國(guó)家地面氣象觀測(cè)站運(yùn)行監(jiān)控與技術(shù)支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

左湘文，張 磊，薛箏箏，徐 峰，劉青松

(1.中國(guó)氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，銀川 750002；2.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，銀川750002；3.寧夏大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，銀川 750006)

0 引言

國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站是地面氣象觀測(cè)站網(wǎng)的主體，觀測(cè)要素有溫度、濕度、氣壓、雨量、風(fēng)速、風(fēng)向、地溫、能見(jiàn)度、日照、蒸發(fā)和降水現(xiàn)象等[1]。為氣象預(yù)報(bào)、氣象災(zāi)害預(yù)警、氣候預(yù)測(cè)等氣象服務(wù)提供了及時(shí)、準(zhǔn)確、全面的地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)。隨著全國(guó)氣象部門業(yè)務(wù)體制改革的深入，對(duì)國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站的穩(wěn)定、高效運(yùn)行提出了更高要求。為了滿足這一需求，文章設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套智能化程度高，穩(wěn)定可靠的國(guó)家地面氣象觀測(cè)站運(yùn)行監(jiān)控與技術(shù)支持系統(tǒng)。文章以實(shí)現(xiàn)國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的獲取，以及監(jiān)控、設(shè)備維修流程的管理和設(shè)備維修遠(yuǎn)程技術(shù)支持為目標(biāo)，希望能夠促進(jìn)國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站維修保障效率的提升，促進(jìn)國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站穩(wěn)定運(yùn)行。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能概述

國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站可分為硬件和軟件兩部分：硬件分為自動(dòng)氣象站和供電線路；軟件主要指的是收集氣象數(shù)據(jù)并編發(fā)報(bào)文的地面氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)軟件[2，3](簡(jiǎn)稱ISOS軟件)。除此之外，ISOS軟件還可收集部分自動(dòng)氣象站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，如主采集器、降水現(xiàn)象儀工作狀態(tài)和供電電壓等。通過(guò)研究開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)利用帶有短信傳輸功能的電力監(jiān)測(cè)模塊獲取供電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；通過(guò)在ISOS軟件部署數(shù)據(jù)采集軟件的方法獲取自動(dòng)氣象站運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)；通過(guò)寧夏氣象信息綜合數(shù)據(jù)獲取實(shí)時(shí)和整點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)。分析當(dāng)前國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站維修保障業(yè)務(wù)流程，得出合理的維修業(yè)務(wù)流程圖，實(shí)現(xiàn)維修過(guò)程記錄管理。建立國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站運(yùn)行監(jiān)控與技術(shù)支持系統(tǒng)Web接口，微信小程序客戶端和運(yùn)行狀態(tài)采集軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)警分析提示、國(guó)家級(jí)地面觀測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)和報(bào)警部件的三維展示，以及維修過(guò)程管理、系統(tǒng)數(shù)據(jù)的載入、轉(zhuǎn)儲(chǔ)、恢復(fù)和數(shù)據(jù)系統(tǒng)字典的維護(hù)功能等。

1.2 系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

國(guó)家地面氣象觀測(cè)站運(yùn)行監(jiān)控與技術(shù)支持系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為3層：數(shù)據(jù)層、服務(wù)接口層和表示層。第1層是數(shù)據(jù)層，該層為系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)訪問(wèn)和二次加工數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)底層服務(wù)，是系統(tǒng)的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)層的基數(shù)據(jù)主要有：結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)—臺(tái)站信息、臺(tái)站實(shí)時(shí)(5 min)、整點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)、自動(dòng)氣象站狀態(tài)數(shù)據(jù)、自動(dòng)氣象站供電系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)系統(tǒng)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以文件的形式存儲(chǔ)在文件管理系統(tǒng)中；第2層是服務(wù)接口層，該層起到“承上啟下”作用，既為表示層提供接口化服務(wù)，也是數(shù)據(jù)層的直接使用者。服務(wù)接口層主要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、發(fā)送、數(shù)據(jù)格式化、數(shù)據(jù)判斷分析和數(shù)據(jù)調(diào)度等工作；第3層是表示層，該層通過(guò)調(diào)用服務(wù)接口層的服務(wù)，經(jīng)過(guò)本層處理，實(shí)現(xiàn)與業(yè)務(wù)人員的交互。該層需完成的任務(wù)有：運(yùn)行監(jiān)控信息數(shù)據(jù)圖形化顯示、故障報(bào)警、維修管理、運(yùn)行評(píng)估和技術(shù)支持等。

