新型自動氣象站遠(yuǎn)程診斷的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

曹凱明，董立亭，蘇 菲，楊 震

(貴州省大氣探測技術(shù)與保障中心，貴州 貴陽 550081)

1 引言

貴州省現(xiàn)有84個國家級地面氣象觀測站在2016年均已完成了新型自動氣象站的升級改造，并逐步增加了稱重降水、能見度、天氣現(xiàn)象和日照等的自動觀測設(shè)備。按照中國氣象局全面深入推進(jìn)地面氣象觀測自動化改革的要求，在2018年底貴州省將完成國家地面觀測站觀測自動化整體切換工作，因此，對貴州省現(xiàn)有臺站技術(shù)保障人員的能力和要求也將更高。但臺站人員受技術(shù)水平、維修能力和備件所限，對獨(dú)立進(jìn)行設(shè)備維修還有一定的差距，較復(fù)雜的維修工作主要還是由省、市州級的技術(shù)保障人員來完成，在整個維修過程中，用在路上和等待備件的時間占了很大比例，對自動站的維修時效有很大的影響，極大影響了觀測數(shù)據(jù)的可用性。

因此，進(jìn)行新型自動氣象站故障遠(yuǎn)程診斷功能的研究，開發(fā)相對應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)，充分發(fā)揮省級和市州級保障中心的技術(shù)保障骨干作用，充分利用臺站網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的現(xiàn)有條件，遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)全省新型自動氣象站的故障診斷、維修指導(dǎo)和維護(hù)管理，快速定位故障原因，及時排除故障，進(jìn)一步提升全省氣象裝備的維護(hù)維修水平和設(shè)備的維修時效。

2 實(shí)現(xiàn)原理和方法

通過研制一套遠(yuǎn)程診斷設(shè)備，結(jié)構(gòu)如圖1所示，串聯(lián)接入到新型自動氣象站采集器與臺站值班室計(jì)算機(jī)的通訊線路中，使得采集器、通信設(shè)備和用以遠(yuǎn)程診斷的終端在同一局域網(wǎng)絡(luò)中，再通過配套的終端診斷軟件，遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對新型自動氣象站診斷的各項(xiàng)操作。

圖1 新型自動氣象站遠(yuǎn)程診斷結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Remote Diagnosis Structure of New Automatic Weather Station

2.1 遠(yuǎn)程診斷設(shè)備

如圖1所示，該遠(yuǎn)程診斷設(shè)備由串口服務(wù)器、光纖收發(fā)器、RJ45分線盒、無線路由器和一些配件等組成，主要起到遠(yuǎn)程訪問新型自動氣象站的媒介作用。

2.1.1 串口服務(wù)器 串口服務(wù)器主要提供串口轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)功能，能夠?qū)⒉杉鞯腞S-232串口轉(zhuǎn)換成TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)RS-232串口與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)雙向透明傳輸，使得采集器的串口具備TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口功能，極大的擴(kuò)展了采集器的通信距離。如圖2所示，通過設(shè)置串口服務(wù)器的IP地址，就可使串口服務(wù)器成為省市縣專網(wǎng)上的一個節(jié)點(diǎn)，從而使連接到該串口服務(wù)器的自動氣象站連接到以太網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)組網(wǎng)。設(shè)置過程簡述如下：

圖2 串口服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)連接圖Fig.2 Serial Device Server Network Connection Diagrams

①將串口服務(wù)器設(shè)置為TCP Server模式，連接目標(biāo)IP設(shè)置為該地面氣象觀測站分配的省市縣氣象專網(wǎng)空閑IP，默認(rèn)網(wǎng)關(guān)設(shè)置為模塊所在局域網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)，參照圖3所示進(jìn)行設(shè)置。注意：TCP Server模式下，監(jiān)聽的是串口服務(wù)器自身端口。

圖3 串口服務(wù)器TCP Server設(shè)置Fig.3 Serial Device Server TCP Server Settings

②遠(yuǎn)程用戶通過工作在TCP Client模式下的程序，連接該地面氣象觀測站的串口服務(wù)器IP：192.168.0.7，從而控制串口服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)對新型自動氣象站的遠(yuǎn)程診斷，連接界面如圖4所示。

