新型自動(dòng)氣象站實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃宏智，黃飛龍，陳冰懷

（廣東省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心，廣東廣州 510080）

新型自動(dòng)氣象站實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃宏智，黃飛龍，陳冰懷

（廣東省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心，廣東廣州 510080）

介紹針對(duì)DZZ1-2N型新型自動(dòng)氣象站設(shè)計(jì)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的觀測(cè)數(shù)據(jù)、傳感器工作狀態(tài)以及將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)流發(fā)送至省局接收中心，有效提高了對(duì)設(shè)備的監(jiān)控和管理能力，大大提升設(shè)備的維護(hù)保障效率。實(shí)際應(yīng)用效果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，較好地滿足業(yè)務(wù)需求。

計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用；新型自動(dòng)氣象站；監(jiān)控系統(tǒng)；多傳感器；監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)流

由廣東省氣象局自主研發(fā)的DZZ1-2N型新型自動(dòng)氣象站業(yè)已在廣東省內(nèi)大部分臺(tái)站投入使用，并取代遙測(cè)站成為熱機(jī)進(jìn)行業(yè)務(wù)運(yùn)行，因此對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)的全面監(jiān)控顯得尤為重要。DZZ1-2N型新型自動(dòng)氣象站是根據(jù)國(guó)家局制定的新型自動(dòng)氣象（氣候）站功能規(guī)格書(shū)規(guī)范要求設(shè)計(jì)的，能提供準(zhǔn)確、可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù)，是提高預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率和服務(wù)能力的重要設(shè)備。隨著廣東省新型自動(dòng)氣象站觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的日益擴(kuò)大，一方面確實(shí)能提升地面氣象觀測(cè)的自動(dòng)化水平，又對(duì)觀測(cè)設(shè)備的維護(hù)保障能力提出了更高要求，要求能以最快的速度獲得故障或異常情況并修復(fù)，以免因設(shè)備故障或異常得不到及時(shí)維修而長(zhǎng)時(shí)間中斷觀測(cè)或輸出錯(cuò)誤數(shù)據(jù)［1］。

因此，需建立新型自動(dòng)氣象站實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲取新型自動(dòng)氣象站運(yùn)行過(guò)程中的各種信息，為省級(jí)保障中心以及臺(tái)站維護(hù)人員提供設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)研判和故障診斷的信息，提升保障的效率。本研究著重介紹了新型自動(dòng)氣象站實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)、傳感器狀態(tài)分析、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)流的收集和傳輸?shù)取?/p>

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

新型自動(dòng)站各探測(cè)要素?cái)?shù)據(jù)的獲取是通過(guò)“臺(tái)站地面綜合觀測(cè)業(yè)務(wù)軟件_采集”（SMO軟件）發(fā)送命令進(jìn)行采集，并將數(shù)據(jù)存在本地業(yè)務(wù)機(jī)中。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)核心就是如何高效、可靠地獲取新型自動(dòng)站的監(jiān)控信息，并及時(shí)準(zhǔn)確上傳至省局的數(shù)據(jù)處理中心，為保障人員提供直觀的設(shè)備全網(wǎng)運(yùn)行信息。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)流的傳輸流程如圖1。

圖1 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)流傳輸流程示意圖

臺(tái)站地面綜合觀測(cè)業(yè)務(wù)軟件在每分鐘的20 s時(shí)發(fā)送命令，下載分鐘常規(guī)觀測(cè)數(shù)據(jù)以及讀取自動(dòng)氣象站所有狀態(tài)信息，并按照一定的數(shù)據(jù)格式寫(xiě)入觀測(cè)數(shù)據(jù)文件和狀態(tài)數(shù)據(jù)文件中。與SMO軟件運(yùn)行在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)以1 min定時(shí)間隔讀取觀測(cè)數(shù)據(jù)文件和狀態(tài)數(shù)據(jù)文件，并把獲取的分鐘觀測(cè)數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)按照一定的格式規(guī)則進(jìn)行組包，通過(guò)UDP協(xié)議發(fā)送至省局?jǐn)?shù)據(jù)處理中心的軟件。處理中心軟件將接收到的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)流提取出觀測(cè)數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，并分類導(dǎo)入相應(yīng)數(shù)據(jù)表?？赏ㄟ^(guò)瀏覽器查看設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，存在異常信息時(shí)會(huì)自動(dòng)發(fā)出短信報(bào)警信息［2］。

