自动气象站天气现象智能观测仪故障分析及维护

严忠国，姚 杨，黄高平，张仕清

（1.石台县气象局，安徽 池州 245100；2.东至县气象局，安徽 池州 247200；3.池州市气象局，安徽 池州 247000）

1 研究背景

自动气象站天气现象智能观测仪是一款通过不同角度的多个摄像机采集图像和视频数据，利用图像识别、深度学习、数据融合等技术[1]，实现对天气现象自动识别和观测的专业气象仪器。它充分考虑现有国家级地面气象观测站和区域气象观测站的特点情况，无缝接入视频图像天气现象仪，充分扩展了对低云量、电线积冰、云高、视觉障碍现象（轻雾、雾、霾、浮尘、扬沙、沙尘暴）等其他要素自动观测能力。它的运用对于目前尚未实现器测的天气现象（或气象要素）观测项目，进一步推进气象观测自动化，有效提高观测数据的频率和质量[2]，减轻台站业务人员劳动强度有着积极的意义。

2 天气现象视频智能观测仪的组成结构和工作原理

现阶段，全国大部分气象台站配备了HY-WP1A天气现象智能观测仪，该仪器整体结构由图像采集、图像处理、通信、供电4个单元及附件（防雷单元、自洁仪、安装预埋件以及辅助观测目标物等）组成。图像采集由鱼眼摄像机垂直拍摄天空方向，观测总云量和云状；长焦高清摄像机拍摄地面上的蒸发皿、地面植物目标物（草地），负责观测结冰、霜、露、积雪；短焦高清摄像机对准电缆和雪尺，负责观测雨凇、雾凇和积雪深度。由图像采集单元采集的图片和视频数据经图像处理单元的质量控制，数据处理，记录和存储后，由通信单元采用RS-232串口通信和光纤通信方式完成数据发送、接收以及通讯方式转换，识别结果通过RS-232串口通信线经过综合集成硬件控制器与ISOS软件连接，视频和图片数据采用光纤通信传输到室内通信终端，再通过业务内网上传至省级或国家级气象信息中心。

3 常见故障及处理方法

天气现象智能观测仪常见故障有硬件和软件原因，主要表现在供电故障、网络故障、设备故障和软件版本等方面。

3.1 硬件故障及处理方法

3.1.1 供电故障

因供电不正常造成的无图像时，可用万用表测试摄像头的供电是否正常。鱼眼摄像机和长焦摄像机的供电电压都为24 V，短焦摄像机的供电电压为12 V，如果没有电压或时有时无，检查保险管、线路连接是否有接触不良和松动的情况，如正常再检查供电模块和市电是否正常。

鱼眼摄像机（其他摄像机检查方式类似）直连时无法从网页登录时，需要从以下方面进行检查：首先查看鱼眼摄像机机箱内接线排下端供电是否满足24 V供电要求，若下端未有供电或电流微弱则检查左侧保险座内保险丝有无跳闸情况，有跳闸情况不可急于更换保险（10 A），应检查相关电路是否有短路，着重检查摄像机线缆连接处（若链接处存在短路显现可先用防水绝缘胶带缠绕），线路无短路断路情况下进行更换对应10A保险；其次检查鱼眼摄像机线缆连接情况，确保连接在DC24V双芯插口上；最后查看鱼眼摄像机网线是否正常及卡死，可以更换网线进行尝试。

3.1.2 网络故障

网络故障常见的是问题摄像机的IP地址与内网中其他设备IP冲突，造成图像时有时无或者摄像机不连续采集图片或视频。此时，通过查看图像采集日志，图像采集报错误代码为28。解决办法：修改问题摄像机IP地址为空闲IP即可。另外，鱼眼摄像机网线质量原因也可能造成的无图像，可以更换网线进行尝试；而如果是网络参数设置不合理原因造成的故障，需重新配置摄像机的协议、码流、密码，将摄相机的IP重新设置成同一网段。

