陳立峰，何邦太，胡園春

(1.棗莊市氣象局，山東 棗莊 277100;2.鄆城區(qū)氣象局，山東 鄆城 274700；3.嶧城區(qū)氣象局，山東 嶧城 277300)

HY-WP1A視頻天氣現(xiàn)象儀是一款通過圖像識(shí)別、深度學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)融合等技術(shù)進(jìn)行天氣現(xiàn)象自動(dòng)觀測(cè)識(shí)別的氣象儀器，實(shí)現(xiàn)了云量、云狀、地面凝結(jié)現(xiàn)象(霜、露、雨凇、霧凇)、結(jié)冰、積雪和雪深等天氣現(xiàn)象(或氣象要素)的自動(dòng)觀測(cè)[1]。目前，由中國氣象局統(tǒng)一部署，在全國范圍完成了國家級(jí)臺(tái)站的視頻天氣現(xiàn)象觀測(cè)儀安裝建設(shè)工作，有效提高了天氣現(xiàn)象觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量和頻率[2]。由于視頻天氣現(xiàn)象儀剛投入業(yè)務(wù)應(yīng)用，臺(tái)站業(yè)務(wù)人員對(duì)其了解相對(duì)較少，而且其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度相對(duì)較高，不容易排查故障，另外缺乏視頻天氣現(xiàn)象儀故障排查處理的相關(guān)文獻(xiàn)。本文以HY-WP1A視頻天氣現(xiàn)象儀為研究對(duì)象，給出了較為合理的維護(hù)維修方法，有利于業(yè)務(wù)人員盡快掌握和提升視頻天氣現(xiàn)象儀故障處理技術(shù)，保障氣象觀測(cè)自動(dòng)化業(yè)務(wù)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

HY-WP1A視頻天氣現(xiàn)象儀由視頻采集器、數(shù)據(jù)處理單元、通信單元、供電系統(tǒng)和附件等組成[3]，其整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。視頻采集器由1個(gè)魚眼高清攝像機(jī)、1個(gè)長焦高清攝像機(jī)和1個(gè)短焦高清攝像機(jī)組成，并將采集的視頻提交控制處理器。其中魚眼攝像機(jī)對(duì)天空方向進(jìn)行拍攝，用于觀測(cè)總云量與云狀；長焦攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)水盆與草地，用于觀測(cè)水面結(jié)冰、霜、露、是否積雪；短焦攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)雪尺與電線，用于觀測(cè)雪深、雨凇、霧凇。數(shù)據(jù)處理單元由控制處理器和存儲(chǔ)單元組成，控制處理器內(nèi)置了嵌入式識(shí)別軟件和控制管理軟件，用于天氣現(xiàn)象(或氣象要素)的自動(dòng)觀測(cè)識(shí)別和設(shè)備控制管理，負(fù)責(zé)處理采集的視頻和圖片等信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)運(yùn)算處理和記錄存儲(chǔ)。通信單元是主要完成數(shù)據(jù)發(fā)送、接收以及通信方式轉(zhuǎn)換等功能的部件，采用RS-232串口通信和光纖通信。視頻和圖片數(shù)據(jù)采用光纖通信傳輸?shù)绞覂?nèi)通信終端，識(shí)別結(jié)果通過RS-232串口通信線經(jīng)綜合集成硬件控制器與業(yè)務(wù)電腦ISOS軟件連接。供電單元主要由交直流轉(zhuǎn)換器、浪涌保護(hù)器、空氣開關(guān)等部件組成，將220 V交流電壓轉(zhuǎn)換為12 V/24 V直流電壓，為視頻天氣現(xiàn)象觀測(cè)儀供電。附件包括立柱以及觀測(cè)識(shí)別所必須的輔助觀測(cè)目標(biāo)物(電線積冰架、水盆、雪尺)等。

圖1 視頻天氣現(xiàn)象儀整體結(jié)構(gòu)示意圖

2 故障檢測(cè)方法

視頻天氣現(xiàn)象儀可分為供電系統(tǒng)、高清攝像機(jī)、主控器、通信鏈路及業(yè)務(wù)終端5大部分。當(dāng)視頻天氣現(xiàn)象儀觀測(cè)數(shù)據(jù)全部缺測(cè)時(shí)，業(yè)務(wù)人員應(yīng)根據(jù)設(shè)備運(yùn)行原理和接線圖進(jìn)行邏輯分析，采用測(cè)試法和替代法逐步排查確定故障部位[4-6]，一般性流程圖如圖2所示。首先檢查業(yè)務(wù)電腦及ISOS軟件參數(shù)是否正常，若正常，則轉(zhuǎn)到觀測(cè)場(chǎng)檢查供電系統(tǒng)、高清攝像機(jī)、主控器是否正常，最后檢查工業(yè)交換機(jī)、綜合集成硬件控制器、光電轉(zhuǎn)換單元、室內(nèi)交換機(jī)、通訊線纜等通信系統(tǒng)部件是否正常。注意，更換故障設(shè)備時(shí)嚴(yán)禁帶電操作，避免損壞設(shè)備。

