區(qū)域自動氣象站監(jiān)控報警與技術(shù)保障遠程支持系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

李文韜,張明潔，劉策

(1.海南省氣象探測中心，海南 ?？?570203；2. 海南省氣象局 海南省南海氣象防災減災重點實驗室，海南 ?？?570203)

為了提高災害性天氣的監(jiān)測、預報、預警水平，補充和完善精細化預報系統(tǒng)，海南省已建設(shè)完成了區(qū)域自動氣象站五百多套，高密度的觀測實現(xiàn)了對中小尺度區(qū)域內(nèi)多項氣象要素的實時監(jiān)測。但隨著區(qū)域自動氣象站網(wǎng)建設(shè)基本完成，管理維護人員卻缺少對各類站點的故障信息、預警情況的有效監(jiān)測手段和方法，無法及時全面了解系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)。中國氣象局統(tǒng)一部署的綜合氣象觀測系統(tǒng)運行監(jiān)控平臺(ASOM)[1-2]，由于設(shè)計是針對全國氣象裝備運行監(jiān)控的，難免會有因地域不同出現(xiàn)的問題，比如由于地域差異造成的氣候極值不同，ASOM系統(tǒng)監(jiān)控自動氣象站氣象要素數(shù)據(jù)時會把正常的真實數(shù)據(jù)當作錯誤處理。其次，ASOM監(jiān)控系統(tǒng)目前還不能在省級氣象部門實現(xiàn)總監(jiān)控并提供實時報警提示功能，因此業(yè)務(wù)人員必須每隔1 h登陸網(wǎng)頁查看故障，不利于氣象裝備保障人員及時準確地找出故障站點并進行處理。

關(guān)于區(qū)域自動氣象站的運行監(jiān)控，目前已有針對全國不同區(qū)域的設(shè)計開發(fā)和應(yīng)用[3-6]。例如，李嫦等[7]設(shè)計開發(fā)了江西省區(qū)域自動站監(jiān)控軟件。左湘文等[8]采用.NET技術(shù)開發(fā)了3層分布式結(jié)構(gòu)的區(qū)域站氣象運行監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了寧夏區(qū)域氣象站狀態(tài)實時監(jiān)控、故障報警等功能。韓亮等[9]通過實時監(jiān)控自動站的數(shù)據(jù)傳輸情況，從缺報的角度全面地分析判斷自動氣象站故障原因，實現(xiàn)了對區(qū)域自動站數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖詣颖O(jiān)控和故障定位的智能判斷。另一方面，自動氣象站設(shè)備通常來自不同的生產(chǎn)廠家，種類型號多，且設(shè)備軟硬件經(jīng)常升級，使自動氣象站維護保障工作復雜多樣，也對維修工作和負責維修的技術(shù)人員提出了新的技術(shù)要求。關(guān)于自動氣象站技術(shù)保障，也有很多學者和業(yè)務(wù)技術(shù)人員進行了探討[10]。例如，文獻[11-14]分別就內(nèi)蒙古、山東、海南和上海的自動站維護維修等技術(shù)保障問題進行了研究探討。針對自動氣象站維護保障工作的多樣性、復雜性，省級業(yè)務(wù)管理部門每年組織的傳統(tǒng)業(yè)務(wù)技術(shù)集中培訓的時間相對較短，培訓的手段途徑相對較單一，還不能完全滿足目前的維護維修業(yè)務(wù)需求。因此，基于自動氣象站運行監(jiān)控和技術(shù)保障的需要，本研究設(shè)計開發(fā)了區(qū)域自動氣象站監(jiān)控報警和技術(shù)保障遠程支持系統(tǒng)，為實現(xiàn)區(qū)域自動站快速有效的故障監(jiān)控,向自動氣象站基層維護人員提供快速、全面、高效的培訓，提高氣象裝備保障人員的素質(zhì)提供了技術(shù)和軟件支持。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述

區(qū)域自動氣象站監(jiān)控報警和技術(shù)保障遠程支持系統(tǒng)選擇browser/server(B/S)3層結(jié)構(gòu)。B/S模式即瀏覽器和服務(wù)器模式，是指在TCP/IP的支持下，以HTTP為傳輸協(xié)議，客戶端通過browser訪問Web服務(wù)器以及與之相連的后臺數(shù)據(jù)庫的技術(shù)及體系結(jié)構(gòu)。B/S模式由瀏覽器、Web服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成(圖1)，其工作原理是客戶端的瀏覽器通過URL訪問Web服務(wù)器，Web服務(wù)器請求數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，并將獲得的結(jié)果以HTML形式返回客戶端瀏覽器。B/S模式突破了傳統(tǒng)的文件共享及C/S模式的限制，實現(xiàn)了更大程度的信息共享，任何用戶只要通過瀏覽器即可訪問數(shù)據(jù)庫，從而克服了時間和空間的限制。

