摘 要：氣候和天氣現(xiàn)象對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要影響，降水、溫度、風(fēng)力等環(huán)境因子與農(nóng)作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量表現(xiàn)息息相關(guān)。自動氣象站的儀器設(shè)備性能、穩(wěn)定性及可靠性直接影響農(nóng)業(yè)領(lǐng)域氣象數(shù)據(jù)的準確性與實用價值。介紹了自動氣象站儀器設(shè)備常見故障類型，分析了自動氣象站儀器設(shè)備維護技術(shù)要點，探討了自動氣象站儀器設(shè)備維護水平提升策略，旨在為我國氣象觀測技術(shù)的發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)和參考經(jīng)驗，增強維護意識，提升技術(shù)水平，從而促進我國氣象服務(wù)質(zhì)量不斷提高。

關(guān)鍵詞：自動氣象站；儀器設(shè)備；傳感器；電力系統(tǒng)；維護檢查

中圖分類號：P415.12 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）06–0-03

隨著全球氣候變化加劇和人類活動對環(huán)境的影響顯著，氣象學(xué)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理中的重要性日益凸顯。作為現(xiàn)代氣象觀測技術(shù)的重要載體，自動氣象站應(yīng)用廣泛于農(nóng)業(yè)氣象觀測、數(shù)據(jù)采集與分析，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了有力的科學(xué)支持。因此，研究自動氣象站儀器設(shè)備保障及維護技術(shù)在農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)中具有重要的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。

1 自動氣象站儀器設(shè)備常見故障類型

1.1 傳感器失靈

傳感器是自動氣象站核心儀器之一，負責(zé)采集氣象要素，如溫度、濕度、風(fēng)速等。傳感器失靈可能導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)失真或丟失。常見原因如下：外部環(huán)境對傳感器造成的損傷，如惡劣氣候和異物入侵；自然老化，即長時間運行導(dǎo)致傳感器性能退化；電氣干擾，如雷擊、電源不穩(wěn)等情況引發(fā)的傳感器故障。

在傳感器失靈案例中，以溫濕度傳感器失靈較為常見。其主要原因是微氣象因素，如空氣流動不暢、輻射源過近等，使得傳感器所處的微環(huán)境偏離實際氣象狀態(tài)?；蛞蜷L時間運行使溫度靈敏元件磨損、探頭積塵、溫度儀表失準等導(dǎo)致溫度計失靈[1]。風(fēng)速傳感器也容易出現(xiàn)故障，其主要故障表現(xiàn)為風(fēng)速信號輸出異常，原因可能包括傳感器軸承磨損、內(nèi)部電路板故障、外部環(huán)境干擾等。降雨傳感器故障表現(xiàn)為雨量測量失準，可能是由于傳感器接觸損壞、結(jié)構(gòu)堵塞、漏雨等問題引發(fā)的。

1.2 通信故障

通信故障對自動氣象站的數(shù)據(jù)采集和遠程傳輸功能具有嚴重影響，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法順利傳送或傳輸失敗。通信故障主要包括氣象站與通信設(shè)備連接失效、通信線路故障、通信協(xié)議不一致等問題。通信故障主要為數(shù)據(jù)終端、中繼站到中心站之間的通信不穩(wěn)定和數(shù)據(jù)傳輸速率的波動。這些問題主要來自數(shù)據(jù)線或天線的損傷、接觸不良，調(diào)制解調(diào)器、信道和其他通信設(shè)備的內(nèi)在缺陷。在地形多變、雷電多發(fā)等特殊環(huán)境，以及站點距離過遠的情況下，通信故障的發(fā)生率更高。

