北京市海淀區(qū)新型自動氣象站故障排查分析

王瑩　張瑋　史辰

摘要 以北京市海淀區(qū)新型自動氣象站故障排查過程為例，探討優(yōu)化自動氣象站故障排查方法及后續(xù)處理，為新型自動氣象站正常運行、探測數(shù)據(jù)正常采集傳輸和有效降低自動氣象站故障率提供參考。

關(guān)鍵詞 新型自動氣象站；故障排查；排查流程；北京市海淀區(qū)

中圖分類號 P415.1+2 文獻標識碼 B 文章編號 1007-5739（2017）13-0207-04

Abstract Taking the troubleshooting process of the new automatic weather station of Haidian District in Beijing City as an example，the approach and subsequent processing of troubleshooting optimization were discussed，in order to provide references for normal operation of the new automatic weather station，normal collection and transmission of detection data，and reducing the failure rate of the automatic weather station.

Key words new automatic weather station；troubleshooting；investigation process；Haidian District of Beijing City

隨著氣象現(xiàn)代化建設(shè)的推進，氣象觀測自動化程度已經(jīng)有了長足的進步，2012年新型自動氣象站在全國范圍得到普及，觀測要素的數(shù)量、精度及頻次都得到了極大的提升，但作為新型設(shè)備，在新型自動氣象站故障率降低的同時，其故障類型、檢測方法步驟也與以往有所不同[1]。而新型自動氣象站故障的迅速診斷、排查及數(shù)據(jù)的后續(xù)處理是綜合業(yè)務(wù)的重要組成部分，是每位業(yè)務(wù)人員都應(yīng)掌握的技能。盡管各臺站在新型自動氣象站運行保障中已經(jīng)積累了一定的維修經(jīng)驗，但臺站的故障排查能力仍有待加強。究其原因，一是臺站業(yè)務(wù)人員對新型自動氣象站的理論知識掌握不夠；二是臺站人員崗位流動性大，難有固定人員從事保障工作；三是平時業(yè)務(wù)工作中動手操作機會少，參加過系統(tǒng)性保障培訓的人員不多，發(fā)生故障時需要通過聯(lián)系探測中心人員尋求遠程指導，導致診斷時間長、排查效率低。這導致新型自動氣象站的保障、維修效率方面的問題日趨突出[2]。

北京海淀屬于國家一般氣象站，現(xiàn)有2套自動氣象站設(shè)備，分別是華云生產(chǎn)的DZZ5新型自動氣象站（業(yè)務(wù)站）和CAWS600自動氣象站（備份站），轄區(qū)內(nèi)設(shè)有15個區(qū)域自動站和1個GNSS（global navigation satellite systems）/MET水汽站。本文根據(jù)新型自動氣象站ISOS軟件中全部數(shù)據(jù)缺測、部分數(shù)據(jù)缺測和單個要素數(shù)據(jù)缺測3種情況，介紹海淀新型自動站故障的診斷、排查及有關(guān)數(shù)據(jù)處理的過程，并歸納出DZZ5新型自動氣象站運行過程中出現(xiàn)故障排查思路及建議，以供氣象工作人員實踐中參考[2]。

1 全部數(shù)據(jù)缺測故障排查過程

1.1 故障現(xiàn)象

2016年10月5日9：16，值班室觀測業(yè)務(wù)電腦SMO軟件連續(xù)報警，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)全部缺測，立即開展故障排查，避免影響整點報文。

1.2 排查過程和思路

遇到數(shù)據(jù)缺測時，應(yīng)保持冷靜，遵循就近原則，先迅速排查室內(nèi)，室內(nèi)排查完畢，形成大致方向，再攜帶萬用表、機箱鑰匙等工具趕赴觀測場。

1.2.1 排查室內(nèi)（9：16—9：30）。①查看室內(nèi)供電和計算機的本地連接是否正常。②運行調(diào)試軟件。首先，打開Nport軟件查看串口是否變化，發(fā)現(xiàn)并未更換，如變化改回原來的串口。其次，用DOS命令ping串口服務(wù)器IP查看是否正常連接，發(fā)現(xiàn)連接無誤，則室內(nèi)通訊模塊運行正常。最后，打開SMO軟件的參數(shù)設(shè)置中啟用通訊查看，顯示內(nèi)容為：采集器無返回，讀取串口COM5。初步判定為主采集器和串口服務(wù)器（包括主采集器、串口服務(wù)器、通訊線路）之間出現(xiàn)問題，室內(nèi)排查完畢。

