黃宏智，黃飛龍，陳冰懷

（廣東省氣象探測數(shù)據(jù)中心，廣東廣州 510080）

新型自動氣象站實時監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

黃宏智，黃飛龍，陳冰懷

（廣東省氣象探測數(shù)據(jù)中心，廣東廣州 510080）

介紹針對DZZ1-2N型新型自動氣象站設(shè)計的運行狀態(tài)實時監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實時顯示設(shè)備的觀測數(shù)據(jù)、傳感器工作狀態(tài)以及將監(jiān)控數(shù)據(jù)流發(fā)送至省局接收中心，有效提高了對設(shè)備的監(jiān)控和管理能力，大大提升設(shè)備的維護保障效率。實際應用效果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，較好地滿足業(yè)務需求。

計算機技術(shù)與應用；新型自動氣象站；監(jiān)控系統(tǒng)；多傳感器；監(jiān)控數(shù)據(jù)流

由廣東省氣象局自主研發(fā)的DZZ1-2N型新型自動氣象站業(yè)已在廣東省內(nèi)大部分臺站投入使用，并取代遙測站成為熱機進行業(yè)務運行，因此對其運行狀態(tài)的全面監(jiān)控顯得尤為重要。DZZ1-2N型新型自動氣象站是根據(jù)國家局制定的新型自動氣象（氣候）站功能規(guī)格書規(guī)范要求設(shè)計的，能提供準確、可靠的觀測數(shù)據(jù)，是提高預報預測準確率和服務能力的重要設(shè)備。隨著廣東省新型自動氣象站觀測網(wǎng)絡的日益擴大，一方面確實能提升地面氣象觀測的自動化水平，又對觀測設(shè)備的維護保障能力提出了更高要求，要求能以最快的速度獲得故障或異常情況并修復，以免因設(shè)備故障或異常得不到及時維修而長時間中斷觀測或輸出錯誤數(shù)據(jù)［1］。

因此，需建立新型自動氣象站實時監(jiān)控系統(tǒng)，實時獲取新型自動氣象站運行過程中的各種信息，為省級保障中心以及臺站維護人員提供設(shè)備運行狀態(tài)研判和故障診斷的信息，提升保障的效率。本研究著重介紹了新型自動氣象站實時監(jiān)控系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)、傳感器狀態(tài)分析、監(jiān)控數(shù)據(jù)流的收集和傳輸?shù)取?/p>

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

新型自動站各探測要素數(shù)據(jù)的獲取是通過“臺站地面綜合觀測業(yè)務軟件_采集”（SMO軟件）發(fā)送命令進行采集，并將數(shù)據(jù)存在本地業(yè)務機中。該系統(tǒng)的設(shè)計核心就是如何高效、可靠地獲取新型自動站的監(jiān)控信息，并及時準確上傳至省局的數(shù)據(jù)處理中心，為保障人員提供直觀的設(shè)備全網(wǎng)運行信息。監(jiān)控數(shù)據(jù)流的傳輸流程如圖1。

圖1 監(jiān)控數(shù)據(jù)流傳輸流程示意圖

臺站地面綜合觀測業(yè)務軟件在每分鐘的20 s時發(fā)送命令，下載分鐘常規(guī)觀測數(shù)據(jù)以及讀取自動氣象站所有狀態(tài)信息，并按照一定的數(shù)據(jù)格式寫入觀測數(shù)據(jù)文件和狀態(tài)數(shù)據(jù)文件中。與SMO軟件運行在同一臺計算機的監(jiān)控系統(tǒng)以1 min定時間隔讀取觀測數(shù)據(jù)文件和狀態(tài)數(shù)據(jù)文件，并把獲取的分鐘觀測數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)按照一定的格式規(guī)則進行組包，通過UDP協(xié)議發(fā)送至省局數(shù)據(jù)處理中心的軟件。處理中心軟件將接收到的監(jiān)控數(shù)據(jù)流提取出觀測數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，并分類導入相應數(shù)據(jù)表。可通過瀏覽器查看設(shè)備的運行狀態(tài)，存在異常信息時會自動發(fā)出短信報警信息［2］。

2 系統(tǒng)模塊介紹

根據(jù)新型自動氣象站的觀測數(shù)據(jù)及傳感器工作狀態(tài)監(jiān)控需求，將系統(tǒng)規(guī)劃為系統(tǒng)初始化、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示及上傳、查詢統(tǒng)計等4個模塊。軟件設(shè)計基于數(shù)據(jù)處理時效性的要求［3］，采用多線程技術(shù)提高監(jiān)控數(shù)據(jù)的獲取和上傳效率。

1）系統(tǒng)初始化：系統(tǒng)啟動后主界面自動加載工具欄和狀態(tài)欄，生成RunningLog記錄文件夾、Temp臨時文件中轉(zhuǎn)文件夾以及Icons狀態(tài)圖標存放文件夾，創(chuàng)建定時器等。

