來賓市自動氣象站監(jiān)控告警系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

胡祖權，王永明，覃愛金，蘇慶紅，譚光平

(來賓市氣象局，來賓 546100)

0 引言

近年來，隨著氣象現(xiàn)代化建設的不斷推進，來賓市自動氣象站點逐年增加，空間分布日趨完善，所獲取的觀測數(shù)據(jù)已成為開展各類氣象服務工作的重要依據(jù)。如何做好自動氣象站運行維護成為日益突出的問題，而開發(fā)設計一套自動氣象站監(jiān)控告警系統(tǒng)是解決該問題的一個有效途徑[1-3]。

1 自動氣象站管理中存在的問題

隨著科技的進步和發(fā)展，自動氣象站觀測技術不斷提高，因其準確性高、穩(wěn)定性強、不受時間和空間的限制等特點，在全國范圍內(nèi)大量建設。截至2019年，來賓市已經(jīng)建設129個自動氣象站，分布在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村屯，為全市精細化的公眾氣象預報服務、專業(yè)氣象服務和靶向性氣象防災減災提供了基礎數(shù)據(jù)支撐[4-6]。如果自動氣象站故障發(fā)現(xiàn)和維修不及時、無法及時獲取氣象信息或獲取到錯誤的氣象數(shù)據(jù)，將直接影響氣象服務工作的方向性和準確性。目前，來賓市自動氣象站運行監(jiān)控工作由氣象觀測業(yè)務員承擔，因從事該項工作人員少，無法全天監(jiān)控設備的運行狀況，致使監(jiān)控盲區(qū)凸顯。在缺乏高效監(jiān)控和告警手段的條件下，基層臺站經(jīng)常是在使用過程中發(fā)現(xiàn)某個自動氣象站缺數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)疑誤時才組織人員去維修，導致故障排除時間過長。只有轉變自動氣象站故障監(jiān)控和告警方式，才能提高故障排除效率，降低對氣象業(yè)務工作的不利影響，因此需要開發(fā)一套本地化的自動氣象站監(jiān)控告警系統(tǒng)[7-9]。

2 系統(tǒng)需求分析

2.1 功能需求分析

分布在全市各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村屯的自動氣象站，每5 min通過移動網(wǎng)絡上傳1次氣象觀測數(shù)據(jù)到自治區(qū)氣象局數(shù)據(jù)中心。按照業(yè)務規(guī)定，自動氣象站需每季度進行1次巡檢，每年進行1次儀器核查，每2 a進行1次儀器校準，出現(xiàn)故障需在72 h內(nèi)修復。但由于來賓市自動氣象站分布范圍廣、站點多、維護人員嚴重不足，無法采取人工的方式24 h監(jiān)控自動氣象站的運行狀況，經(jīng)常導致無法在業(yè)務規(guī)定的時間內(nèi)修復故障。因此，來賓市自動氣象站監(jiān)控告警系統(tǒng)的總體設計思路是：對轄區(qū)內(nèi)各站點上傳的觀測數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)故障后判斷故障站點，再根據(jù)故障站點所屬區(qū)域及時采用手機短信或電話的方式通知相關保障人員，提醒保障人員及時維護維修。此監(jiān)控告警系統(tǒng)應包括自動氣象站觀測數(shù)據(jù)采集、基礎數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)監(jiān)測分析、故障信息發(fā)送、檢測信息查詢、告警信息查詢和質(zhì)量統(tǒng)計等功能。

2.2 技術選擇

編程環(huán)境采用Windows 7 64位操作系統(tǒng)；編程語言采用易語言，易語言是一個面向對象、支持全中文的編程語言，編譯后的程序體積小，占用內(nèi)存低，運行效率高；數(shù)據(jù)庫采用SQL數(shù)據(jù)庫；告警設備采用基于4G的無線告警設備。