2 系統(tǒng)模塊介紹

根據(jù)新型自動(dòng)氣象站的觀測(cè)數(shù)據(jù)及傳感器工作狀態(tài)監(jiān)控需求，將系統(tǒng)規(guī)劃為系統(tǒng)初始化、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示及上傳、查詢統(tǒng)計(jì)等4個(gè)模塊。軟件設(shè)計(jì)基于數(shù)據(jù)處理時(shí)效性的要求［3］，采用多線程技術(shù)提高監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的獲取和上傳效率。

1）系統(tǒng)初始化：系統(tǒng)啟動(dòng)后主界面自動(dòng)加載工具欄和狀態(tài)欄，生成RunningLog記錄文件夾、Temp臨時(shí)文件中轉(zhuǎn)文件夾以及Icons狀態(tài)圖標(biāo)存放文件夾，創(chuàng)建定時(shí)器等。

2）參數(shù)設(shè)置模塊：包括數(shù)據(jù)路徑以及通信參數(shù)2個(gè)部分。數(shù)據(jù)路徑由觀測(cè)數(shù)據(jù)存放路徑和長(zhǎng)Z文件存放路徑2個(gè)部分組成。通信參數(shù)主要是UDP參數(shù)的設(shè)置，包括遠(yuǎn)程主機(jī)IP地址、本地主機(jī)IP地址、遠(yuǎn)程主機(jī)端口號(hào)以及本地主機(jī)端口號(hào)等。

3）數(shù)據(jù)顯示及上傳模塊：定時(shí)時(shí)間到達(dá)，系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)觀測(cè)數(shù)據(jù)文件和狀態(tài)數(shù)據(jù)文件的更新情況，如若有更新則提取對(duì)應(yīng)時(shí)間的觀測(cè)數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示并組成UDP報(bào)文進(jìn)行上傳。

4）查詢管理模塊：根據(jù)日志日期選擇，查詢有效期為一個(gè)月的觀測(cè)數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)檢測(cè)情況、數(shù)據(jù)讀取情況以及UDP報(bào)文上傳情況等。

3 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

新型自動(dòng)氣象站實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)基于Microsoft Visual C++6.0開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用多線程并發(fā)處理技術(shù)、文件讀取技術(shù)和UDP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的獲取、傳感器狀態(tài)表征以及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)流的上傳等，在省局?jǐn)?shù)據(jù)處理中心端可提供新型自動(dòng)站全網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)、傳感器工作狀態(tài)、故障信息的顯示和查詢等［4］。

3.1 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)提取

SMO軟件運(yùn)行時(shí)，會(huì)在業(yè)務(wù)計(jì)算機(jī)上形成若干個(gè)采集數(shù)據(jù)文件，包括小時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)文件（AWS_H_Z_IIiii_yyyymm.txt）、分鐘觀測(cè)數(shù)據(jù)文件（AWS_M_Z_IIiii_yyyymmdd.txt）以及狀態(tài)信息文件（AWS_M_ST_IIiii_yyyymmdd.txt）等，其中yyyymm代表年月，yyyymmdd代表年月日，IIiii代表區(qū)站號(hào)。通過(guò)對(duì)新型自動(dòng)氣象站實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)配置一個(gè)計(jì)時(shí)周期為1 min的定時(shí)器，一旦計(jì)時(shí)時(shí)間達(dá)到，會(huì)自動(dòng)檢測(cè)上述3種數(shù)據(jù)文件的狀態(tài)。若文件有新數(shù)據(jù)追加寫(xiě)入，則啟動(dòng)相應(yīng)的數(shù)據(jù)提取線程，根據(jù)設(shè)定的數(shù)據(jù)格式，獲取新型自動(dòng)氣象實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、各傳感器工作狀態(tài)以及長(zhǎng)Z報(bào)文上傳情況等。由于每類數(shù)據(jù)提取線程的功能以及流程大同小異，本研究就以分鐘觀測(cè)數(shù)據(jù)提取線程作為示例進(jìn)行分析。

