常德地区自动气象站故障研究

刘志鹏，叶日新，黄 伶，武孟祥，陈 科

(常德市气象局，常德 415000)

0 引言

区域自动气象观测站(以下简称区域站)作为国家综合气象观测系统的重要组成部分，广泛部署在易出现极端天气和地理环境恶劣的区域，可自动采集雨量、温度、风向、风速、湿度、气压等多种气象要素，为精细化预报和气象灾害防御提供决策性支撑[1]。为保证区域站提供的气象数据真实有效，维护人员需不断加强区域站的监测管理和优化维护，及时处理台站出现的各种设备故障[2-4]。对区域站中出现的各类故障，维护人员做了一系列研究和分析，如江彩英[5]等通过分析维修区域站时遇到的故障实例，提出了针对性的维修方法和设备保障建议；姜明[6]等通过对区域站中各部件设备的耗电情况和供电系统进行分析，提出了一种针对蓄电池工作状态下的电量异常质控方法；卢舟[7]等针对区域站通信质量差、信号强度弱等问题，通过多种对比实验分析发现利用加长增益天线可有效提高区域站站点的信号强度和通信稳定性；王明辉[8]等设计了一种对区域站传感器进行现场检测的系统，用于传感器故障的检测和判断。文章通过分析2016-2020年区域站的故障实例，发现区域站故障通常出现在电源系统、通信系统、传感器等部件，针对常出现的故障特点提出了各个系统部件的保障方法和维修建议。

1 区域站的组成及工作原理

1.1 区域站的系统结构组成

区域站是一种无人值守的气象监测设备，可自动采集雨量、温度、风向、风速、湿度和气压等多种气象要素信息。因其占用空间小、成本相对低廉以及气象要素可选择性强等优势被广泛部署在容易出现极端天气和地理环境恶劣的区域，从而有效预防气象灾害的发生。长期工作在恶劣地区的区域站很容易出现设备老化、电子器件氧化等故障[9]，针对这些故障问题可通过研究区域站的系统结构解决，区域站的系统结构组成如图1所示。

图1 区域站系统结构组成

1.2 区域站的工作原理

由图1可知，区域站主要由数据采集器、传感器、通信系统和供电系统4部分组成[10]。数据采集器作为区域站系统的核心部件，可根据配置传感器的类型提供所需气象要素，主采集器采集到数据后经过运算处理，通过通信系统中的GPRSDTU模块将数据传输到省局中心站；供电部分作为系统的电力来源，可将获取到的太阳能经过太阳能控制器存储在蓄电池中，然后为数据采集器提供12 V的直流电源。

2 常见故障分析及保障方法

为便于技术维护人员的维护维修，以最短时间锁定故障出现的部位，提供针对性的故障处理方法，可将各个部件的故障部位定义到最小可更换单元。

2.1 故障部件分析

文章通过对常德市气象局在2016-2020年出现的677次故障维修情况进行分析汇总，统计了各个部件出现故障的次数，经统计可知，电源系统、传感器和通信系统出现故障的次数最多，占比分别为36%，35%，20%；其次是主控器故障，占比7%；其他故障占比2%。

2.2 电源系统故障现象分析

电源系统故障主要是蓄电池、PV和太阳能板出现问题，具体故障统计分析如表1所示。

表1 电源系统故障统计分析

通过分析电源系统中出现故障的部件和故障现象，提出如下维护建议：

1)当天气状况处于持续不断的阴雨天气时，太阳能板向蓄电池提供的电量会降低，导致蓄电池一直处于欠充电的状态，到夜晚工作时蓄电池又处于过放电状态，长此以往，会导致蓄电池出现浮充情况，白天蓄电池的电压可达14～15 V，夜晚电压快速下降到11～12 V，导致蓄电池的工作寿命大大降低，此时工作人员应及早更换蓄电池。

2)当太阳能板无输出电压或蓄电池电压逐天降低时，可能是PV或者太阳能板出现故障，针对此情况，维护人员需定期排查站点电压变化情况，及早发现故障并排除。

2.3 传感器故障分析与保障建议

区域站中传感器出现的故障次数仅次于电源系统，常德市气象局部署的气象站主要分为单要素、两要素、四要素和六要素，其中单要素挂接的是雨量传感器，其在整个气象站点中的数量占比为52.5%；两要素站点挂接的是雨量和温度传感器，其数量占比为30.6%；四要素站点挂接的主要是雨量、温度和风向风速传感器，其数量占比为9.4%；六要素站点挂接的主要是雨量、温度、湿度以及风向风速传感器，其数量占比为7.5%。单要素站点雨量传感器出现的故障次数最多，如表2所示。

表2 传感器故障统计分析

通过对传感器出现故障的部件位置和现象分析，对传感器的故障维护建议包括：

1)雨量传感器故障次数及种类较多，需要综合多种监测手段进行判断。①雨量值偏小、偏大或缺测故障判断：引起此类故障的原因有很多，如干簧管损坏、汇集漏斗堵塞、雨量线损坏、接线柱腐蚀等。②异常雨量“野值”判断：对于晴天突然出现雨量值的站点，有可能是现场施工溅水或人为倒水无意间造成的，可询问站点现场管理人员进行确认。当晴天断断续续出现雨量时，需要技术人员到现场对雨量线的通断进行判断并对雨量传感器进行清理，平时维护时需放置防虫剂，防止爬虫入侵。

2)温度传感器故障现象一般为温度值为负值、数值固定不变或温度值剧烈跳变等，判断故障原因可能是温度线老化、工作性能下降或者传感器接线断路，更换传感器即可解决这些故障。

3)风传感器故障现象一般为风向风速值缺测、风向值固定不变或起步风速值偏大等，当风向风速值缺测或数值固定不变时，更换传感器即可解决；当起步风速值偏大时，需在日常维护中对传感器核查检定，也可更换传感器的轴承。

2.4 通信系统故障分析

通信系统故障主要以通信模块故障为主，具体故障统计分析如表3所示。

表3 通信系统故障统计分析

根据通信系统出现故障的部件位置和现象分析，对通信系统故障维护建议如下：

1)通信模块故障现象是模块状态灯、数据灯、网络灯闪烁异常，对于此类情况，首先重启系统，如果重启不能恢复正常工作，需更换通信模块。

2)SIM卡氧化故障，此时需清洁或更换SIM卡；随着新一代通信模块的使用和4G信号的全面覆盖，SIM卡也需要升级为4G卡。当运营商软件系统升级或进行线路切割等操作时，通信系统也会发生故障，因此，需要提前与运营商做好对接工作。

3)通信系统信号问题。信号故障通常分为两方面，一方面是运营商的基站信号覆盖低，此类问题可与运营商沟通，对基站优化或扩大信号覆盖范围；另一方面是通信天线接收信号的强度差，此类问题可通过更换增益天线或加长天线等方法解决，也可以将站点迁到信号强的区域。

2.5 主控器故障现象分析

主采集器故障一般是硬件或软件出现问题，硬件故障主要是电源供电电压不稳，导致主板线路烧毁无法正常工作；软件故障一般是系统软件未及时更新，导致采集程序走乱、对时不准，从而数据无法正确采集。

3 结束语

文章对常德市气象局部署的259个区域自动气象站近5 a内出现的各类故障进行了分类统计，并分析每个部件出现的故障类型，有针对性地总结了各种故障判断方式和维修手段，提高技术人员的维修效率，保障各类气象数据传输的到报率和可用率。