閆 平

（內(nèi)蒙古自治區(qū)大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

地面氣象觀測(cè)是氣象觀測(cè)中開(kāi)始最早、發(fā)展最普遍的一類(lèi)，是整個(gè)氣象業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)。氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)是天氣預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)，包括溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速、降水、日照、蒸發(fā)等，這些數(shù)據(jù)每分鐘都在被監(jiān)測(cè)并記錄。氣象要素的監(jiān)測(cè)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活具有重要意義，應(yīng)用先進(jìn)、智能的技術(shù)手段對(duì)氣象要素及其變化過(guò)程進(jìn)行連續(xù)的觀察和測(cè)定，及時(shí)、準(zhǔn)確地采集、傳輸、存儲(chǔ)相關(guān)原始數(shù)據(jù)并進(jìn)行整合分析，對(duì)氣象部門(mén)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)可能性氣象災(zāi)害、及時(shí)發(fā)布預(yù)警預(yù)報(bào)信息、有效應(yīng)對(duì)復(fù)雜天氣意義重大。隨著氣象觀測(cè)現(xiàn)代化建設(shè)和改革的不斷推進(jìn)，地面氣象觀測(cè)進(jìn)入全面自動(dòng)化時(shí)代。自動(dòng)氣象站的建成和應(yīng)用，使得氣象數(shù)據(jù)采集和處理更加高效、便捷，在降低基層臺(tái)站觀測(cè)員工作量的同時(shí)，進(jìn)一步提高了觀測(cè)的精確性、時(shí)效性。然而在實(shí)際工作中，地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)缺失和觀測(cè)數(shù)據(jù)異常的問(wèn)題偶有發(fā)生，數(shù)據(jù)的連續(xù)性、完整性無(wú)法保證。2019年，內(nèi)蒙古氣象部門(mén)開(kāi)展了山洪地質(zhì)災(zāi)害防治氣象保障工程建設(shè)任務(wù)——多傳感器溫度雨量融合系統(tǒng)建設(shè)。其中，氣溫多傳感器融合系統(tǒng)的建設(shè)有效解決了單一傳感器數(shù)據(jù)缺失的問(wèn)題，較好地剔除了觀測(cè)異常值，增加了對(duì)單一傳感器數(shù)據(jù)漂移的檢查，從而整體提高了觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，減少了觀測(cè)人員觀測(cè)及維護(hù)的工作量。

1 氣溫多傳感器融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

氣溫多傳感器融合系統(tǒng)主要包括3 支氣溫傳感器、1 支濕度傳感器、氣溫融合控制器、通信接口和外圍設(shè)備等。氣溫多傳感器融合系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。

圖1 氣溫多傳感器融合系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

溫度測(cè)量傳感器采用Pt100 鉑電阻溫度傳感器，并采用ITS-90 溫標(biāo)。氣溫傳感器安裝在百葉箱內(nèi)的專(zhuān)用支架上，支架均勻分布有8 個(gè)孔，固定于百葉箱箱底中部，3 支氣溫傳感器分別安裝在支架的正東、正北、正南方向。其中，正東為氣溫傳感器I，正北為氣溫傳感器II，正南為氣溫傳感器III。濕度傳感器安裝在支架的正西方向，氣溫傳感器感應(yīng)部分垂直向下，固定在支架東側(cè)相應(yīng)位置上，感應(yīng)元件的中心部分距地高度1.5 m[1]。

氣溫多傳感器融合控制器能實(shí)現(xiàn)多支氣溫傳感器的融合算法，其輸入端連接傳感器的輸出端，輸出氣溫融合數(shù)據(jù)、觀測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)備工作狀態(tài)等，利用原溫濕分采CAN 總線與主采集器連接，融合控制器面板上的狀態(tài)指示燈可以顯示設(shè)備工作狀態(tài)，融合控制器安裝在百葉箱外部箱體底部。

1.2 工作原理

電阻溫度傳感器測(cè)溫原理如圖2 所示，其電阻值隨溫度的變化而發(fā)生變化，且可以直接作為輸出信號(hào)。鉑電阻阻值范圍為80 Ω~120 Ω，精度：0.05 ℃。鉑電阻為100 Ω 時(shí)，溫度為0 ℃；溫度每升高1 ℃，電阻增大0.385 Ω，公式：Rt=100+0.385 T（Ω）。