2.1 業(yè)務(wù)電腦檢查

1) 對(duì)業(yè)務(wù)電腦進(jìn)行檢查，用PING 127.0.0.1來檢查網(wǎng)卡情況，如果能PING通，說明網(wǎng)卡正常；查看網(wǎng)線接口燈光是否正常，用測(cè)線儀檢查網(wǎng)線是否中斷。

2) 檢查ISOS軟件參數(shù)設(shè)置是否正確，突然斷電易造成SMOPORT軟件中掛接參數(shù)(RS232方式，9600 N 81)丟失；校對(duì)業(yè)務(wù)電腦日期、時(shí)間。

2.2 供電系統(tǒng)檢查

1) 打開視頻天氣現(xiàn)象儀機(jī)箱，按接線圖依次檢測(cè)電壓，接線圖如圖3所示。用萬用表檢查空氣開關(guān)處電壓是否220 V左右；若正常則檢查電源轉(zhuǎn)換器輸出電壓，正常情況下12 V電源轉(zhuǎn)換器電壓在12～14 V左右，24 V電源轉(zhuǎn)換器電壓在24～28 V左右。

圖3 HY-WP1A視頻天氣現(xiàn)象儀接線圖

2) 檢查兩個(gè)保險(xiǎn)座內(nèi)保險(xiǎn)絲有無跳閘情況，有跳閘情況不可急于更換保險(xiǎn)管，應(yīng)檢查相關(guān)線路是否有短路情況，無短路情況下方可更換保險(xiǎn)管(12 V對(duì)應(yīng)5 A保險(xiǎn)管、24 V對(duì)應(yīng)10 A保險(xiǎn)管)；檢查各線路連接處是否出現(xiàn)松動(dòng)、生銹等引起的斷路情況。

3) 檢查交流防雷器是否正常，若脫扣報(bào)警窗變?yōu)榧t色則說明交流防雷器發(fā)生故障；檢測(cè)設(shè)備接地是否良好。

2.3 高清攝像機(jī)檢查

若供電電壓正常，用網(wǎng)線將筆記本電腦與攝像機(jī)網(wǎng)線接口連接，筆記本電腦IP設(shè)置成與攝像機(jī)在同一局域網(wǎng)內(nèi)，用局域網(wǎng)查看工具(LanSee)搜索攝像機(jī)IP，搜索不到，說明高清攝像機(jī)故障；若能搜索到，說明高清攝像機(jī)正常。然后在網(wǎng)頁瀏覽器中輸入攝像機(jī)IP進(jìn)入管理頁面，查看參數(shù)設(shè)置是否正確。

2.4 主控器檢查

1) 查看主控器指示燈狀態(tài)。當(dāng)主控器正常工作時(shí)，“電源”和“控制”指示燈狀態(tài)表現(xiàn)為紅色常亮，“工作”指示燈狀態(tài)表現(xiàn)為綠色常亮，“通訊”指示燈在RS232-1或RS232-2有數(shù)據(jù)輸出時(shí)表現(xiàn)為綠色常亮。

2) 用網(wǎng)線將筆記本電腦與主控器網(wǎng)線接口連接，筆記本電腦IP設(shè)置成與攝像機(jī)在同一局域網(wǎng)內(nèi)，用局域網(wǎng)查看工具(LanSee)搜索主控器IP，若搜索不到，說明主控器故障或網(wǎng)線接口故障；若能搜索到，說明主控器正常。然后在網(wǎng)頁瀏覽器中輸入主控器IP進(jìn)入管理頁面，查看站點(diǎn)信息設(shè)置、更新設(shè)置、視頻FTP上傳設(shè)置、圖像FTP上傳設(shè)置、采集頻率設(shè)置、攝像機(jī)是否補(bǔ)光等主控器的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置是否正確。

3) 當(dāng)主控管理頁面登錄正常時(shí)，用筆記本電腦通過串口調(diào)試線、USB轉(zhuǎn)串口線接入主控RS232-2通道，通過串口調(diào)試助手發(fā)送命令READDATA讀取分鐘數(shù)據(jù)，若返回結(jié)果異常，說明RS232-2通道故障[7]；若返回結(jié)果正常，說明主控器正常。

