基于物聯(lián)網(wǎng)的自動氣象站現(xiàn)場核查技術(shù)分析

摘 要：本文旨在分析物聯(lián)網(wǎng)的自動氣象站現(xiàn)場核查技術(shù)，探討如何提高自動氣象站數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，為氣象預(yù)報和科學(xué)研究提供更可靠的數(shù)據(jù)支持。本研究對現(xiàn)有區(qū)域自動氣象站進行改造，引入氣溫傳感器、雨量傳感器、風(fēng)傳感器以及智能控制單元，實現(xiàn)對氣象觀測非線性變量（例如溫度、雨量、風(fēng)向和風(fēng)速）的多傳感器冗余觀測。在數(shù)據(jù)采集過程中，本研究設(shè)置了采集器端前置算法，得出最優(yōu)的探測數(shù)據(jù)，從而提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。研究結(jié)果顯示，自動氣象站的數(shù)據(jù)質(zhì)量有顯著提高，觀測到的氣象數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確、可靠，為氣象預(yù)報和科學(xué)研究提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；自動氣象站；現(xiàn)場核查

中圖分類號：TP 29 " " " " " " 文獻標(biāo)志碼：A

1 自動氣象站現(xiàn)場核查中數(shù)據(jù)質(zhì)控算法的應(yīng)用

在基于物聯(lián)網(wǎng)的自動氣象站現(xiàn)場核查技術(shù)中，應(yīng)用數(shù)據(jù)質(zhì)控算法是一種重要方式。數(shù)據(jù)質(zhì)控算法能夠?qū)ψ詣託庀笳静杉臄?shù)據(jù)進行實時監(jiān)測和分析，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性[1]。數(shù)據(jù)質(zhì)控算法可以對自動氣象站采集的數(shù)據(jù)進行異常檢測，監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化和趨勢，識別出可能存在的異常數(shù)據(jù)點。例如，當(dāng)某個氣象參數(shù)的數(shù)值超出正常范圍，或者與周圍站點的數(shù)據(jù)存在較大差異時，數(shù)據(jù)質(zhì)控算法可以將這些數(shù)據(jù)標(biāo)記為異常數(shù)據(jù)，并進行進一步處理。

1.1 自動氣象站現(xiàn)場多溫度質(zhì)控算法

在自動氣象站現(xiàn)場溫度智能單元中，采集算法具有關(guān)鍵作用。采集算法通過多種方式獲取溫度值，例如使用傳感器進行實時測量，或者利用歷史數(shù)據(jù)和模型進行預(yù)測。這些溫度值來自不同通道，是不同位置或不同類型傳感器測得的數(shù)據(jù)。利用采集算法，溫度智能單元能夠?qū)⑦@些溫度值進行集成和處理，以提供更準(zhǔn)確、全面的溫度數(shù)據(jù)[2]。一旦溫度數(shù)據(jù)被采集到主采集器中，即開始交叉驗證的過程。交叉驗證是一種常用的數(shù)據(jù)驗證方法，可以將數(shù)據(jù)分成多個部分，使每個部分都充當(dāng)一次驗證集，從而驗證模型的準(zhǔn)確性。在溫度數(shù)據(jù)的交叉驗證中，主采集器會將采集的溫度數(shù)據(jù)與其他通道的數(shù)據(jù)進行比較，檢查數(shù)據(jù)間的一致性和差異性。如果數(shù)據(jù)間存在較大差異，那么主采集器會進行相應(yīng)處理，例如排除異常數(shù)據(jù)或進行數(shù)據(jù)平滑處理。

首先，在3個傳感器間相互計算測量偏差，如公式（1）所示。

（1）

式中：T1、T2和T3分別為3個溫度傳感器的測量溫度，℃，這些傳感器位于不同位置或采用不同的測量技術(shù)，因此其測量結(jié)果會有差異；D12為T1、T2間的溫度差值；D23為T2、T3間的溫度差值；D31為T3、T1間的溫度差值。

這些差值用來評估傳感器間的一致性和穩(wěn)定性。如果差值較小，就表示傳感器間的測量結(jié)果相對一致；如果差值較大，就表示存在傳感器故障或測量誤差。在實際應(yīng)用中，如果任何一個傳感器出現(xiàn)缺測（即無法獲取溫度值），那么該時刻的溫度值將被視為缺測，在該時刻無法獲得準(zhǔn)確的溫度數(shù)據(jù)。因此，在數(shù)據(jù)分析和處理中，需要注意處理缺測值的方法，例如進行插值或使用其他傳感器的數(shù)據(jù)進行估算。

其次，定義傳感器兩兩間測量偏差允許范圍，如公式（2）所示。

（2）

式中：Tol（i，j）為定義傳感器兩兩間測量偏差允許范圍；Ti、Tj為任意傳感器的溫度數(shù)值。

如果Dij≤Tol（i，j），可以認(rèn)為傳感器間的測量結(jié)果是一致的；如果Dijgt;Tol（i，j），可以認(rèn)為傳感器間存在較大的不一致性。在這種情況下，需要對這些測量值進行處理。