圖4 TCP Client遠(yuǎn)程連接設(shè)置Fig.4 TCP Client Remote Connection Settings

2.1.2 光纖收發(fā)器 光纖收發(fā)器是一種將短距離的雙絞線(RJ45)電信號和長距離的光信號進(jìn)行互換的以太網(wǎng)傳輸媒體轉(zhuǎn)換單元，也被稱為光電轉(zhuǎn)換器(Fiber Converter)。現(xiàn)貴州省新型自動氣象站與地面業(yè)務(wù)值班室計(jì)算機(jī)通訊的線路均為6芯多模光纖，其中數(shù)據(jù)傳輸占用了2路光纖，另外空閑的4路光纖則可用以進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷使用，采用圖1所示的成對多模光纖收發(fā)器將遠(yuǎn)程控制信號傳輸至遠(yuǎn)程診斷設(shè)備中。

2.1.3 RJ45分線盒 RJ45分線盒用以將接入到遠(yuǎn)程診斷設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行星型拓?fù)洳季€，并起到網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的作用，分別連接遠(yuǎn)程診斷設(shè)備的串口服務(wù)器和無線路由器，使得診斷設(shè)備中的遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程會商功能可以同時使用。

2.1.4 無線路由器 將地面氣象觀測站的省市縣專網(wǎng)有線信號，在觀測場上轉(zhuǎn)為無線信號，使得現(xiàn)場進(jìn)行維修的保障人員，可以通過筆記本電腦、手機(jī)/平板等移動終端連接新型自動氣象站設(shè)備進(jìn)行診斷和測試，同時也可以與省級保障中心和廠家的技術(shù)人員進(jìn)行語音視頻會商，開展遠(yuǎn)程指導(dǎo)。

2.2 遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)與應(yīng)用

遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)是在省級保障中心建立中心站，通過Web的訪問方式與國家級地面氣象觀測站建立雙向連接，省級保障中心可以通過該系統(tǒng)，使用遠(yuǎn)程診斷設(shè)備來獲取站點(diǎn)自動氣象站設(shè)備的各項(xiàng)信息，實(shí)現(xiàn)對自動氣象站的遠(yuǎn)程控制和故障診斷，同時通過本系統(tǒng)的視頻會商功能對現(xiàn)場保障人員進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo)，站點(diǎn)也可以通過移動終端登陸該系統(tǒng)對站點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場測試和診斷，以及查詢故障庫信息等。

本系統(tǒng)為BS架構(gòu)，由設(shè)備遠(yuǎn)程診斷、設(shè)備維護(hù)維修管理、故障庫管理、會商指導(dǎo)4個子系統(tǒng)和后臺管理構(gòu)成，如圖5所示。

圖5 遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)Fig.5 Remote Diagnosis System

2.2.1 遠(yuǎn)程診斷 省級保障中心通過省市縣專用網(wǎng)絡(luò)向指定臺站的遠(yuǎn)程診斷設(shè)備發(fā)送連接命令，就可使中心端服務(wù)器和遠(yuǎn)程診斷設(shè)備進(jìn)行鏈接，再通過遠(yuǎn)程診斷設(shè)備連接到自動站采集器上，通過圖6所示實(shí)現(xiàn)對指定臺站自動站設(shè)備的遠(yuǎn)程測試、分析和調(diào)試功能。

圖6 遠(yuǎn)程連接Fig.6 Remote Connection

①發(fā)送命令

將各類自動站型號的不同命令預(yù)置在系統(tǒng)中，使用時以下拉菜單的方式進(jìn)行選擇，系統(tǒng)預(yù)置中沒有的命令也可以通過手動進(jìn)行輸入。通過將選定的命令發(fā)送給遠(yuǎn)程的自動站設(shè)備來獲取自動站的各項(xiàng)信息。遠(yuǎn)程檢測采集器的工作狀態(tài)如圖7所示。

圖7 遠(yuǎn)程診斷命令Fig.7 Remote Diagnosis Command

②數(shù)據(jù)接收

系統(tǒng)接收指定自動站采集器返回的數(shù)據(jù)，根據(jù)返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的展示，如：文字、表格和圖形等。系統(tǒng)能夠自動保存發(fā)送的每條命令和對應(yīng)的返回?cái)?shù)據(jù)，用于歷史的查詢調(diào)用。

圖8 遠(yuǎn)程診斷顯示Fig.8 Remote Diagnostic Display

③遠(yuǎn)程診斷歷史數(shù)據(jù)查詢

對自動站遠(yuǎn)程診斷過程的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，用以確認(rèn)診斷過程中命令發(fā)送情況、數(shù)據(jù)獲取情況、參數(shù)設(shè)置和修改情況等。

圖9 遠(yuǎn)程診斷記錄Fig.9 Remote Diagnostic Record

2.2.2 語音視頻會商 故障站點(diǎn)進(jìn)行維修的保障人員通過終端設(shè)備(筆記本、手機(jī)或平板)連接到圖10所示框圖的遠(yuǎn)程診斷設(shè)備上，即可使用安裝在終端上的客戶端軟件與省級保障中心進(jìn)行語音視頻會商。

