劉志鵬，葉日新，黃 伶，武孟祥，陳 科

(常德市氣象局，常德 415000)

0 引言

區(qū)域自動(dòng)氣象觀測(cè)站(以下簡(jiǎn)稱區(qū)域站)作為國(guó)家綜合氣象觀測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，廣泛部署在易出現(xiàn)極端天氣和地理環(huán)境惡劣的區(qū)域，可自動(dòng)采集雨量、溫度、風(fēng)向、風(fēng)速、濕度、氣壓等多種氣象要素，為精細(xì)化預(yù)報(bào)和氣象災(zāi)害防御提供決策性支撐[1]。為保證區(qū)域站提供的氣象數(shù)據(jù)真實(shí)有效，維護(hù)人員需不斷加強(qiáng)區(qū)域站的監(jiān)測(cè)管理和優(yōu)化維護(hù)，及時(shí)處理臺(tái)站出現(xiàn)的各種設(shè)備故障[2-4]。對(duì)區(qū)域站中出現(xiàn)的各類故障，維護(hù)人員做了一系列研究和分析，如江彩英[5]等通過(guò)分析維修區(qū)域站時(shí)遇到的故障實(shí)例，提出了針對(duì)性的維修方法和設(shè)備保障建議；姜明[6]等通過(guò)對(duì)區(qū)域站中各部件設(shè)備的耗電情況和供電系統(tǒng)進(jìn)行分析，提出了一種針對(duì)蓄電池工作狀態(tài)下的電量異常質(zhì)控方法；盧舟[7]等針對(duì)區(qū)域站通信質(zhì)量差、信號(hào)強(qiáng)度弱等問題，通過(guò)多種對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)利用加長(zhǎng)增益天線可有效提高區(qū)域站站點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度和通信穩(wěn)定性；王明輝[8]等設(shè)計(jì)了一種對(duì)區(qū)域站傳感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的系統(tǒng)，用于傳感器故障的檢測(cè)和判斷。文章通過(guò)分析2016-2020年區(qū)域站的故障實(shí)例，發(fā)現(xiàn)區(qū)域站故障通常出現(xiàn)在電源系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、傳感器等部件，針對(duì)常出現(xiàn)的故障特點(diǎn)提出了各個(gè)系統(tǒng)部件的保障方法和維修建議。

1 區(qū)域站的組成及工作原理

1.1 區(qū)域站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

區(qū)域站是一種無(wú)人值守的氣象監(jiān)測(cè)設(shè)備，可自動(dòng)采集雨量、溫度、風(fēng)向、風(fēng)速、濕度和氣壓等多種氣象要素信息。因其占用空間小、成本相對(duì)低廉以及氣象要素可選擇性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)被廣泛部署在容易出現(xiàn)極端天氣和地理環(huán)境惡劣的區(qū)域，從而有效預(yù)防氣象災(zāi)害的發(fā)生。長(zhǎng)期工作在惡劣地區(qū)的區(qū)域站很容易出現(xiàn)設(shè)備老化、電子器件氧化等故障[9]，針對(duì)這些故障問題可通過(guò)研究區(qū)域站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)解決，區(qū)域站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 區(qū)域站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

1.2 區(qū)域站的工作原理

由圖1可知，區(qū)域站主要由數(shù)據(jù)采集器、傳感器、通信系統(tǒng)和供電系統(tǒng)4部分組成[10]。數(shù)據(jù)采集器作為區(qū)域站系統(tǒng)的核心部件，可根據(jù)配置傳感器的類型提供所需氣象要素，主采集器采集到數(shù)據(jù)后經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理，通過(guò)通信系統(tǒng)中的GPRSDTU模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞【种行恼?；供電部分作為系統(tǒng)的電力來(lái)源，可將獲取到的太陽(yáng)能經(jīng)過(guò)太陽(yáng)能控制器存儲(chǔ)在蓄電池中，然后為數(shù)據(jù)采集器提供12 V的直流電源。

