地面氣象觀測(cè)附屬設(shè)備監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅生言，駱?biāo)嚾剩Y承志

(防城港市氣象局，防城港 538001)

0 引言

隨著地面觀測(cè)自動(dòng)化改革工作的推進(jìn)，地面觀測(cè)站探測(cè)系統(tǒng)已不再需要值班員全天候監(jiān)控值守，觀測(cè)崗人員逐漸向保障崗轉(zhuǎn)型，無人值守后觀測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)控變成解放人力的阻礙[1]。國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站觀測(cè)設(shè)備經(jīng)過國(guó)產(chǎn)化換型后系統(tǒng)性能得到了很大提升，近年省級(jí)裝備保障部門也開發(fā)完善了地面觀測(cè)采集系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)[2，3]，自動(dòng)化程度得到了提升。但地面觀測(cè)更多的故障問題發(fā)生在觀測(cè)系統(tǒng)的附屬設(shè)施上，附屬設(shè)施主要負(fù)責(zé)對(duì)采集系統(tǒng)返回?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)發(fā)的計(jì)算機(jī)、承擔(dān)計(jì)算機(jī)與服務(wù)器通信任務(wù)的路由網(wǎng)絡(luò)以及保障采集系統(tǒng)穩(wěn)定供電的后備發(fā)電機(jī)等，此類設(shè)施的可靠性直接影響了地面氣象觀測(cè)采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性[4]；因此，對(duì)地面氣象觀測(cè)站附屬設(shè)施的運(yùn)行監(jiān)控是地面觀測(cè)實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

地面氣象觀測(cè)附屬設(shè)備監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“系統(tǒng)”)的核心為監(jiān)控計(jì)算機(jī)。監(jiān)控計(jì)算機(jī)與部分被監(jiān)控對(duì)象間需通過Modbus TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊建立連接，以滿足穩(wěn)定通信和集成兼容的要求，如UPS電源、發(fā)電機(jī)、各類采集器等，其他對(duì)象則通過網(wǎng)絡(luò)方式直接通信。該設(shè)計(jì)方法主要是考慮方便未來對(duì)系統(tǒng)的擴(kuò)展和升級(jí)，實(shí)現(xiàn)更多附屬設(shè)備的監(jiān)控[5-8]。

2 監(jiān)控方法

2.1 計(jì)算機(jī)狀態(tài)監(jiān)控

采集計(jì)算機(jī)是整個(gè)觀測(cè)系統(tǒng)的核心傳輸設(shè)備，負(fù)責(zé)將采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)取回后進(jìn)行存儲(chǔ)和生成報(bào)文并發(fā)送給服務(wù)器，其穩(wěn)定性與數(shù)據(jù)的傳輸率直接關(guān)聯(lián)，系統(tǒng)在采集計(jì)算機(jī)上內(nèi)置1個(gè)心跳小程序，每分鐘向監(jiān)控主機(jī)發(fā)送1個(gè)心跳數(shù)據(jù)包，心跳數(shù)據(jù)包內(nèi)包含系統(tǒng)盤容量、數(shù)據(jù)盤容量、內(nèi)存使用率及CPU使用率等關(guān)鍵參數(shù)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)心跳數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析評(píng)估及采集計(jì)算機(jī)性能，當(dāng)評(píng)估值偏差時(shí)則發(fā)出告警。若監(jiān)控主機(jī)在2個(gè)心跳周期內(nèi)未能收到心跳數(shù)據(jù)包，則通過PING命令對(duì)采集計(jì)算機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)測(cè)試，若網(wǎng)絡(luò)測(cè)試不通過則判斷采集計(jì)算機(jī)宕機(jī)，立即發(fā)出告警，通知保障人員處理。

2.2 供電監(jiān)控

利用Modbus TCP/IP通信協(xié)議接口的交流電壓采集器分別對(duì)市電的輸入電壓Vmain、發(fā)電機(jī)的輸出電壓Vback及UPS的輸入電壓Vin進(jìn)行定時(shí)采樣，綜合UPS的最低穩(wěn)定電壓及發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)觸發(fā)閾值兩項(xiàng)因素的考慮，將電壓判斷閾值設(shè)為185 V，即當(dāng)采樣電壓低于185 V時(shí)，則該路電壓判斷為異常電壓。當(dāng)Vmain異常時(shí)判斷Vback是否正常，若Vback正常且Vin也正常，則發(fā)出市電異常發(fā)電機(jī)已啟動(dòng)提示；若兩路均不正常，則發(fā)出市電異常發(fā)電機(jī)未啟動(dòng)警告；若Vmain和Vback有1路正常但Vin異常，則判斷為供電電閘出現(xiàn)故障并發(fā)出警告。