業(yè)務(wù)功能：

①故障查看和指導(dǎo)：省市級保障中心與故障站點(diǎn)保障人員使用本系統(tǒng)進(jìn)行語音視頻，通過臺站保障人員的移動終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程查看故障設(shè)備，如圖11所示，從而實(shí)現(xiàn)快速定位故障部件，指導(dǎo)臺站人員進(jìn)行測量和維修的功能。

②維修演示：中心保障人員通過本軟件演示維修過程和測試方法(如通過操作對比設(shè)備)，現(xiàn)場維修的保障人員通過觀看視頻來進(jìn)行維修。

③會商功能：具有多人多站點(diǎn)視頻會商功能，實(shí)現(xiàn)省級保障中心、廠家、臺站的會商，針對站點(diǎn)故障情況進(jìn)行分析，制定維修方案。

技術(shù)功能：

①語音和視頻同步接收和發(fā)送。

②具有互相傳送文字、圖片和視頻等功能。

③錄像功能，可錄取現(xiàn)場維修或演示指導(dǎo)的過程，保存在本機(jī)目錄中，作為故障維修案例錄入到故障數(shù)據(jù)庫當(dāng)中去，提供全省臺站參考使用。

④截圖功能，隨時截取視頻會話中的場景，保存在本機(jī)的指定目錄中。

圖10 語音視頻會商Fig.10 Voice and Video Consultation

圖11 遠(yuǎn)程設(shè)備圖像顯示Fig.11 Remote Device Image Display

2.2.3 故障數(shù)據(jù)庫

①故障庫案例錄入

實(shí)現(xiàn)自動站故障案例的錄入，錄入的基本信息包括：通過下拉菜單選擇的有自動站類型、生產(chǎn)廠家、自動站型號、自動站部件和故障現(xiàn)象，手動輸入的項(xiàng)目有故障名稱、故障原因、故障現(xiàn)象描述、解決方案等，還可以添加維修的圖片和指導(dǎo)視頻。

圖12 故障庫案例錄入Fig.12 Fault library case entry

②故障庫審核管理

對錄入的故障案例和知識庫進(jìn)行審核，分為審核通過和審核未通過兩種狀態(tài)，對審核未通過的要給出修改或補(bǔ)充建議(如故障解決方法不對，需補(bǔ)充說明和圖片等)，對審核通過的除給出審核意見，還會給出優(yōu)、良、合格的評價，并可以對該故障案例設(shè)置為置頂或精華的優(yōu)先級，在用戶瀏覽案例頁面時，優(yōu)先進(jìn)行排列。

3 總結(jié)

新型自動氣象站的遠(yuǎn)程診斷對臺站開展維修保障具有更高的實(shí)用性，成本低、操作簡單、使用便捷。結(jié)合國家級觀測站無人值守要求，進(jìn)行更深一步的開發(fā)應(yīng)用，如監(jiān)控、報警等功能的拓展。

3.1 成果

遠(yuǎn)程診斷，實(shí)現(xiàn)對故障自動氣象站的遠(yuǎn)程診斷和分析功能。通過遠(yuǎn)程診斷設(shè)備實(shí)時獲取自動站的運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)時數(shù)據(jù)，從而分析該站的故障原因和快速定位故障部件，并能對自動站采集器進(jìn)行多種遠(yuǎn)程設(shè)置；遠(yuǎn)程音視頻會商，突破空間限制，快速指導(dǎo)現(xiàn)場技術(shù)人員快速排出故障，并能通過省級保障中心的比對設(shè)備，向現(xiàn)場維修人員進(jìn)行模擬演示；故障數(shù)據(jù)庫，建立全省自動氣象站故障數(shù)據(jù)庫，作為臺站現(xiàn)場維修查詢的參考資料，并且可以發(fā)動全省技術(shù)保障人員參與填報和補(bǔ)充，計(jì)劃今后作為獲取省級自動站保障資格證的一項(xiàng)指標(biāo)。

3.2 效益

自動站維護(hù)管理及故障遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的建成和使用，可有效提高全省保障人員對自動站設(shè)備的維修效率，幫助保障人員提高維修技術(shù)水平。系統(tǒng)的應(yīng)用對準(zhǔn)確判斷故障部位、查找故障原因、制定維修方案等提供實(shí)時、客觀、準(zhǔn)確的依據(jù)。明顯縮短故障持續(xù)時間和故障維修時間，提高全省自動站的可用性。