識別區(qū)域站風傳感器現(xiàn)場核查時機的方法研究

吳舉秀，黃 磊，邊文超，于 帥

(1.山東省氣象防災減災重點實驗室，濟南 250031；2.山東省氣象局大氣探測技術保障中心，濟南 250031)

0 引言

區(qū)域自動氣象站是全國自動氣象觀測體系的重要組成部分，區(qū)域站和天氣站的風向風速測量數(shù)據(jù)的準確性，對天氣預報、氣候監(jiān)測、霧霾防治、氣象預警以及氣象理論研究等方面具有重要作用。為了確保區(qū)域站風傳感器探測數(shù)據(jù)的準確性，需要定期對其進行檢測[1]。但是由于區(qū)域站、天氣站地理位置偏遠，環(huán)境比較惡劣，風向、風速傳感器經(jīng)常出現(xiàn)軸承卡澀現(xiàn)象，造成啟動風速過大和小風速缺失等問題，目前運行的業(yè)務監(jiān)控系統(tǒng)無法識別出軸承卡澀造成的數(shù)據(jù)錯誤問題，臺站雖然根據(jù)區(qū)域站核查辦法制定了不同臺站現(xiàn)場核查時間，但是核查時間是固定的，使得大量臺站出現(xiàn)風傳感器軸承卡滯問題無法被及時發(fā)現(xiàn)和處理，從而產(chǎn)生了很多錯誤數(shù)據(jù)。部分文獻對現(xiàn)場核查的方法進行了研究[2，3]，劉昕[4]等詳細介紹了風向、風速現(xiàn)場校準方法，但是沒有具體研究臺站風向風速核查維護的最佳時間。也有一些文獻對風傳感器的凍結問題進行了探討，朱世恒[5]等設計了一種基于風傳感器的故障自動檢測裝置，可以快速判斷風傳感器是否被凍結，但如何利用目前的業(yè)務監(jiān)控系統(tǒng)快速判定傳感器是否被凍住尚未有人研究。

綜合氣象觀測運行監(jiān)控系統(tǒng)是國家氣象探測設備保障領域內(nèi)的實時業(yè)務系統(tǒng)，運行監(jiān)控系統(tǒng)對提高氣象裝備運行效能發(fā)揮了重要作用[6，7]。但是省級ASOM2.0系統(tǒng)和在全國已完成了業(yè)務試運行的省級裝備保障一體化系統(tǒng)以及綜合氣象觀測業(yè)務運行信息化平臺(“天元”系統(tǒng))，都沒有識別出傳感器卡滯以及凍結故障，造成大量的風速風向數(shù)據(jù)錯誤。所以文章研究了一種風向風速傳感器軸承卡滯以及凍結故障的識別算法，依托已經(jīng)試運行的綜合觀測省級裝備保障一體化業(yè)務系統(tǒng)，開發(fā)了個性化監(jiān)控模塊，識別出軸承卡澀需要現(xiàn)場核查的臺站以及軸承凍結需要維護的臺站，使得臺站可以根據(jù)識別的結果制定區(qū)域站風向風速核查計劃以及利用凍結連續(xù)時間決策維護維修時間，提高區(qū)域站風向風速核查的有效性以及保障的及時性，從設備前端實現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。

