一定影響。

圖11 準(zhǔn)則層B2的因子堆積圖

在維護(hù)維修情況(準(zhǔn)則層C5)的因子堆積圖(圖12)中，行程難易程度影響權(quán)重較大(51%)。這給了我們站點(diǎn)布局選址方面很好的啟示，在滿足觀測代表性前提下，應(yīng)盡量考慮維護(hù)可行性和便捷性，這對于提高氣象探測設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行能夠起到較好的支撐。

圖12 準(zhǔn)則層C5的因子堆積圖

4.3 評分穩(wěn)定性分析

對于各位專家評分的穩(wěn)定性，我們也作了相應(yīng)分析，如表11所示。從表中可以看出專家評分標(biāo)準(zhǔn)差遠(yuǎn)小于平均值，表明11名專家打分穩(wěn)定有效。

表11 專家評分穩(wěn)定性

5 應(yīng)用驗(yàn)證與分析

為了更便捷地應(yīng)用上述健康評價(jià)與故障預(yù)判方法，開發(fā)了“自動氣象站PHM分析”軟件系統(tǒng)，通過將相關(guān)權(quán)重、站點(diǎn)信息、閾值等信息導(dǎo)入系統(tǒng)，同時獲取業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中站點(diǎn)狀態(tài)信息，自動進(jìn)行站點(diǎn)健康評價(jià)和故障預(yù)判，在實(shí)際業(yè)務(wù)中發(fā)揮了一定作用，為自動氣象站的運(yùn)行維護(hù)提供了新的方式和途徑。同時也在實(shí)際運(yùn)行過程中，不斷發(fā)現(xiàn)該方法存在的問題并進(jìn)行優(yōu)化。

5.1 站點(diǎn)健康評價(jià)實(shí)例與分析

2021年6月13日夜間，天津市發(fā)生一次降水過程，普降中到大雨，局部暴雨，部分站點(diǎn)出現(xiàn)降水量異常情況。以2021年6月14日8:00為時間節(jié)點(diǎn)，在天津市轄區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取10個域自動氣象站，查看其健康評價(jià)結(jié)果，如圖13所示。

圖13 自動氣象站健康評價(jià)結(jié)果

為了驗(yàn)證上述健康評價(jià)結(jié)果的合理性和可用性，對所涉及的站點(diǎn)及其差異情況進(jìn)行分析。

寧河潘莊鎮(zhèn)和小白樓運(yùn)行情況較好，綜合評價(jià)結(jié)果為97.5分。西青楊柳青和珠江里分別于當(dāng)日發(fā)生雨量筒堵塞，造成降水量數(shù)據(jù)缺測，業(yè)務(wù)可用性數(shù)據(jù)降低，兩站綜合評價(jià)結(jié)果分別為97.1和97.0。北辰辛侯莊于本月出現(xiàn)1次故障，綜合評價(jià)結(jié)果為94.5。濱海新區(qū)官港水庫運(yùn)行情況較好，但其位于沿海地帶，受高濕高鹽環(huán)境影響較為嚴(yán)重，對維修維護(hù)工作的要求較高，屬于設(shè)備的潛在風(fēng)險(xiǎn)，綜合評價(jià)結(jié)果91.5分。濱海新區(qū)劉崗莊于前一日起缺報(bào)并持續(xù)故障19小時，濱海新區(qū)北大港水庫降水量缺失4小時且本月前已發(fā)生過一次故障，兩站綜合評價(jià)結(jié)果分別為88.21和88.08。薊州九百戶和薊州西大峪兩站運(yùn)行情況較好，但綜合評價(jià)僅有80.5分和75.5分，主要原因在于兩個站備品備件在所在地保障分中心缺乏儲備，對于故障持續(xù)時間、業(yè)務(wù)可用性和觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性都具有重要的影響，因此兩站雖穩(wěn)定運(yùn)行但健康值得分較低

通過分析可知，健康值較高說明站點(diǎn)整體運(yùn)行穩(wěn)定，未存在較為嚴(yán)重的故障或潛在風(fēng)險(xiǎn)；健康值較低說明站點(diǎn)存在較為嚴(yán)重的故障或潛在風(fēng)險(xiǎn)。通過健康評價(jià)，可以直觀有效地對站點(diǎn)運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控和分析，提醒運(yùn)行監(jiān)控人員對個別站點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注和維護(hù)維修，有助于站點(diǎn)的保障與管理，提升氣象裝備保障效能。