Pt100 鉑電阻測(cè)溫采用四線制測(cè)溫法，如圖3 所示。測(cè)溫公式：T=（R-100）/0.385。首先測(cè)量1 腳（或者2 腳）與3 腳（或者4 腳）之間的電阻值R1，然后測(cè)量1 腳與2 腳（或者3 腳與4 腳）之間的電阻值R2，再用R1減去R2求得鉑電阻的電阻大小R，最后利用公式算得溫度[2-3]。特別說(shuō)明，鉑電阻的線纜分為兩組，即1、2 和3、4，組內(nèi)沒(méi)有明確的線序。

圖2 電阻傳感器工作原理

圖3 四線制測(cè)溫法

3 支氣溫傳感器采集的氣溫觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)入氣溫采集融合控制模塊后，通過(guò)融合算法和監(jiān)控算法實(shí)現(xiàn)多傳感器融合數(shù)據(jù)，采樣頻率為30 次/min。首先，對(duì)傳感器按預(yù)定的采樣頻率進(jìn)行掃描，并將獲得的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成微控制器可讀信號(hào)，得到氣象變量測(cè)量值序列，對(duì)氣象變量測(cè)量值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使傳感器輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成氣象單位量，得到采樣瞬時(shí)值，再根據(jù)規(guī)定的算法，計(jì)算出氣象變量瞬時(shí)值，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查。數(shù)據(jù)采集完成后，氣溫融合控制模塊會(huì)對(duì)3 支氣溫傳感器的采樣值進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，形成氣溫融合數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)融合后采用CAN 總線方式接入自動(dòng)氣象站主采集器，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信。氣溫融合算法通過(guò)氣溫多傳感器融合控制器寫(xiě)入的融合算法實(shí)現(xiàn)，首先采集3 支氣溫傳感器I、II、III 瞬時(shí)值（即各傳感器1 min 內(nèi)的平均值），分別記T1、T2、T3，將T1、T2、T3 兩兩比對(duì)，計(jì)算出每?jī)芍粋鞲衅鏖g的氣溫偏差（Tij），即T12=|T1-T2|，T23=|T2-T3|，T31=|T3-T1|。接下來(lái)再定義氣溫偏差值的閾值范圍，當(dāng)T1、T2、T3均在-50 ℃~50 ℃范圍內(nèi)，則氣溫偏差值的閾值定義為0.2 ℃；當(dāng)|Ti|或|Tj|大于50 ℃，則氣溫偏差值的閾值定義為0.4 ℃；如果|Ti|或|Tj|某一值缺測(cè)，則Tij記為缺測(cè)。當(dāng)Tij 小于等于閾值范圍，表示Tij 在允許范圍之內(nèi)；當(dāng)Tij 大于閾值范圍或缺測(cè)，則在允許范圍之外。當(dāng)Tij 有兩個(gè)或兩個(gè)以上在允許范圍之內(nèi)，算法取T1、T2、T3 中間值作為結(jié)果；如果Tij 僅有一個(gè)在允許范圍內(nèi)，則取Ti、Tj 兩支溫度傳感器的平均值作為結(jié)果[1]。

氣溫多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器選取氣溫傳感器I 的測(cè)量結(jié)果作為業(yè)務(wù)主用數(shù)據(jù)源，氣溫傳感器II 和III 的測(cè)量結(jié)果作為熱備份數(shù)據(jù)源，將3 個(gè)傳感器的測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，如超出閾值±0.3 ℃，輸出相應(yīng)狀態(tài)碼，觀測(cè)業(yè)務(wù)軟件自動(dòng)報(bào)警，并提示需要檢查異常氣溫傳感器。當(dāng)現(xiàn)用氣溫傳感器異常，標(biāo)準(zhǔn)控制器可自動(dòng)切換至下一個(gè)狀態(tài)正常的熱備份氣溫?cái)?shù)據(jù)源，切換順序?yàn)闅鉁貍鞲衅鱅、II、III、I，依次切換。根據(jù)氣溫?cái)?shù)據(jù)源形成氣溫傳輸值序列，若標(biāo)準(zhǔn)值缺測(cè)或3支溫度傳感器均超出閾值，則傳輸值記為缺測(cè)，并輸出相應(yīng)狀態(tài)碼。