最后，計算結(jié)果如下所示。如果所有Dij均在允許范圍內(nèi)，即傳感器測量值間的差值均在允許范圍內(nèi)，那么可以認(rèn)為傳感器間的測量結(jié)果是一致的。在這種情況下，將T1、T2和T3的中間值作為最終結(jié)果，并取中間值，消除個別傳感器測量值的影響，得到更準(zhǔn)確的計算結(jié)果。如果有2個Dij在允許范圍內(nèi)，即只有1個傳感器測量值與其他2個傳感器測量值差異較大，那么可以認(rèn)為這個傳感器的測量結(jié)果存在異常。在這種情況下，同樣將T1、T2和T3的中間值作為最終結(jié)果，并取中間值，排除異常值的影響，得到更可靠的計算結(jié)果；如果只有1個Dij在允許范圍內(nèi)，即只有1個傳感器測量值與其他2個傳感器測量值差異較小，那么可以認(rèn)為該傳感器的測量結(jié)果較可靠。在這種情況下，將該Dij的2支溫度傳感器測量值的平均值作為最終結(jié)果，并取平均值，充分利用可靠的測量結(jié)果得到更準(zhǔn)確的計算結(jié)果。如果所有Dij均不在允許范圍內(nèi)，即所有傳感器測量值間的差值均超出允許范圍，那么可以認(rèn)為傳感器間存在較大的不一致性。在這種情況下，結(jié)果被標(biāo)識為缺測，在該時刻無法獲得準(zhǔn)確的溫度數(shù)據(jù)，需要進一步檢查傳感器的狀態(tài)或采取其他措施來解決問題。

1.2 自動氣象站現(xiàn)場多雨量質(zhì)控算法

當(dāng)1 h降水量Pre＜0.5 mm，即時，

Pre3不參與計算，其中Pre1、Pre2和Pre3分別為2只SL3-1（0.1）和1只SL3-1（0.5）雨量傳感器累計1 h測得的降水量。

當(dāng)1 h降水量0.5 mm≤Pre＜1 mm時，則有公式（3）。

（3）

當(dāng)1 h降水量Pre≥1 mm時，則需要以下3個步驟。

第一步，計算兩兩偏差，如公式（4）所示。

（4）

式中：D12、D23和D31分別為傳感器兩兩間的測量差值，mm。

由于Dij值是基于降水量數(shù)據(jù)計算得出的差值，假如降水量數(shù)據(jù)缺失，將無法計算出某個時間段的降水量，相關(guān)的Dij值也無法確定，因此將缺失的降水量數(shù)據(jù)對應(yīng)的Dij值視為缺失處理。

第二步，定義兩兩偏差允許范圍。有2只0.1 mm翻斗雨量傳感器SL3-1（0.1），其最大允許誤差為Ep1=Ep2=4%，還有1只0.1 mm翻斗雨量傳感器SL3-1（0.5），其最大允許誤差為Ep3=5%。根據(jù)這些信息計算出Tol（i，j）的值，Tol（i，j）表示傳感器i和傳感器j間的誤差容限。Prei和Prej表示傳感器i和傳感器j的測量值（mm）。Epi和Epj表示對應(yīng)傳感器的最大允許誤差。傳感器1和傳感器2間的測量誤差容限為0.02 mm。如果2個傳感器間的測量誤差小于這個容限值，那么該測量結(jié)果是可以接受的。如果Dij≤Tol（i，j），那么表示Dij在允許范圍內(nèi)，傳感器i和傳感器j間的差值Dij小于或等于它們之間的誤差容限；如果Dij＞Tol（i，j），那么表示Dij在允許范圍外，傳感器i和傳感器j間的差值Dij大于它們之間的誤差容限；當(dāng)Dij的值缺失時，根據(jù)給定的處理方式，無法確定Dij的具體值，因此將其標(biāo)記為超出誤差允許范圍。

第三步，計算結(jié)果。如果所有的Dij均在允許范圍內(nèi)，即Dij≤Tol（i，j），那么取Pre1、Pre2和Pre3的中間值作為結(jié)果。利用取中間值得到一個相對平均的結(jié)果，以降低測量誤差的影響。如果有2個Dij在允許范圍內(nèi)，即Dij≤Tol（i，j），那么同樣取Pre1、Pre2和Pre3的中間值作為結(jié)果。這樣做是為了盡量降低測量誤差的影響，并且考慮有2個傳感器的測量結(jié)果是可接受的。如果只有1個Dij在允許范圍內(nèi)，即Dij≤Tol（i，j），就將這個Dij對應(yīng)的2個降水量的平均值作為結(jié)果。這樣做是為了盡量降低測量誤差的影響，并且考慮有1個傳感器的測量結(jié)果是可接受的。如果所有的Dij都不在允許范圍內(nèi)，即Dij＞Tol（i，j），那么結(jié)果將被標(biāo)識為缺測。因為所有傳感器均超出誤差允許范圍，所以無法得到可靠的測量結(jié)果。