3.1.3 设备故障

通过网页无法访问到主控与摄像机时，可能原因是供电问题或者室内交换机坏。解决方法：查看室内交换机指示灯状态，若供电正常的情况下，交换机上所有指示灯都不亮，则尝试断电重启一下交换机，若仍无法正常访问主控与摄像机，再看一下接到室内交换机的光纤头是否能看到红色光点，若2个光纤接头一个有光点常亮，一个没有光，则可确认天脸室外设备部分信号传输正常，此时需要联系厂家，更换室内交换机。

3.2 软件故障及处理方法

3.2.1 数据采集成功率低及处理方法

天脸数据采集成功率低，故障可能是由于ISOS软件与天脸主控的时间不一致引起的。因此，可以通过尝试将天脸主控的时间改为与ISOS软件时间一致来解决（注意：是以ISOS软件时间为标准）。解决方法：使用业务电脑上的浏览器访问主控页面。选择“参数设置”，检查手动校时后面的时间是否正确，若正确则点击后面的设置按钮。显示同步成功，则校时完毕，此时返回ISOS观察数据采集成功率是否正常。

主控页面中，查看到天脸视频或图像采集成功率不是100%；天脸只有视频采集无图像采集或只有图像采集无视频采集。问题原因通常是修改摄像机密码后主控与摄像机之间未成功建立连接导致的。

解决方法：第一步，通过浏览器访问摄像机的IP地址，管理员登录，进入摄像机页面后，选择配置—网络—高级配置—集成协议，检查启动ONVIF协议前面是否勾选，正常为勾选状态。选中管理员账户点击删除按钮删除管理员账户，然后点击添加按钮重新添加管理员账户，用户名密码和原来保持一致，用户类型选择管理员。点击确定，最后点击保存按钮（3个摄像机均需按照上述步骤重新设置）。第二步，访问主控制器，在浏览器中输入主控制器IP地址（输入的字符必须全为半角字符）。“用户类型”选择管理员账户，输入密码，登录。点击设备管理，此时能看到3个摄像机，点击摄像机的编辑图标，检查参数和摄像机中设置的参数是否一致，若一致点击确定按钮，不一致则修改后点击确定按钮（设备管理下的3个摄像机设备均需做上述操作）。最后去观测场主控机箱关闭空气开关5～10 s，重新上电。

天脸鱼眼摄像机图像异常或无法正常采集视频。图像显示异常多数是因为安装方式和显示方式选择不正确或视频编码选择错误导致的。鱼眼摄像机镜头安装方式应选择桌面，显示方式应选择鱼眼。

解决方法：首先，浏览器访问出现异常现象摄像机页面，输入用户名密码登录。点击配置—视音频—视频，设置中要注意视频编码只能选择H.264，目前视频编码不支持H.265，若选错则视频不能正常采集。其次，现场调试电脑的IE浏览器中插件需要安装，在有网络的环境中打开网页，网页下端弹出黄色插件进行安装。安装完成后重启浏览器输入鱼眼摄像机查看图片显示。

3.2.2 数据不采集及处理方法

天脸数据不采集的原因可能是主控内存满了或者是观测项选择有误导致的。

解决方法：首先使用一键清除功能，然后检查参数设置—主控参数设置—图像/视频采集频率，需要将图像采集频率设为1（min），视频采集频率设为10（min）。其次如果发送READDATA有返回值，有可能是观测项选择有误导致的。这时需要通过主控网页—设备管理菜单下查看3个摄像机的观测项，查看是否有少勾选或者重复勾选的项目。如鱼眼摄像头名称为“云状云量”，观测项选择类型中只能勾选“云状”“云量”，不能勾选其他观测项。其他2个摄像机的观测项选择操作类似。

