DZZ3型自動(dòng)氣象站資料上傳故障診斷分析與改進(jìn)

鄔清元 胡宇峰 徐朝霞 劉大明 鄔思旸

1.萍鄉(xiāng)市氣象局 江西萍鄉(xiāng) 337002；2.萍鄉(xiāng)市安源區(qū)譽(yù)誠通訊 江西萍鄉(xiāng) 337002

2018年3到4月間，根據(jù)江西省氣象局統(tǒng)一規(guī)劃要求，全省區(qū)域氣象站采取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集約化采集方式，所有區(qū)域站由省信息中心服務(wù)器統(tǒng)一采集數(shù)據(jù)，設(shè)區(qū)市級(jí)和縣級(jí)不設(shè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。萍鄉(xiāng)區(qū)域自動(dòng)站有北京華云和上海長(zhǎng)望兩家公司生產(chǎn)的站點(diǎn)設(shè)備，在此傳輸路由情況下，我市上海長(zhǎng)望DZZ3型自動(dòng)區(qū)域站在設(shè)備正常運(yùn)行情況下，總會(huì)有一定數(shù)量的站點(diǎn)出現(xiàn)上傳資料不能到達(dá)信息中心數(shù)據(jù)庫，且故障出現(xiàn)又是表現(xiàn)為隨機(jī)性。每個(gè)站點(diǎn)不知什么時(shí)候會(huì)出現(xiàn)1小時(shí)或多個(gè)小時(shí)，有時(shí)達(dá)1天沒有上傳資料[1]。且不定時(shí)的反復(fù)，到現(xiàn)場(chǎng)對(duì)站點(diǎn)運(yùn)行監(jiān)控檢測(cè)均未發(fā)現(xiàn)設(shè)備部件不正常的情況，為了解決這一技術(shù)難題，消除全市區(qū)域站數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定情況，我們自籌資金成立課題組進(jìn)行研究。

1 設(shè)備技術(shù)架構(gòu)情況

DZZ3新型自動(dòng)氣象站是上海氣象儀器廠生產(chǎn)，依據(jù)中國氣象局監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)司《新型自動(dòng)氣象（氣候）站功能規(guī)格書》統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一功能、統(tǒng)一結(jié)構(gòu)、統(tǒng)一方法、統(tǒng)一規(guī)范的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)的一種高精度、高穩(wěn)定、易維護(hù)、低功耗、易擴(kuò)展和具有實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的新型氣象觀測(cè)儀器，能滿足現(xiàn)有氣象觀測(cè)站觀測(cè)業(yè)務(wù)的需要。我市目前共有該型號(hào)34套。

DZZ3站基于現(xiàn)代總線（CAN）技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)建，采用了國際標(biāo)準(zhǔn)并遵循標(biāo)準(zhǔn)、開放的技術(shù)路線進(jìn)行設(shè)計(jì)，它由硬件和軟件兩大部分組成。硬件包括采集器（1個(gè)主采集器和若干個(gè)分采集器）、外部總線、傳感器、外圍設(shè)備四部分；軟件包括嵌入式軟件、業(yè)務(wù)軟件二部分。其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 總線式自動(dòng)氣象站結(jié)構(gòu)

主采集器是自動(dòng)氣象站的核心，由硬件和嵌入式軟件組成。硬件包含高性能的嵌入式處理器、高精度的A/D電路、高精度的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、大容量的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、傳感器接口、通信接口、CAN總線接口、外接存儲(chǔ)器接口、以太網(wǎng)接口、監(jiān)測(cè)電路、指示燈等，硬件系統(tǒng)能夠支持嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的運(yùn)行。其結(jié)構(gòu)框如圖2所示。

圖2 動(dòng)自氣象站主采集器結(jié)構(gòu)

2 故障診斷分析

從DZZ3CAMS-MA主采分拆，其自動(dòng)化程度高，各設(shè)備、部件相輔相成，在硬件與軟件任何一個(gè)部件缺失或受損都有可能破壞數(shù)據(jù)完整性，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)格式異常而不能上傳。DZZ3CAMS-MA數(shù)據(jù)是通過串口外接GPRS和DTU傳輸，在DTU連線、天線、SIM卡接觸不良、站點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)不穩(wěn)定等也會(huì)造成數(shù)據(jù)上傳缺測(cè)。維修數(shù)據(jù)缺測(cè)故障，大多都是主采時(shí)間不同步所致，所以先對(duì)站點(diǎn)的主采時(shí)間、接頭電纜調(diào)整加固，監(jiān)測(cè)幾天，故障現(xiàn)象依舊。為測(cè)定故障原因，課題組帶上維修設(shè)備，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)偵測(cè)，通過PC-RS232做軟件測(cè)試，讀取CAMSMA實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，未有“變形”現(xiàn)象。其CAN總線通信都為正常。用GSM機(jī)加ANALYZER在現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間做測(cè)試移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，也顯示正常，未出現(xiàn)斷網(wǎng)或者信號(hào)不穩(wěn)定現(xiàn)象。經(jīng)此多方查找仍未發(fā)現(xiàn)故障原因所在[2]。

