新型自动站故障诊断系统的研究与设计

侯飙，韩书新，熊峰，薛风国，曲秉阳

（黑龙江省气象数据中心，黑龙江哈尔滨150030）

新型自动站故障诊断系统的研究与设计

侯飙，韩书新，熊峰，薛风国，曲秉阳

（黑龙江省气象数据中心，黑龙江哈尔滨150030）

1 引言

随着综合气象观测业务现代化建设的飞速发展，第二代新型自动气象站已经在黑龙江省国家气象站完成建设并投入业务运行，使地面自动观测的数据密度、数据质量和系统的稳定性都有显著提高。但由于新型自动气象站观测频率的加大，使观测数据呈指数增长，这对于通过分析探测数据质量的方式诊断自动站气象故障是一种严峻的考验。现在应用的故障诊断系统是采用数据集中式处理方式，对系统的运算能力要求很高，而且数据在采集传输过程中容易造成数据缺失和数据错误，数据处理时间较长，影响故障诊断时效。基于这种现状，提出一种基于分布式数据处理技术的新型自动气象站故障诊断系统，在台站完成新型自动气象站的数据监控和故障诊断，将故障诊断结果上传至中心站，避免了数据集中处理和报文大量传输的过程。通过该系统的设计可以提高新型自动站故障诊断的时效，对提升自动气象站保障能力有很重要作用。

2 新型自动气象站的结构简介

新型自动气象站采用了当今成熟、稳定和先进的电子测量、数据传输和控制系统技术，基于总线技术和嵌入式系统技术，实现了地面气象观测全要素自动观测，具有高精度、高稳定、易维护、低功耗、易扩展和实时远程监控的能力。整套系统按照“主采集器+外部总线+分采集器+传感器+外围设备”的设计结构，对主/分采集器、总线结构、传感器、外围设备、软件、现场标校设备的各个部分，从功能、结构、通讯协议、数据采集、数据计算处理、数据存储、数据质量控制、数据传输、电气接口标准、生产工艺等制定了严格规定[1]。

3 目前新型自动气象站故障诊断现状及问题

目前，新型自动气象站故障的判断是基于ASOM 2.0综合气象观测系统运行监控平台[2]，其核心是以探测数据的可用性来判断设备的运行状况。探测数据从台站采集以后通过内网传送到省级服务器端，监控平台对获得的数据内部一致性、时间一致性、空间一致性以及气候极值检查，得到数据判定结果，最终形成全省所有自动气象站当前时次的运行状况，形成运行状况序列图和状态图等产品。但由于探测数据要通过全省各地的台站上传到省级服务器，数据链路层较多，出现数据错误或无法上传数据的情况时有发生。例如台站发生网络通信故障，探测数据不能上传至省级，而自动站设备运行正常，但监控平台会诊断自动气象站出现故障，这与实际情况严重不符，不能真实反馈自动站运行情况。

4 分布式数据处理方案

通过对目前设备运行监控和故障诊断方法的分析，现提出一种分布式数据处理方案。相对于目前应用的自动站故障诊断方法主要有两点创新：

（1）目前新型自动站的监控和故障诊断，是通过对自动站报文的解析来完成，对解析的报文进行数据质量控制，以报文中探测要素数据的可用性来衡量自动站的运行情况。这种方法是因为老型自动站将很多状态文件封装在内部，没有相关的通信协议、接口的波特率读取老型自动站的状态文件，使得老型自动站的监控和故障诊断都基于对观测数据的质量控制方法上。

新型自动站在运行的过程中可以通过RS232接口与采集器直接通信，通信过程中有很多指令可以读取采集器实时工作的状态，许多状态文件直接反应了自动气象站运行过程中设备的运行状态，而不需要通过自动站的采集数据来判断设备的状态，可以缩减监控的步骤，这种方式也更加直接，准确度更高。

（2）综合气象观测系统运行监控平台采取对全省自动气象站的探测数据文件进行统计分析，得出全省自动气象站的运行状况。这种集中处理报文数据文件的方式，可以利用探测数据空间一致性的法则。但是，由于台站在数据采集、封装、传输、解码等相关过程中，容易出现数据的缺失和损耗，而且数据在收集过程中要经过很多链路，实时性较差。如果数据传输的链路发生故障，同样被判断为自动站处于故障状态，不能客观反映自动站的运行状况。另外，数据集中处理对系统计算能力要求很高。

采用分布式数据处理的方案[3]，在台站安装故障诊断软件，实时对新型自动站的运行状态进行监控，如发生设备运行状态异常，对自动站的故障类型进行判定，将判定的结果反馈至省级监控部门和保障科室，同时通知台站仪器设备管理员，让相关业务人员在第一时间发现设备异常，在最短的时间对故障设备进行维护维修，能够缩短故障排除时间，提高保障时效。分布式数据处理可以简化数据处理流程，多线程同时完成故障诊断任务，省级部门只负责接收故障诊断的结果，具有站点故障诊断自治性和逻辑整体性的特点。