2.3 發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)控

通過Modbus TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊與發(fā)電機(jī)建立通信，定時(shí)讀取發(fā)電機(jī)的待機(jī)狀態(tài)參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，定時(shí)查詢狀態(tài)參數(shù)分析發(fā)電機(jī)可能出現(xiàn)的故障，提醒保障人員及時(shí)處理排除隱患。發(fā)電機(jī)儲(chǔ)油量則通過超聲波探測(cè)傳感器測(cè)量油桶內(nèi)的油液高度，經(jīng)過換算可得到油桶的儲(chǔ)油量，儲(chǔ)油量的油量原理與地面氣象觀測(cè)的蒸發(fā)量測(cè)量原理相同。

2.4 UPS狀態(tài)監(jiān)控

UPS穩(wěn)壓器是觀測(cè)系統(tǒng)的直接供電設(shè)備，其穩(wěn)定與否將直接影響到觀測(cè)設(shè)備的穩(wěn)定性，通過Modbus TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊與UPS穩(wěn)壓器主機(jī)建立通信，定時(shí)讀取其工作狀態(tài)參數(shù)，主要包括輸出電壓、電池容量、供電頻率及逆變器告警等，及時(shí)將UPS參數(shù)的變化情況告知保障人員能提升觀測(cè)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。

2.5 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控

在日常網(wǎng)絡(luò)管理中，利用tracert命令對(duì)路由進(jìn)行定向追蹤，可準(zhǔn)確有效地判斷網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況。通過tracert命令對(duì)省局網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行路由追蹤，對(duì)返回的路由信息進(jìn)行綜合分析。若是通過本地市運(yùn)營(yíng)商托管的路由網(wǎng)關(guān)到達(dá)目標(biāo)服務(wù)器，則說明主光纖網(wǎng)絡(luò)正常；若是通過無線路由器網(wǎng)關(guān)到達(dá)目標(biāo)服務(wù)器，則說明主光纖中斷，4G備份網(wǎng)線正常，否則說明通向省局的網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障。

3 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)啟動(dòng)后先加載適配參數(shù)，對(duì)各硬件模塊進(jìn)行檢測(cè)和初始化，若初始化過程出現(xiàn)異常將提示用戶修改參數(shù)或檢查硬件設(shè)備的工作狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)初始化成功后便啟動(dòng)線程觸發(fā)定時(shí)器，各個(gè)線程分別對(duì)UPS狀態(tài)、供電狀態(tài)、發(fā)電機(jī)狀態(tài)、發(fā)電機(jī)油量、計(jì)算機(jī)狀態(tài)及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行查詢、分析和判斷，當(dāng)判斷發(fā)生告警事件時(shí)將按照預(yù)設(shè)的條件選擇告警模式和通知對(duì)象并觸發(fā)告警[9]。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于C++語言，利用Visual Studio2012開發(fā)工具開發(fā)了系統(tǒng)主控軟件，系統(tǒng)主要分為主監(jiān)控處理與顯示模塊、參數(shù)配置模塊、人員信息管理模塊、短信告警模塊、電話告警模塊和計(jì)算機(jī)監(jiān)控服務(wù)模塊。

4.1 監(jiān)控處理與顯示

監(jiān)控處理與顯示模塊利用網(wǎng)絡(luò)套接字與各通信協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊建立TCP通信，每一個(gè)監(jiān)控要素設(shè)定一個(gè)數(shù)據(jù)采集和分析處理的線程，各個(gè)線程通過不同周期的定時(shí)器觸發(fā)啟動(dòng)，每一個(gè)監(jiān)控要素都配置過去和當(dāng)前兩個(gè)狀態(tài)，各個(gè)線程把獲取到的要素當(dāng)前數(shù)據(jù)賦值于當(dāng)前狀態(tài)，再將當(dāng)前狀態(tài)與過去狀態(tài)進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)則將當(dāng)前狀態(tài)賦值于過去狀態(tài)，形成提示信息并觸發(fā)告警線程，否則直接將當(dāng)前狀態(tài)賦值于過去狀態(tài)。以此方法處理和監(jiān)控各要素的采集數(shù)據(jù)方便用戶掌握監(jiān)控目標(biāo)的工作狀態(tài)，數(shù)據(jù)分析處理后形成狀態(tài)信息顯示在消息窗口中，用戶可直觀監(jiān)控。

4.2 參數(shù)配置

參數(shù)配置模塊通過文件IO接口將從INI配置文件讀取到的參數(shù)顯示給用戶，并將用戶修改的參數(shù)寫入配置文件中，形成人機(jī)交互。配置文件可設(shè)置各目標(biāo)采集器的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、告警觸發(fā)條件參數(shù)及計(jì)算參數(shù)等，所有參數(shù)在軟件啟動(dòng)時(shí)一次性讀取用于系統(tǒng)初始化。

