新型自動(dòng)氣象站故障智能診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蘇 睿 ， 聞春華 ， 蘇涵智， 余博嵩

1. 江西省大氣探測(cè)技術(shù)中心， 江西 南昌 330096

2. 南昌市氣象局， 江西 南昌 330038

0 引 言

近年來(lái)，江西省國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站啟用自動(dòng)觀測(cè)的要素逐年增加，從最初的常規(guī)氣象六要素：溫度、濕度、翻斗雨量、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向，逐步增加地溫、蒸發(fā)、能見(jiàn)度、稱(chēng)重雨量等，2017年列裝綜合硬件控制器后，又新增天氣現(xiàn)象、日照時(shí)長(zhǎng)等自動(dòng)觀測(cè)項(xiàng)目。新型自動(dòng)氣象站的儀器系統(tǒng)日益復(fù)雜，發(fā)生故障后診斷難度增加，對(duì)臺(tái)站人員的設(shè)備保障能力提出了更高要求。有研究通過(guò)分析綜合氣象觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控平臺(tái)中新型自動(dòng)站的維護(hù)、維修記錄，來(lái)總結(jié)自動(dòng)站日常維護(hù)重點(diǎn)與常見(jiàn)故障的排除方法，或通過(guò)研究自動(dòng)站系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)報(bào)文,綜合硬件設(shè)備的工作原理來(lái)解釋復(fù)雜故障現(xiàn)象的成因，歸納排除方法(李秀英等，2016；周青等，2017)。也有學(xué)者研發(fā)了自動(dòng)站診斷、測(cè)試、維修一體化平臺(tái)(莊紅波等，2016)和便攜式自動(dòng)氣象站故障檢測(cè)儀(楊維發(fā)等，2017；王明輝等，2019)，在實(shí)驗(yàn)室或室外實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)站部分設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。這些研究無(wú)論是總結(jié)方法，還是研發(fā)設(shè)備提供測(cè)試手段，都是以人為主體進(jìn)行故障診斷。程曦等(2021)采用故障樹(shù)理論及灰色關(guān)聯(lián)分析法建立專(zhuān)家系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)雨量筒的故障診斷。文中以新型自動(dòng)氣象站儀器系統(tǒng)的故障為研究對(duì)象，分析以往新型自動(dòng)站的故障診斷邏輯與方法，通過(guò)設(shè)備歸類(lèi)與現(xiàn)象匹配，將人工診斷方法轉(zhuǎn)化為適合計(jì)算機(jī)處理的故障庫(kù)形式；設(shè)計(jì)基于STM32芯片的測(cè)控裝置代替人工檢查獲取自動(dòng)站工作狀態(tài)；利用LoRa遠(yuǎn)程通訊技術(shù)傳回值班機(jī)房作為計(jì)算機(jī)智能診斷的依據(jù)；開(kāi)發(fā)基于C#語(yǔ)言的上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)智能診斷與人機(jī)交互；以機(jī)器作為故障診斷的主體，為臺(tái)站人員提供遠(yuǎn)程智能診斷服務(wù)，以期提高新型自動(dòng)站的保障時(shí)效。

1 故障資料統(tǒng)計(jì)分析

2017年5月起，江西省93個(gè)臺(tái)站列裝DPZ1綜合硬件控制器，氣象站保障服務(wù)的方法與重心均發(fā)生了較大的變化，選取2017年5月至2020年12月共596條保障服務(wù)記錄為樣本，統(tǒng)計(jì)出故障設(shè)備數(shù)量722件，包含供電、傳感器、采集器、電纜、光纖、通訊轉(zhuǎn)換、機(jī)房網(wǎng)絡(luò)7大類(lèi)，根據(jù)這些設(shè)備的功能與在自動(dòng)站儀器系統(tǒng)中所處的位置歸類(lèi)，可細(xì)分為100種(附表1)。