2.5 通信鏈路檢查

視頻天氣現(xiàn)象儀包含網(wǎng)線-光纖通信、串口-光纖通信2種通信方式，網(wǎng)線-光纖通信輸出數(shù)據(jù)處理單元處理后的圖像、視頻數(shù)據(jù)，串口-光纖通信輸出數(shù)據(jù)字典字符串(包含圖像識(shí)別結(jié)果、觀測(cè)儀的狀態(tài)信息等)。

2.5.1 網(wǎng)線-光纖通信鏈路檢查

1) 檢查工業(yè)交換機(jī)。查看交換機(jī)網(wǎng)線接口燈光是否正常；用網(wǎng)線將筆記本電腦連接到主控器網(wǎng)線接口，筆記本電腦IP設(shè)置成與攝像機(jī)在同一局域網(wǎng)內(nèi)，用局域網(wǎng)查看工具(LanSee)搜索主控器、攝像機(jī)IP，若能搜索到，說明交換機(jī)網(wǎng)線接口正常；檢查工業(yè)交換機(jī)光纖接口指示燈是否正常(正常情況下TX燈常亮，RX燈閃爍)。

2) 檢查通信轉(zhuǎn)換單元及光纖。在供電正常情況下，結(jié)合工業(yè)交換機(jī)光纖接口指示燈，檢查通信轉(zhuǎn)換單元RX、TX狀態(tài)指示燈來判斷數(shù)據(jù)是否處于傳輸狀態(tài)；用激光筆打光檢測(cè)光纖是否正常；檢查網(wǎng)線接口狀態(tài)指示燈是否正常。

3) 檢查室內(nèi)交換機(jī)及網(wǎng)線。在供電正常情況下，結(jié)合通信轉(zhuǎn)換單元網(wǎng)線接口狀態(tài)指示燈，檢查交換機(jī)網(wǎng)線接口指示燈是否正常；用測(cè)線儀檢查網(wǎng)線是否正常。

2.5.2 串口-光纖通信鏈路故障

1) 檢查串口防雷器。當(dāng)系統(tǒng)工作出現(xiàn)故障懷疑防雷器時(shí)，可直接拔下防雷器上端后再檢查，若還原到使用前的狀態(tài)后系統(tǒng)恢復(fù)正常，則說明內(nèi)防雷器損壞，應(yīng)更換防雷器。

2) 檢查串口線是否正常。串口線連接主控器和綜合集成硬件控制器，將一端RX線與TX線短接，用萬用表蜂鳴檔在另一端檢測(cè)串口線是否正常。

3) 檢測(cè)綜合集成硬件控制器。綜合集成硬件控制器檢測(cè)方法比較復(fù)雜，且已有專門文章討論[8-10]，本文不做研究。

4) 檢查通信轉(zhuǎn)換單元及光纖。在供電正常情況下，結(jié)合綜合集成硬件控制器狀態(tài)指示燈，檢查通信轉(zhuǎn)換單元RX、TX狀態(tài)指示燈來判斷數(shù)據(jù)是否處于傳輸狀態(tài)；若不正常，用激光筆打光檢測(cè)光纖是否正常；檢查網(wǎng)線接口狀態(tài)指示燈是否正常。

5) 檢查室內(nèi)交換機(jī)及網(wǎng)線。方法同2.5.1中3)。

3 故障實(shí)例分析

視頻天氣現(xiàn)象儀出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)根據(jù)設(shè)備工作原理和故障現(xiàn)象綜合考慮，不必完全按照2中的流程全部檢測(cè)，排除非故障部位，著重檢查關(guān)鍵部位，以盡量縮短維修時(shí)間保障業(yè)務(wù)質(zhì)量。以下搜集了一些工作中遇到的故障實(shí)例及解決辦法。

3.1 視頻或圖像數(shù)據(jù)間斷性缺測(cè)

檢修過程：1) 登錄攝像機(jī)頁面，選擇配置-網(wǎng)絡(luò)-高級(jí)配置-集成協(xié)議，檢查啟動(dòng)ONVIF協(xié)議前面是否勾選，正常為勾選狀態(tài)。選中管理員賬戶點(diǎn)擊刪除按鈕刪除管理員賬戶，然后點(diǎn)擊添加按鈕重新添加管理員賬戶，用戶名密碼和原來保持一致，用戶類型選擇管理員。2) 登錄主控器頁面，點(diǎn)擊設(shè)備管理，再點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)攝像機(jī)的編輯圖標(biāo)，檢查參數(shù)和攝像機(jī)中設(shè)置的參數(shù)是否一致，若一致點(diǎn)擊確定按鈕，不一致則修改后點(diǎn)擊確定按鈕。3) 去觀測(cè)場(chǎng)主控機(jī)箱關(guān)閉空氣開關(guān)5～10 s，重新上電。