關(guān)鍵代碼說(shuō)明：

獲取分鐘觀測(cè)數(shù)據(jù)文件最后被修改的時(shí)間和日期，并和上次記錄的時(shí)間日期做比較，如果前者的時(shí)間和日期更靠后，則置文件更新標(biāo)志位為真。

首先判斷分鐘觀測(cè)數(shù)據(jù)提取線程是否在運(yùn)行？若無(wú)，則創(chuàng)建并且啟動(dòng)線程。分鐘觀測(cè)數(shù)據(jù)提取線程的工作流程圖如圖2所示。

3.2 傳感器狀態(tài)表征

以往對(duì)廣東省運(yùn)行的遙測(cè)站監(jiān)控主要是監(jiān)控設(shè)備的觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)查看各要素觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)判別傳感器的工作狀態(tài)，一般認(rèn)為有觀測(cè)數(shù)據(jù)則為正常，否則為異常。這種判斷方式過(guò)于簡(jiǎn)單，缺乏精細(xì)化，不利于提升維修效率，尤其是對(duì)于氣溫、濕度、雨量配置了3個(gè)傳感器的DZZ1-2N型新型自動(dòng)氣象站。

圖2 分鐘觀測(cè)數(shù)據(jù)提取線程工作流程框圖

針對(duì)上述存在的問(wèn)題，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)了傳感器狀態(tài)表征模塊，深入分析各要素傳感器的工作狀態(tài)。傳感器表征分兩種情況：?jiǎn)蝹€(gè)傳感器要素和3個(gè)傳感器要素。監(jiān)控系統(tǒng)每分鐘在狀態(tài)數(shù)據(jù)文件中檢索傳感器工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，構(gòu)建一個(gè)狀態(tài)數(shù)據(jù)集，并根據(jù)配置要素的次序提取各個(gè)要素的狀態(tài)代碼值。對(duì)于單個(gè)傳感器要素，可按照表1狀態(tài)代碼值與傳感器工作狀態(tài)的映射關(guān)系分析傳感器的工作狀態(tài)。如蒸發(fā)的狀態(tài)代碼值為0，表示蒸發(fā)正常工作；如狀態(tài)代碼值為2，則表示其故障或未檢測(cè)到傳感器。本映射關(guān)系只適用于單個(gè)傳感器要素，對(duì)于氣溫、濕度、雨量等配置3個(gè)傳感器的要素，DZZ1-2N型新型自動(dòng)氣象站采用3位二進(jìn)制碼表示3個(gè)傳感器的工作狀態(tài)，其狀態(tài)代碼值為3位二進(jìn)制碼所對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制值。以氣溫為例說(shuō)明：第1位表示第1路氣溫、第2位表示第2路氣溫、第3位表示第3路氣溫，如果工作正常則對(duì)應(yīng)位的加權(quán)系數(shù)為0，否則為1。例如，第1路氣溫工作正常，第2、第3路氣溫異常，則氣溫的狀態(tài)代碼值=0×22+1×21+1× 20，即其值為3。對(duì)3路傳感器可能出現(xiàn)的工作狀態(tài)進(jìn)行排列組合，建立多傳感器狀態(tài)代碼值與工作狀態(tài)的映射關(guān)系（表1）。監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)要素狀態(tài)代碼值來(lái)檢索表1對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系，從而精細(xì)化判別各要素傳感器的工作狀態(tài)。