5.2 故障預(yù)判應(yīng)用實(shí)例

軟件應(yīng)用以來，共觸發(fā)關(guān)注告警2次，均為太陽能板充電電壓連續(xù)3小時低于閾值，其電壓值分別為9.3 V和9.2 V，發(fā)出了關(guān)注告警，值班人員對其進(jìn)行了重點(diǎn)監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)站點(diǎn)并未出現(xiàn)電源系統(tǒng)故障，故將該項(xiàng)閾值調(diào)整至9.2 V，根據(jù)站點(diǎn)位置分析了充電電壓較低的原因，系站點(diǎn)南側(cè)樹木遮擋所致。

由于近年來華北地區(qū)空氣質(zhì)量得到明顯改善，霧霾天氣出現(xiàn)頻次降低，各站點(diǎn)供電情況良好，供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障的頻率較低，因此觸發(fā)兩級告警的頻次較低。該預(yù)判思路與軟件系統(tǒng)需依靠更多的數(shù)據(jù)支撐方可提高預(yù)判準(zhǔn)確性。

6 結(jié)束語

根據(jù)目前自動氣象站維護(hù)管理中存在的問題，結(jié)合自動氣象站自身數(shù)據(jù)信息，基于PHM技術(shù)理念提出了一種自動氣象站健康評價(jià)和故障預(yù)判的方法?；趯哟畏治龇?，建立了氣象探測設(shè)備綜合評價(jià)模型。該模型以專家打分?jǐn)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用層次分析法計(jì)算各因子權(quán)重，最后根據(jù)評級因子數(shù)據(jù)計(jì)算設(shè)備實(shí)時的健康值，從而建立起氣象探測設(shè)備運(yùn)行健康狀況的實(shí)時健康模型，能夠幫助業(yè)務(wù)人員更加直觀地了解各個站點(diǎn)的“健康狀態(tài)”、是否存在故障或潛在風(fēng)險(xiǎn)，為維修維護(hù)決策提供有力幫助?；谡军c(diǎn)電源和通訊狀態(tài)信息，形成了針對自動氣象站電源和通訊故障“兩級告警”的預(yù)判方法，根據(jù)疑似故障的嚴(yán)重程度，分為“關(guān)注告警”和“風(fēng)險(xiǎn)告警”，及時通過站點(diǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)故障風(fēng)險(xiǎn)，提醒運(yùn)行監(jiān)控人員關(guān)注和提前維護(hù)維修。通過開發(fā)軟件實(shí)現(xiàn)了上述預(yù)判思路，運(yùn)行期間及時發(fā)出關(guān)注告警，取得了一定的效果。

相比于傳統(tǒng)的氣象探測設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控和評價(jià)方法，該方法具有以下特點(diǎn)。1)方法科學(xué)，層次分析法是一種利用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法得到最優(yōu)方案的決策方法，在設(shè)備運(yùn)行管理方面也具有較強(qiáng)的適用性，能夠在氣象探測設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控業(yè)務(wù)中應(yīng)用；2)結(jié)果直觀，將“健康評價(jià)”的概念用于設(shè)備的健康管理之中，通過層次分析法將定性的問題定量化處理，得到直觀可見的“健康值”，設(shè)備健康狀態(tài)優(yōu)劣顯而易見；三是預(yù)判及時，將歷史狀態(tài)極值與實(shí)際故障相結(jié)合，通過分級告警的形式，及時判斷站點(diǎn)設(shè)備故障并發(fā)出告警，在一定程度上縮短了故障持續(xù)時間，使設(shè)備維護(hù)維修精準(zhǔn)化、高效化。

然而，作為PHM在自動氣象站運(yùn)行管理和維護(hù)方面的初步探索，該方法存在一定的短板需要繼續(xù)深入探究。主要包括：一是層次分析法作為一種主觀確定權(quán)重的方法，其最終判斷結(jié)果與實(shí)際情況存在一定的差距，尤其是打分專家人數(shù)無法做到足夠多的情況，權(quán)重的確定有一定的片面性，會對最終結(jié)果產(chǎn)生影響；二是故障預(yù)判所利用的站點(diǎn)信息數(shù)據(jù)量不足，閾值的設(shè)定存在不合理的可能性，對預(yù)判結(jié)果的準(zhǔn)確性造成影響。