新型自動氣象站外圍設(shè)備保障設(shè)計

周任柳，高玲

（安徽省當涂縣氣象局，安徽當涂243100）

新型自動氣象站外圍設(shè)備保障設(shè)計

周任柳，高玲

（安徽省當涂縣氣象局，安徽當涂243100）

新型自動氣象站設(shè)備的穩(wěn)定運行和保障十分重要，針對業(yè)務(wù)運行中外圍設(shè)備面臨的實際問題，本研究分別從數(shù)據(jù)本地傳輸線路和保障電源2個方面，提出合理可行的改進設(shè)計思路和解決方案。主要方法是數(shù)據(jù)本地傳輸線路新增備用線路，解決線路單一和軟件功能限制問題；電源方面改進UPS布局和發(fā)電機電路，使保障電源更完善。結(jié)果表明，新設(shè)計的數(shù)據(jù)傳輸線路實現(xiàn)多重備份，改進后保障電源有2套UPS主機和電池組互為備份，發(fā)電機操作實現(xiàn)無人值守。改造簡單成本合理，操作安全布局清晰，實現(xiàn)新型自動氣象站外圍設(shè)備的全面保障。本研究以成熟穩(wěn)定的設(shè)計、合理的成本，為新型自動氣象站外圍設(shè)備保障設(shè)計提供最優(yōu)方案，確保新型站設(shè)備的穩(wěn)定運行和全面保障，為氣象現(xiàn)代化建設(shè)提供科學依據(jù)。

新型自動氣象站；外圍設(shè)備；備用線路；保障電源

0 引言

“十三五”時期氣象事業(yè)發(fā)展仍處于可以大有作為的重要戰(zhàn)略機遇期，氣象工作與經(jīng)濟發(fā)展、糧食安全、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)文明、百姓生活等都密切相關(guān)，主動適應(yīng)經(jīng)濟發(fā)展新常態(tài)，堅持公共氣象發(fā)展方向，堅持全面推進氣象現(xiàn)代化，著力構(gòu)建現(xiàn)代氣象監(jiān)測預(yù)報預(yù)警體系和現(xiàn)代公共氣象服務(wù)體系，提高氣象監(jiān)測預(yù)報預(yù)警的準確率和精細化水平，提高氣象防災(zāi)減災(zāi)能力和應(yīng)對氣候變化工作水平，是氣象部門的重要任務(wù)[1]。綜合氣象觀測系統(tǒng)提供的準確、可靠的觀測數(shù)據(jù)，是提高預(yù)報預(yù)測準確率和服務(wù)能力的重要保證[2-3]。近年中國氣象觀測臺站自動氣象站設(shè)備開始大規(guī)模升級新型自動氣象站（以下簡稱新型站），同時老自動氣象站備份運行。新型站實現(xiàn)了風向、風速、空氣溫度、相對濕度、氣壓、地溫、草溫、降水與能見度等多要素的自動觀測與數(shù)據(jù)處理，部分臺站還實現(xiàn)了云、天氣現(xiàn)象等更多要素的自動觀測。全國臺站建成了以新型自動氣象站為主的地面綜合觀測系統(tǒng)。

新型自動氣象站硬件包括采集器、外部總線、傳感器、外圍設(shè)備等，其中外圍設(shè)備主要包括電源、終端電腦、通信接口和外存儲器；軟件包括嵌入式軟件、業(yè)務(wù)軟件2個部分[4-5]。整個新型站設(shè)計達到了高精度、高穩(wěn)定、易維護、低功耗、易擴展和實時遠程監(jiān)控的要求。張立清等[6-8]對自動站常見故障的檢測方法做過詳細介紹；張成祥等[9-12]研究了自動站軟件、硬件故障的排除與維護。新型站軟硬件更先進、更穩(wěn)定，影響運行穩(wěn)定的傳統(tǒng)故障漸少，新問題多在外圍設(shè)備方面，而國內(nèi)目前對新型站外圍設(shè)備的保障研究甚少。因此，確保新型站設(shè)備的運行穩(wěn)定和做好設(shè)備運行保障十分重要和必要，本研究著重分析外圍設(shè)備常見故障、保障方法和改進設(shè)計。