分析樣本中故障診斷的方法，歸納為4個(gè)步驟：1) 觀察ISOS故障數(shù)據(jù)；2) 劃定可疑設(shè)備范圍；3) 現(xiàn)場(chǎng)排查可疑的設(shè)備；4) 處理故障設(shè)備觀察數(shù)據(jù)是否恢復(fù)正常，若未恢復(fù)則重復(fù)上述步驟。統(tǒng)計(jì)每種故障現(xiàn)象的可能成因與排除方法，建立標(biāo)準(zhǔn)故障庫(kù)并推廣，可以降低主觀經(jīng)驗(yàn)的影響，提高臺(tái)站人員的診斷能力，也可指導(dǎo)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)智能診斷功能的前提。按照故障診斷方法，歸納2017—2020年江西省級(jí)自動(dòng)站保障服務(wù)記錄故障庫(kù)(表1)。

表1中5—30項(xiàng)對(duì)應(yīng)江西省國(guó)家站啟用自動(dòng)觀測(cè)并接入ISOS軟件的項(xiàng)目，共26項(xiàng)，分別是風(fēng)向、風(fēng)速、雨量、固態(tài)降水量(冬季切換)、氣壓、氣溫、相對(duì)濕度、能見(jiàn)度、降水現(xiàn)象、日照時(shí)長(zhǎng)、云狀云量、地面結(jié)冰、電線結(jié)冰、地表溫度、草面溫度、地溫(5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、40 cm、80 cm、160 cm、320 cm)、蒸發(fā)量、凈輻射、全輻射。主采集器、分采集器、綜合硬件控制器以及電腦之間的系統(tǒng)故障會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的某些觀測(cè)項(xiàng)全部缺測(cè)(張初江等，2020)，將故障現(xiàn)象劃分為1—4號(hào)，存疑設(shè)備原件分類(lèi)號(hào)參照附表1。故障現(xiàn)象的存疑設(shè)備越少，位置越集中，該現(xiàn)象的診斷方法就越簡(jiǎn)單，反之則復(fù)雜。30項(xiàng)故障現(xiàn)象的存疑設(shè)備集中，以 “2：主采集器掛接(19)項(xiàng)缺測(cè)”故障現(xiàn)象發(fā)生數(shù)量最大、范圍最廣。以此故障現(xiàn)象為例，分析相關(guān)保障記錄發(fā)現(xiàn)，在觀測(cè)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)檢查“主采工作電壓”和“主采通訊端口狀態(tài)”后，可以對(duì)其進(jìn)行故障細(xì)化分解，縮小存疑設(shè)備范圍，找出故障設(shè)備原件(表2)。

表1 故障現(xiàn)象與存疑設(shè)備原件映射

表2 主采集器掛接(19)項(xiàng)缺測(cè)(故障現(xiàn)象2)的分解

在室外觀測(cè)場(chǎng)進(jìn)行氣象設(shè)備故障檢查的過(guò)程常受外界環(huán)境制約。設(shè)計(jì)下位機(jī)測(cè)控模塊對(duì)主采電壓與通訊能力進(jìn)行檢測(cè)并傳回機(jī)房，作為診斷的依據(jù)，可以規(guī)避環(huán)境影響。

2 框架設(shè)計(jì)

自動(dòng)氣象站的故障具有突發(fā)性，在雷雨大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)境時(shí)尤其容易發(fā)生。若惡劣天氣持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致保障人員無(wú)法及時(shí)前往觀測(cè)場(chǎng)進(jìn)行檢查。本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路是建立故障庫(kù)，確定故障現(xiàn)象與故障備件、處理方法間的映射關(guān)系；短距離遙測(cè)觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)主采集器的實(shí)時(shí)工作電壓與通訊端口狀態(tài)，規(guī)避人工檢查受天氣環(huán)境的影響限制；開(kāi)發(fā)軟件，自動(dòng)分析ISOS故障現(xiàn)象，綜合遠(yuǎn)程測(cè)量的狀態(tài)參數(shù)，在故障庫(kù)中進(jìn)行匹配，得出智能診斷結(jié)果，通過(guò)面向?qū)ο蠼M件實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能；對(duì)每次診斷處理記錄存檔，形成自動(dòng)站設(shè)備的診斷“病例”。

為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)量功能，需設(shè)計(jì)一套能夠檢測(cè)儀器工作狀態(tài)的測(cè)控模塊,該裝置不干擾自動(dòng)站的正常運(yùn)行。利用程控繼電器，將測(cè)控模塊掛接在新型自動(dòng)站主采集器原有通訊與供電端口，由維護(hù)人員遠(yuǎn)程操控是否接入模塊進(jìn)行測(cè)量，可以防止外掛設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間接入運(yùn)行，影響自動(dòng)站觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)如圖1。

