HY-WP1A天氣現(xiàn)象視頻智能觀測儀的業(yè)務(wù)運行和日常維護(hù)

劉 銳，黎 亮，何文常

(四川省巴中市氣象局，四川 巴中 636000)

0 引言

地面氣象觀測自動化改革業(yè)務(wù)運行后，天氣現(xiàn)象(或氣象要素)實現(xiàn)全面自動化觀測，總云量、云高、露、霜、結(jié)冰、雷暴等6項天氣現(xiàn)象由國家級業(yè)務(wù)單位采用自動綜合判識開展觀測[1]，霧凇、雨凇、積雪和雪深作為省局自定觀測項目，多以人工觀測為主。而天氣現(xiàn)象視頻智能觀測儀(以下簡稱視頻智能儀)是應(yīng)用計算機視覺和深度學(xué)習(xí)技術(shù)，通過不同角度的多個攝像機采集圖像和視頻數(shù)據(jù)，利用圖像識別、深度學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)融合等技術(shù)，對視頻采集器拍攝的天氣現(xiàn)象(或氣象要素)實現(xiàn)自動觀測識別，其中總云量、結(jié)冰、積雪和雪深等主要采用計算機視覺原理，云狀、地面凝結(jié)現(xiàn)象(霜、露、雨凇、霧凇)等主要采用深度學(xué)習(xí)原理[2]。該儀器的使用極大地提升了氣象觀測現(xiàn)代化水平。

1 結(jié)構(gòu)與原理

視頻智能儀由圖像采集單元、圖像處理單元、通信單元、供電單元和附件等組成。圖像采集單元自動定時采集視頻和圖片資料，通過多路RJ45網(wǎng)線信號傳輸?shù)焦I(yè)以太網(wǎng)交換機(以下簡稱交換機)，交換機將資料匯集送入數(shù)據(jù)處理單位HY-MC1A主控制器。主控制器對質(zhì)量合格的圖片運用計算機視覺和深度學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)運算處理，自動識別天氣現(xiàn)象(或氣象要素)，并進(jìn)行記錄存儲[3]。傳輸識別結(jié)果通過串口線接入串口服務(wù)器，作為一個新的掛接項通過原有鏈路接入到 ISOS主機。在ISOS主機上，用 SMOPORT 軟件，將視頻智能儀掛接的綜合硬件控制器PORT口對應(yīng)的com端口設(shè)置為RS-232方式，9600N81[4]。傳輸視頻和圖片通過光纖接入室內(nèi)光纖轉(zhuǎn)換設(shè)備，以RJ45網(wǎng)絡(luò)傳輸線纜與業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)通信終端連接。

表1 圖像采集單元觀測要素表

圖1 視頻智能儀通信流程示意圖

2 安裝要點

視頻智能儀的安裝遵循《地面氣象觀測規(guī)范》，并參照《地面氣象觀測場規(guī)范化建設(shè)圖冊》，布設(shè)在觀測場內(nèi)西北側(cè)，布設(shè)區(qū)域約2 m(東西向)×4 m(南北向)，南面設(shè)置1個地面集中觀測區(qū)域，用于安裝結(jié)冰容器、電線積冰架、專用雪深尺等輔助觀測目標(biāo)物。圖像采集單元中的獨立魚眼鏡頭高清攝像機安裝在立柱頂端，距地2.8 m，指北標(biāo)志對北，垂直向上安裝，水平180°可無死角觀測到全部天空。長焦高清攝像機和短焦高清攝像機分別距地2.1 m、1.8 m，朝南面向地面集中觀測區(qū)[5]。

電線積冰架距立桿基礎(chǔ)中心1.65 m，雪尺約為3.3 m，將直徑26.8 mm、長度100 cm的220 kV電力傳輸電纜作為雨凇和霧凇的觀測目標(biāo)物，距地1.5 m。電纜面對鏡頭，在鏡頭內(nèi)要保持水平，不被架子的支柱遮擋，須完全可見；電纜頂部與圖像頂部留出一段距離，底部與雪尺頂部留出一段距離，防止結(jié)冰遮擋雪尺刻度；電纜下方不要出現(xiàn)(水平方向)較長的白色物體。積雪觀測目標(biāo)物為地面集中觀測區(qū)內(nèi)較開闊的區(qū)域，積雪深度的觀測目標(biāo)物為圓柱形、金屬材質(zhì)的專用雪深尺；雪尺垂直于地面，占圖片高度的70%以上，在鏡頭中完全可見；0刻度與圖像底部留出一小段距離，傾斜角度<3°；避免雜草遮擋雪尺刻度，尤其注意避免雜草遮住0刻度；雪尺紅色中軸線居中，中軸線左右兩邊刻度寬度大致相同。結(jié)冰容器作為結(jié)冰觀測的目標(biāo)物應(yīng)占據(jù)圖像左半部分大部分面積、圖像右半部分有較多的植物。地面集中觀測區(qū)內(nèi)的草地作為露、霜觀測的目標(biāo)物，鏡頭應(yīng)盡量對準(zhǔn)草較多的位置，優(yōu)先選擇葉子較寬的草[6]。