1 研究思路

以當涂國家氣象觀測站為例，觀測站位于安徽省當涂縣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)內(nèi)，觀測場四面是山地、農(nóng)田，種植的是低矮植物、作物，環(huán)境良好。觀測站2套新型站主備運行，還建有激光云量云高觀測儀和降水類視程障礙類天氣現(xiàn)象觀測儀等其他儀器。

在如此高規(guī)格建設(shè)的基礎(chǔ)上，穩(wěn)定運行和保障仍出現(xiàn)一些問題急待解決，這可能也是其他新型站面臨的共同問題，主要有以下4點。

（1）數(shù)據(jù)本地傳輸線路（以下簡稱數(shù)據(jù)線路）單一。由于所有儀器數(shù)據(jù)均通過串口服務(wù)器傳輸至電腦，當線路故障，如串口服務(wù)器故障時，將導(dǎo)致所有數(shù)據(jù)無法及時傳輸至業(yè)務(wù)電腦，且沒有備用線路，線路故障若短時間內(nèi)無法恢復(fù)，將嚴重影響氣象觀測業(yè)務(wù)質(zhì)量。

（2）軟件功能限制。臺站終端電腦現(xiàn)用的業(yè)務(wù)軟件功能有限，無法同時采集2套新型站數(shù)據(jù)，備份站數(shù)據(jù)采集須新增1臺備份站電腦。

（3）UPS（不間斷電源）保障不充分。觀測站原有UPS無備用設(shè)備，若UPS主機發(fā)生故障將導(dǎo)致電源失效且不能立即恢復(fù)，這將嚴重影響業(yè)務(wù)設(shè)備穩(wěn)定運行。

（4）發(fā)電機操作復(fù)雜。當外部市電斷電，發(fā)電機需手動啟動，還需要手動斷開外部市電線路，操作復(fù)雜、耗時、安全性差。

可以看出，問題主要集中在外圍設(shè)備，主要包括采集器把數(shù)據(jù)傳送到終端電腦的數(shù)據(jù)本地傳輸線路和設(shè)備保障電源2個方面問題。外圍設(shè)備的穩(wěn)定運行是影響新型站穩(wěn)定運行的重要因素，做好數(shù)據(jù)線路和保障電源就顯得十分重要和必要。

2 解決方案

堅持問題導(dǎo)向，根據(jù)上述具體問題，下面分別從數(shù)據(jù)線路和保障電源2個方面提出改進設(shè)計思路和解決方案。

2.1 數(shù)據(jù)本地傳輸線路設(shè)計

觀測站原有數(shù)據(jù)線路是2套自動站數(shù)據(jù)分別通過1根串口線傳至串口服務(wù)器，經(jīng)串口服務(wù)器處理再通過戶外光纖傳至終端電腦，見圖1。這樣設(shè)計帶來的問題是當串口服務(wù)器出現(xiàn)問題時，2套自動站數(shù)據(jù)都將無法傳至終端電腦，沒有備用傳輸線路，且終端電腦所用業(yè)務(wù)軟件無法同時完成2套新型站數(shù)據(jù)的采集和處理。為此，當涂站會同安徽省大氣探測與技術(shù)保障中心提出解決思路，即增加備用傳輸線路和備份站終端電腦。

圖1 原數(shù)據(jù)線路

本設(shè)計維持原有線路，備份站新增備用數(shù)據(jù)線路，采用直連光纖加直連串口線雙路設(shè)計，其中光纖為戶外光纖，串口線為帶屏蔽戶外線材，直接與備份站電腦相連，單獨采集備份站數(shù)據(jù)。同時，備用線路兩端和主站線路兩端均預(yù)留一定長度，以便線路切換使用，見圖2，這樣既實現(xiàn)主備站數(shù)據(jù)采集和處理，同時按照規(guī)范和設(shè)計要求，做好線路防雷、屏蔽、防水、防鼠措施。當主站設(shè)備故障不能及時恢復(fù)時可立即啟用備份站；當主站數(shù)據(jù)采集線路故障不能及時恢復(fù)時可直接切換備用線路。主站與備份站實現(xiàn)互為備份，串口線實現(xiàn)雙備份，光纖按照光路實現(xiàn)多重備份，串口服務(wù)器與備份站線路實現(xiàn)雙備份。綜合來看新設(shè)計的數(shù)據(jù)傳輸線路實現(xiàn)了多重備份的設(shè)計，改動簡單成本小，保證了數(shù)據(jù)本地傳輸穩(wěn)定運行和故障應(yīng)急處理能力。