2 系統(tǒng)功能及特點(diǎn)

2.1 系統(tǒng)功能布局

根據(jù)業(yè)務(wù)工作需求，同時(shí)充分考慮功能完整性和使用性[4]，將系統(tǒng)分為B/S結(jié)構(gòu)的Web服務(wù)接口、實(shí)現(xiàn)維修流程管理和技術(shù)支持的微信小程序客戶端和C/S結(jié)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)采集軟件。

2.2 系統(tǒng)功能介紹

2.2.1 Web服務(wù)接口功能介紹

1)運(yùn)行監(jiān)控功能。該模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站的綜合硬件控制器運(yùn)行狀態(tài)、采集器運(yùn)行狀態(tài)、能見(jiàn)度儀運(yùn)行狀態(tài)等6種狀態(tài)和風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓等27項(xiàng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的圖形化實(shí)時(shí)監(jiān)控；以微信的方式實(shí)現(xiàn)了報(bào)警的提醒和推送，也可通過(guò)3D實(shí)時(shí)展示定位并展示報(bào)警部件[5，6]。

2)運(yùn)行評(píng)估。當(dāng)用戶發(fā)起統(tǒng)計(jì)請(qǐng)求時(shí)，系統(tǒng)從維護(hù)維修信息、報(bào)警產(chǎn)品中提取統(tǒng)計(jì)需要的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并根據(jù)計(jì)算要求進(jìn)行格式處理。根據(jù)所計(jì)算的內(nèi)容提取公式，將提取的關(guān)鍵數(shù)據(jù)帶入公式進(jìn)行計(jì)算，得出計(jì)算結(jié)果，若結(jié)果異常則拋出異常提醒。最后整理計(jì)算結(jié)果，存入數(shù)據(jù)庫(kù)，并生成報(bào)表。

3)系統(tǒng)管理。實(shí)現(xiàn)國(guó)家級(jí)臺(tái)站網(wǎng)站后臺(tái)管理。在用戶權(quán)限模型方面，將用戶分為2類角色，即系統(tǒng)級(jí)角色和數(shù)據(jù)級(jí)角色。系統(tǒng)級(jí)角色維度分為管理員和功能用戶。遵循扁平化原則，在數(shù)據(jù)級(jí)維度分為區(qū)、市兩級(jí)用戶。

2.2.2 運(yùn)行狀態(tài)采集軟件功能介紹

1)供電與網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)控。該軟件通過(guò)AT指令集實(shí)現(xiàn)了與供電線路參數(shù)監(jiān)視器的通信。每10 min采集1次市電電壓。每1 min采集1次網(wǎng)絡(luò)ping值，并上傳系統(tǒng)服務(wù)器。

2)獲取ISOS軟件和部分自動(dòng)氣象站運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)讀取ISOS軟件運(yùn)行日志獲取軟件運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)自動(dòng)氣象站串口命令集獲取采集器、能見(jiàn)度儀、降水現(xiàn)象儀的運(yùn)行狀態(tài)和綜合硬件控制器狀態(tài)?？紤]到盡量減少ISOS業(yè)務(wù)計(jì)算機(jī)的負(fù)荷，每5 min獲取1次ISOS軟件和部分自動(dòng)氣象站運(yùn)行狀態(tài)，并上傳系統(tǒng)服務(wù)器。

2.2.3 微信小程序客戶端功能介紹

1)報(bào)警信息提醒與維修管理。用戶可以通過(guò)小程序?qū)崟r(shí)監(jiān)控國(guó)家級(jí)自動(dòng)氣象站運(yùn)行狀態(tài)和觀測(cè)數(shù)據(jù)。在自動(dòng)氣象站出現(xiàn)報(bào)警信息時(shí)，接收來(lái)自運(yùn)行狀態(tài)信息發(fā)布模塊發(fā)送的報(bào)警信息產(chǎn)品，并向技術(shù)保障人員手機(jī)通知欄推送提醒信息，用戶可以直觀地查詢到是哪個(gè)臺(tái)站于何時(shí)發(fā)生了何種報(bào)警信息。在進(jìn)入維修流程后，可通過(guò)小程序客戶端實(shí)現(xiàn)故障單的生成、現(xiàn)場(chǎng)二維碼認(rèn)證、維修記錄更新、維修單上報(bào)和維修單審核管理功能。