濕度傳感器測(cè)濕元件的介電常數(shù)會(huì)隨著環(huán)境的相對(duì)濕度變化而變化，主要是利用其上下電極之間的感濕膜吸附空氣中的水分使其電容量發(fā)生相應(yīng)變化，當(dāng)相對(duì)濕度增大時(shí)，濕敏電容量隨之增大；當(dāng)相對(duì)濕度減小時(shí)，濕敏電容量隨之減小。傳感器的轉(zhuǎn)換電路把濕敏電容變化量轉(zhuǎn)換成電壓變化量，對(duì)應(yīng)于相對(duì)濕度0~100% RH的變化，傳感器的輸出呈0~1 V的線性變化[4-5]。本系統(tǒng)采用的電容傳感器為HUMICAP180，測(cè)量范圍為0~100% RH，分辨率為1% RH，輸出電壓范圍為0~1 V，對(duì)應(yīng)濕度為0~100%。

2 氣溫多傳感器融合系統(tǒng)常見(jiàn)故障排查與日常維護(hù)

2.1 故障排查

根據(jù)氣溫多傳感器融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，按照信號(hào)流向分區(qū)間進(jìn)行測(cè)試和故障排查，主要從線纜故障、溫度傳感器故障、濕度傳感器故障、氣溫多傳感器融合控制器故障4個(gè)方面進(jìn)行故障排查。

2.1.1 線纜故障排查

一是利用線內(nèi)短路檢測(cè)，具體方式是斷開(kāi)線路兩端，使用通斷檔測(cè)試內(nèi)芯兩兩間通斷。二是利用線內(nèi)斷路檢測(cè)，具體方式是通過(guò)短路法，將線纜一端兩兩短接，另一端用萬(wàn)用表通斷檔測(cè)量，可選屏蔽線作為基準(zhǔn)線芯[6]；也可用電參數(shù)法，斷開(kāi)線路一端，根據(jù)四線制測(cè)溫法，測(cè)取另一端的電阻特性來(lái)進(jìn)行線纜測(cè)試和故障排查。

通過(guò)定性與定量相結(jié)合的分析，綜合AHP法、熵值法、最小二乘法進(jìn)行權(quán)重組合優(yōu)化，建立ELV充電站選址評(píng)價(jià)模型。

2.1.2 氣溫傳感器故障排查

線纜正常的情況下，可以采用四線制測(cè)溫法分別測(cè)取每個(gè)溫度傳感器是否正常，也可以通過(guò)測(cè)試命令檢測(cè)系統(tǒng)是否正常工作。

發(fā)送命令：OBSAMPLE TAIR（回車(chē)換行）

返回：＜18:13:42 T1:11.11 T2:11.11 T3:11.11 U:15MBTEMP:21.9 POWER:13.7＞

對(duì)照氣溫多傳感器融合標(biāo)準(zhǔn)控制器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)格式，即可初步判定故障，如表1所示。

表1 氣溫多傳感器融合標(biāo)準(zhǔn)控制器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)格式

若某一溫度傳感器輸出數(shù)據(jù)異常，則可更換具體傳感器解除故障；若3 支溫度傳感器均異常或缺測(cè)，但測(cè)試各溫度傳感器輸出端電氣特性均正常的話，則考慮氣溫多傳感器融合控制器故障。

2.1.3 濕度傳感器故障排查

參照氣溫傳感器發(fā)送命令進(jìn)行故障排查的方式，進(jìn)行濕度傳感器故障的初步排查，發(fā)送命令同讀取溫度值的命令一致，返回的數(shù)據(jù)中，U 字段即為濕度數(shù)據(jù)，對(duì)照表1 第5 行格式說(shuō)明，即可對(duì)濕度傳感器進(jìn)行故障初步判定。若需進(jìn)一步確定是否為濕度傳感器故障，則當(dāng)測(cè)得的數(shù)據(jù)異?；蚺c當(dāng)時(shí)環(huán)境明顯不符時(shí)（此步驟需建立在明確當(dāng)前環(huán)境準(zhǔn)確相對(duì)濕度的前提下才可判斷和討論），首先觀察濕度傳感器外觀，觀察其外觀是否變形，過(guò)濾網(wǎng)是否堆積了灰塵。其次，進(jìn)行供電與傳感器電性能檢查。濕度傳感器的工作電壓是直流電壓12 V，可以用萬(wàn)用表測(cè)量其供電端電壓，若為12 V 則證明供電正常，否則供電故障[7]；濕度傳感器的電容特性經(jīng)外圍電路輸出的是電壓信號(hào)，輸出電壓為0~1 V 的單端電壓，測(cè)量輸出端電壓，若為0.45 V，則代表當(dāng)前相對(duì)濕度為45%，對(duì)比當(dāng)前環(huán)境準(zhǔn)確相對(duì)濕度，即可知濕度傳感器是否出現(xiàn)故障[8]。