圖2 新數(shù)據(jù)線路

按照業(yè)務(wù)規(guī)定和操作規(guī)程，當數(shù)據(jù)線路或自動站出現(xiàn)故障時，可按順序依次確定和排除故障隱患。以主站為主，優(yōu)先使用主站設(shè)備、數(shù)據(jù)線路。當主站數(shù)據(jù)傳輸路徑串口線故障時可切換備用串口線，當串口服務(wù)器故障時可切換備用線路，當光纖故障時可切換備用光路，做到數(shù)據(jù)線路故障時有備用線路并能方便及時切換使用。故障時還要根據(jù)具體情況，決定啟用備份站或備用線路。

以上數(shù)據(jù)線路設(shè)計是在優(yōu)先保障新型站數(shù)據(jù)連續(xù)的前提下設(shè)計的，當串口服務(wù)器上連接有其他儀器時，以上設(shè)計仍有局限性，并不能做到萬無一失。在新型站主備運行基礎(chǔ)上，通過串口服務(wù)器，還連接有激光云量云高觀測儀和降水類視程障礙類天氣現(xiàn)象觀測儀等其他儀器，建成了新型自動氣象站綜合觀測系統(tǒng)。在以上設(shè)計的基礎(chǔ)上，有條件的臺站，可在主站數(shù)據(jù)線路上設(shè)置備用串口服務(wù)器，見圖3，并使用備用數(shù)據(jù)線路連接主站、激光云量云高觀測儀、降水類視程障礙類天氣現(xiàn)象觀測儀與備用串口服務(wù)器。當主站串口服務(wù)器發(fā)生故障不能立即恢復(fù)時確保有備用設(shè)備并能及時切換啟用，從而保障新型站、云、天氣現(xiàn)象等所有設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)新型自動氣象站綜合觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)線路的全面保障。

圖3 數(shù)據(jù)線路綜合設(shè)計

2.2 保障電源設(shè)計

觀測站原有保障電源采用UPS與發(fā)電機的組合保障設(shè)計，市電經(jīng)UPS保障觀測場設(shè)備和業(yè)務(wù)用電腦網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，發(fā)電機接入業(yè)務(wù)設(shè)備配電箱（UPS充電線路）。UPS在線式運行，起到穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、抑制浪涌、尖峰、電噪音、補償電壓下陷、長期低壓等因素干擾作用，電源輸出質(zhì)量高[13-15]，日常使用需做好維護[16-19]。但運行期間，曾出現(xiàn)過UPS主機故障的情況，導(dǎo)致UPS電源無法使用，后緊急修改配電箱內(nèi)電路，臨時使用另一臺UPS主機才恢復(fù)供電。而且原發(fā)電機電路，停電時需手動啟動發(fā)電機，啟動前還需斷開業(yè)務(wù)設(shè)備配電箱外部市電，市電恢復(fù)時需手動關(guān)閉發(fā)電機，再接入外部市電，操作復(fù)雜、耗時、安全性差。

根據(jù)以上問題及處理方法，基本確定了電源改造方案，即增加1套備用UPS電源。在原有電路基礎(chǔ)上稍加改造，改動成本較小，如圖4。由1套UPS為觀測場設(shè)備和業(yè)務(wù)電腦網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供電，另一套UPS備用，在UPS主機和電池組輸出端分別加裝雙電源開關(guān)[20-22]，實現(xiàn)2套UPS主機和2組電池組互為備份和切換使用。因電池組有保護開關(guān)需手動開啟，且氣象儀器內(nèi)置電源支持短時間斷電運行，綜合考慮選擇手動雙電源開關(guān)。在發(fā)電機輸出端與UPS市電輸入端加裝自動雙電源開關(guān)，配合自啟動發(fā)電機，實現(xiàn)發(fā)電機操作無人值守。市電斷電時發(fā)電機自動啟動，雙電源開關(guān)自動斷開業(yè)務(wù)設(shè)備配電箱外部市電；市電來電時發(fā)電機自動關(guān)閉，雙電源開關(guān)自動接通業(yè)務(wù)設(shè)備配電箱外部市電。同時按照規(guī)范和設(shè)計要求，做好線路防漏電、防雷、屏蔽、防水、防鼠措施。