常見的通信故障還包括網(wǎng)絡(luò)中斷、數(shù)據(jù)丟包、系統(tǒng)崩潰等。網(wǎng)絡(luò)中斷可能因硬件、線路故障所致。數(shù)據(jù)丟包可能出現(xiàn)在數(shù)據(jù)終端中轉(zhuǎn)過程，導(dǎo)致氣象數(shù)據(jù)未能完整傳遞。系統(tǒng)崩潰可能因內(nèi)存溢出、誤操作等造成嚴重破壞。實際氣象站運行過程中還會遇到如傳輸數(shù)據(jù)錯誤、數(shù)據(jù)重復(fù)、數(shù)據(jù)加密缺失、非法入侵等問題，均給自動氣象站的正常運行帶來極大挑戰(zhàn)。

1.3 電力系統(tǒng)問題

電力系統(tǒng)問題在自動氣象站中屬于常見故障類型，涵蓋電源不穩(wěn)定、電池衰老、電壓波動等多種情況。這些問題不僅會妨礙氣象觀測儀器設(shè)備的正常運作，還可能導(dǎo)致故障持續(xù)惡化，進而嚴重影響氣象站的整體運行和服務(wù)能力。

電源不穩(wěn)定這一問題容易引發(fā)儀器設(shè)備出現(xiàn)異常工作，如誤報信號、頻繁重啟等，進而導(dǎo)致氣象數(shù)據(jù)的不準確、流失。電池老化或衰退會使氣象站在沒有外部電源供應(yīng)的情況下無法正常運行，從而使得氣象站的數(shù)據(jù)采集和傳輸任務(wù)無法順利完成[2]。電壓波動問題容易使儀器設(shè)備的性能下降，在更嚴重的情況下，還可能對敏感部件造成永久性損壞，從而對氣象觀測質(zhì)量產(chǎn)生負面影響。

電源故障還包括其他問題。例如，過載現(xiàn)象可能導(dǎo)致電路的短路與設(shè)備過熱；電源頻率波動也會引起氣象觀測設(shè)備運作不穩(wěn)，影響數(shù)據(jù)準確性；電氣干擾可能導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差或損壞設(shè)備。

2 自動氣象站儀器設(shè)備維護技術(shù)要點

2.1 傳感器定期校準清洗

傳感器在自動氣象站的儀器設(shè)備中起著至關(guān)重要的作用，負責(zé)對各類氣象要素進行精確、實時的監(jiān)測，因此，保持傳感器的高精度對確保氣象數(shù)據(jù)的準確性十分必要。為了實現(xiàn)這個目標，運行部署過程中需要定期對傳感器進行精確地校準與清洗。

對于校準，各種不同類型的傳感器需要制定相應(yīng)的校準方法。溫度傳感器校準時，可采用黑體輻射源作為參考，進行精確對比。同時，濕度傳感器的校準可采用嵌入式參考電阻的測濕系統(tǒng)，確保其測量相對濕度的精確性。降雨量計校準時，可使用標準定容法與油封量筒進行對比，實現(xiàn)精度校準。風(fēng)速傳感器校準則可借助風(fēng)洞實驗室進行精確標定，同時以風(fēng)向儀器為參考進行風(fēng)向角測量校準。關(guān)于校準周期，建議遵循相關(guān)指南和設(shè)備制造商給出的建議周期，以確保有效性。

定期清洗傳感器也是關(guān)鍵措施[3]。針對溫濕度傳感器，應(yīng)仔細清除探頭和外殼上的污垢，并保持散熱片表面暢通，以防散熱受阻。對于風(fēng)速傳感器，清洗時應(yīng)確保風(fēng)杯和風(fēng)向桿軸承的潤滑、無雜物阻礙，維持正常的敏感反應(yīng)。降雨量傳感器清洗時需要保證漏斗無異物和積水，避免發(fā)生漏雨或誤測。日照輻射計等特殊傳感器的光學(xué)表面需定期清潔，確保傳感器不受表面污垢影響，保證測量精度。