2 常見故障分析及保障方法

為便于技術(shù)維護(hù)人員的維護(hù)維修，以最短時(shí)間鎖定故障出現(xiàn)的部位，提供針對(duì)性的故障處理方法，可將各個(gè)部件的故障部位定義到最小可更換單元。

2.1 故障部件分析

文章通過(guò)對(duì)常德市氣象局在2016-2020年出現(xiàn)的677次故障維修情況進(jìn)行分析匯總，統(tǒng)計(jì)了各個(gè)部件出現(xiàn)故障的次數(shù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)可知，電源系統(tǒng)、傳感器和通信系統(tǒng)出現(xiàn)故障的次數(shù)最多，占比分別為36%，35%，20%；其次是主控器故障，占比7%；其他故障占比2%。

2.2 電源系統(tǒng)故障現(xiàn)象分析

電源系統(tǒng)故障主要是蓄電池、PV和太陽(yáng)能板出現(xiàn)問題，具體故障統(tǒng)計(jì)分析如表1所示。

表1 電源系統(tǒng)故障統(tǒng)計(jì)分析

通過(guò)分析電源系統(tǒng)中出現(xiàn)故障的部件和故障現(xiàn)象，提出如下維護(hù)建議：

1)當(dāng)天氣狀況處于持續(xù)不斷的陰雨天氣時(shí)，太陽(yáng)能板向蓄電池提供的電量會(huì)降低，導(dǎo)致蓄電池一直處于欠充電的狀態(tài)，到夜晚工作時(shí)蓄電池又處于過(guò)放電狀態(tài)，長(zhǎng)此以往，會(huì)導(dǎo)致蓄電池出現(xiàn)浮充情況，白天蓄電池的電壓可達(dá)14～15 V，夜晚電壓快速下降到11～12 V，導(dǎo)致蓄電池的工作壽命大大降低，此時(shí)工作人員應(yīng)及早更換蓄電池。

2)當(dāng)太陽(yáng)能板無(wú)輸出電壓或蓄電池電壓逐天降低時(shí)，可能是PV或者太陽(yáng)能板出現(xiàn)故障，針對(duì)此情況，維護(hù)人員需定期排查站點(diǎn)電壓變化情況，及早發(fā)現(xiàn)故障并排除。

2.3 傳感器故障分析與保障建議

區(qū)域站中傳感器出現(xiàn)的故障次數(shù)僅次于電源系統(tǒng)，常德市氣象局部署的氣象站主要分為單要素、兩要素、四要素和六要素，其中單要素掛接的是雨量傳感器，其在整個(gè)氣象站點(diǎn)中的數(shù)量占比為52.5%；兩要素站點(diǎn)掛接的是雨量和溫度傳感器，其數(shù)量占比為30.6%；四要素站點(diǎn)掛接的主要是雨量、溫度和風(fēng)向風(fēng)速傳感器，其數(shù)量占比為9.4%；六要素站點(diǎn)掛接的主要是雨量、溫度、濕度以及風(fēng)向風(fēng)速傳感器，其數(shù)量占比為7.5%。單要素站點(diǎn)雨量傳感器出現(xiàn)的故障次數(shù)最多，如表2所示。

表2 傳感器故障統(tǒng)計(jì)分析

通過(guò)對(duì)傳感器出現(xiàn)故障的部件位置和現(xiàn)象分析，對(duì)傳感器的故障維護(hù)建議包括：

1)雨量傳感器故障次數(shù)及種類較多，需要綜合多種監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行判斷。①雨量值偏小、偏大或缺測(cè)故障判斷：引起此類故障的原因有很多，如干簧管損壞、匯集漏斗堵塞、雨量線損壞、接線柱腐蝕等。②異常雨量“野值”判斷：對(duì)于晴天突然出現(xiàn)雨量值的站點(diǎn)，有可能是現(xiàn)場(chǎng)施工濺水或人為倒水無(wú)意間造成的，可詢問站點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理人員進(jìn)行確認(rèn)。當(dāng)晴天斷斷續(xù)續(xù)出現(xiàn)雨量時(shí)，需要技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)對(duì)雨量線的通斷進(jìn)行判斷并對(duì)雨量傳感器進(jìn)行清理，平時(shí)維護(hù)時(shí)需放置防蟲劑，防止爬蟲入侵。