1.2.2 排查室外（9：30—10：10）。①排查串口服務(wù)器（9：30—9：45）。到觀測場查看串口服務(wù)器指示燈，發(fā)現(xiàn)主采集器返回燈未亮，復(fù)位串口服務(wù)器觀察，值班室內(nèi)數(shù)據(jù)仍然不正常。②排查主采集器（9：50—10：10）。打開主采集器箱門，發(fā)現(xiàn)運行指示燈異常，復(fù)位觀察，聽到2聲滴響，1 min后值班室內(nèi)數(shù)據(jù)逐漸恢復(fù)正常。③如果仍未恢復(fù)，需進一步排查。

故障發(fā)生時，業(yè)務(wù)人員一方面要及時排查故障，另一方面要將故障發(fā)生情況上報北京市氣象信息中心和本單位業(yè)務(wù)主管領(lǐng)導，并在中國氣象局綜合氣象觀測系統(tǒng)運行監(jiān)控平臺（簡稱ASOM系統(tǒng)）填寫故障報告單。

1.3 數(shù)據(jù)處理

由于數(shù)據(jù)缺測時間為9：16—10：25，導致10：00、11：00整點數(shù)據(jù)受到影響，所以需要進行數(shù)據(jù)處理，發(fā)送報文。首先補調(diào)數(shù)據(jù)，在SMO軟件中按以下步驟操作，點擊數(shù)據(jù)處理→歷史數(shù)據(jù)查詢（下載歷史數(shù)據(jù)）→開始下載，根據(jù)補調(diào)結(jié)果不同分為以下2種情況。

1.3.1 補調(diào)成功。在SMO軟件上，按以下步驟操作，點擊數(shù)據(jù)處理→歷史數(shù)據(jù)查詢（下載歷史數(shù)據(jù)）→開始下載，補調(diào)數(shù)據(jù)成功則需在MOI點擊觀測與編報→上傳文件補充編發(fā)，選擇Z文件，選擇補發(fā)時段補發(fā)報文；如補調(diào)不成功，則查看D：＼ISOS＼SMO＼dataset＼北京＼54399＼AWS＼新型自動站＼設(shè)備＼Minute＼中查看txt內(nèi)原始數(shù)據(jù)文件是否缺測，發(fā)現(xiàn)10：00前10 min、正點后10 min數(shù)據(jù)全部缺測，10：00正點數(shù)據(jù)則只能用備份自動站的數(shù)據(jù)代替。

1.3.2 補調(diào)失敗。由于故障時間不包含定時觀測時次，無需人工觀測能見度，數(shù)據(jù)采用備份站數(shù)據(jù)代替。具體操作如下：記錄備份站氣壓、氣溫、濕度（相對濕度、水汽壓、露點溫度）、2 min和10 min風向、風速、地面溫度（含草溫）、淺層和深層地溫數(shù)據(jù)，其中海平面氣壓輸入氣壓和氣溫后自動計算，地面溫度（含草溫）、氣溫、相對濕度、氣壓小時極值和小時內(nèi)最大風速、極大風速從實有記錄中挑選，能見度及極值、瞬時風向風速全部按缺測處理。8：00—10：00無新的天氣現(xiàn)象出現(xiàn)，也沒有已出現(xiàn)且需要記錄時間的天氣現(xiàn)象，天氣現(xiàn)象欄無需更改。故障時段內(nèi)無降水現(xiàn)象，刪除小時降水量中缺測的分鐘降水量。除風向外，其余要素數(shù)據(jù)擴大10倍輸入，缺測數(shù)據(jù)輸“-”。應(yīng)在14：00（下一定時觀測時次）前完成數(shù)據(jù)處理和上傳。

這里值得注意的是，小時內(nèi)能見度數(shù)據(jù)異常時，極值不能從實有記錄中挑選，9：16—10：25數(shù)據(jù)缺測導致10：00、11：00的最小能見度以及出現(xiàn)時間都受到影響，故10：00和11：00的最小能見度和出現(xiàn)時間按缺測處理，11：00正點數(shù)據(jù)需處理上傳。分鐘降水量中的缺測也應(yīng)刪除。