2 自動氣象站現(xiàn)場設(shè)備運行和效果分析

2.1 運行穩(wěn)定性

設(shè)備安裝完成后，自2021年1月20日正式開始運行。在設(shè)備運行期間，自動氣象站沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺報或丟失的情況，數(shù)據(jù)到報率為100%。結(jié)果顯示，設(shè)備的運行非常穩(wěn)定，與機場內(nèi)其他現(xiàn)行自動氣象站的數(shù)據(jù)變化趨勢基本一致。

2.2 數(shù)據(jù)一致性

溫度傳感器測量偏差見表1。傳感器D12的測量偏差主要集中在0～0.1，幾乎沒有＞0.3的偏差。并且沒有缺測的情況。傳感器D13的測量偏差相對較大，除了0和0.1外，還有較多的0.2和0.3的偏差，并有少量＞0.3的偏差，沒有缺測的情況。傳感器D23的測量偏差與傳感器D13類似，集中在0.0～0.1，但是也存在一些0.2和0.3的偏差，同時有一些＞0.0.3的偏差，同樣沒有缺測的情況。

3套站點的數(shù)據(jù)變化趨勢基本一致，如圖1所示。由于與業(yè)務(wù)站（編號為59948）存在站點環(huán)境差異和站點海拔高度差異，觀測數(shù)據(jù)的具體數(shù)值存在一定差異。站點環(huán)境差異是由站點周圍的地理、氣候和人為因素的差異導(dǎo)致的。例如，不同站點位于不同的地理位置，周圍的建筑物、植被和地形會對氣象觀測產(chǎn)生影響。此外，不同站點存在不同的海拔高度，海拔的變化也會對氣象觀測結(jié)果產(chǎn)生一定影響。這些差異的存在使不同站點的觀測數(shù)據(jù)的具體數(shù)值有所不同。例如，對于相同的氣象事件，不同站點會有不同的溫度、濕度或風(fēng)速等數(shù)值。原因是站點的環(huán)境和海拔高度的差異導(dǎo)致氣象要素在不同站點的表現(xiàn)不同。雖然存在這些差異，但是各時間段內(nèi)數(shù)據(jù)的總體變化趨勢相對一致。

2.3 觀測數(shù)值異常結(jié)果

雨量觀測故障分析如圖2所示。本文選擇降水時段20：00—22：00的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行分析。由于2號和3號雨量傳感器的降水量基本一致，因此其測量結(jié)果是可靠的，并且在這個降水時段內(nèi)具有一致性。與之相比，1號傳感器的降水量明顯偏小，小時累計降水值的偏小暗示1號傳感器在這個時段內(nèi)沒有準(zhǔn)確記錄到實際的降水量。此外，日累計降水量偏小也進一步支持了傳感器出現(xiàn)故障或堵塞的假設(shè)。如果傳感器正常工作，其應(yīng)能記錄到與其他傳感器相近的降水量，但是其數(shù)值明顯偏小，可以合理懷疑傳感器的可靠性。經(jīng)過維護人員現(xiàn)場確認(rèn)，1號雨量傳感器的干簧管出現(xiàn)接觸不良的問題。干簧管是雨量傳感器中的一個重要組件，能夠感知雨滴的降落并產(chǎn)生相應(yīng)的電信號。接觸不良問題使干簧管無法正常感知降雨情況，導(dǎo)致傳感器記錄的降水量明顯偏小。該問題是由長時間的使用和環(huán)境因素造成的，例如濕氣、灰塵或者腐蝕等。幸運的是，站點還配備了其他降水觀測設(shè)備，例如綜合輸出降水值。這些設(shè)備與其他傳感器相互協(xié)作，以多種方式來測量降水量。在這種情況下，綜合輸出降水值與實際情況相符，其他設(shè)備能夠提供準(zhǔn)確的降水?dāng)?shù)據(jù)。經(jīng)過及時維護和修復(fù)，維護人員解決了1號雨量傳感器的問題。

3 結(jié)語

本文分析了基于物聯(lián)網(wǎng)的自動氣象站現(xiàn)場核查技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了氣溫、濕度和氣壓傳感器的超差情況，同時，對采集器項目的核查也進行了討論。經(jīng)過現(xiàn)場校準(zhǔn)與核查，自動氣象站數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性得到提高，可為氣象預(yù)報和科學(xué)研究提供更可靠的數(shù)據(jù)支持。然而，本研究僅是對現(xiàn)場核查技術(shù)的初步探索，還需要進一步的研究和實踐來改進和優(yōu)化該技術(shù)。未來的研究將集中在傳感器的核查和采集器項目的改進上，以進一步提高自動氣象站的性能和數(shù)據(jù)質(zhì)量。

參考文獻

[1]黃飛龍，譚晗凌，霍亞.物聯(lián)網(wǎng)與自動氣象站深度融合方法研究[J].計算機測量與控制，2022（3）：30.

[2]許兵甲，黃飛龍.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能自動氣象站設(shè)計[J].廣東氣象，2022（4）：44.