圖1 B/S模式工作原理Fig.1 Operating principle of the B/S mode

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和功能

按照模塊化的設(shè)計思想，設(shè)計出了系統(tǒng)的總體框架(圖2)。系統(tǒng)由前臺信息瀏覽和后臺信息管理兩大部分組成，同時具備了設(shè)定數(shù)據(jù)庫、訪問數(shù)據(jù)庫、修改數(shù)據(jù)庫等多種功能，各個功能模塊相互協(xié)調(diào)工作。

圖2 系統(tǒng)邏輯關(guān)系圖Fig.2 The logical diagram of the system

系統(tǒng)主要包括自動氣象站監(jiān)控報警、監(jiān)控報表生成、維護維修與故障診斷素材共享、相關(guān)業(yè)務(wù)軟件共享、后臺管理共4個模塊。功能模塊的設(shè)計主要是圍繞與用戶交互和數(shù)據(jù)庫操作兩方面進行，同時，各個模塊中的具體功能為了降低復雜性，也使用了模塊化設(shè)計的思想，建立了更小規(guī)模的模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The structure of the system

2.1 自動氣象站運行監(jiān)控報警模塊

該模塊對海南省全省共五百多套區(qū)域自動氣象站、土壤水分觀測站、紫外線觀測站進行實時監(jiān)控，對故障站點進行聲光報警。系統(tǒng)實時監(jiān)測區(qū)域氣象站10 min氣象數(shù)據(jù)、土壤水分站1 h氣象數(shù)據(jù)、紫外線站1 min數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)是否存在、正確。當系統(tǒng)監(jiān)測到故障信息時自動以表格形式發(fā)布報警提示，報警頁面顯示當前故障站點的站號、站名、所屬市縣、最后一次上傳數(shù)據(jù)時間等內(nèi)容，系統(tǒng)還將向管理員和設(shè)置好的一般用戶發(fā)送短信報警提示。圖4為2019年8月27日09：50時系統(tǒng)顯示的實時監(jiān)控的自動站故障站點信息，頁面簡潔直觀。此外，該模塊還可根據(jù)故障信息對故障站點的數(shù)據(jù)錯誤次數(shù)、到報率等進行分析和統(tǒng)計，且系統(tǒng)為全自動監(jiān)控系統(tǒng)，運行時不需要人工干預。

圖4 系統(tǒng)實時監(jiān)控的自動站故障站點信息Fig.4 Information of the fault automatic station for real-time monitoring of the system

2.2 監(jiān)控報表生成模塊

該模塊利用系統(tǒng)監(jiān)控信息數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容，根據(jù)需要自動生成數(shù)據(jù)表格和展示圖，數(shù)據(jù)可自動導入Excel表中，生成需要的監(jiān)控報表，降低了報表的人工輸入量。

2.3 維護維修與故障診斷素材共享和業(yè)務(wù)軟件共享模塊

維護維修與故障診斷素材共享模塊主要實現(xiàn)制作和收集到的各類自動氣象站維護維修與故障診斷技術(shù)指南、音頻視頻材料的在線瀏覽、播放、下載功能。業(yè)務(wù)軟件共享模塊主要實現(xiàn)了在用氣象觀測業(yè)務(wù)軟件及相關(guān)支持說明文檔的在線瀏覽和下載功能。

2.4 后臺管理功能

后臺管理功能包括各類資料的上傳、編輯、刪除等，主要實現(xiàn)網(wǎng)站配置(基本信息、基本設(shè)置、菜單管理、公告管理)、站務(wù)管理(訪問統(tǒng)計、在線IP、留言管理、修改密碼、查看權(quán)限)、內(nèi)容管理(生成靜態(tài)、分類管理、新聞管理、文章管理、圖片管理、影音管理、下載管理、評論管理)、數(shù)據(jù)管理(服務(wù)器參數(shù)探測、sql注入、上傳管理、后臺記錄)、用戶管理、生成運行日志等功能。

3 系統(tǒng)的開發(fā)運行環(huán)境與實現(xiàn)

3.1 開發(fā)運行環(huán)境及開發(fā)技術(shù)