以上操作應(yīng)在14：00（下一定時觀測時次）前完成數(shù)據(jù)處理和上傳。

1.3.3 MDOS備注。按國家局業(yè)務(wù)規(guī)定，新型自動氣象站出現(xiàn)此類故障影響正點數(shù)據(jù)時，要在12 h內(nèi)將包含數(shù)據(jù)處理方法等內(nèi)容的備注上傳到MDOS。

按以下步驟進行，登錄MDOS軟件功能菜單→元數(shù)據(jù)信息處理→備注信息登記→一般備注事件→理由填寫：由于主采集器故障，9：16—10：25數(shù)據(jù)缺測，10：00正點數(shù)據(jù)用備份站代替，10：00和11：00最小能見度和出現(xiàn)時間按缺測處理；氣壓、氣溫、相對濕度、風、地面溫度、草溫的小時極值從實有記錄挑選，不影響日極值（因MDOS系統(tǒng)升級，以上操作針對的是V1.2.1舊版，V2.0新版中具體操作略有差異，但不影響備注內(nèi)容）。

在ASOM系統(tǒng)填寫完整的故障單。同時，值班員仍需觀察對比新型自動氣象站的數(shù)據(jù)和備份站的差異，持續(xù)關(guān)注新型自動氣象站的運行情況并做好記錄，確保數(shù)據(jù)的有效性和準確性。

2 某一類觀測數(shù)據(jù)缺測故障排查過程

2.1 故障現(xiàn)象

2015年9月14日6：10，觀測室報警，查看觀測數(shù)據(jù)，草面溫度、地面溫度、淺層、深層地溫全部缺測。

2.2 排查思路

因與地溫分采集器相關(guān)的數(shù)據(jù)全部缺測，去觀測場查看地溫分采集器，斷電重啟，回值班室查看，地面數(shù)據(jù)仍全部缺測，然后打開機箱查看主采集器，發(fā)現(xiàn)CAN總線松動。

2.3 解決辦法

斷開主采集器電源，連接好CAN總線，復(fù)位主采集器。回值班室查看數(shù)據(jù)，恢復(fù)正常[3-4]。

3 某一項觀測數(shù)據(jù)缺測故障排查過程

3.1 故障現(xiàn)象

2016年7月15日，ISOS軟件報警，80 cm深層地溫數(shù)據(jù)缺測。

3.2 排查思路

故障現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)后，排查時要全面，逐步排查，規(guī)范操作。由于地溫傳感器為標準4線制鉑電阻溫度傳感器。鉑電阻溫度傳感器根據(jù)金屬鉑的電阻值隨溫度變化測定溫度[5]?，F(xiàn)行業(yè)務(wù)中使用的Pt100鉑電阻在0 ℃的電阻值是R0=100 Ω（另有Pt1000阻值不同），以0 ℃為基點溫度，在溫度為t（℃）時的電阻值Rt=R0（1+At+Bt2）[4]（A、B為系數(shù)，經(jīng)標定可以求出其值）。結(jié)合原理排查如下：①由于只有80 cm地溫數(shù)據(jù)異常，其他深層地溫數(shù)據(jù)正常，故排除主、分采集器和CAN線故障。②用萬用表測試地溫分采集器面板上端子處80 cm地溫傳感器的同端和異端電阻，發(fā)現(xiàn)80 cm深層地溫電阻明顯異常，將160 cm深層地溫線插入機箱下面80 cm地溫傳感器的航空插頭，再次測量電阻值在正常范圍內(nèi)，排除傳感器至分采集器通信線路故障。③將80 cm深層地溫傳感器挖出，發(fā)現(xiàn)一處有明顯的老鼠撕咬痕跡。依次用蜂鳴檔以及電阻檔測試4線頭的1、3兩線，發(fā)現(xiàn)藍色線無蜂鳴聲，電阻值極大，確認故障出現(xiàn)在地溫傳感器頭或地溫傳感器線上。④將地溫傳感器線剪短用水溫測試法測試后發(fā)現(xiàn)傳感器正常，排除傳感器頭故障確認傳感器線故障。

3.3 解決辦法

用深層地溫傳感器備件替換壞件，與地溫分采集器連接好線后，等待觀察，數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