2)在線技術(shù)支持。用戶可根據(jù)系統(tǒng)類型、部件類型檢索查詢需要的技術(shù)文檔。還可通過(guò)小程序與在遠(yuǎn)端的技術(shù)專家通過(guò)文字、圖形或音視頻進(jìn)行溝通，實(shí)現(xiàn)在線技術(shù)支持，需要共享技術(shù)文檔時(shí)，可將該技術(shù)文檔實(shí)時(shí)推送給現(xiàn)場(chǎng)維修人員[7，8]。

3 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控產(chǎn)品、運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)產(chǎn)品生成算法

該算法輸出數(shù)據(jù)來(lái)自設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控產(chǎn)品要素和故障報(bào)警產(chǎn)品要素，輸入數(shù)據(jù)來(lái)自自動(dòng)氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)和供電線路監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

算法流程分為3個(gè)階段：1)對(duì)采集到的自動(dòng)氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)、自動(dòng)氣象站部分狀態(tài)數(shù)據(jù)、地面觀測(cè)系統(tǒng)供電監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行格式處理，使數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榭勺x數(shù)據(jù)格式，生成自動(dòng)氣象站健康狀況監(jiān)測(cè)產(chǎn)品并存儲(chǔ)；2)對(duì)自動(dòng)氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)和地面觀測(cè)系統(tǒng)供電監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)布爾型數(shù)據(jù)進(jìn)行真假分析，對(duì)浮點(diǎn)數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值判斷滑動(dòng)窗口平均值比較分析，若分析結(jié)果正確則循環(huán)執(zhí)行，若結(jié)果錯(cuò)誤則產(chǎn)生初始報(bào)警信息；3)檢查有無(wú)檢定到期的傳感器，檢查ASOM系統(tǒng)是否產(chǎn)生報(bào)警，若產(chǎn)生報(bào)警則進(jìn)行同步處理。經(jīng)過(guò)相關(guān)性檢查后輸出最終的報(bào)警信息并存儲(chǔ)。

3.2 維修過(guò)程信息化管理實(shí)現(xiàn)

通過(guò)梳理維修反饋流程，實(shí)現(xiàn)了以自動(dòng)氣象站故障報(bào)警為驅(qū)動(dòng)，以GPS定位、NFC掃碼等技術(shù)手段為技術(shù)支點(diǎn)的維修信息管理。具體流程為：1)報(bào)警推送。當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生報(bào)警時(shí)將報(bào)警推送給站點(diǎn)所屬單位的維修人員，若未接單則每10 min推送1次，同時(shí)記錄接單響應(yīng)時(shí)效。2)維修階段。接單響應(yīng)之后生成故障信息，現(xiàn)場(chǎng)維修時(shí)利用手機(jī)NFC掃碼功能掃描故障部件二維碼完成現(xiàn)場(chǎng)維修驗(yàn)證，每次現(xiàn)場(chǎng)維修后維修人員在現(xiàn)場(chǎng)填寫維修記錄，同時(shí)通過(guò)GPS定位技術(shù)記錄維修地點(diǎn)及維修時(shí)效，可記錄多次維修過(guò)程。3)關(guān)閉維修階段。故障修復(fù)后填寫故障總結(jié)和故障單，并關(guān)閉故障，故障單提交至區(qū)級(jí)技術(shù)保障單位進(jìn)行審核，審核結(jié)束后故障流程結(jié)束。

4 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站運(yùn)行監(jiān)控與技術(shù)支持系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成后，在賀蘭縣氣象局投入試運(yùn)行，縣級(jí)技術(shù)保障人員對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)功能進(jìn)行了驗(yàn)證。系統(tǒng)在應(yīng)用中得到了不斷完善，系統(tǒng)各個(gè)功能模塊業(yè)務(wù)邏輯與實(shí)際工作流程相符，能夠滿足實(shí)際業(yè)務(wù)工作需要，切實(shí)促進(jìn)了國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站維修保障效率的提升。