區(qū)域自動氣象站監(jiān)控報警和技術(shù)保障遠程支持系統(tǒng)采用B/S技術(shù)體系架構(gòu)，以SQL Server數(shù)據(jù)庫為后臺。構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫基于Web服務(wù)器管理系統(tǒng)，在進行數(shù)據(jù)庫的訪問時采用一種完全的Web數(shù)據(jù)庫訪問方案。Web服務(wù)器運行Apache Tomcat，以JSP(Java server pages)和HTML(hypertext marked language)作為開發(fā)工具，客戶端用IE瀏覽器。支持的操作系統(tǒng)為Windows 7以上。

3.2 系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

3.2.1 區(qū)域自動氣象站運行監(jiān)控報警模塊

該模塊為保證報警的及時性，使用的數(shù)據(jù)庫為海南省氣象觀測資料實時業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫，庫名為webmeteo。通過監(jiān)控實時數(shù)據(jù)庫中表DATA_DMGD并進行質(zhì)量控制，目的是盡可能使隱藏在數(shù)據(jù)集中的錯誤數(shù)據(jù)得到有效檢測，保障用戶用到基本正確可靠的資料。

表1 觀測數(shù)據(jù)缺報告警規(guī)則

觀測數(shù)據(jù)首先通過缺報檢查，缺報報警規(guī)則見表1，然后進行觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，系統(tǒng)中所采用的是如下三種區(qū)域自動站數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法[15]，以對異常觀測數(shù)據(jù)進行判斷：(1)界限值檢查：包括溫度、濕度、氣溫、氣壓、雨量、風向風速值或值域范圍檢查、區(qū)域界限值檢查。(2)內(nèi)部一致性檢查：對固定測站不同要素之間是否符合某種物理聯(lián)系的檢查稱之為內(nèi)部一致性檢查,如是否滿足日最高氣溫>日平均氣溫>日最低氣溫條件。(3)空間一致性檢查：空間一致性檢查是根據(jù)氣象參數(shù)具有一定的空間分布特點而進行的檢查，其有效性取決于觀測站網(wǎng)密度和被檢參數(shù)與空間的相關(guān)程度。通常利用與被檢站鄰近的臺站同一時間觀測的氣象要素值進行比較，或利用鄰近測站觀測值計算被檢站的估計值，觀測值與估計值進行比較檢查。系統(tǒng)中采用空間平均值比較法、Madsen-Allerupt方法、空間極值比較法。系統(tǒng)使用Java自帶的alert()功能實現(xiàn)報警功能。首先獲取當前時間，改變當前時間的格式，使之同區(qū)域自動站數(shù)據(jù)庫的中表 tabMinuteData的ObservTime格式一致，將查詢時間設(shè)定為和當前時間最近的整數(shù)分鐘時間，如10 min、20 min，查詢該時間數(shù)據(jù)未到的區(qū)域自動站并顯示在頁面上。如果出現(xiàn)新的故障站點，則觸發(fā)報警，系統(tǒng)會自動彈出報警框提示有新的故障站點，并將目前故障站點的站號、所屬市縣、站名、最后一次上傳數(shù)據(jù)時間、故障持續(xù)時間、數(shù)量顯示在當前頁面。查詢時間根據(jù)預先設(shè)定，每10 min查詢一次，考慮到數(shù)據(jù)傳輸過程的延遲，個別的邊遠站點通訊條件不佳的情況，查詢時次設(shè)定為當前時間的20 min前。告警顯示頁面由標題欄、文字欄、告警欄三部分組成，每部分由表格實現(xiàn)，表格由table元素以及多個tr、th或td元素組成，tr元素定義表格行，th元素定義表頭，td元素定義表格單元。告警欄設(shè)計為5列表格，行數(shù)由告警站點數(shù)量自動調(diào)整。

3.2.2 維護維修與故障診斷素材共享和業(yè)務(wù)軟件共享模塊

聘請自動氣象站維護維修專家、技術(shù)人員編寫日常維護維修與故障診斷技術(shù)指南，播音人員利用專業(yè)攝像設(shè)備和錄音設(shè)備，制作音頻視頻文件，文件格式包括：mp3，mp4，ogg，rm，wav，wma等。目前，素材庫包括了《采集器系統(tǒng)原理》《電源系統(tǒng)原理》《故障排除操作流程》《HMP45D溫濕傳感器日常維護及清洗》《區(qū)域自動氣象站電源的使用和維護》《使用故障智能診斷器維護維修區(qū)域自動氣象站》《CAWS600系列自動氣象站使用與維護》《CAWS600-R系列中尺度加密自動氣象站、HYA系列自動站介紹》《DZZ4傳感器及配套部件安裝與維護》《CawsAnyWhere軟件介紹》《ZQZ-CII型自動站使用與維護》以及CAWS600型、ZQZ-CⅡ型、ZQZ-BH型、ZQZ-F型、ZQZ-A型等自動氣象站的傳感器、采集器、通訊設(shè)備、電源及其他部件日常維護維修與故障診斷技術(shù)等。

