自動氣象站儀器設備保障及維護技術研究

摘 要：氣候和天氣現(xiàn)象對農業(yè)生產具有重要影響，降水、溫度、風力等環(huán)境因子與農作物的生長發(fā)育和產量表現(xiàn)息息相關。自動氣象站的儀器設備性能、穩(wěn)定性及可靠性直接影響農業(yè)領域氣象數(shù)據(jù)的準確性與實用價值。介紹了自動氣象站儀器設備常見故障類型，分析了自動氣象站儀器設備維護技術要點，探討了自動氣象站儀器設備維護水平提升策略，旨在為我國氣象觀測技術的發(fā)展提供科學依據(jù)和參考經(jīng)驗，增強維護意識，提升技術水平，從而促進我國氣象服務質量不斷提高。

關鍵詞：自動氣象站；儀器設備；傳感器；電力系統(tǒng)；維護檢查

中圖分類號：P415.12 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）06–0-03

隨著全球氣候變化加劇和人類活動對環(huán)境的影響顯著，氣象學在農業(yè)生產和管理中的重要性日益凸顯。作為現(xiàn)代氣象觀測技術的重要載體，自動氣象站應用廣泛于農業(yè)氣象觀測、數(shù)據(jù)采集與分析，為農業(yè)生產提供了有力的科學支持。因此，研究自動氣象站儀器設備保障及維護技術在農業(yè)氣象服務中具有重要的現(xiàn)實意義和應用價值。

1 自動氣象站儀器設備常見故障類型

1.1 傳感器失靈

傳感器是自動氣象站核心儀器之一，負責采集氣象要素，如溫度、濕度、風速等。傳感器失靈可能導致觀測數(shù)據(jù)失真或丟失。常見原因如下：外部環(huán)境對傳感器造成的損傷，如惡劣氣候和異物入侵；自然老化，即長時間運行導致傳感器性能退化；電氣干擾，如雷擊、電源不穩(wěn)等情況引發(fā)的傳感器故障。

在傳感器失靈案例中，以溫濕度傳感器失靈較為常見。其主要原因是微氣象因素，如空氣流動不暢、輻射源過近等，使得傳感器所處的微環(huán)境偏離實際氣象狀態(tài)?；蛞蜷L時間運行使溫度靈敏元件磨損、探頭積塵、溫度儀表失準等導致溫度計失靈[1]。風速傳感器也容易出現(xiàn)故障，其主要故障表現(xiàn)為風速信號輸出異常，原因可能包括傳感器軸承磨損、內部電路板故障、外部環(huán)境干擾等。降雨傳感器故障表現(xiàn)為雨量測量失準，可能是由于傳感器接觸損壞、結構堵塞、漏雨等問題引發(fā)的。

1.2 通信故障

通信故障對自動氣象站的數(shù)據(jù)采集和遠程傳輸功能具有嚴重影響，可能導致數(shù)據(jù)無法順利傳送或傳輸失敗。通信故障主要包括氣象站與通信設備連接失效、通信線路故障、通信協(xié)議不一致等問題。通信故障主要為數(shù)據(jù)終端、中繼站到中心站之間的通信不穩(wěn)定和數(shù)據(jù)傳輸速率的波動。這些問題主要來自數(shù)據(jù)線或天線的損傷、接觸不良，調制解調器、信道和其他通信設備的內在缺陷。在地形多變、雷電多發(fā)等特殊環(huán)境，以及站點距離過遠的情況下，通信故障的發(fā)生率更高。

常見的通信故障還包括網(wǎng)絡中斷、數(shù)據(jù)丟包、系統(tǒng)崩潰等。網(wǎng)絡中斷可能因硬件、線路故障所致。數(shù)據(jù)丟包可能出現(xiàn)在數(shù)據(jù)終端中轉過程，導致氣象數(shù)據(jù)未能完整傳遞。系統(tǒng)崩潰可能因內存溢出、誤操作等造成嚴重破壞。實際氣象站運行過程中還會遇到如傳輸數(shù)據(jù)錯誤、數(shù)據(jù)重復、數(shù)據(jù)加密缺失、非法入侵等問題，均給自動氣象站的正常運行帶來極大挑戰(zhàn)。

1.3 電力系統(tǒng)問題

電力系統(tǒng)問題在自動氣象站中屬于常見故障類型，涵蓋電源不穩(wěn)定、電池衰老、電壓波動等多種情況。這些問題不僅會妨礙氣象觀測儀器設備的正常運作，還可能導致故障持續(xù)惡化，進而嚴重影響氣象站的整體運行和服務能力。