圖1 自動(dòng)站智能診斷系統(tǒng)流程

遠(yuǎn)程通訊利用LoRa數(shù)傳電臺(tái)實(shí)現(xiàn)。LoRa作為低功耗廣域網(wǎng)LPWAN技術(shù)中的一種遠(yuǎn)距離通信技術(shù),解決了傳統(tǒng)無(wú)線通信技術(shù)無(wú)法兼顧的傳輸距離、功耗和抗干擾難題，作為一種新型無(wú)線通信技術(shù),LoRa利用先進(jìn)的擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)和編碼方案,增加了鏈路預(yù)算和抗干擾性，具有通信距離遠(yuǎn)、組網(wǎng)便攜、超低功耗和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)(聞春華和余博嵩，2019；王明軍等，2020)。市場(chǎng)上已有成熟產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)功率100 mW前提下3 km范圍的穩(wěn)定無(wú)線傳輸，滿足觀測(cè)場(chǎng)至機(jī)房的通訊需求。

智能診斷下位機(jī)模塊是檢測(cè)主采集器工作電壓和通訊能力的主體。自動(dòng)站正常工作時(shí)，下位機(jī)模塊處于低功耗待機(jī)狀態(tài)，繼電器開(kāi)關(guān)接入綜合硬件控制器端線路；發(fā)生故障時(shí)，維護(hù)人員在機(jī)房?jī)?nèi)的診斷軟件上確認(rèn)開(kāi)啟智能診斷后切換繼電器狀態(tài)，接入測(cè)控模塊進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)無(wú)線通訊將測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送至機(jī)房上位機(jī)軟件，作為故障診斷的依據(jù)。

3 下位機(jī)設(shè)計(jì)

狀態(tài)監(jiān)控功能利用高級(jí)精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)(advanced RISC machine, ARM)嵌入式技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，ARM處理器芯片具有高性?xún)r(jià)比、豐富的內(nèi)部資源和可移植實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)等優(yōu)勢(shì)(韓琛曄，2020)。眾多ARM芯片中，STM32 使用較為廣泛，性?xún)r(jià)比高，綜合考慮芯片的低功耗性能與指令集編程能力，選用stm32f103c8t6芯片為測(cè)控模塊核心，采用C語(yǔ)言對(duì)其編程。下位機(jī)原理圖詳見(jiàn)圖2，其中MCU為STM32單片機(jī)測(cè)控模塊的主體。

圖2 硬件功能模塊原理(a.MCU主控芯片電路，b.測(cè)控模塊供電電路，c.RS232通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換，d.控制、連接繼電器的預(yù)留端口)

MCU供電模塊由U1.1U2U3組成，以2塊AMS1117為核心為MCU提供穩(wěn)定的直流5 V、3.3 V工作電壓。繼電器和端口部分是預(yù)留的測(cè)控模塊接口，DC12IN連接機(jī)箱供電，DC12OUT連接主采為其供電，SIN1連接繼電器控制端，SOUT連接LORA數(shù)傳電臺(tái)，SIN連接繼電器選通(NO)端，上電選通后與COM-主采232-1接通。硬件實(shí)物與各端口連接方式如圖3所示。

圖3 測(cè)控模塊(a)與繼電器(b)連線示意圖

4 軟件設(shè)計(jì)

C#可面向組件編程，綜合了VB的可視化操作和C++的高運(yùn)行效率。采用C#進(jìn)行上位機(jī)編程，利用串口控件實(shí)現(xiàn)測(cè)控模塊和PC機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，文本框控件接收并顯示串口控件輸出的內(nèi)容信息，TabControl控件實(shí)現(xiàn)Tab頁(yè)切換顯示，GirdView控件展示對(duì)應(yīng)故障現(xiàn)象數(shù)據(jù)集合，可實(shí)現(xiàn)通訊、顯示、存檔等常規(guī)功能。智能診斷功能通過(guò)建立故障數(shù)據(jù)庫(kù)與智能匹配算法實(shí)現(xiàn)。故障現(xiàn)象與故障設(shè)備之間是多對(duì)多型關(guān)系(表1)。因此在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)采取了現(xiàn)象、設(shè)備分別列表，但互相關(guān)聯(lián)的方式。