圖4 保障電源設(shè)計

改造后業(yè)務(wù)設(shè)備電源有2套UPS主機和電池組互為備份，能保障業(yè)務(wù)設(shè)備高質(zhì)量電源供應(yīng)和較長時間停電電力保障，為維修維護預(yù)留足夠時間。且自啟動發(fā)電機能自動完成啟停與電路轉(zhuǎn)換，減少人工操作，降低安全風險，實現(xiàn)無人值守。電源改造后更安全，能耗更低，布局更清晰，保障更便捷。

3 應(yīng)用效果

以上數(shù)據(jù)線路和保障電源設(shè)計方案，經(jīng)安徽省大氣探測與技術(shù)保障中心技術(shù)人員、專業(yè)電工技術(shù)人員現(xiàn)場指導(dǎo)，于2015年10月最終改造完成并穩(wěn)定運行。經(jīng)歷低溫雨雪和高溫汛期近1年時間使用，運行可靠穩(wěn)定，滿足新型站可靠性要求。方案對數(shù)據(jù)線路和保障電源設(shè)計布局簡潔明晰，各節(jié)點功能合理，適用于全國大部分氣象觀測臺站推廣使用。且操作使用簡單，不需要專業(yè)網(wǎng)絡(luò)或電工知識，只需要插拔線路插頭或切換電源開關(guān)，即可安全完成操作，保障維護方便快捷，滿足新型站可維護性和安全性要求。同時整個方案改造所需材料，不增加額外功耗，都是普通線材或電源開關(guān)，但改造施工需要專業(yè)人員按規(guī)范操作，改造和維護成本低廉，滿足新型站低功耗、擴展性、互換性要求。相對于所保障的氣象設(shè)施設(shè)備和產(chǎn)出社會效益，可謂小投入大回報。在方案的改造和使用過程中，還能加強氣象工作人員對自動氣象站的結(jié)構(gòu)和功能認識，增強氣象工作人員氣象裝備開發(fā)使用和保障維護能力，提高氣象工作人員的綜合素質(zhì)。

4 結(jié)論與討論

本設(shè)計通過咨詢行業(yè)專家，結(jié)合本地實際，解決了新型自動氣象站在數(shù)據(jù)線路和保障電源方面的實際問題，以成熟穩(wěn)定的設(shè)計、合理的成本，為新型自動氣象站外圍設(shè)備保障設(shè)計提供最優(yōu)方案，確保新型站設(shè)備的穩(wěn)定運行和全面保障；為農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)、環(huán)境氣象服務(wù)等專業(yè)設(shè)備使用提供支持；為服務(wù)地方社會經(jīng)濟發(fā)展提供更有力的氣象保障；為建成集成、優(yōu)化和高效益的新型觀測系統(tǒng)；為提高數(shù)據(jù)質(zhì)量、推動技術(shù)發(fā)展；為氣象現(xiàn)代化建設(shè)提供科學依據(jù)。

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New Automatic Weather Station:Maintenance and Design for Peripheral Devices

Zhou Renliu,Gao Ling
(Dangtu Meteorological Bureau,Dangtu 243100,Anhui,China)

Stability and maintenance is important for new automatic weather station.This paper proposed the design ideas and programs for improving peripheral devices from the data circuit and power supply.The main methods were adding spare data circuits to resolve circuits and software restrictions,and improving the UPS and generator circuits to make the power protection better.The results showed that:the new design realized data circuit and UPS power backup,and an unattended generator;the design was simple and cost-effective, safe for operation and could produce good effects.It also provided a scientific basis for the construction of meteorological modernization.

New Automatic Weather Station;Peripheral Devices;Spare Data Circuit;Power Supply

P414

A論文編號：cjas16090017

2016年度馬鞍山市氣象局自立科研項目“雙套新型自動氣象站外圍設(shè)備雙重保障設(shè)計”(2016012)。

周任柳，男，1987年出生，安徽馬鞍山人，助理工程師，本科，主要從事綜合氣象觀測與服務(wù)工作。通信地址：243100安徽省馬鞍山市當涂縣梅塘路215號當涂縣氣象局，Tel：0555-6740218，E-mail：459617210@qq.com。

2016-09-30，

2016-12-16。