電源不穩(wěn)定這一問題容易引發(fā)儀器設備出現(xiàn)異常工作，如誤報信號、頻繁重啟等，進而導致氣象數(shù)據(jù)的不準確、流失。電池老化或衰退會使氣象站在沒有外部電源供應的情況下無法正常運行，從而使得氣象站的數(shù)據(jù)采集和傳輸任務無法順利完成[2]。電壓波動問題容易使儀器設備的性能下降，在更嚴重的情況下，還可能對敏感部件造成永久性損壞，從而對氣象觀測質量產生負面影響。

電源故障還包括其他問題。例如，過載現(xiàn)象可能導致電路的短路與設備過熱；電源頻率波動也會引起氣象觀測設備運作不穩(wěn)，影響數(shù)據(jù)準確性；電氣干擾可能導致測量數(shù)據(jù)產生誤差或損壞設備。

2 自動氣象站儀器設備維護技術要點

2.1 傳感器定期校準清洗

傳感器在自動氣象站的儀器設備中起著至關重要的作用，負責對各類氣象要素進行精確、實時的監(jiān)測，因此，保持傳感器的高精度對確保氣象數(shù)據(jù)的準確性十分必要。為了實現(xiàn)這個目標，運行部署過程中需要定期對傳感器進行精確地校準與清洗。

對于校準，各種不同類型的傳感器需要制定相應的校準方法。溫度傳感器校準時，可采用黑體輻射源作為參考，進行精確對比。同時，濕度傳感器的校準可采用嵌入式參考電阻的測濕系統(tǒng)，確保其測量相對濕度的精確性。降雨量計校準時，可使用標準定容法與油封量筒進行對比，實現(xiàn)精度校準。風速傳感器校準則可借助風洞實驗室進行精確標定，同時以風向儀器為參考進行風向角測量校準。關于校準周期，建議遵循相關指南和設備制造商給出的建議周期，以確保有效性。

定期清洗傳感器也是關鍵措施[3]。針對溫濕度傳感器，應仔細清除探頭和外殼上的污垢，并保持散熱片表面暢通，以防散熱受阻。對于風速傳感器，清洗時應確保風杯和風向桿軸承的潤滑、無雜物阻礙，維持正常的敏感反應。降雨量傳感器清洗時需要保證漏斗無異物和積水，避免發(fā)生漏雨或誤測。日照輻射計等特殊傳感器的光學表面需定期清潔，確保傳感器不受表面污垢影響，保證測量精度。

2.2 通信系統(tǒng)的維護檢查

為避免通信系統(tǒng)出現(xiàn)問題，需定期對光纖連接、無線通信信號強度、數(shù)據(jù)終端、中繼站等設備進行檢查，確保連接無松動、破損、腐蝕等現(xiàn)象。為優(yōu)化無線通信系統(tǒng)的性能，可通過對信號傳輸品質進行評估，對信噪比和無線信號傳播延遲等指標進行優(yōu)化配置。在測試過程中，可使用頻譜分析儀或電磁場強度儀對通信鏈路進行分析，進一步查明存在的問題并進行相應調整。同時，合理設置通信參數(shù)，如傳輸速率和通信協(xié)議，以使其滿足設備要求和實際應用需求。

通信設備的維護同樣需要重點關注，應定期檢查調制解調器等關鍵設備。主要是監(jiān)測設備的工作狀態(tài)、溫度、電源電壓等，并對設備進行散熱、防塵等保護措施。通過跟蹤設備的歷史數(shù)據(jù)，建立通信設備故障率、維修率等統(tǒng)計報告，為設備更換或升級提供參考。同時，要不斷提升通信系統(tǒng)抗干擾的能力，對可能導致通信系統(tǒng)干擾的設備和環(huán)境因素進行徹底排查，如電磁干擾、雷擊干擾等，對通信設備進行屏蔽、濾波、接地等措施，減輕干擾對通信系統(tǒng)的影響[4]。在設備布局方面，應考慮地形、建筑物和氣象條件對通信系統(tǒng)性能的影響，優(yōu)化無線通信信號的傳播環(huán)境。