2.2 通信系統(tǒng)的維護檢查

為避免通信系統(tǒng)出現(xiàn)問題，需定期對光纖連接、無線通信信號強度、數(shù)據(jù)終端、中繼站等設(shè)備進行檢查，確保連接無松動、破損、腐蝕等現(xiàn)象。為優(yōu)化無線通信系統(tǒng)的性能，可通過對信號傳輸品質(zhì)進行評估，對信噪比和無線信號傳播延遲等指標進行優(yōu)化配置。在測試過程中，可使用頻譜分析儀或電磁場強度儀對通信鏈路進行分析，進一步查明存在的問題并進行相應(yīng)調(diào)整。同時，合理設(shè)置通信參數(shù)，如傳輸速率和通信協(xié)議，以使其滿足設(shè)備要求和實際應(yīng)用需求。

通信設(shè)備的維護同樣需要重點關(guān)注，應(yīng)定期檢查調(diào)制解調(diào)器等關(guān)鍵設(shè)備。主要是監(jiān)測設(shè)備的工作狀態(tài)、溫度、電源電壓等，并對設(shè)備進行散熱、防塵等保護措施。通過跟蹤設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)，建立通信設(shè)備故障率、維修率等統(tǒng)計報告，為設(shè)備更換或升級提供參考。同時，要不斷提升通信系統(tǒng)抗干擾的能力，對可能導(dǎo)致通信系統(tǒng)干擾的設(shè)備和環(huán)境因素進行徹底排查，如電磁干擾、雷擊干擾等，對通信設(shè)備進行屏蔽、濾波、接地等措施，減輕干擾對通信系統(tǒng)的影響[4]。在設(shè)備布局方面，應(yīng)考慮地形、建筑物和氣象條件對通信系統(tǒng)性能的影響，優(yōu)化無線通信信號的傳播環(huán)境。

2.3 電源系統(tǒng)管理監(jiān)控

為了確保電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要定期對相關(guān)電源線路和供電設(shè)備，如交流穩(wěn)壓器、蓄電池等進行檢查和保養(yǎng)。在電源線路方面，要確保線路無破損、腐蝕等現(xiàn)象，定期檢查連接點、接頭、保險絲等部位，確保供電安全穩(wěn)定。針對接地系統(tǒng)，重點關(guān)注接地電阻的變化，遵循相關(guān)規(guī)定和標準，定期進行檢查和維護，以減輕雷擊、電涌等對自動氣象站設(shè)備造成的破壞。針對供電設(shè)備，如交流穩(wěn)壓器，應(yīng)關(guān)注其在不同工況下的工作狀態(tài)，監(jiān)測輸出電壓、電流等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)問題要及時進行調(diào)整或更換。針對蓄電池，關(guān)注電池的充放電性能、容量衰減情況，定期檢查電池表面是否發(fā)生鼓脹、結(jié)垢、漏液等現(xiàn)象，視情況更換老化蓄電池，確保在極端天氣或外部電源中斷時，氣象站儀器設(shè)備仍能保持穩(wěn)定運行。在太陽能充電系統(tǒng)中，要關(guān)注光伏陣列的發(fā)電效率、充電控制器工作性能等，定期清除太陽能板表面的灰塵，確保光伏板與充電控制器參數(shù)設(shè)置適當(dāng)，以實現(xiàn)最優(yōu)的充電和使用效果。同時，要加強對太陽能帶電量閾值的設(shè)定調(diào)整，以充分滿足氣象站設(shè)備在不同時間段和季節(jié)的實際電源需求。

2.4 硬件與軟件優(yōu)化升級

隨著科技的進步，硬件與軟件會不斷地迭代更新，自動氣象站也需要緊跟這一趨勢。自動氣象站必須密切關(guān)注氣象觀測設(shè)備的技術(shù)創(chuàng)新，適時地升級替換設(shè)備，提高觀測的質(zhì)量和準確性。例如，將原有的氣壓傳感器更換為數(shù)字氣壓傳感器，后者具有更低的量程誤差和更小的零點漂移，有利于提高氣象觀測的精確性。