出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸缺測(cè)這種故障，其原因是多方面的，為解決故障根源，課題組人員首先多次與上級(jí)業(yè)務(wù)管理部門匯報(bào)，同時(shí)與廠家技術(shù)人員研討分析，廠家也多次安排技術(shù)人員遠(yuǎn)程對(duì)其設(shè)備軟件優(yōu)化升級(jí)，但故障現(xiàn)象均未排除。最后廠家技術(shù)人員認(rèn)為問題可能出現(xiàn)在移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)上，因各地基站網(wǎng)絡(luò)信號(hào)還是存在一定的差異，要解決只有更換4GGPRSDTU數(shù)據(jù)傳輸模塊。為了證實(shí)問題的所在，課題組先要廠家技術(shù)人員發(fā)了二個(gè)4GGPRSDTU裝機(jī)測(cè)試，通過一個(gè)星期的測(cè)試對(duì)比，證明問題還是出現(xiàn)在DTU上。但我市所有自動(dòng)氣象區(qū)域站都是使用3G移動(dòng)蜂窩網(wǎng)，現(xiàn)一次性要更換34套DTU，需要一筆不小的資金。可為啥同樣一個(gè)移動(dòng)蜂窩網(wǎng)，北京華云COWS型自動(dòng)氣象區(qū)域站又未出現(xiàn)過這種現(xiàn)象呢？所以課題組分析認(rèn)為問題還不一定是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)造成，而可能是DZZ3當(dāng)時(shí)配置的DTU存在兼容性或者參數(shù)設(shè)置“漂移”等問題[3]。

帶著這種思路，課題組先是到移動(dòng)公司更換了一批SIM卡，檢測(cè)是否為SIM卡與DTU存在是否不兼容的問題，經(jīng)測(cè)試未發(fā)現(xiàn)不兼容。再次帶上ANALYZER與GSM機(jī)、PC機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)多時(shí)段查測(cè)分析后，認(rèn)為DZZ3當(dāng)時(shí)配發(fā)的PRS-3IP-DTU存在網(wǎng)絡(luò)不兼容或是接收靈敏度低、發(fā)射功率不足等因素造成網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)而斷網(wǎng)。只好拆DTU帶回實(shí)驗(yàn)室做進(jìn)一步測(cè)試分析。

通過對(duì)DTU的ST頻偏、SAT頻偏、晶體振蕩器及VCO電路測(cè)試，發(fā)現(xiàn)晶體振蕩器1#AFC信號(hào)有時(shí)出現(xiàn)細(xì)微跳變，（如圖3）從這一現(xiàn)象分析，說明AFC電路存在頻率不準(zhǔn)或是頻偏問題。但很大程度可以說，一個(gè)DTU就是一臺(tái)微型PC，其基帶電路與射頻電路都是由軟件來控制工作的，如軟件程序資料有缺陷，也會(huì)導(dǎo)致一些怪異故障現(xiàn)象。

圖3 頻譜測(cè)試圖

3 試驗(yàn)方法及技術(shù)改進(jìn)

改進(jìn)DTU參數(shù)：先運(yùn)行多中心配置軟件，讀取DTU原有參數(shù)，對(duì)DTU部分傳輸參數(shù)進(jìn)行多次配置調(diào)整對(duì)比測(cè)試。如下表1：

表1 DTU參數(shù)優(yōu)化表

對(duì)晶體VCO電路改進(jìn)：石英晶體振蕩器內(nèi)部是一個(gè)LC諧振電路，是不能通過萬用表測(cè)量判斷其好壞，只有通過示波器或是頻譜儀測(cè)出的實(shí)時(shí)時(shí)鐘脈沖波型進(jìn)行分析。而VCO電路是通過變?nèi)荻O管容壓特性自動(dòng)控制頻率的產(chǎn)生及穩(wěn)定，如給它加上一個(gè)不同的控制電壓，它的電容量就會(huì)發(fā)生改變，使得與它組成的振蕩電路的頻率發(fā)生改變，從而穩(wěn)定了電路的振蕩頻率。對(duì)DTU做如下改進(jìn)，見圖4。