2）參數(shù)設(shè)置模塊：包括數(shù)據(jù)路徑以及通信參數(shù)2個部分。數(shù)據(jù)路徑由觀測數(shù)據(jù)存放路徑和長Z文件存放路徑2個部分組成。通信參數(shù)主要是UDP參數(shù)的設(shè)置，包括遠程主機IP地址、本地主機IP地址、遠程主機端口號以及本地主機端口號等。

3）數(shù)據(jù)顯示及上傳模塊：定時時間到達，系統(tǒng)自動檢測觀測數(shù)據(jù)文件和狀態(tài)數(shù)據(jù)文件的更新情況，如若有更新則提取對應時間的觀測數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，實時顯示并組成UDP報文進行上傳。

4）查詢管理模塊：根據(jù)日志日期選擇，查詢有效期為一個月的觀測數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)檢測情況、數(shù)據(jù)讀取情況以及UDP報文上傳情況等。

3 系統(tǒng)詳細設(shè)計

新型自動氣象站實時監(jiān)控系統(tǒng)基于Microsoft Visual C++6.0開發(fā)平臺，采用多線程并發(fā)處理技術(shù)、文件讀取技術(shù)和UDP網(wǎng)絡傳輸協(xié)議實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)的獲取、傳感器狀態(tài)表征以及監(jiān)控數(shù)據(jù)流的上傳等，在省局數(shù)據(jù)處理中心端可提供新型自動站全網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)、傳感器工作狀態(tài)、故障信息的顯示和查詢等［4］。

3.1 監(jiān)控數(shù)據(jù)提取

SMO軟件運行時，會在業(yè)務計算機上形成若干個采集數(shù)據(jù)文件，包括小時觀測數(shù)據(jù)文件（AWS_H_Z_IIiii_yyyymm.txt）、分鐘觀測數(shù)據(jù)文件（AWS_M_Z_IIiii_yyyymmdd.txt）以及狀態(tài)信息文件（AWS_M_ST_IIiii_yyyymmdd.txt）等，其中yyyymm代表年月，yyyymmdd代表年月日，IIiii代表區(qū)站號。通過對新型自動氣象站實時監(jiān)控系統(tǒng)配置一個計時周期為1 min的定時器，一旦計時時間達到，會自動檢測上述3種數(shù)據(jù)文件的狀態(tài)。若文件有新數(shù)據(jù)追加寫入，則啟動相應的數(shù)據(jù)提取線程，根據(jù)設(shè)定的數(shù)據(jù)格式，獲取新型自動氣象實時數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)、各傳感器工作狀態(tài)以及長Z報文上傳情況等。由于每類數(shù)據(jù)提取線程的功能以及流程大同小異，本研究就以分鐘觀測數(shù)據(jù)提取線程作為示例進行分析。

關(guān)鍵代碼說明：

獲取分鐘觀測數(shù)據(jù)文件最后被修改的時間和日期，并和上次記錄的時間日期做比較，如果前者的時間和日期更靠后，則置文件更新標志位為真。

首先判斷分鐘觀測數(shù)據(jù)提取線程是否在運行？若無，則創(chuàng)建并且啟動線程。分鐘觀測數(shù)據(jù)提取線程的工作流程圖如圖2所示。

3.2 傳感器狀態(tài)表征

以往對廣東省運行的遙測站監(jiān)控主要是監(jiān)控設(shè)備的觀測數(shù)據(jù)，通過查看各要素觀測數(shù)據(jù)來判別傳感器的工作狀態(tài)，一般認為有觀測數(shù)據(jù)則為正常，否則為異常。這種判斷方式過于簡單，缺乏精細化，不利于提升維修效率，尤其是對于氣溫、濕度、雨量配置了3個傳感器的DZZ1-2N型新型自動氣象站。

圖2 分鐘觀測數(shù)據(jù)提取線程工作流程框圖

針對上述存在的問題，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計了傳感器狀態(tài)表征模塊，深入分析各要素傳感器的工作狀態(tài)。傳感器表征分兩種情況：單個傳感器要素和3個傳感器要素。監(jiān)控系統(tǒng)每分鐘在狀態(tài)數(shù)據(jù)文件中檢索傳感器工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，構(gòu)建一個狀態(tài)數(shù)據(jù)集，并根據(jù)配置要素的次序提取各個要素的狀態(tài)代碼值。對于單個傳感器要素，可按照表1狀態(tài)代碼值與傳感器工作狀態(tài)的映射關(guān)系分析傳感器的工作狀態(tài)。如蒸發(fā)的狀態(tài)代碼值為0，表示蒸發(fā)正常工作；如狀態(tài)代碼值為2，則表示其故障或未檢測到傳感器。本映射關(guān)系只適用于單個傳感器要素，對于氣溫、濕度、雨量等配置3個傳感器的要素，DZZ1-2N型新型自動氣象站采用3位二進制碼表示3個傳感器的工作狀態(tài)，其狀態(tài)代碼值為3位二進制碼所對應的十進制值。以氣溫為例說明：第1位表示第1路氣溫、第2位表示第2路氣溫、第3位表示第3路氣溫，如果工作正常則對應位的加權(quán)系數(shù)為0，否則為1。例如，第1路氣溫工作正常，第2、第3路氣溫異常，則氣溫的狀態(tài)代碼值=0×22+1×21+1× 20，即其值為3。對3路傳感器可能出現(xiàn)的工作狀態(tài)進行排列組合，建立多傳感器狀態(tài)代碼值與工作狀態(tài)的映射關(guān)系（表1）。監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)要素狀態(tài)代碼值來檢索表1對應的映射關(guān)系，從而精細化判別各要素傳感器的工作狀態(tài)。