在軟件系統(tǒng)方面，定期更新安全修復(fù)補丁、修復(fù)漏洞、提高代碼執(zhí)行效率。針對監(jiān)測與分析軟件，持續(xù)追蹤行業(yè)最新算法和模型的發(fā)展，以滿足更高質(zhì)量的氣象分析與預(yù)測需求。合理設(shè)置氣象觀測設(shè)備的采樣頻率和采樣時間等參數(shù)，以平衡數(shù)據(jù)的精度和實時性。

為了滿足現(xiàn)代氣象觀測需求，可利用高性能處理器和先進的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，如模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC），即16位A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，從而提升數(shù)據(jù)處理能力和采集精度。及時升級雷達、高光譜儀等設(shè)備，使氣象觀測更為精確。針對氣象站硬件設(shè)施及外罩，引入新材料和防護技術(shù)，如防腐材料、反射涂層等，以確保設(shè)備在惡劣環(huán)境中穩(wěn)定運行。

在軟件部署方面，采用分布式計算、云計算和邊緣計算等技術(shù)，減少數(shù)據(jù)處理延遲，保障實時性。在數(shù)據(jù)管理上，引入大數(shù)據(jù)技術(shù)，對海量氣象數(shù)據(jù)進行有效管理與應(yīng)用，實現(xiàn)與地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）的集成，將氣象數(shù)據(jù)與地理信息相結(jié)合，提供更為精細化的氣象分析及服務(wù)。應(yīng)用人工智能技術(shù)，在自動氣象站觀測數(shù)據(jù)分析中引入深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法，提升模型預(yù)測的準確性。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)與遠程傳感技術(shù)，快速地采集、處理與傳遞氣象要素數(shù)據(jù)，推進5G通信技術(shù)的應(yīng)用，保障數(shù)據(jù)傳輸速率和實時性。

3 自動氣象站儀器設(shè)備維護水平提升策略

3.1 實施規(guī)范化維護管理

實施規(guī)范化維護管理至關(guān)重要，它能夠確保自動氣象站儀器設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。在具體的維護工作中，要制定詳細的維護管理手冊，明確不同類型氣象儀器設(shè)備的維護周期、方法和執(zhí)行標準，以保證維護操作有章可循、有序進行。根據(jù)設(shè)備制造商提供的技術(shù)資料、行業(yè)標準，組織具備專業(yè)能力的維護團隊對氣象觀測儀器設(shè)備實施定期點檢、保養(yǎng)和維修，并實行設(shè)備責(zé)任制，明確每個維護人員的職責(zé)。設(shè)置嚴格的績效考核評價制度，并時刻記錄氣象設(shè)備的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，如設(shè)備故障率、維修次數(shù)與維修歷史等，為未來設(shè)備保養(yǎng)、升級或更換提供有力的保障[5]。

現(xiàn)代信息化手段在規(guī)范化維護管理過程中具有關(guān)鍵作用。設(shè)備維護管理信息系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)智能化維護監(jiān)控，從而提高維護效率。具體而言，應(yīng)建立完善的氣象設(shè)備臺賬，記錄設(shè)備型號、出廠日期、設(shè)備狀態(tài)等關(guān)鍵信息。按照制定的計劃周期執(zhí)行維護任務(wù)，確保人員執(zhí)行的任務(wù)符合相關(guān)要求。針對常見的氣象觀測傳感器的維護，如溫度傳感器，維護周期為半年，在此期間，依據(jù)設(shè)備制造商給出的精度要求，對傳感器進行定期校準。

3.2 定期檢查與故障排除

設(shè)備的周期性檢查與故障排除對保證自動氣象站持續(xù)穩(wěn)定運行具有重要意義。需要根據(jù)設(shè)備特性、運行環(huán)境、使用狀況等多方面因素綜合制定檢查計劃、檢查標準和檢查項目。