圖像采集單元的圖像必須清晰，不能出現(xiàn)對焦模糊的情況，背景中不要出現(xiàn)藍(lán)色和紅色物體；處理雜草時必須要露出地面，露出地面面積盡可能大一點。補光燈應(yīng)根據(jù)環(huán)境光照情況自動開啟和關(guān)閉，采用白光補光，短焦高清攝像機的補光須同時打開近光燈和遠(yuǎn)光燈，遠(yuǎn)光燈調(diào)至最強(10)，近光燈調(diào)至較強(8)；長焦高清攝像機亮度調(diào)至中值(5)。

3 業(yè)務(wù)運行

目前，視頻智能儀處于業(yè)務(wù)試運行階段，識別結(jié)果通過信號線采用RS-232通信方式將識別文件推送至ISOS軟件，由ISOS軟件將識別結(jié)果轉(zhuǎn)換成并行BUFR格式數(shù)據(jù)文件上傳到省局指定目錄(與雨滴譜上傳地址相同)，暫不入ISOS業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫；待業(yè)務(wù)化運行后，將識別結(jié)果正式寫入ISOS數(shù)據(jù)庫，合并至現(xiàn)有小時業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)格式相應(yīng)數(shù)據(jù)段，通過現(xiàn)用小時BUFR文件上傳，并行BUFR文件不再生成和上傳。原始視頻和圖片數(shù)據(jù)采用光纖通信傳輸?shù)绞覂?nèi)通信終端，再通過業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)上傳至省級或國家級。

3.1 攝像機參數(shù)和主控IP設(shè)置

高清攝像機上電后，通過RJ45網(wǎng)線與計算機連接，修改計算機IP地址，確保兩者通信正常，啟用ONVIF協(xié)議，同步時間、設(shè)置主碼流等參數(shù)，最后修改攝像機IP地址。在攝像機段設(shè)置好參數(shù)后，還需在主控頁面進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，通過chrome瀏覽器登錄http://IP:8080 (IP為智能觀測儀主控IP地址)進(jìn)行相關(guān)項目的管理和設(shè)置。在“設(shè)備管理”中對攝像單位的IP地址、登錄用戶名和密碼等進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置；在“參數(shù)設(shè)置”中設(shè)置服務(wù)器IP和文件地址，上傳端口默認(rèn)21，F(xiàn)TP用戶名和密碼與ISOS軟件中FTP通訊參數(shù)的用戶名和密碼相同；并勾選頁面中的“啟動”。待相關(guān)項目修改后，最后修改主控IP，其中判識接口在主控IP變更后，自動與之同步。參數(shù)配置好后，在重啟頁面中點擊“點擊重啟”按鈕進(jìn)行重啟。待參數(shù)設(shè)置好后，可在“數(shù)據(jù)監(jiān)控”“上報統(tǒng)計”“數(shù)據(jù)查詢”“設(shè)備監(jiān)控”等選項中對設(shè)備運行情況、數(shù)據(jù)傳輸情況等進(jìn)行查看。