4.3 人員信息

人員信息模塊利用ADO接口讀寫本地?cái)?shù)據(jù)庫，將需要通知對(duì)象的姓名、電話號(hào)碼及告警方式等信息記錄在數(shù)據(jù)庫中，用戶可根據(jù)非汛期模式、汛期模式或應(yīng)急響應(yīng)模式對(duì)人員進(jìn)行關(guān)聯(lián)，也可獨(dú)立對(duì)每一個(gè)通知對(duì)象進(jìn)行設(shè)置，達(dá)到合理有效的告警效果。

4.4 短信告警

短信告警模塊通過MSComm控件編程，與GSM短信模塊進(jìn)行交互，程序?qū)⑿枰l(fā)送的短信內(nèi)容進(jìn)行寬字節(jié)UNICODE碼轉(zhuǎn)換后通過串口向模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入，模塊將信息發(fā)送后向系統(tǒng)反饋發(fā)送結(jié)果，系統(tǒng)根據(jù)反饋結(jié)果判斷是否需要重發(fā)，確保告警短信可靠發(fā)送。

4.5 電話告警

電話告警模塊通過USB通信接口編程實(shí)現(xiàn)與電話語音模塊通信，在語音告警觸發(fā)時(shí)，系統(tǒng)模塊將需要告警的信息通過微軟的TTS語音引擎轉(zhuǎn)換成wav語音文件，向告警通知對(duì)象撥通電話后隨即播放告警語音文件，播放告警語音文件完成后則向用戶詢問按鍵反饋，若1次告警未收到按鍵反饋則循環(huán)發(fā)出語音告警，直至收到用戶按鍵反饋為止，以達(dá)到有效告警的效果。

4.6 計(jì)算機(jī)監(jiān)控服務(wù)

計(jì)算機(jī)監(jiān)控程序是在系統(tǒng)中獨(dú)立運(yùn)行的服務(wù)程序，該程序每分鐘查詢1次業(yè)務(wù)計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)狀態(tài)，利用GetSystemMemoryInfo和GetDiskFreeSpaceEx等函數(shù)讀取包括CPU使用率、內(nèi)存使用率、系統(tǒng)盤剩余容量、數(shù)據(jù)盤剩余容量及時(shí)鐘狀態(tài)等信息，并以心跳包的形式發(fā)送到監(jiān)控主機(jī)上，由監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行分析判斷并適配告警觸發(fā)條件。若監(jiān)控主機(jī)超過2 min未收到監(jiān)控服務(wù)程序發(fā)送的心跳包，則利用PING命令測(cè)試業(yè)務(wù)主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)；若PING命令無法響應(yīng)時(shí)則判斷為業(yè)務(wù)主機(jī)宕機(jī)，當(dāng)業(yè)務(wù)主機(jī)發(fā)生宕機(jī)或相關(guān)系統(tǒng)狀態(tài)異常時(shí)則發(fā)出告警[10]。

5 系統(tǒng)應(yīng)用情況

系統(tǒng)可運(yùn)行于WIN7和WIN10環(huán)境下，具有兼容性較好、占用系統(tǒng)資源少、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，已在防城港市部分地面觀測(cè)站投入業(yè)務(wù)試運(yùn)行，在試用過程中取得了較好的應(yīng)用效益，尤其是對(duì)局站分離的站點(diǎn)，值班人員可根據(jù)告警信息合理有效地開展應(yīng)急處置工作，如安排運(yùn)送發(fā)電機(jī)燃油、網(wǎng)絡(luò)排障等，降低了值班員監(jiān)控壓力和減緩了應(yīng)急緊張情緒，并為地面氣象觀測(cè)監(jiān)控工作取得更多的主動(dòng)權(quán)。

6 結(jié)束語

利用計(jì)算機(jī)輔助方法實(shí)現(xiàn)地面氣象觀測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控自動(dòng)化是全面提高地面氣象觀測(cè)質(zhì)量的重要手段，針對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)附屬設(shè)施的監(jiān)控應(yīng)抓住關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)，及時(shí)準(zhǔn)確地反應(yīng)相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。文章的設(shè)計(jì)經(jīng)過科學(xué)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)地面觀測(cè)附屬設(shè)施較為敏感且具有代表性，結(jié)合成熟的遠(yuǎn)距離通信方式實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和報(bào)警功能，切實(shí)有效地提升了地面氣象觀測(cè)的穩(wěn)定性。