表1 單個(gè)和多個(gè)傳感器工作狀態(tài)映射關(guān)系

3.3 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)流傳輸

新型自動(dòng)氣象站監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)每分鐘提取的觀測(cè)數(shù)據(jù)集和狀態(tài)數(shù)據(jù)集進(jìn)行組包封裝，并對(duì)該報(bào)文進(jìn)行是否為空包檢測(cè)，如果為空包則系統(tǒng)作報(bào)警提示，否則立刻啟動(dòng)數(shù)據(jù)上傳線程，將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)流傳送到省局?jǐn)?shù)據(jù)處理中心。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)流的組包方式為：包頭+站號(hào)+日期+未成功上傳長(zhǎng)Z文件數(shù)+觀測(cè)數(shù)據(jù)+狀態(tài)數(shù)據(jù)，其中狀態(tài)數(shù)據(jù)包括各要素傳感器的工作狀態(tài)、采集器工作電壓、采集器供電類型以及采集器主板溫度等。每項(xiàng)數(shù)據(jù)之間用“，”隔開(kāi)，如果某項(xiàng)數(shù)據(jù)值為“/”，則表明該項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的要素為缺測(cè)狀態(tài)。一個(gè)完整的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)包如下：DZZ1-2N，57988，2016 -1-15 15：14：00，0，244，9，246，8，216，25，2306，242，10，249，39，2303，1，5，280，287，2314，280，2356，85，82，2301，321，252，10065，10066，2301，10064，2314，259，274，2306，259，2358，276，278，2301，276，2353，294，311，316，316，300，283，268，233，730，1，22727，23010，70010，2301，340，112，230，74，/，/，/，/，/，/，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，1，2，1，126，0，369，00， 7F

監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)流的傳輸采用UDP方式，UDP協(xié)議是無(wú)連接方式的協(xié)議，它的效率高，速度快，占資源少［5］。部署在省局的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)軟件在接收到各臺(tái)站上傳的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)流后即刻流轉(zhuǎn)至省局?jǐn)?shù)據(jù)處理中心軟件，進(jìn)行解析、顯示、入庫(kù)等。軟件實(shí)現(xiàn)界面如圖3所示。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行界面

隨著氣象現(xiàn)代化的推進(jìn)，基層測(cè)報(bào)業(yè)務(wù)人員將逐漸從繁重的人工觀測(cè)業(yè)務(wù)中解放出來(lái)，轉(zhuǎn)而把工作重心轉(zhuǎn)移到設(shè)備維護(hù)和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制上。因此，一個(gè)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、功能完善的監(jiān)控系統(tǒng)將顯得愈加重要。

目前，針對(duì)廣東省的各種類型氣象探測(cè)設(shè)備廣東省氣象數(shù)據(jù)探測(cè)中心開(kāi)發(fā)了完善的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，且在日常的設(shè)備維護(hù)保障過(guò)程中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。新型自動(dòng)氣象站實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)在臺(tái)站已經(jīng)運(yùn)行了一年多，使省級(jí)和臺(tái)站保障人員能實(shí)時(shí)掌握設(shè)備的運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障提高維修效率，從而縮短故障平均時(shí)間，提升氣象探測(cè)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)工作的質(zhì)量。

［1］李源鴻，敖振浪，李建勇，等.廣東省地面氣象綜合探測(cè)全網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)［J］.廣東氣象，2007，4（29）：6-7.

［2］雷衛(wèi)延，陳剛，陳武框，等.CAWS600型自動(dòng)站運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.氣象水文海洋儀器，2011，3（1）：86-87.

［3］黃宏智，陳冰懷，黃飛龍，等.基于多線程并發(fā)的風(fēng)廓線數(shù)據(jù)上傳監(jiān)控終端［J］.氣象水文海洋儀器，2015，3（1）：13-16.

［4］陳冰懷，黃宏智，陳捷雄，等.風(fēng)廓線雷達(dá)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用［J］.廣東氣象，2015，37（1）：68-70.

［5］李建勇，敖振浪，譚鑒榮，等.雷達(dá)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)信息提取及顯示系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［J］.廣東氣象，2007，29（4）：8-10.

TP39

A

10.3969/j.issn.1007-6190.2016.05.019

2016-03-14

黃宏智（1982年生），男，碩士，工程師，主要從事大氣探測(cè)設(shè)備研發(fā)及保障工作。E-mail：645763188@qq.com

黃宏智，黃飛龍，陳冰懷.新型自動(dòng)氣象站實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.廣東氣象，2016，38（5）：74-77.