2.3 電源系統(tǒng)管理監(jiān)控

為了確保電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要定期對相關電源線路和供電設備，如交流穩(wěn)壓器、蓄電池等進行檢查和保養(yǎng)。在電源線路方面，要確保線路無破損、腐蝕等現(xiàn)象，定期檢查連接點、接頭、保險絲等部位，確保供電安全穩(wěn)定。針對接地系統(tǒng)，重點關注接地電阻的變化，遵循相關規(guī)定和標準，定期進行檢查和維護，以減輕雷擊、電涌等對自動氣象站設備造成的破壞。針對供電設備，如交流穩(wěn)壓器，應關注其在不同工況下的工作狀態(tài)，監(jiān)測輸出電壓、電流等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)問題要及時進行調整或更換。針對蓄電池，關注電池的充放電性能、容量衰減情況，定期檢查電池表面是否發(fā)生鼓脹、結垢、漏液等現(xiàn)象，視情況更換老化蓄電池，確保在極端天氣或外部電源中斷時，氣象站儀器設備仍能保持穩(wěn)定運行。在太陽能充電系統(tǒng)中，要關注光伏陣列的發(fā)電效率、充電控制器工作性能等，定期清除太陽能板表面的灰塵，確保光伏板與充電控制器參數(shù)設置適當，以實現(xiàn)最優(yōu)的充電和使用效果。同時，要加強對太陽能帶電量閾值的設定調整，以充分滿足氣象站設備在不同時間段和季節(jié)的實際電源需求。

2.4 硬件與軟件優(yōu)化升級

隨著科技的進步，硬件與軟件會不斷地迭代更新，自動氣象站也需要緊跟這一趨勢。自動氣象站必須密切關注氣象觀測設備的技術創(chuàng)新，適時地升級替換設備，提高觀測的質量和準確性。例如，將原有的氣壓傳感器更換為數(shù)字氣壓傳感器，后者具有更低的量程誤差和更小的零點漂移，有利于提高氣象觀測的精確性。

在軟件系統(tǒng)方面，定期更新安全修復補丁、修復漏洞、提高代碼執(zhí)行效率。針對監(jiān)測與分析軟件，持續(xù)追蹤行業(yè)最新算法和模型的發(fā)展，以滿足更高質量的氣象分析與預測需求。合理設置氣象觀測設備的采樣頻率和采樣時間等參數(shù)，以平衡數(shù)據(jù)的精度和實時性。

為了滿足現(xiàn)代氣象觀測需求，可利用高性能處理器和先進的數(shù)據(jù)采集技術，如模數(shù)轉換器（Analog to Digital Converter，ADC），即16位A/D轉換技術，從而提升數(shù)據(jù)處理能力和采集精度。及時升級雷達、高光譜儀等設備，使氣象觀測更為精確。針對氣象站硬件設施及外罩，引入新材料和防護技術，如防腐材料、反射涂層等，以確保設備在惡劣環(huán)境中穩(wěn)定運行。

在軟件部署方面，采用分布式計算、云計算和邊緣計算等技術，減少數(shù)據(jù)處理延遲，保障實時性。在數(shù)據(jù)管理上，引入大數(shù)據(jù)技術，對海量氣象數(shù)據(jù)進行有效管理與應用，實現(xiàn)與地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）的集成，將氣象數(shù)據(jù)與地理信息相結合，提供更為精細化的氣象分析及服務。應用人工智能技術，在自動氣象站觀測數(shù)據(jù)分析中引入深度學習、神經(jīng)網(wǎng)絡等算法，提升模型預測的準確性。結合物聯(lián)網(wǎng)與遠程傳感技術，快速地采集、處理與傳遞氣象要素數(shù)據(jù)，推進5G通信技術的應用，保障數(shù)據(jù)傳輸速率和實時性。

3 自動氣象站儀器設備維護水平提升策略

3.1 實施規(guī)范化維護管理

實施規(guī)范化維護管理至關重要，它能夠確保自動氣象站儀器設備的穩(wěn)定性和可靠性。在具體的維護工作中，要制定詳細的維護管理手冊，明確不同類型氣象儀器設備的維護周期、方法和執(zhí)行標準，以保證維護操作有章可循、有序進行。根據(jù)設備制造商提供的技術資料、行業(yè)標準，組織具備專業(yè)能力的維護團隊對氣象觀測儀器設備實施定期點檢、保養(yǎng)和維修，并實行設備責任制，明確每個維護人員的職責。設置嚴格的績效考核評價制度，并時刻記錄氣象設備的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，如設備故障率、維修次數(shù)與維修歷史等，為未來設備保養(yǎng)、升級或更換提供有力的保障[5]。

現(xiàn)代信息化手段在規(guī)范化維護管理過程中具有關鍵作用。設備維護管理信息系統(tǒng)能夠實現(xiàn)智能化維護監(jiān)控，從而提高維護效率。具體而言，應建立完善的氣象設備臺賬，記錄設備型號、出廠日期、設備狀態(tài)等關鍵信息。按照制定的計劃周期執(zhí)行維護任務，確保人員執(zhí)行的任務符合相關要求。針對常見的氣象觀測傳感器的維護，如溫度傳感器，維護周期為半年，在此期間，依據(jù)設備制造商給出的精度要求，對傳感器進行定期校準。