4 自動站故障排查流程

4.1 注意事項

在排查故障的過程中，需要保持冷靜，逐步排查，規(guī)范操作。因為每個設(shè)備都有指示燈，對排查故障有很重要的指示意義，所以要重視指示燈的使用。另外，采集器電源箱、計算機、UPS、打印機均與市電相接，插拔電源插頭時，切記應(yīng)注意安全。

4.2 故障排查流程圖

臺站觀測業(yè)務(wù)人員能夠迅速判斷和處理故障，對保障自動站運行和數(shù)據(jù)準確性、完整性非常重要。新型自動氣象站在全國范圍內(nèi)業(yè)務(wù)運行后，各臺站應(yīng)該根據(jù)新型站軟硬件特點和臺站情況建立故障排查流程，流程滿足邏輯清晰、實用性高、兼顧效率的原則。本文從臺站運行保障工作經(jīng)驗出發(fā)，提出一種故障排查流程設(shè)計，以供參考。

根據(jù)出現(xiàn)異常的要素類別和數(shù)量將故障分為3類，故障分類及可能原因見表1。以下按照上述分類介紹相應(yīng)的排查流程。

4.2.1 全部要素缺測。解決此類故障，根據(jù)新型自動站數(shù)據(jù)傳輸方式（圖1），設(shè)計排查步驟如下。

首先檢查計算機與串口服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)連接是否正常。在DOS命令窗口輸入“ping串口服務(wù)器IP地址”，如果數(shù)據(jù)收發(fā)正常，說明問題出在串口服務(wù)器上游的主采集器或串口通信線路上，按照步驟（1）進行排查，否則按照B。

（1）流程見圖2。①查看主采集器運行狀態(tài)。如主采集器運行狀態(tài)指示燈異常，進入圖2右區(qū)，用萬用表直流電壓檔測量供電電壓，確保供電正常（12V），復(fù)位主采集器。指示燈仍異常，用串口轉(zhuǎn)USB線直連筆記本和主采集器，通過ISOS中采集軟件SMO維護終端功能或串口調(diào)試工具讀取主采集器數(shù)據(jù)，如數(shù)據(jù)仍全部缺測或異常，則確認主采集器故障，需要更換。如主采集器運行狀態(tài)指示燈正?；蛑边B數(shù)據(jù)正常，則進入圖2左區(qū)進行通信故障排查。②檢查串口服務(wù)器。可首先嘗試復(fù)位，更換主采集器串口線與串口服務(wù)器的接口（Port口），更換后通過串口服務(wù)器管理軟件查看新接口對應(yīng)的COM端口，更改ISOS采集軟件SMO通信參數(shù)，數(shù)據(jù)恢復(fù)則排查結(jié)束，仍異常說明主采集器至串口服務(wù)器的通信線路故障或串口服務(wù)器自身故障。③檢查主采集器至串口服務(wù)器的通信線路。用萬用表蜂鳴檔檢查包括端子、防雷板和導線在內(nèi)的通信線路有無短路或斷路，如有異常，找到具體故障點后進行更換。確定線路無故障后，數(shù)據(jù)仍未恢復(fù)說明串口服務(wù)器出現(xiàn)故障。

注意圖2左右兩區(qū)有交叉，因?qū)嶋H業(yè)務(wù)中可能出現(xiàn)2處以上故障，此時排查難度增加。

（2）數(shù)據(jù)收發(fā)不正常。①檢查供電與外表可見的損壞。查看串口服務(wù)器和光電轉(zhuǎn)換模塊供電是否正常，串口服務(wù)器指示燈是否正常，連接計算機和串口服務(wù)器的光纖、以太網(wǎng)線是否有明顯損壞，接口是否有松動脫落。②復(fù)位。連接仍未恢復(fù)，重啟光電轉(zhuǎn)換模塊和串口服務(wù)器。③詳細檢查。連接仍未恢復(fù)，用以太網(wǎng)線將筆記本電腦與串口服務(wù)器直連，使用ping命令再次測試網(wǎng)絡(luò)連接。無法連接說明串口服務(wù)器或以太網(wǎng)線損壞，更換網(wǎng)線后仍不能連接，說明換串口服務(wù)器損壞；連接正常說明光電轉(zhuǎn)換模塊、光纖或至業(yè)務(wù)計算機以太網(wǎng)線損壞，光纖可借助光源進行檢查，仍未恢復(fù)則需更換以太網(wǎng)線或光電轉(zhuǎn)換模塊。