1 算法設計

風速、風向傳感器軸承有卡澀時，小風速下傳感器測的風向主要表現(xiàn)為連續(xù)一段時間內(nèi)為某一固定值，風速可表現(xiàn)為連續(xù)一段時間內(nèi)為0 m/s，軸承卡滯越嚴重持續(xù)時間越長。風向、風速傳感器凍結時，主要表現(xiàn)為風向連續(xù)不變，有時數(shù)據(jù)為0°，風速體現(xiàn)為連續(xù)一段時間為0 m/s。目前靜風時區(qū)域站業(yè)務軟件處理得到的風速、風向數(shù)據(jù)表現(xiàn)為0°、0 m/s，因此要識別出風速、風向傳感器軸承卡澀或凍結現(xiàn)象，首先需要統(tǒng)計山東省靜風持續(xù)時間，把靜風因素去掉。文中選用區(qū)域站的小時觀測數(shù)據(jù)進行算法設置，利用小時數(shù)據(jù)而不用分鐘數(shù)據(jù)的原因是：軸承卡滯造成的風向風速連續(xù)不變的時間以及靜風持續(xù)時間都會持續(xù)幾小時以上；業(yè)務系統(tǒng)讀取的都是小時數(shù)據(jù)，比存儲分鐘數(shù)據(jù)節(jié)省存儲資源；極大風速的風速風向完全可以體現(xiàn)出分鐘數(shù)據(jù)風速風向的特征，所以用小時數(shù)據(jù)更有實際意義。

1.1 靜風持續(xù)時間統(tǒng)計

文章中的數(shù)據(jù)來自經(jīng)過初步質(zhì)控的CIMISS系統(tǒng)中的中國地面逐小時資料(國家站)，利用山東省123個國家氣象觀測站的風傳感器觀測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計了2018年12月至2020年11月靜風持續(xù)時間。統(tǒng)計時認為國家站的風向風速傳感器是符合校準的，不考慮部分臺站軸承出現(xiàn)輕微卡澀造成對靜風時間的影響。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，風向出現(xiàn)靜風頻率比風速的多，2 min平均風速的持續(xù)時間與瞬時風速的持續(xù)時間相差不大，靜風持續(xù)時間絕大多數(shù)為1 h，個別最長持續(xù)時間可達12 h，但持續(xù)時間在5 h以上的臺站較少，與王玉辰[8]統(tǒng)計的延安地區(qū)的靜風時間分布規(guī)律基本一致。通過統(tǒng)計每月風向、風速的靜風最長連續(xù)時次以及連續(xù)超過6時次的站點個數(shù)，可以得出多數(shù)月份最大持續(xù)時次超過5時次，但是站點個數(shù)很少，7—12月靜風時間可連續(xù)超過6時次；靜風時，2 min平均風速的持續(xù)時間稍高于極大風速持續(xù)的時間。其中1月、2月很多站點傳感器出現(xiàn)凍結造成多時次數(shù)據(jù)缺測，統(tǒng)計的靜風時間也可能由于受到冰凍天氣的影響而稍有增長，但總體來說，1—6月靜風持續(xù)時間相對較短。

1.2 具體算法

文章跟蹤了實際軸承卡澀時的風要素數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)很多臺站在11月份雖然極大風速連續(xù)不變的時次只有5時次以上，但是2 min平均風速連續(xù)不變的時次可達18時次以上，因此結合以上統(tǒng)計的靜風分布時間特點，不同月份設置不同的閾值。因為風向風速傳感器是一起進行核查維護的，所以可忽略風向風速靜風持續(xù)時間的差別。臺站人員根據(jù)告警結果分析傳感器狀態(tài)，合理安排核查臺站次序、時間，制定核查方案，優(yōu)先安排去現(xiàn)場核查持續(xù)報警站點，通常軸承卡澀嚴重的需要及時更換風傳感器[9，10]。

1)3—6月

設置瞬時風速或者2 min平均風速或者極大風速(風向)連續(xù)6時次不變進行風速(風向)持續(xù)不變告警。

2)1—2月

1—2月天氣很冷，不利于傳感器的現(xiàn)場核查以及維護維修。通常出現(xiàn)最多的問題是風傳感器被凍結，風向傳感器凍結表現(xiàn)為風向風速連續(xù)不變，也可以聯(lián)合濕度、氣溫進行判斷。袁佰順等研究確定了風傳感器凍結時氣溫、濕度、風速的臨界值；尹憲志等認為，凍結時濕度最小閾值為93%，氣溫閾值為0°，也可以設置算法識別風速傳感器是否被凍結。算法流程為風速或者風向連續(xù)6時次，氣溫小于等于0°，并且最小相對濕度大于等于93%，則凍結報警；風速或者風向連續(xù)6時次無變化也可以識別出出現(xiàn)凍結臺站或者軸承卡澀的臺站。此算法只適合有濕度要素的區(qū)域站，未安裝濕度要素的區(qū)域站則不做考慮，風向傳感器的判別流程與風速相同。