3.2.3 判识结果异常及处理方法

ISOS软件中天脸判识结果缺失。解决方法：浏览器访问主控页面，输入用户名密码登录，选择数据查询，选择想要导出数据的时间，点击导出按钮，点击确定，此时会弹出存储路径，选择存储路径后下载即可（一次只能导出一天的数据，若需多天数据则需重复上述操作）。导出文件如何进行上传需联系ISOS相关开发人员。

摄像机能正常采集图片和视频，但识别不了天气状况。解决方法：首先检查摄像机镜头上是否有污染物附着或遮挡，若为冰堆积，需查看摄像机系统—系统配置—加热是否共勾选。若为其他泥点的污染物附着，则需要用无纺棉酒精清理。其次查看主控时间是否与观测平台电脑时间有延迟，若有延迟则需要在观测平台给主控制器手动校时，同步到电脑时间。最后查看主控是否为最新版本。

云状识别结果为红色。解决方法：用管理员账户和密码登录主控，在“设备管理”—“云状云量”中，点编辑符号，进入编辑页面后勾选“云高”“云量”“云状”。

雪深、电线结冰数值偏差量较大。问题可能是由于辅助观测目标物设置不规范、摄像机对焦不准确等原因造成的。解决方法：首先查看雪深标尺是否正对短焦摄像机，且周边没有蓝、红、黄及不属于天气现象观测的白色；其次雪深尺是否垂直与地面，且零度刻度线在土面以上；然后电线结冰电缆近处有无遮挡，或后侧有无立面情况；最后是调整摄像机角度与网页内进行准确对焦。

判识结果错误。未及时升级最新版本可能导致判识结果错误以及观测成功率偏低，如实际未下雪（雪尺等参照物正常），ISOS软件中出现雪深记录，这是主控程序问题。解决方法：目前主控程序AI识别部分还在汇总调整，算法正在升级迭代，因此，应及时从华云升达的官方网站下载设备程序最新版本。

4 日常维护

为保证天气现象智能观测仪长期可靠运行，做好仪器日常维护工作尤为重要，具体维护工作如下。

4.1 加强仪器巡视

每周检查摄像机镜头的遮挡和污染情况，若有遮挡或污染应及时清理，清理应在日出前或日落后进行。清洁摄像机镜头时，护罩式镜头可用柔软不起毛的棉布或脱脂棉沾无水乙醇直接擦试镜头玻璃，鱼眼镜头可先用清水冲洗表面浮尘与沙粒，再用柔软不起毛的棉布或脱脂棉沾无水乙醇擦试镜头，注意不要划伤玻璃表面，如果窗口加热功能良好，其表面将很快变干，勿用其他物品清洁。可根据设备附近环境的情况，延长或缩短维护的时间间隔（遇沙尘、降雪等影响观测时，应及时清洁）。

4.2 保证可靠供电

每月检查供电设施，保证供电安全。

4.3 定期检查校准

每月定期检查摄像机的水平、方位和倾角，检查立柱是否稳固，发现问题及时纠正。检查地面集中观测区自然下垫面及露、霜目标物草地状况，保持平整。检查辅助观测目标物设置是否规范，专用雪尺应保持竖直，刻度零线与地面集中观测区自然下垫面齐平；结冰容器应尽可能使用代表当地自然水体的水，器内水量不足时需及时添加。

4.4 开展防雷检测

每年春季应对防雷设施、设备接地状况进行一次全面检查，复测接地电阻值，使其符合气象设施防雷技术要求，避免直击雷或感应雷损坏仪器设备。

5 结语

目前，天气现象视频智能观测仪业务尚处在试运行阶段，业务人员对新设备尚处于了解和熟悉阶段，新设备在日常运行过程中难免会出现一些故障和不稳定现象，因此，业务人员有必要了解仪器的工作原理，在实际工作中快速分析软硬件故障原因，并能够找到解决问题的办法，进行简单的维修和日常维护，确保视频智能观测仪正常运行，有效提高天气现象观测数据质量。