在檢查過程中，應(yīng)著重關(guān)注核心組件的性能指標，如傳感器的靈敏度、響應(yīng)速度等，對設(shè)備的外部形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電氣接口等進行全方位檢查。針對檢查過程中發(fā)現(xiàn)的問題，及時開展故障診斷，運用專業(yè)化的測試儀器和技術(shù)方法，快速判斷故障原因并對癥下藥。利用先進的故障預(yù)測分析工具，如數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析方法等，深入探查設(shè)備的隱患故障信息，實現(xiàn)故障的預(yù)防性維護，降低意外故障帶來的風(fēng)險。

在具體實施過程中，針對溫度傳感器，可采用標準溫度計與其他高精度測量設(shè)備進行對比校準，保證傳感器工作精度。針對風(fēng)速傳感器，可通過檢查軸承磨損程度，確認設(shè)備的運行狀況，并進行必要的維修保養(yǎng)。雷達設(shè)備的檢查要注意天線的轉(zhuǎn)動速度和射頻功率輸出，以評估設(shè)備性能。在維護工作中，針對電源系統(tǒng)的檢查，關(guān)注電源供應(yīng)穩(wěn)定性，如電流波動范圍、電壓穩(wěn)定程度等。針對通信系統(tǒng)，應(yīng)檢查無線通信信號質(zhì)量及穩(wěn)定性，如信噪比等指標。針對氣象站軟件系統(tǒng)的維護，定期進行系統(tǒng)安全檢測和更新，確保系統(tǒng)的抗干擾的能力。

此外，在實踐中，可引入設(shè)備維護信息化管理系統(tǒng)，自動記錄設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，如故障率、維修頻次、歷史維護記錄等，匯總分析設(shè)備維護數(shù)據(jù)，為設(shè)備的日常維護和更新?lián)Q代提供科學(xué)依據(jù)。實時監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，有針對性地進行預(yù)防性維護，能更有效地降低設(shè)備潛在故障風(fēng)險，確保氣象數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性和準確性。

3.3 加強人才培訓(xùn)

提升自動氣象站儀器設(shè)備維護的成效，不僅依賴于先進的技術(shù)手段和完善的管理制度，還需維護人員具備強烈的維護意識。為提升維護人員的維護技術(shù)與知識應(yīng)用水平，應(yīng)組織定期的氣象觀測設(shè)備維護及相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域培訓(xùn)課程，讓維護人員對設(shè)備工作原理、性能參數(shù)、故障判斷及修復(fù)方法等有更深入的了解。鼓勵設(shè)備維護技術(shù)交流，分享在實際應(yīng)用中積累的維護故事和經(jīng)驗技巧，讓維護人員可以從同行的案例中學(xué)習(xí)，提升自己的實際操作能力。形成有益的行業(yè)交流氛圍，定期舉辦技術(shù)研討會，邀請知名專家進行指導(dǎo)[6]。

4 結(jié)束語

自動氣象站儀器設(shè)備的維護與氣象觀測質(zhì)量、準確性緊密相關(guān)。增強設(shè)備維護意識、實現(xiàn)規(guī)范化維護管理、加強定期檢查與故障排除是確保氣象站正常運行的基礎(chǔ)。通過組織專業(yè)培訓(xùn)、分享實踐經(jīng)驗以及密切關(guān)注技術(shù)進步與設(shè)備升級，維護人員可持續(xù)提升技術(shù)水平。同時，勇于探索創(chuàng)新，利用新技術(shù)實現(xiàn)智能化維護和故障預(yù)警，有助于大幅提升自動氣象站設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。這需要所有與氣象觀測相關(guān)的人員共同努力，不斷增強維護效果，助力應(yīng)對不斷變化的天氣現(xiàn)象，更好地為人們的生產(chǎn)和生活保駕護航。

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收稿日期：2024-01-10

作者簡介：施俊瑋（1999—），男，福建晉江人，助理工程師，研究方向為應(yīng)用氣象類。