數(shù)據(jù)通信技術(shù)在自動氣象設(shè)備中的應(yīng)用

胡 川，閔 峰

（61902部隊場站氣象保障室，四川 宜賓 644000）

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展和氣象觀測技術(shù)創(chuàng)新，地面觀測自動化技術(shù)逐漸得到推廣和應(yīng)用，人工觀測逐漸被取代和淘汰。地面觀測自動化的實現(xiàn)需要投用常規(guī)業(yè)務(wù)自動站、自動土壤濕度儀以及能見度觀測儀等自動化設(shè)備，保障氣象觀測中各種觀測要素的采集和分析。相比較于傳統(tǒng)的人工氣象觀測，不需要在一定區(qū)域內(nèi)安排氣象觀測員，按照統(tǒng)一的觀測時間分別觀測不同時間段內(nèi)的氣象信息，記錄觀測時間、次數(shù)以及對項目未來的預(yù)測，并將觀測的相關(guān)信息形成記錄，編成電碼。但由于人工觀測和自動化觀測都要求時效性，所以人工觀測的結(jié)果必須在10 min內(nèi)發(fā)出，從而保障天氣圖中氣象資料的準(zhǔn)確性和時效性。自動化氣象觀測能夠在自動化設(shè)備設(shè)定下自動進行相關(guān)信息的采集和存儲，借助無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)和有線數(shù)據(jù)通信技術(shù)將氣象信息傳輸給數(shù)據(jù)服務(wù)中心。氣象信息的傳輸對于氣象觀測具有重要意義，不僅對氣象資料的準(zhǔn)確性起著重要作用，而且能夠保證資料上傳的及時性和有效性。

1 氣象設(shè)備通信網(wǎng)絡(luò)保障的重要性

在自動化技術(shù)和信息化技術(shù)快速發(fā)展的推動下，氣象觀測技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展也取得了巨大的進步。在自動化技術(shù)支持下，氣象相關(guān)要素信息的采集、分析、處理以及上傳都能夠?qū)崿F(xiàn)全部自動化操作，減少了人員需求，在降低人力資源成本的同時，還能夠同時提高氣象觀測的實時性和準(zhǔn)確性。但是自動化設(shè)備用在氣象信息觀測時，要綜合分析安裝環(huán)境和工作特性，加強設(shè)備維護，保障自動化設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，這要求逐漸健全和完善氣象設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信保障，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)通信保障體系。

2 數(shù)據(jù)通信技術(shù)在自動氣象設(shè)備中應(yīng)用

2.1 有線數(shù)據(jù)通信

有線數(shù)據(jù)通信技術(shù)主要應(yīng)用于業(yè)務(wù)臺站，滿足常規(guī)的自動站數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)需求。自動氣象站的主要設(shè)備有傳感器、采集器、電源、計算機以及通信電纜等數(shù)據(jù)通信設(shè)備，其中通信電纜是同軸電纜，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。同軸電纜主要應(yīng)用于距離較近的音頻傳輸，借助SSB/FDM的調(diào)制方式也能夠?qū)崿F(xiàn)部分較遠距離的高頻載波和數(shù)字通信。圖1所示結(jié)構(gòu)基于同軸的PCM（Pulse Code Modulation，脈沖編碼調(diào)制）時分多路數(shù)字基帶傳輸技術(shù)，保證較大通信容量，具有較高的穩(wěn)定性，而且能夠有效減少自然環(huán)境和外部干擾因素的影響，保證較高的保密性和安全性。

依托有線數(shù)據(jù)通信技術(shù)，有線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)借助有線數(shù)據(jù)通信電路連接數(shù)據(jù)終端和計算機終端，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、處理以及傳輸功能。有線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)終端設(shè)備、通信電路以及計算機系統(tǒng)3大部分，借助自動站設(shè)備實現(xiàn)氣象信息，通過自動化感應(yīng)元件中相關(guān)要素的變化來輸出不同的電量，產(chǎn)生一定的模擬信號和數(shù)字信號[2]。這些信號被處理器實時控制的數(shù)據(jù)采集器所采集，通過線性和定量處理，完成該工程量到要素的轉(zhuǎn)換，然后科學(xué)篩選得到的數(shù)據(jù)，按照氣象系統(tǒng)需要的格式存儲在采集器中，并按照系統(tǒng)需求將各種氣象信息通過傳輸信道傳輸給計算機。具體的自動氣象站有線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 無線數(shù)據(jù)通信

由于氣象監(jiān)測環(huán)境的不確定性，因此往往需要將自動化設(shè)備建設(shè)在野外等惡劣環(huán)境中，尤其是像多要素自動站和土壤濕度儀等設(shè)備需要搭建在要監(jiān)測的環(huán)境中，如果采用有線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，將大大增加線路鋪設(shè)的成本，而且鋪設(shè)的難度也較大，所以往往采用無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)來實現(xiàn)氣象信息和數(shù)據(jù)的傳輸。無線數(shù)據(jù)通信整體通信模式如圖3所示。

在區(qū)域自動站建設(shè)中，除了必備的傳感器和采集器建設(shè)，還需要配備太陽能電源和無線數(shù)據(jù)通信等模塊。其中無線數(shù)據(jù)通信模塊的技術(shù)基礎(chǔ)通常是通用分組無線分組業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）和碼分多址（CodeDivisionMultipleAccess，CDMA）技術(shù)，這是因為其具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，可以保證無線數(shù)據(jù)通信能夠滿足氣象站數(shù)據(jù)傳輸需求[3]。