3.2 定期檢查與故障排除

設備的周期性檢查與故障排除對保證自動氣象站持續(xù)穩(wěn)定運行具有重要意義。需要根據(jù)設備特性、運行環(huán)境、使用狀況等多方面因素綜合制定檢查計劃、檢查標準和檢查項目。

在檢查過程中，應著重關注核心組件的性能指標，如傳感器的靈敏度、響應速度等，對設備的外部形態(tài)、內部結構、電氣接口等進行全方位檢查。針對檢查過程中發(fā)現(xiàn)的問題，及時開展故障診斷，運用專業(yè)化的測試儀器和技術方法，快速判斷故障原因并對癥下藥。利用先進的故障預測分析工具，如數(shù)據(jù)挖掘技術、大數(shù)據(jù)分析方法等，深入探查設備的隱患故障信息，實現(xiàn)故障的預防性維護，降低意外故障帶來的風險。

在具體實施過程中，針對溫度傳感器，可采用標準溫度計與其他高精度測量設備進行對比校準，保證傳感器工作精度。針對風速傳感器，可通過檢查軸承磨損程度，確認設備的運行狀況，并進行必要的維修保養(yǎng)。雷達設備的檢查要注意天線的轉動速度和射頻功率輸出，以評估設備性能。在維護工作中，針對電源系統(tǒng)的檢查，關注電源供應穩(wěn)定性，如電流波動范圍、電壓穩(wěn)定程度等。針對通信系統(tǒng)，應檢查無線通信信號質量及穩(wěn)定性，如信噪比等指標。針對氣象站軟件系統(tǒng)的維護，定期進行系統(tǒng)安全檢測和更新，確保系統(tǒng)的抗干擾的能力。

此外，在實踐中，可引入設備維護信息化管理系統(tǒng)，自動記錄設備狀態(tài)數(shù)據(jù)，如故障率、維修頻次、歷史維護記錄等，匯總分析設備維護數(shù)據(jù)，為設備的日常維護和更新?lián)Q代提供科學依據(jù)。實時監(jiān)控設備狀態(tài)，有針對性地進行預防性維護，能更有效地降低設備潛在故障風險，確保氣象數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性和準確性。

3.3 加強人才培訓

提升自動氣象站儀器設備維護的成效，不僅依賴于先進的技術手段和完善的管理制度，還需維護人員具備強烈的維護意識。為提升維護人員的維護技術與知識應用水平，應組織定期的氣象觀測設備維護及相關專業(yè)領域培訓課程，讓維護人員對設備工作原理、性能參數(shù)、故障判斷及修復方法等有更深入的了解。鼓勵設備維護技術交流，分享在實際應用中積累的維護故事和經(jīng)驗技巧，讓維護人員可以從同行的案例中學習，提升自己的實際操作能力。形成有益的行業(yè)交流氛圍，定期舉辦技術研討會，邀請知名專家進行指導[6]。

4 結束語

自動氣象站儀器設備的維護與氣象觀測質量、準確性緊密相關。增強設備維護意識、實現(xiàn)規(guī)范化維護管理、加強定期檢查與故障排除是確保氣象站正常運行的基礎。通過組織專業(yè)培訓、分享實踐經(jīng)驗以及密切關注技術進步與設備升級，維護人員可持續(xù)提升技術水平。同時，勇于探索創(chuàng)新，利用新技術實現(xiàn)智能化維護和故障預警，有助于大幅提升自動氣象站設備的可靠性和穩(wěn)定性。這需要所有與氣象觀測相關的人員共同努力，不斷增強維護效果，助力應對不斷變化的天氣現(xiàn)象，更好地為人們的生產和生活保駕護航。

參考文獻

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[2] 李立兵.新型自動氣象站儀器設備運行故障及維修維護[J].湖南農機， 2018，45（1）：104-105.

[3] 陳奇，李靜.新型自動氣象站常見故障及維修維護管理[J].時代農機，2018，45（3）：66.

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[5] 梁青建.自動氣象站常見故障判斷及排除方法[J].電子世界，2013（9）：90-91.

[6] 王舜.對自動氣象站維護和技術保障的探討[J].農業(yè)與技術，2013，33（6）：198-199.

收稿日期：2024-01-10

作者簡介：施俊瑋（1999—），男，福建晉江人，助理工程師，研究方向為應用氣象類。