3.2 ISOS軟件中觀測(cè)數(shù)據(jù)無法采集

檢修過程：1) 檢查主控參數(shù)部分的串口號(hào)是否正確，另外檢查主控232接口，可以替換成232-1試試。2) 用筆記本電腦和調(diào)試線直連主控232-2通道，通過串口調(diào)試軟件發(fā)READDATA命令讀取分鐘數(shù)據(jù)，查看主控本身通道是否正常。3) 更換串口服務(wù)器的PORT口，并檢查SMOPORT中對(duì)應(yīng)串口的參數(shù)。

3.3 天氣現(xiàn)象無法識(shí)別

檢修過程：1) 查看攝像機(jī)鏡頭上是否有污染物附著或遮擋，若為冰堆積需查看攝像機(jī)系統(tǒng)-系統(tǒng)配置-加熱是否勾選。若為其他泥點(diǎn)的污染物附著，則需要及時(shí)用無紡棉酒精清理。2) 查看主控時(shí)間是否與觀測(cè)平臺(tái)電腦時(shí)間有延遲，若有延遲則需要在觀測(cè)平臺(tái)給主控制器參數(shù)設(shè)置——主控參數(shù)設(shè)置上方的手動(dòng)校時(shí)，點(diǎn)擊設(shè)置。則可同步到電腦時(shí)間，進(jìn)行攝像機(jī)實(shí)時(shí)觀測(cè)。

3.4 雪深數(shù)據(jù)偏差量較大

檢修過程：1) 查看雪深標(biāo)尺是否正對(duì)短焦攝像機(jī)，且周邊沒有藍(lán)、紅、黃、及不屬于天氣現(xiàn)象觀測(cè)的白色。2) 查看雪深尺是否垂直于地面，且零度刻度線在土面以上。3) 最后查看攝像機(jī)對(duì)焦情況，調(diào)整角度與網(wǎng)頁內(nèi)進(jìn)行準(zhǔn)確對(duì)焦。

3.5 電線結(jié)冰數(shù)值偏差量較大

檢修過程：1) 首先近處有無遮擋，或后側(cè)有無立面情況。若有立面情況會(huì)出現(xiàn)電線結(jié)冰厚度數(shù)值偏大的現(xiàn)象。2) 查看攝像機(jī)對(duì)焦情況，調(diào)整角度與網(wǎng)頁內(nèi)進(jìn)行準(zhǔn)確對(duì)焦。

4 結(jié)束語

1) 文章從視頻天氣現(xiàn)象儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出發(fā)，歸納總結(jié)了視頻天氣現(xiàn)象儀系統(tǒng)各部分故障檢測(cè)方法，形成一套完整的故障排查流程，并針對(duì)一些常見的故障現(xiàn)象提出了有效的解決辦法，供臺(tái)站業(yè)務(wù)人員參考，以求能快速找準(zhǔn)故障點(diǎn)，及時(shí)排除故障，確保采集數(shù)據(jù)的及時(shí)性和有效性，提高維護(hù)維修的質(zhì)量。

2) 視頻天氣現(xiàn)象儀采用圖像識(shí)別、深度學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)融合等技術(shù)進(jìn)行天氣現(xiàn)象自動(dòng)觀測(cè)識(shí)別，加強(qiáng)對(duì)視頻天氣現(xiàn)象儀的日常維護(hù)，有助于減少天氣現(xiàn)象識(shí)別誤差。建議每周定時(shí)檢查攝像機(jī)鏡頭的遮擋和污染情況，若有遮擋或污染應(yīng)在日出前或日落后及時(shí)清理，遇沙塵、降雪等影響觀測(cè)時(shí)，應(yīng)及時(shí)清潔；每月定期檢查攝像機(jī)的水平、方位和傾角，檢查立柱是否穩(wěn)固，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)糾正，避免振動(dòng)等對(duì)攝像機(jī)產(chǎn)生的不良影響；每月檢查地面集中觀測(cè)區(qū)自然下墊面及露、霜目標(biāo)物草地狀況，保持平整；結(jié)冰容器應(yīng)盡可能使用代表當(dāng)?shù)刈匀凰w(江、河、湖)的水，器內(nèi)水量不足時(shí)需及時(shí)添加；專用雪尺應(yīng)保持豎直，刻度零線與地面集中觀測(cè)區(qū)自然下墊面齊平。