圖3 無線數(shù)據(jù)通信整體通信模式

隨著全球移動通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communications，GSM）技術(shù)的發(fā)展，GPRS通用分組無線技術(shù)得到了推廣和應(yīng)用。其在全球移動通信技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)上科學(xué)引入了分組交換功能實體，實現(xiàn)了通過分組方式進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)支持。應(yīng)用過程中進一步實現(xiàn)了對全球移動通信系統(tǒng)原有技術(shù)支持的業(yè)務(wù)拓展和擴充，既滿足了移動用戶對于分組數(shù)據(jù)移動終端接入Internet的需求，而且能夠滿足接入不同分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的功能。

GPRS技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)了端到端的數(shù)據(jù)傳輸，擺脫了電路交換網(wǎng)絡(luò)資源的限制，效能更高且成本更低，實現(xiàn)無線分組數(shù)據(jù)傳輸，在突發(fā)性和間斷性的數(shù)據(jù)傳輸中應(yīng)用廣泛，在大小數(shù)量的數(shù)據(jù)傳輸中均能夠采用。

GPRS無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的應(yīng)用主要有兩種方式，一種是點對點的數(shù)據(jù)傳輸，另一種是中心點對多點的數(shù)據(jù)傳輸。隨著氣象信息系統(tǒng)的逐漸完善，目前采用較多的是中心點對多點的數(shù)據(jù)傳輸方式，該方式的數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)需要有效借助App應(yīng)用業(yè)務(wù)和DTU數(shù)據(jù)終端單元，通過SMS短消息業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)實現(xiàn)氣象設(shè)備觀測數(shù)據(jù)的傳輸，并在GPRS以及SMS等無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)支持下完成中心站服務(wù)器向多數(shù)據(jù)服務(wù)中心的數(shù)據(jù)傳遞，實現(xiàn)廣大用戶的數(shù)據(jù)獲取和共享，具體示意如圖4所示。

圖4 中心點對多點數(shù)據(jù)傳輸示意圖

在該系統(tǒng)中，如果GPRS數(shù)據(jù)通信發(fā)生故障，系統(tǒng)將自動啟用短信服務(wù)（Short Massage Service，SMS）通信方式，保障數(shù)據(jù)的及時傳輸。

3 加強氣象設(shè)備通信網(wǎng)絡(luò)保障的措施建議

氣象設(shè)備通信網(wǎng)絡(luò)是氣象站工作有序推進的重要保障，如果通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，那么數(shù)據(jù)的傳輸將會受到嚴(yán)重影響，所以要實現(xiàn)氣象站的更新和完善。不斷發(fā)展和完善通信網(wǎng)絡(luò)保障體系，在保障通信暢通的同時，保證數(shù)據(jù)采集的獨立性、數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性以及信息傳輸?shù)耐暾耘c高效性，保證信息設(shè)備采集到的各種信息能夠正常輸出，降低因為通信故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失和傳輸不及時等故障出現(xiàn)的幾率。這要求氣象設(shè)備維修維護人員既要掌握氣象通信網(wǎng)絡(luò)的基本知識，又要綜合分析網(wǎng)絡(luò)故障發(fā)生原因和解決辦法，保證突發(fā)事件發(fā)生后能夠進行及時、有效且科學(xué)地處置[4]。

氣象站建設(shè)中設(shè)備配置方面，要密切關(guān)注計算機等相關(guān)核心設(shè)備，避免計算機病毒等潛在因素對系統(tǒng)的影響。工作人員需要按照相關(guān)規(guī)定對計算機進行定期檢查和殺毒，通過加裝防火墻和系統(tǒng)保護工作，避免外人入侵通信網(wǎng)絡(luò)，保障數(shù)據(jù)的安全性和完整性。同時對于氣象通信網(wǎng)絡(luò)還要監(jiān)理長效管理機制，根據(jù)運行狀況和系統(tǒng)需求建立周期性檢修和維護方案，搜集、整理以及分析常見突發(fā)的事件和故障，為突發(fā)事件的應(yīng)急處置積累經(jīng)驗，保證故障發(fā)生后能夠在最短的時間內(nèi)恢復(fù)通信網(wǎng)絡(luò)，為氣象信息傳輸營造良好通信環(huán)境。

4 結(jié) 論

本文綜合分析了有線數(shù)據(jù)傳輸和無線數(shù)據(jù)傳輸通信在自動氣象設(shè)備中的應(yīng)用，分別闡述了兩種數(shù)據(jù)通信方式在不同情況下的適用。有線數(shù)據(jù)通信具有數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定和抗干擾能力強的優(yōu)點，其缺點是鋪設(shè)難度大、擴展性較差以及維護困難，所以適合于短距離和有人值守的自動站設(shè)備。無線數(shù)據(jù)通信具有成本低廉、可擴充性強以及傳輸能力強的優(yōu)點，其缺點是受網(wǎng)絡(luò)條件的制約且抗外界干擾能力較弱，所以適合于長距離、野外的或全天候無人值守的自動站設(shè)備。兩種數(shù)據(jù)通信方式在自動觀測中配合使用，對于提高數(shù)據(jù)的傳輸應(yīng)用率、保證自動觀測系統(tǒng)的觀測質(zhì)量及提升氣象服務(wù)水平，都有著重要的意義。