智能匹配算法集成在上位機(jī)軟件中，利用C#的Readline函數(shù)，讀取ISOS數(shù)據(jù)狀態(tài)報(bào)警文件，分析處理后形成故障現(xiàn)象碼數(shù)列(圖4)。首先建立對(duì)應(yīng)表1中1—30項(xiàng)現(xiàn)象的故障現(xiàn)象二進(jìn)制數(shù)列{Bn}，Bn=1表示第n項(xiàng)現(xiàn)象發(fā)生，Bn=0表示未發(fā)生或暫時(shí)不需處理。B5—B30通過(guò)讀取報(bào)警日志賦值，B1—B4的賦值利用B5—B30邏輯與運(yùn)算獲得，B2.1—B2.4根據(jù)下位機(jī)測(cè)得狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行賦值。軟件設(shè)計(jì)需考慮人工修改功能，加入人工修改或確認(rèn)的環(huán)節(jié)可以避免因質(zhì)控設(shè)置不當(dāng)、誤報(bào)警等情況導(dǎo)致錯(cuò)誤診斷。據(jù)此確定故障現(xiàn)象列，根據(jù)列值匹配故障庫(kù)，得出診斷結(jié)果。診斷結(jié)果包含當(dāng)前應(yīng)處理的故障現(xiàn)象、存疑設(shè)備、設(shè)備所處位置、檢測(cè)方法、處理方法、檢查優(yōu)先度等6項(xiàng)基本信息，可以指導(dǎo)維修人員進(jìn)行維修工作。該算法的優(yōu)點(diǎn)是即使脫離下位機(jī)的測(cè)量，也可實(shí)現(xiàn)大部分故障現(xiàn)象的智能診斷。

圖4 新型自動(dòng)氣象站故障智能診斷流程

5 小結(jié)與討論

文中基于2017—2020年江西省國(guó)家級(jí)臺(tái)站的新型自動(dòng)站省級(jí)保障服務(wù)檔案進(jìn)行分析，總結(jié)自動(dòng)站故障診斷的邏輯方法形成故障庫(kù)，研制了新型自動(dòng)氣象站故障智能診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)以電子設(shè)備遠(yuǎn)程檢查代替關(guān)鍵部分人工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，對(duì)比故障庫(kù)進(jìn)行智能診斷，給出處理方法建議，有效提高了臺(tái)站對(duì)新型自動(dòng)站保障工作的時(shí)效性。

該系統(tǒng)已在南昌國(guó)家氣候觀象臺(tái)試驗(yàn)運(yùn)行，2021年3月31日凌晨，該站遭遇雷擊導(dǎo)致ISOS數(shù)據(jù)全部缺測(cè)。值班人員發(fā)現(xiàn)后立即啟動(dòng)故障智能診斷系統(tǒng)，得到診斷結(jié)果后，判斷綜控故障，啟用備份通訊恢復(fù)15項(xiàng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，再次進(jìn)行智能診斷，得到更精確的診斷結(jié)果后通報(bào)維修人員，方便其申領(lǐng)維修備件。此次雷擊故障在6 h內(nèi)基本排除，遠(yuǎn)低于全省國(guó)家站雷擊保障時(shí)長(zhǎng)的平均值。與傳統(tǒng)的保障流程相比，故障智能診斷系統(tǒng)讓缺少設(shè)備保障知識(shí)的值班人員在新型自動(dòng)站應(yīng)急保障中發(fā)揮更大作用，提高維修工作的時(shí)效性。

未來(lái)，隨著5G通訊技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，我們有望將智能故障診斷系統(tǒng)嵌入智能氣象觀測(cè)儀器與站網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)精確到某一設(shè)備的長(zhǎng)距離遠(yuǎn)程智能診斷，本研究的研發(fā)思路可用于新一代嵌入式智能診斷儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

附表1 南昌觀象臺(tái)的自動(dòng)氣象站系統(tǒng)設(shè)備元素