2)溫度傳感器故障現(xiàn)象一般為溫度值為負(fù)值、數(shù)值固定不變或溫度值劇烈跳變等，判斷故障原因可能是溫度線老化、工作性能下降或者傳感器接線斷路，更換傳感器即可解決這些故障。

3)風(fēng)傳感器故障現(xiàn)象一般為風(fēng)向風(fēng)速值缺測(cè)、風(fēng)向值固定不變或起步風(fēng)速值偏大等，當(dāng)風(fēng)向風(fēng)速值缺測(cè)或數(shù)值固定不變時(shí)，更換傳感器即可解決；當(dāng)起步風(fēng)速值偏大時(shí)，需在日常維護(hù)中對(duì)傳感器核查檢定，也可更換傳感器的軸承。

2.4 通信系統(tǒng)故障分析

通信系統(tǒng)故障主要以通信模塊故障為主，具體故障統(tǒng)計(jì)分析如表3所示。

表3 通信系統(tǒng)故障統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)通信系統(tǒng)出現(xiàn)故障的部件位置和現(xiàn)象分析，對(duì)通信系統(tǒng)故障維護(hù)建議如下：

1)通信模塊故障現(xiàn)象是模塊狀態(tài)燈、數(shù)據(jù)燈、網(wǎng)絡(luò)燈閃爍異常，對(duì)于此類情況，首先重啟系統(tǒng)，如果重啟不能恢復(fù)正常工作，需更換通信模塊。

2)SIM卡氧化故障，此時(shí)需清潔或更換SIM卡；隨著新一代通信模塊的使用和4G信號(hào)的全面覆蓋，SIM卡也需要升級(jí)為4G卡。當(dāng)運(yùn)營(yíng)商軟件系統(tǒng)升級(jí)或進(jìn)行線路切割等操作時(shí)，通信系統(tǒng)也會(huì)發(fā)生故障，因此，需要提前與運(yùn)營(yíng)商做好對(duì)接工作。

3)通信系統(tǒng)信號(hào)問題。信號(hào)故障通常分為兩方面，一方面是運(yùn)營(yíng)商的基站信號(hào)覆蓋低，此類問題可與運(yùn)營(yíng)商溝通，對(duì)基站優(yōu)化或擴(kuò)大信號(hào)覆蓋范圍；另一方面是通信天線接收信號(hào)的強(qiáng)度差，此類問題可通過(guò)更換增益天線或加長(zhǎng)天線等方法解決，也可以將站點(diǎn)遷到信號(hào)強(qiáng)的區(qū)域。

2.5 主控器故障現(xiàn)象分析

主采集器故障一般是硬件或軟件出現(xiàn)問題，硬件故障主要是電源供電電壓不穩(wěn)，導(dǎo)致主板線路燒毀無(wú)法正常工作；軟件故障一般是系統(tǒng)軟件未及時(shí)更新，導(dǎo)致采集程序走亂、對(duì)時(shí)不準(zhǔn)，從而數(shù)據(jù)無(wú)法正確采集。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章對(duì)常德市氣象局部署的259個(gè)區(qū)域自動(dòng)氣象站近5 a內(nèi)出現(xiàn)的各類故障進(jìn)行了分類統(tǒng)計(jì)，并分析每個(gè)部件出現(xiàn)的故障類型，有針對(duì)性地總結(jié)了各種故障判斷方式和維修手段，提高技術(shù)人員的維修效率，保障各類氣象數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡綀?bào)率和可用率。