2.1.4 氣溫多傳感器融合控制器故障排查

融合控制器面板上的狀態(tài)指示燈可以顯示設(shè)備工作狀態(tài)，氣溫多傳感器融合控制器如圖4 所示。3個(gè)狀態(tài)指示燈中，SYS 代表系統(tǒng)狀態(tài)指示燈，紅色秒閃表示正常；CAN-R 指示燈代表數(shù)據(jù)接收，CAN-T指示燈代表數(shù)據(jù)發(fā)送，這兩個(gè)指示燈在通信時(shí)閃爍，常亮即為異常狀態(tài)。

圖4 氣溫多傳感器融合控制器示意圖

如果信號(hào)線纜正常、溫度傳感器正常，則可根據(jù)氣溫多傳感器融合控制器輸出情況判斷故障可能的原因。結(jié)合氣溫多傳感器融合控制器電路板，如圖5所示，如果融合控制器氣溫I、氣溫II、氣溫III 某一路無(wú)輸出，可初步判斷模擬開(kāi)關(guān)故障；如果氣溫I、氣溫II、氣溫III 有輸出，但輸出值較實(shí)際氣溫誤差較大，則可能是標(biāo)準(zhǔn)電阻故障；如果氣溫I、氣溫II、氣溫III 均無(wú)輸出，可能是A/D 轉(zhuǎn)換器故障。A/D 轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)模擬量的接入和采集，在本系統(tǒng)中可測(cè)量溫度傳感器電阻模擬量，多通道16 位A/D 轉(zhuǎn)換芯片在MCU 控制下按照程序要求進(jìn)行輸入信號(hào)切換、A/D自校準(zhǔn)、量程轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換等操作。

圖5 氣溫多傳感器融合控制器電路板

2.2 日常維護(hù)

雖然氣溫多傳感器融合系統(tǒng)建設(shè)有效解決了單一溫度傳感器數(shù)據(jù)缺失的問(wèn)題，但認(rèn)真維護(hù)好氣象觀測(cè)儀器和設(shè)備、保障氣象儀器設(shè)備正常運(yùn)行是保證數(shù)據(jù)完整、連續(xù)的基礎(chǔ)性工作。氣溫多傳感器融合系統(tǒng)日常維護(hù)內(nèi)容和方法主要有：氣溫、濕度傳感器在使用過(guò)程中感應(yīng)部件頭部會(huì)落有灰塵，應(yīng)定期用干布或毛刷清潔傳感器，保持其清潔干燥，避免用手或者不干凈的抹布擦拭；維護(hù)時(shí)，注意避開(kāi)正點(diǎn)數(shù)據(jù)采集[9]；切勿強(qiáng)烈碰撞感應(yīng)部位，以免內(nèi)部鉑電阻被打碎而造成永久性損壞[10]；定期檢查傳感器和線纜連接處是否松動(dòng)；定期檢查融合控制器工作狀態(tài)；定期維護(hù)氣溫、濕度傳感器，當(dāng)設(shè)備故障時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行維護(hù)或維修；百葉箱要干凈，定期清潔，不能有與觀測(cè)無(wú)關(guān)的物品，百葉箱門(mén)打開(kāi)時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，身體部位盡量遠(yuǎn)離感應(yīng)部分以免影響觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和氣象現(xiàn)代化建設(shè)的深入推進(jìn)，綜合氣象觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展也越來(lái)越迅速，觀測(cè)能力進(jìn)一步提高，為防災(zāi)、減災(zāi)提供了更加豐富的氣象觀測(cè)資料，在中小尺度監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)預(yù)警和防汛抗旱中發(fā)揮了重要作用。因此，盡可能保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的完整、準(zhǔn)確尤為重要。內(nèi)蒙古自治區(qū)地域遼闊，基層氣象臺(tái)站氣象探測(cè)設(shè)備專(zhuān)職保障員偏少，綜合觀測(cè)人員承擔(dān)著運(yùn)行維護(hù)管理工作，對(duì)氣溫多傳感器融合系統(tǒng)的原理、故障排除及日常維護(hù)進(jìn)行介紹能夠進(jìn)一步加深和提高觀測(cè)員對(duì)觀測(cè)設(shè)備的了解，幫助其在發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時(shí)能及時(shí)分析異常原因，找出故障所在，及時(shí)排除故障，確保觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。