3 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

3.1 設計思路

根據(jù)自動氣象站網(wǎng)布局相關規(guī)定，自動氣象站觀測數(shù)據(jù)全部匯集到自治區(qū)氣象局數(shù)據(jù)中心，由數(shù)據(jù)中心負責處理、存儲和共享數(shù)據(jù)，監(jiān)控告警系統(tǒng)所需自動氣象站數(shù)據(jù)只能從數(shù)據(jù)中心相關系統(tǒng)獲取。為了保證獲取數(shù)據(jù)的實時性和穩(wěn)定性，該系統(tǒng)選取了兩種獲取方式，一是廣西壯族自治區(qū)氣象局自動氣象站數(shù)據(jù)庫；二是國省統(tǒng)一數(shù)據(jù)環(huán)境的氣象數(shù)據(jù)服務接口。兩種獲取方式同時使用，互為備份和補充，避免單一獲取方式出現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取不及時的情況發(fā)生，獲取的氣象觀測數(shù)據(jù)存入本地SQL數(shù)據(jù)庫，方便系統(tǒng)多次調(diào)用。

故障的判斷采用分類和分級模式。分類模式指根據(jù)故障類型分為數(shù)據(jù)缺測、數(shù)據(jù)逾限、要素缺測、要素時間一致性、要素空間一致性和邏輯性6個類別，系統(tǒng)對自動氣象站數(shù)據(jù)的監(jiān)測主要依據(jù)故障類型逐站逐類開展循環(huán)檢測，并將檢測出的故障按類型、臺站和時間存入數(shù)據(jù)庫。分級模式指根據(jù)故障緊急程度分為缺測告警、一般告警和疑誤告警3個等級，系統(tǒng)根據(jù)告警等級確定告警時限和方式。對于缺測告警，設定為故障發(fā)生后24 h以內(nèi)每4 h發(fā)送1次告警短信，24 h以后為每4 h撥打1次告警電話；一般告警設定為故障發(fā)生后24 h以內(nèi)每6 h發(fā)送1次告警短信，24 h以后為每6 h撥打1次告警電話；疑誤告警設定為故障發(fā)生后24 h以內(nèi)每12 h發(fā)送1次告警短信，24 h以后為每12 h撥打1次告警電話。夜間23：00至早上07：00系統(tǒng)只監(jiān)測不發(fā)送告警信息，當故障被排除，數(shù)據(jù)恢復正常后所有告警信息將自動停止。

系統(tǒng)部署在氣象專用網(wǎng)絡，與互聯(lián)網(wǎng)物理隔離，采用基于4G的無線告警設備，通過網(wǎng)絡接入氣象寬帶網(wǎng)，使用HTTP API接口實現(xiàn)與監(jiān)控告警系統(tǒng)的通信，設備部署簡單、通用性好、運行穩(wěn)定。

3.2 主要功能模塊

3.2.1 觀測數(shù)據(jù)采集模塊

該模塊用于全市自動氣象站觀測數(shù)據(jù)的采集。采用定時的方式從自治區(qū)氣象局自動氣象站數(shù)據(jù)庫和CIMISS氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)一服務接口獲取氣象觀測數(shù)據(jù)，采集頻率為1次/2 min，并將采集的數(shù)據(jù)按格式存入本地數(shù)據(jù)庫。

3.2.2 基礎信息錄入模塊

良好的壓實度是保證路面穩(wěn)定性的重要指標之一，本文根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》（JTG E60—2008），采用鉆芯取樣法對試驗段路面壓實度進行檢測，部分檢測結果如表4所示。

該模塊用于錄入系統(tǒng)所需的基礎信息。包括錄入SQL數(shù)據(jù)庫訪問信息、自動氣象站管理維護人員信息和訪問自治區(qū)氣象局數(shù)據(jù)相關設置等基礎信息，通過加密后存儲在本地。

3.2.3 數(shù)據(jù)監(jiān)測分析模塊

該模塊的功能是對獲取的氣象數(shù)據(jù)進行異常檢測。采用定時循環(huán)的方式對全市各氣象站點的實時觀測數(shù)據(jù)進行檢測，主要檢測數(shù)據(jù)缺測、逾限、邏輯性和時空一致性等類別，并將異常監(jiān)測結果信息存入數(shù)據(jù)庫。

3.2.4 故障信息發(fā)送模塊

該模塊的功能是制作和發(fā)送告警信息。通過定時讀取存儲在數(shù)據(jù)庫的檢測結果信息，判斷告警類型并按照告警等級設定的時限和站點所屬區(qū)域發(fā)送告警信息給相關管理和維護人員，并將發(fā)送結果情況存入數(shù)據(jù)庫。