3.2 ISOS軟件相關(guān)設(shè)置

視頻智能儀與ISOS軟件對接后，在“自動項目掛接設(shè)置”頁面中，勾選“視頻智能觀測儀”項目對應(yīng)的3個復(fù)選框，并設(shè)置通信參數(shù)，通信端口為綜合硬件集成控制器對應(yīng)的PORT口，傳輸參數(shù)設(shè)置為9600N81。在“自定項目參數(shù)”頁面中，確認(rèn)FTP通訊參數(shù)中的雨滴譜通道設(shè)置正確，且勾選。正常情況下，在ISOS軟件首頁中的“數(shù)據(jù)統(tǒng)計信息”中能查看視頻智能儀的觀測成功率，視頻智能儀的觀測數(shù)據(jù)文件(設(shè)備、質(zhì)控、訂正分鐘數(shù)據(jù)文件和狀態(tài)信息文件)存放在ISOSdataset省份IIiiiAWSintelligentweather文件夾下，文件傳輸情況存放在ISOSinlogftpYYYY-MM-DD(YYYY：年份，MM：月份，DD：日期)中。查閱了解傳輸情況，或檢查ISOSinSendintelligentweather文件夾對應(yīng)日期下是否有24個BUFR文件(即T文件)，若無則未上傳成功。

4 故障排查思路

在業(yè)務(wù)試運行工作中，視頻智能儀出現(xiàn)無數(shù)據(jù)等情況時，通過主控頁面重啟設(shè)備，硬件重啟，一般能恢復(fù)。但受水浸、雷擊和通信故障等問題，涉及的相關(guān)流程較多、排查難度較大[7]。本文以巴中市臺站在業(yè)務(wù)試運行期間出現(xiàn)過的故障為基礎(chǔ)，進(jìn)行相關(guān)分析。

4.1 查看各模塊工作狀態(tài)

主控頁面的“數(shù)據(jù)監(jiān)控”可對攝像機工作狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)通訊狀態(tài)情況進(jìn)行查看。當(dāng)相關(guān)設(shè)備出現(xiàn)故障時，顯示為故障，并以紅色凸顯，判識結(jié)果相應(yīng)為淺紅色，無數(shù)據(jù)。也可通過在ISOS軟件中“查詢與處理→數(shù)據(jù)查詢→分鐘數(shù)據(jù)查詢”中的“視頻智能觀測儀要素每日逐分鐘狀態(tài)表”選擇對應(yīng)分采運行狀態(tài)、攝像機工作狀態(tài)、通訊狀態(tài)和鏡頭污染情況，查看是否顯示正?；驗?。

4.2 現(xiàn)場排查

4.2.1 觀察各儀器指示燈 HY-MC1A主控制器面板上共4個指示燈。在正常工作狀態(tài)下，“電源”“控制”指示燈紅色常亮，“工作”指示燈綠色常亮，“通訊”指示燈在有數(shù)據(jù)輸出時閃爍；攝像機網(wǎng)線與工業(yè)交換機底部網(wǎng)口連接處，綠色燈閃爍，黃色燈常亮；12 V和24 V電源指示燈綠色常亮。如果各指示燈異常，則相應(yīng)模塊出現(xiàn)故障。需要進(jìn)一步排查。

4.2.2 檢查電源情況 供電單元由電源控制器、交流防雷器、空氣開關(guān)和保險管組成，220 V交流通過開關(guān)電源轉(zhuǎn)換為直流12 V，為魚眼、短焦和工業(yè)交換機供電，直流24 V為長焦供電。如開關(guān)電源指示燈正常顯示，則重點檢查保險管和電壓輸出端。12 V和24 V鏈路電源的保險管規(guī)格分別為5 A和10 A，更換時需要注意其對應(yīng)的安裝位置。

4.2.3 相關(guān)線路排查 重點檢查各攝像機接頭處是否接觸良好，有無水浸導(dǎo)致接線銹蝕。雷電導(dǎo)致儀器故障或數(shù)據(jù)缺測，首先考慮是否交流防雷器損壞，可通過更換或利用萬用表進(jìn)行電壓檢測。檢查網(wǎng)線是否正常時，通過Ping相關(guān)IP，查看通信是否正常；網(wǎng)線通斷檢查則將相關(guān)網(wǎng)線接入網(wǎng)線檢測儀，網(wǎng)線正常時1～8號LED燈按順序亮顯或者1、2、3、6號燈亮顯，否則網(wǎng)線存在異常，需進(jìn)行更換。若主控IP顯示正常，圖像和視頻文件能正常采集，而ISOS軟件無數(shù)據(jù)，則考慮串口信號線是否有斷路或短路現(xiàn)象，利用萬用表通斷檔進(jìn)行檢查，或者FL100低壓電涌保護(hù)器損壞，可直接跳過保護(hù)器直接與串口線連接。若儀器均正常，主控頁面和ISOS軟件均無數(shù)據(jù)，考慮通信轉(zhuǎn)換單元和光纖是否正常。通信轉(zhuǎn)換單元通過觀察指示燈的閃爍情況進(jìn)行初步檢查，光纖可通過光纖紅光筆進(jìn)行檢查；若光纖損壞，更換光纖時，選用多模光纖(MMF)，一般通過顏色區(qū)分，單模常用黃色外護(hù)套，多模常采用橙色或水綠色外護(hù)套。