圖4 DTU改進(jìn)圖

接收天線的改進(jìn)：從2016年8月到2017年11月全市區(qū)域站逐步進(jìn)行升級(jí)改造，按照中國氣象局要求原來建設(shè)在屋頂?shù)呐_(tái)站需落地，因而造成通訊天線位置降低。隨著移動(dòng)運(yùn)營商4G、5G信號(hào)建設(shè)完成，無疑對(duì)于用2G、3G的自動(dòng)站通訊也有所影響。課題組對(duì)區(qū)域站天線信號(hào)強(qiáng)度做反復(fù)測(cè)試，如所屬湘東區(qū)荷堯站、蓮花縣六市站，安源區(qū)王家源等站點(diǎn)一天進(jìn)行三次測(cè)試，連續(xù)4天，測(cè)試結(jié)果太多為3dbi左右波動(dòng)，顯示天線信號(hào)偏弱[4]。此類站點(diǎn)有一共性，有的地理位置偏僻遠(yuǎn)離移動(dòng)基站、或受阻于高樓大山，導(dǎo)致一些站點(diǎn)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)偏弱偏差。有鑒于此對(duì)天線進(jìn)行了增益改進(jìn)，采用700－2700MHZ4G12DBI接收天線替換900-1800MHZ2G5DBI天線，測(cè)試結(jié)果信號(hào)提高到大于9DBI。針對(duì)偏僻及受阻于高樓大山的臺(tái)站改為高增益平板天線及定向天線，信號(hào)強(qiáng)度得到明顯改善。

業(yè)務(wù)故障改進(jìn)效果：經(jīng)過近2年的測(cè)試、診斷、分析、調(diào)試、改進(jìn)，全市34套dzz3型區(qū)域站資料上傳故障得到圓滿解決，在2020年10月后已經(jīng)運(yùn)行很平穩(wěn)。2020年10月至2021年2月各月資料上傳及時(shí)率對(duì)比2019年各月、2020年1月9月資料上傳及時(shí)率由93.35%逐步提高到98.85%，提高了5.5%，比未經(jīng)技術(shù)改造同一型號(hào)、臺(tái)站數(shù)量差不多的某市同期資料上傳及時(shí)率高出3.01%（數(shù)據(jù)來源江西省氣象局地面自動(dòng)站數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計(jì)分析報(bào)告相應(yīng)各月）。改進(jìn)前上線與改進(jìn)后上線情況對(duì)比如下圖5。

圖5 改進(jìn)前上線與改進(jìn)后上線情況截圖

4 結(jié)語

（1）《DZZ3自動(dòng)區(qū)域站設(shè)備資料上傳故障診斷及改進(jìn)》項(xiàng)目組主要解決工作中實(shí)際問題，即DZZ3自動(dòng)站因上傳路由更改而資料上傳不正常。為此課題組2018年8月到上海氣象儀器廠（長(zhǎng)望設(shè)備生產(chǎn)商）與廠家技術(shù)人員和管理人員一起座談和討論并到技術(shù)測(cè)試室對(duì)照功能需求書測(cè)試相關(guān)技術(shù)參數(shù)。

（2）課題組在區(qū)域站現(xiàn)場(chǎng)用ANALYZER、GSM機(jī)、PC機(jī)等設(shè)備反復(fù)多時(shí)段查測(cè)后，對(duì)DTUVCO電路進(jìn)行調(diào)整與改進(jìn)；對(duì)軟件傳輸參數(shù)進(jìn)行合理改進(jìn)配置；對(duì)天線進(jìn)行了增益改進(jìn)，由4G高增益接收天線替換原來2G天線。通過此種技術(shù)診斷和改進(jìn)，故障得到圓滿解決[5]。

（3）根據(jù)課題針對(duì)性試驗(yàn)診斷，找出了故障原因，實(shí)施了改進(jìn)措施，根據(jù)業(yè)務(wù)運(yùn)行區(qū)域站數(shù)據(jù)采集傳輸及時(shí)率明顯提高。

（4）通過2年的運(yùn)行監(jiān)控及調(diào)試，確認(rèn)改進(jìn)后的區(qū)域站點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定后才整理課題，但由于實(shí)驗(yàn)條件所限，及移動(dòng)運(yùn)營商完成5G信號(hào)升級(jí)和調(diào)整，疏漏在所難免，后續(xù)還需考慮此因素開展研討。