新型自动气象站业务运行监控工具的开发

王建庄，余秀娟

（佛冈县气象局，广东佛冈 511600）

新型自动气象站业务运行监控工具的开发

王建庄，余秀娟

（佛冈县气象局，广东佛冈 511600）

采用C++语言开发了基于新型站的业务监控工具，实现了数据上传监控、数据补传，对上传文件进行业务逻辑实时检查、新型站业务软件卡死后重启等功能，并实现了自动备份台站参数及数据。经过近半年的试运行，证实能较大程度改善台站新型站观测业务质量。

计算机技术与应用；自动气象站；新型站；数据质控；运行监控

本研究从台站参数自动读取（实现自动适应不同的台站观测任务）、上传数据业务逻辑检查、“传输”程序假死状态检测及网络监控等3个方面分别说明，程序以VC++2010开发，代码部分用类C语言伪代码说明。

1 设计架构与工作原理

考虑到程序执行效率，采用VC++2010开发，利用C++11标准模板库（STL，Standard Template Library）中的容器及内置算法来实现高效的检测功能，主要分为台站参数读取模块、数据检测模块、网络切换及数据备份模块等，主要功能放在数据检测模块上。长Z文件检测是在其上传前1 min从AWSNET目录读取，并检测，如果数据有缺测或没有质控等则给予提示。网络检测是每5 min读取业务“传输”软件的日志，分析是否已经上传。如果没有当前上传文件的传输记录则先检测有线网络是否畅通，畅通则重启“传输”软件，否则启动3G无线网络，其流程如图1所示。

图1 监控工具的流程图

2 技术实现

2.1 自适应不同台站观测任务的实现

国家级台站按台站类型分为基准站、基本站和一般站，不同类型的台站观测任务不同，台站配备的观测仪器也有差别。因此监控工具实现了自动读取台站参数，根据不同的台站配置实现相应的监测任务。新型站业务软件分为3个部分，分别为“台站地面综合观测业务软件_业务”（MOI）、“台站地面综合观测业务软件_传输”（MoiFtp）、“台站地面综合观测业务软件_采集”（SMO）。3个程序分别简称新型站“业务”软件、“传输”软件和“采集”软件［3］。3个软件安装目录不同，均有自己的配置参数，因此需要分别读取3个程序的参数配置。采用了枚举进程的办法获取这3个软件的安装目录，然后分别读取3者的参数配置，从而获取台站的类型、观测任务等。

1）通过程序进程获取测报业务软件安装目录。

利用进程快照，枚举出所有进程，然后根据传入的进程名字来获取进程的目录。新型站业务软件采集、业务、传输的3个进程名字分别为“台站地面综合观测业务软件_采集.exe”、“MOI.exe”、“MoiFtp.exe”，因此编写一个函数来读取这3个程序的目录。

2）参数的读取。

新型站业务软件的参数均采用了XML（可扩展标记语言）文件保存，因为VC++没有自带XML解析器，而且配置文件体积不大，监控工具只是在启动时才读取参数，所以采用了直接读取解析的方法。按文本文件的格式打开XML文件，根据需要解析出所需参数，通过传入不同节点名字实现了通用。以读取“传输”软件的正点上传数据传输时间为例，获取在正点后几分几秒上传，以便于在此时间点对上传数据进行业务逻辑检查。

2.2 上传数据的业务逻辑实时检查

目前新型站上传的数据主要是地面气象要素数据文件，简称“长Z文件”，该文件除包含自动观测项目外，还包含了人工观测项目，在定时观测时间需要人工质控，以保证数据准确［3］。“长Z文件”是目前天气预报中主要的地面观测资料来源，也是MDOS（气象资料业务系统）生成地面月报表的数据来源。因此对长Z文件实时质控是非常重要的。由于长Z文件会定时上传，所以需要在文件上传前完成数据检测，才不至于事后再发更正报文。

业务逻辑检查主要实现了长Z文件的缺测检查、定时观测时次的人工质控检查，对受降水影响造成的自动蒸发异常、日上传数据缺测、深层地温胶管进水造成深层地温变化趋势异常等情况进行实时检测。