3.2.3 相關(guān)業(yè)務(wù)軟件共享

收集和測試自動氣象站相關(guān)軟件，配套相關(guān)使用手冊并上傳到數(shù)據(jù)庫。用戶可以通過訪問業(yè)務(wù)軟件共享模塊，瀏覽并下載軟件，如自動氣象站監(jiān)控軟件、自動氣象站本地通軟件、自動氣象站串口軟件、(海南)自動氣象站監(jiān)控管理軟件Professional(客戶端)V1.0.1、sscom32(串口軟件)、USB串口驅(qū)動、ZQZ自動站調(diào)試軟件V2.5.0、串口助手、ZQZ-A/F型自動站數(shù)據(jù)查看軟件V1、華云海島站客戶端、通信模塊自動設(shè)置軟件、項目軟件清單、應(yīng)急車載自動站監(jiān)測系統(tǒng)等。

4 系統(tǒng)應(yīng)用情況

區(qū)域自動氣象站監(jiān)控報警與技術(shù)保障遠程支持系統(tǒng)自設(shè)計開發(fā)以來，一直在海南省氣象探測中心運行使用，運行狀態(tài)良好。運行監(jiān)控報警模塊配合中國氣象局氣象探測中心的ASOM監(jiān)控系統(tǒng)平臺投入使用，有效地實現(xiàn)了對區(qū)域自動氣象站的實時監(jiān)控，能夠快速準確及時地對故障站點進行報警并為業(yè)務(wù)人員提供故障信息，使業(yè)務(wù)人員能夠快速做出反應(yīng)，對站點進行維護，保證氣象數(shù)據(jù)的質(zhì)量和及時上傳。同時，還有效地解決了ASOM系統(tǒng)對自動氣象站監(jiān)控中出現(xiàn)的出錯時間不實時、對氣候極值判斷錯誤、出現(xiàn)某項數(shù)據(jù)缺測系統(tǒng)仍認為正常等問題。統(tǒng)計表明，2018年海南省汛期(5月-10月)該系統(tǒng)相比單獨使用ASOM系統(tǒng)平均提前0.5 h發(fā)現(xiàn)了17站次自動氣象站故障情況(表2)，準確發(fā)現(xiàn)自動站點缺測單一氣象要素的4站次，實現(xiàn)了通過實時監(jiān)控省級業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫對每個自動氣象站的每個要素實行質(zhì)量控制，盡早發(fā)現(xiàn)錯誤。

表2 2018年5月-10月系統(tǒng)報警的故障站點

自動站維護維修與故障診斷素材庫和相關(guān)業(yè)務(wù)軟件共享模塊目前共有音頻視頻素材110多個，相關(guān)業(yè)務(wù)軟件12個，共計被訪問6000多次。在留言板塊系統(tǒng)用戶針對應(yīng)用中出現(xiàn)的情況提出問題和建議，管理員進行解答并采納了一部分建議，進行了有效互動。

5 結(jié)論

區(qū)域自動氣象站監(jiān)控報警與技術(shù)保障遠程支持系統(tǒng)具有簡潔、高效等特點，并且具有良好的可擴充性、可維護性。監(jiān)控報警模塊的開發(fā)應(yīng)用，為業(yè)務(wù)人員對區(qū)域自動氣象站日常監(jiān)控工作提供了便利，滿足了區(qū)域自動氣象監(jiān)控業(yè)務(wù)需求，有效地提高了設(shè)備監(jiān)控水平和氣象觀測設(shè)備保障技術(shù)水平。素材庫模塊為自動氣象站日常維護、軟硬件安裝、故障診斷及維修等提供了技術(shù)支持，滿足了基層臺站自動氣象保障業(yè)務(wù)需求，有效提高了維護維修技術(shù)人員水平，為提高氣象觀測設(shè)備保障技術(shù)水平奠定了良好的基礎(chǔ)。下一步，該系統(tǒng)將在探測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法、相關(guān)業(yè)務(wù)流程等方面進一步完善，隨著自動氣象站日常維護維修和故障診斷經(jīng)驗的不斷積累、技術(shù)的提高以及設(shè)備的更新，系統(tǒng)素材也會不斷更新。