圖2 視頻智能儀供電流程示意圖

4.2.4 資料上傳率較低 首先檢查主控頁面中的FTP參數(shù)是否設(shè)置正確，上傳頻率是否符合省局要求。其次檢查ISOS軟件中雨滴譜的FTP傳輸參數(shù)參數(shù)是否正確，在FTP通訊狀態(tài)測試中勾選“雨滴譜”，點擊測試，是否顯示成功連接。個別時次正點00分?jǐn)?shù)據(jù)缺測，在主控頁面的系統(tǒng)信息中檢查設(shè)備版本號是否為V1.1.10。若雨滴譜數(shù)據(jù)上傳正常，視頻儀上傳數(shù)據(jù)文件T文件上傳失敗，則需檢查網(wǎng)絡(luò)丟包問題，即是否存在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、物理線路故障，網(wǎng)絡(luò)擁塞或MTU 配置不當(dāng)?shù)取?/p>

4.3 圖像采集相關(guān)問題

天臉視頻或圖像采集成功率偏低或者不采集。通過瀏覽器訪問攝像機IP地址后，檢查ONVIF協(xié)議是否勾選，刪除管理員賬戶，重新添加，用戶名密碼和原來保持一致。登錄主控IP頁面，在設(shè)備管理中檢查參數(shù)和攝像機中設(shè)置的參數(shù)是否一致，不一致則修改，一致點擊確定。最后在主控機箱關(guān)閉空氣開關(guān)5～10 s，再次重新上電。天臉數(shù)據(jù)采集成功率低，在主控IP頁面中的參數(shù)設(shè)置中檢查手動校時框的時間是否正確，確保時間同步。若成功率仍偏低，則按照本小節(jié)第一個問題的解決方法進(jìn)行處理。天臉無法正常采集視頻，需訪問攝像機IP地址，在“配置—視音頻—視頻”中的視頻編碼檢查是否選擇H.264。天臉魚眼攝像機圖像異常時，訪問攝像機IP，確認(rèn)安裝方式為桌面，顯示方式為魚眼。

5 日常維護(hù)

視頻智能儀的日常巡視和維護(hù)工作應(yīng)納入臺站日常維護(hù)(周維護(hù)、月維護(hù)和年維護(hù))，若攝像機有遮擋或污染情況，在日出前或日落后及時清理；在清理過程中，不能劃傷玻璃表面，使用柔軟不起毛的棉布或脫脂棉沾無水乙醇直接擦試鏡頭玻璃，勿用其他物品清潔。若遇沙塵、降雪等影響儀器觀測時，應(yīng)加強巡查頻率，及時清潔。業(yè)務(wù)人員要定時對地面集中觀測區(qū)自然下墊面及露、霜目標(biāo)物草地狀況進(jìn)行整理，保持平整；每周清洗結(jié)冰容器，及時添加當(dāng)?shù)刈匀凰w；檢查儀器安裝是否到位；夏季和冬季每周至少開展1次維護(hù)工作。每年春季要對防雷設(shè)施進(jìn)行全面檢查，確保防雷安全；在月維護(hù)中，檢查供電單元是否安全，立柱是否穩(wěn)固，配件有無損壞或腐蝕等安全隱患，避免振動等對攝像機產(chǎn)生的不良影響，杜絕其他安全事故發(fā)生[8]。

6 結(jié)束語

本文通過對HY-WP1A視頻智能儀的結(jié)構(gòu)原理、安裝要求、參數(shù)設(shè)置、故障排查和日程維護(hù)進(jìn)行了介紹，市縣技術(shù)保障人員可通過文章中的相關(guān)方法，解決實際業(yè)務(wù)工作中存在的問題，提高業(yè)務(wù)技術(shù)水平，保障業(yè)務(wù)設(shè)備的穩(wěn)定率和數(shù)據(jù)可用性，為氣象預(yù)報和服務(wù)提供更多更有價值的氣象信息。