5 技术路线

5.1 技术路线

对于设备故障判断的方式主要以探测设备的运行状态文件为依据，此方法可以作为监控平台的补充。在新型自动站的主采集器配置了一个RS232调试串口，使用串口调试线连接主采集器调试串口和PC机的RS232串口，设置相关串口通信参数即可实现PC机和主采集器通讯。然后在PC机上编写相应的应用软件，通过软件定时向采集器发送命令来读取主采集器和各个分采集器的工作状态信息，如有自动站工作状态异常，可通过短信发送模块来提醒台站值班员和省级保障人员，可以在第一时间发现故障并完成故障的诊断和处理。

软件采用Client/Server（客户机/服务器）结构[4,5]，通过将任务合理分配到台站端和省级服务器端，降低了系统的通讯开销，提高了整体的运行速度。故障诊断软件采用C#面向对象语言编写，源代码的可移植性强，适合编写串口操作应用程序，尤其是这种特定应用的小型系统。

台站端和服务器端的程序不同，数据的处理主要在客户端，实现数据的分布式处理。省级服务器端主要提供数据管理、数据共享、数据及系统维护和并发控制等。台站端程序主要完成故障诊断的具体的任务，针对采集器返回的状态值来判断设备运行情况，如发生设备运行异常，将故障诊断结果反馈至省级服务器端。同时，可以向相应的保障人员发送报警短信，短信内容为相应故障部件信息。省级服务器端设计相应的状态图，利用地理信息系统来显示全省自动气象站的运行状态，每一个站点为坐标的坐标按钮，按钮默认状态为绿色，绿色为某台站设备运行正常，如某台站端诊断出采集器有故障，台站端应用程序可以将诊断结果发送至省级服务器端，省级服务器端将显示某台站气象站发生故障。

5.2 程序设计

故障诊断软件与新型自动气象站通信的过程中，主要通过对采集器定时发送串口指令，通过返回的状态值来判定设备的运行情况。以读取数据采集器电源电压为例，在通信过程中，向采集器发送（PSS）指令，若数据采集器为蓄电池供电，其电压值为12.8 V，正确返回值为＜DC,12.8＞，如果采集器返回的电压值与这个值偏差较大，故障诊断软件则判断蓄电池电压异常，接下来执行报警程序，以短信形式通知相关业务人员。同样，当故障诊断软件向主采集器发送读取主采集器工作状态（STATMAIN）指令时，主采集器会返回主采集器运行状态，其中主要包括：主采集器主板温度、主采集器AD模块工作状态、主采集器计数器模块状态、主采集器CF卡状态、主采集器GPS状态、主采集器门开关状态、主采集器LAN状态、主采集器RS232/RS485终端通信状态、CAN总线状态等，通过这些返回值来对采集器进行判定，可以更加直观的了解设备的运行状态，避免了复杂的数据挖掘分析，直接通过物理量的变化进行结果判断，可以更加直观的反应新型站的运行状态，判定结果稳定可靠。

6 结论

本文所设计的新型自动站故障诊断系统，实现了通过自动气象站的状态文件来判断自动站的运行状况，填补只能通过报文解析来判断设备运行状态的空白。

同时增加了一种新的分布式数据处理方式，降低了数据集中处理的复杂性，简化了整个监控和故障诊断的流程，去除了系统的冗余度，缩短了发现故障的时间，提高了设备监控和故障诊断的时效性，使新型自动站保障工作的反应速度加快。通过该软件的应用，维护维修人员可以在第一时间了解自动站设备的运行情况，如有设备发生故障，保障人员可以在最短的时间了解设备故障的类型，根据故障类型制定相应的维修方案，这样就可以及时的解决故障，让保障工作可以更加高效。

[1]陈冬冬,杨志彪,施丽娟,张鑫,韩承松.新型自动气象站结构特点及其优越性[J].气象水文海洋仪器.2011, (4):93-99.

[2]姜小云,吴俞,李静.ASOM二次监控平台设计[J].气象科技.2013,41(3):480-483.

[3]谢立,孙钟秀.分布式数据处理[M].北京:国防工业出版社.1990.

[4]赵念强,邢桂芬,宋顺林.CLIENT/SERVER结构在农电管理系统中的应用[J].江苏大学学报.1999, (6):65-68.

[5]章慧,王留洋,俞杨信.浅谈Client/Server体系结构及发展[J].淮阴工学院学报.2001,10(4):13-15.

1002－252X（2017）02－0028－02

2017－3－1

侯飙（1982-），男，黑龙江省哈尔滨市人，哈尔滨工程大学，硕士生，工程师.