4.2.2 部分要素缺測。依據(jù)鉑電阻溫度傳感器的原理和特點，新型站采用了溫濕分采集器和地溫分采集器，并通過CAN總線實現(xiàn)與主采集器的通信。當溫濕或所有地溫（含草溫）數(shù)據(jù)同時出現(xiàn)異常，應(yīng)依次檢查分采供電、分采到主采通信線（包括端子、防雷板、CAN線等）是否存在短路或斷路。以上處理完成后數(shù)據(jù)仍異常，說明分采故障或主采CAN接口故障，需及時更換。

如不是通過某一分采集器的氣象要素全部異常，則應(yīng)按單個要素數(shù)據(jù)異常進行排查。

4.2.3 單個要素數(shù)據(jù)缺測。單個要素數(shù)據(jù)缺測或異常多為供電、通信線或傳感器故障，也可能是主采集器對應(yīng)端口損壞，按上述順序排查較為合理。注意檢查通信線路應(yīng)包括防雷板、端子和各段的數(shù)據(jù)線。以下介紹幾種傳感器檢查方法。

（1）溫度傳感器（包括氣溫、地溫、草溫）。斷電，用萬用表測量傳感器四線電阻值，包括2組同端電阻和1組異端電阻，同端電阻值應(yīng)為幾歐量級，異端電阻值在100 Ω左右，通過以上電阻值計算溫度，如與實際溫度相差較大，說明傳感器損壞。

（2）濕度傳感器。加電條件下用萬用表測量信號電壓值（毫伏檔），與當前實際相對濕度相差較大，則說明傳感器損壞。

（3）翻斗式雨量傳感器。斷開與主采集器連接，使用萬用表蜂鳴檔檢查干簧管在撥動計數(shù)翻斗是否能夠接通，無法連通說明干簧管損壞，需更換雨量傳感器。

（4）風向傳感器。將風向標固定在東北、東南、西南、西北4個方位，依次讀取風向數(shù)據(jù)，只出現(xiàn)偏東風或偏西風說明傳感器D6位出現(xiàn)故障，只出現(xiàn)偏北風或偏南風說明D5位出現(xiàn)故障。其余5位格雷碼盤出現(xiàn)故障較難發(fā)現(xiàn)，且排查較為復(fù)雜，氣象資料業(yè)務(wù)系統(tǒng)MDOS中能夠檢測此類故障（系統(tǒng)偏差），在此不做展開。

（5）風速傳感器。轉(zhuǎn)動風杯，用萬用表電壓檔測量風速信號，測量值應(yīng)該在3 V左右或交替出現(xiàn)0、5 V，否則說明傳感器損壞。

（6）氣壓和前向散射能見度儀。儀器為智能傳感器，其故障排查較為復(fù)雜。氣壓故障建議直接更換；能見度數(shù)據(jù)異常，注意檢查儀器安裝位置是否有變動、鏡頭是否污染等，仍不能解決時建議停止使用并在定時時次啟用人工觀測，及時聯(lián)系上級裝備保障部門完成儀器維修。

4.3 進一步改進措施

為了進一步提高故障診斷速度，降低自動氣象站故障率，首先，要加強業(yè)務(wù)基本技能，熟練掌握操作難點和技巧，以提高自身實踐能力；其次，要加強新型自動站維護維修方面的學習培訓，多同其他臺站進行交流和學習；再次，要結(jié)合本站實際情況，制定出符合國家標準的測報工作規(guī)范，進而有效約束測報人員的不良習慣，做到操作規(guī)范，防止故障發(fā)生；最后，在日常工作中，要強化責任意識，及時發(fā)現(xiàn)問題并做好異常情況處理，積極做好各項測報工作，提高地面測報工作質(zhì)量。

此外，本文并未涉及臺站與省級信息中心通信故障的排查解決。目前，北京市大多數(shù)臺站采用撥號作為備份通信方式，鑒于3G/4G通信技術(shù)的成熟和普及，建議北京市氣象局統(tǒng)一布設(shè)3G/4G模塊作為新的備份通信方式，提高通信方式切換效率。

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