表1 單個和多個傳感器工作狀態(tài)映射關(guān)系

3.3 監(jiān)控數(shù)據(jù)流傳輸

新型自動氣象站監(jiān)控系統(tǒng)對每分鐘提取的觀測數(shù)據(jù)集和狀態(tài)數(shù)據(jù)集進行組包封裝，并對該報文進行是否為空包檢測，如果為空包則系統(tǒng)作報警提示，否則立刻啟動數(shù)據(jù)上傳線程，將監(jiān)控數(shù)據(jù)流傳送到省局數(shù)據(jù)處理中心。監(jiān)控數(shù)據(jù)流的組包方式為：包頭+站號+日期+未成功上傳長Z文件數(shù)+觀測數(shù)據(jù)+狀態(tài)數(shù)據(jù)，其中狀態(tài)數(shù)據(jù)包括各要素傳感器的工作狀態(tài)、采集器工作電壓、采集器供電類型以及采集器主板溫度等。每項數(shù)據(jù)之間用“，”隔開，如果某項數(shù)據(jù)值為“/”，則表明該項數(shù)據(jù)對應的要素為缺測狀態(tài)。一個完整的監(jiān)控數(shù)據(jù)包如下：DZZ1-2N，57988，2016 -1-15 15：14：00，0，244，9，246，8，216，25，2306，242，10，249，39，2303，1，5，280，287，2314，280，2356，85，82，2301，321，252，10065，10066，2301，10064，2314，259，274，2306，259，2358，276，278，2301，276，2353，294，311，316，316，300，283，268，233，730，1，22727，23010，70010，2301，340，112，230，74，/，/，/，/，/，/，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，1，2，1，126，0，369，00， 7F

監(jiān)控數(shù)據(jù)流的傳輸采用UDP方式，UDP協(xié)議是無連接方式的協(xié)議，它的效率高，速度快，占資源少［5］。部署在省局的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)軟件在接收到各臺站上傳的監(jiān)控數(shù)據(jù)流后即刻流轉(zhuǎn)至省局數(shù)據(jù)處理中心軟件，進行解析、顯示、入庫等。軟件實現(xiàn)界面如圖3所示。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)運行界面

隨著氣象現(xiàn)代化的推進，基層測報業(yè)務人員將逐漸從繁重的人工觀測業(yè)務中解放出來，轉(zhuǎn)而把工作重心轉(zhuǎn)移到設(shè)備維護和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制上。因此，一個運行穩(wěn)定可靠、功能完善的監(jiān)控系統(tǒng)將顯得愈加重要。

目前，針對廣東省的各種類型氣象探測設(shè)備廣東省氣象數(shù)據(jù)探測中心開發(fā)了完善的實時監(jiān)控系統(tǒng)，且在日常的設(shè)備維護保障過程中發(fā)揮著越來越重要的作用。新型自動氣象站實時監(jiān)控系統(tǒng)在臺站已經(jīng)運行了一年多，使省級和臺站保障人員能實時掌握設(shè)備的運行狀況，及時發(fā)現(xiàn)故障提高維修效率，從而縮短故障平均時間，提升氣象探測數(shù)據(jù)業(yè)務工作的質(zhì)量。

［1］李源鴻，敖振浪，李建勇，等.廣東省地面氣象綜合探測全網(wǎng)實時監(jiān)控系統(tǒng)［J］.廣東氣象，2007，4（29）：6-7.

［2］雷衛(wèi)延，陳剛，陳武框，等.CAWS600型自動站運行狀態(tài)實時監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［J］.氣象水文海洋儀器，2011，3（1）：86-87.

［3］黃宏智，陳冰懷，黃飛龍，等.基于多線程并發(fā)的風廓線數(shù)據(jù)上傳監(jiān)控終端［J］.氣象水文海洋儀器，2015，3（1）：13-16.

［4］陳冰懷，黃宏智，陳捷雄，等.風廓線雷達實時監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)與應用［J］.廣東氣象，2015，37（1）：68-70.

［5］李建勇，敖振浪，譚鑒榮，等.雷達遠程實時信息提取及顯示系統(tǒng)的實現(xiàn)［J］.廣東氣象，2007，29（4）：8-10.

TP39

A

10.3969/j.issn.1007-6190.2016.05.019

2016-03-14

黃宏智（1982年生），男，碩士，工程師，主要從事大氣探測設(shè)備研發(fā)及保障工作。E-mail：645763188@qq.com

黃宏智，黃飛龍，陳冰懷.新型自動氣象站實時監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.廣東氣象，2016，38（5）：74-77.