3.2.5 檢測信息查詢模塊

該模塊用于管理人員查詢統(tǒng)計自動氣象站監(jiān)控結果信息。可以按照自動氣象站點、時間段和告警類型統(tǒng)計監(jiān)控信息，方便管理人員查詢各站點的運行情況。

3.2.6 告警信息查詢模塊

該模塊用于管理人員查詢統(tǒng)計告警信息?？梢园凑諘r間段、告警手機號碼、告警方式和告警結果來統(tǒng)計告警信息，便于管理人員對維護人員的管理，實現(xiàn)留痕管理。

3.2.7 質(zhì)量統(tǒng)計模塊

該模塊用于統(tǒng)計自動氣象站傳輸質(zhì)量?？梢园凑諘r間段、區(qū)域對轄區(qū)內(nèi)自動氣象站傳輸質(zhì)量進行統(tǒng)計，方便管理人員對自動氣象站的管理。

3.3 技術實現(xiàn)

3.3.1 觀測數(shù)據(jù)獲取

通過讀取自治區(qū)氣象局自動氣象站數(shù)據(jù)庫和國省統(tǒng)一數(shù)據(jù)環(huán)境氣象數(shù)據(jù)服務接口獲取全市自動氣象站觀測數(shù)據(jù)，進行格式轉換后存入數(shù)據(jù)庫。

3.3.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測分析

系統(tǒng)將氣象觀測數(shù)據(jù)入庫時間大于觀測時間8 min且小于45 min的數(shù)據(jù)定義為數(shù)據(jù)逾限；將數(shù)據(jù)入庫時間大于等于觀測時間45 min的數(shù)據(jù)或者無整點觀測數(shù)據(jù)入庫定義為數(shù)據(jù)缺測。數(shù)據(jù)時空一致性疑誤主要有兩個方面：一是部分氣象要素(溫度、濕度、氣壓)2 h分鐘數(shù)據(jù)隨時間的變化值超過系統(tǒng)設定閾值或者6 h整點數(shù)據(jù)隨時間的變化值與周邊4個站點同時間的數(shù)據(jù)變化值均超出閾值；二是部分氣象要素(降雨量、風速)整點數(shù)據(jù)與周邊4個站點同時間的整點數(shù)據(jù)差值均大于系統(tǒng)設定的閾值。邏輯性疑誤主要有3個方面：一是單站3 h整點風速值均大于0但整點風向值變化小于10°；二是各氣象要素值大于歷史極值；三是部分氣象要素(溫度、濕度、氣壓)觀測值在過去3 h保持不變。系統(tǒng)通過對自動氣象站觀測數(shù)據(jù)缺測、逾限、時空一致性和邏輯性進行滑動檢測，分析出錯誤、疑誤的觀測數(shù)據(jù)，按站點、時間、類別存入數(shù)據(jù)庫。

3.3.3 告警信息發(fā)送

將4G無線告警模塊接入交換機，打開電源，狀態(tài)指示燈正常后進入等待指令模式，系統(tǒng)使用HTTP API接口與告警模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，主要使用POST、GET等方法實現(xiàn)發(fā)短信、打電話和結果獲取等功能。

3.3.4 多線程處理

系統(tǒng)根據(jù)每個自動氣象站觀測要素的數(shù)量，啟用相應數(shù)量的計算機線程進行檢測，避免出現(xiàn)要素檢測過多而產(chǎn)生排隊檢測現(xiàn)象，從而大幅提高系統(tǒng)運行效率。

4 結束語

該系統(tǒng)自2019年4月在來賓市氣象局投入業(yè)務應用以來，實用性好，告警準確，大幅度提高了自動氣象站的數(shù)據(jù)傳輸率和可用性，減輕了自動氣象站管理人員的工作壓力。但該系統(tǒng)還存在不足之處，特別是局地性天氣對空間一致性的影響判斷還不完善，今后將不斷改進系統(tǒng)功能，更好地服務于自動氣象站管理維護工作。