3)7—12月

設置極大風速(風向)或者瞬時風速(風向)或者2 min平均風速(風向)連續(xù)12時次不變進行告警。12月也可能出現(xiàn)凍結的情況，凍結故障識別算法同1—2月。

2 軟件設計

為了能夠使用省級裝備保障一體化業(yè)務平臺數(shù)據(jù)庫的觀測數(shù)據(jù)，文章在此平臺上開發(fā)了開放式個性化監(jiān)控算法實現(xiàn)模塊，以Web形式實現(xiàn)設計的算法。模塊使用JAVA語言編程，在設計時考慮到了兼容推廣問題，可以很方便地切換到省級ASOM2.0綜合觀測監(jiān)控系統(tǒng)，也可以作為天元系統(tǒng)本地化的一部分，軟件包括算法查詢、新增算法、報警信息查詢等3部分，具體功能介紹見文獻Lin G等[11]。個性化的監(jiān)控算法流程：1)首先建立質(zhì)控規(guī)則，按照站點數(shù)據(jù)質(zhì)控業(yè)務需求來篩選不同站點的數(shù)據(jù)集合，對具體要素內(nèi)容設置多個規(guī)則的方式準確地篩選出業(yè)務所需要的質(zhì)控告警狀態(tài)信息，告警內(nèi)容格式按照告警描述的內(nèi)容可以自行設置。對于要素的質(zhì)控規(guī)則，根據(jù)不同要素業(yè)務需求設計了多種可供搭配使用的規(guī)則。2)利用數(shù)據(jù)調(diào)度工程，根據(jù)規(guī)則質(zhì)控完成篩選：先一次性從規(guī)則表中查詢所有已啟用且在規(guī)則月份內(nèi)的需要質(zhì)控的記錄，然后根據(jù)條件分類拼接數(shù)據(jù)庫查詢篩選數(shù)據(jù)，完成業(yè)務上的邏輯拼接后返回需要的告警信息。3)告警信息以列表形式顯示。

3 告警結果統(tǒng)計分析

2020年11月份將風向風速持續(xù)不變的識別算法應用到軟件中進行檢驗，首先試驗了連續(xù)5時次無變化的區(qū)域站，識別出110個區(qū)域站風向或風速連續(xù)5時次無變化，與臺站進行了核實，連續(xù)5時次不變的臺站基本認為是靜風，部分測站則是因周圍有高大的樹木遮擋造成的，其中12時次以上基本為風傳感器的問題。同時檢測出很多站點已經(jīng)連續(xù)幾十天風向風速持續(xù)不變，利用該方法檢測后，臺站可以及時檢查維修，形成良性循環(huán)。2020年12月份風向連續(xù)12時次無變化準確識別出了5個臺站出現(xiàn)異常，經(jīng)核實是風向傳感器問題。

4 結束語

文章通過統(tǒng)計山東省每月發(fā)生的靜風持續(xù)時間，設計了識別區(qū)域站風傳感器軸承卡滯的算法，并探討了聯(lián)合氣溫、濕度、風速識別傳感器凍住的算法。

算法運行結果顯示，軟件運行可靠，算法識別準確，為區(qū)域站的風傳感器現(xiàn)場核查合理時機提供了判斷依據(jù)，也為保障人員處理傳感器凍結問題提供了時間參考。軟件可用在業(yè)務監(jiān)控系統(tǒng)上，便于在全省進行業(yè)務推廣應用，也可以應用在天元系統(tǒng)作為本地化的一部分在全國推廣使用。