1）定时观测时次未人工质控的实时检测。

在国家基本站及基准站每天北京时08：00、11：00、14：00、17：00、20：00需要输入人工观测项目，如果未输入人工项目，新型站“业务”软件会生成1份有缺测字符的长Z文件上传，造成MDOS系统反馈错误。所以需要在文件上传前完成检测，方法是在文件上传前检测文件的质控码及总低云量等人工项目。一般情况下，台站设置了正点数据上传时间，如04：30定时上传，因此需要读取台站的上传时间设置，在该时间点提前1 min来检测。其实现的伪代码为：

2）蒸发异常及深层地温进水检查。

蒸发量与温度、湿度、风速等要素有关，但如果当时有降水，即使风速很大，小时自动蒸发量如果偏大还是要按异常来处理，需要值班员人工处理并上传更正报。而如果在没降水的情况下，风速大、湿度低、温度高则允许蒸发量大点，所以如果检测小时蒸发大于指定值则需判断并给出错误或可疑的警告，其实现伪代码为：

深层地温胶管如果进水了（胶管连接处没有密封造成），深层地温表现为变化趋势异常，但相邻2 min的变化不明显，所以一般的质控程序难以发现。采用滑动60 min时间内最大值与最小值之差来检测，可以实现实时检测趋势异常（已经排除相邻分钟变化异常）。采用C++的标准模板库（STL）中的“队列”数据结构，其特征是数据先入先出（FIFO）［4］，不到60 min则入队，超过60 min则最先入队的数据出队，从而保证最新的60 min的数据队列，实现实时趋势异常检测。其伪代码为：

3）日数据缺测检查。

目前的新型站软件上传日数据时间为当日24：00后，目的是为了实现自动视程障碍天气现象的跨日界的综合判别。但无论是广东省还是其他省份，都存在着日数据缺测现象，表现为上传日数据文件20：00—08：00、08：00—20：00雨量、天气现象等要素缺测，并造成MDOS疑误反馈，影响台站数据上传及时率及可用率（图2）。所以只要根据日数据的文件格式，在指定时间去检测该文件相关字段是否为缺测符号，即可给出判断。在第2天值班交接时给予提示，及时发送更正报，避免MDOS发送疑误反馈，提高台站数据可用率。

图2 日数据缺测的MDOS提示

2.3 雨量记录与天气现象矛盾的检测

滞后降水及异常降水主要体现在有降水量没有降水时间记录。目前新型站“业务”软件不能识别，MDOS也不能及时识别，只能人工判别或等到报表审核时才能查出。所以如果能在定时观测时次给予及时检测，对滞后或异常降水给予提醒，则能避免上述问题。为了节省空间，采取了“位”（bit）存储，每分钟占一位，因为夜间不记录起止时间，所以仅检测白天的记录。采用C ++11版本STL的bitset容器。bitset为内含bit或BOOL值的固定大小的数组，支持“与”、“或”、“非”等位运算，其内部实现了all（）、any（）等位检测算法［4］。在天气现象记录中，有降水现象的记录，其分钟置为“0”，没有降水现象的，分钟置为“1”；在原始分钟数据中，有降水则置为“1”，无降水则置为“0”。如果没有降水记录，但两者经过“与”运算（0＆1==0，1＆1== 1）后为“1”的话，则说明有滞后或异常降水，其关键代码为：

2.4 “传输”程序假死状态检测及网络监控

在新型站3个程序中，“传输”软件会监控“采集”、“业务”软件是否运行，发现没有运行会自动启动。但在业务中发现“传输”程序每10 s检测一次网络，以判断网络是否畅通。但检测频率太高，偶尔网络堵塞时会造成“传输”软件假死，但此时网络还是通的。因此，当发现数据不能上传时先检测网络，网络通则重启“传输”软件，否则就启动3G无线网络［6］。考虑目前台站普遍为每5 min上传一次数据，所以在每5 min检测上传情况，检测时间滞后1 min即可，其伪代码为：

为了方便快速切换到备份计算机，新型站监控工具实现了一键备份台站参数，包含了新型站“采集”、“业务”、“传输”3个软件的所有参数，并实现了定时备份原始数据的功能，可以实现快速切换备份计算机，或拷贝安装新的业务计算机所需数据，程序截图如图3所示。因为检测任务是根据台站参数而设定不同的检测功能，而且适配了中国联通、中国电信等3G无线网络，所以也适用于其他省份的新型自动气象站。

图3 监控工具的运行界面

3 运行效益

该程序从2016年开始在本站试运行，经实践检验，发现可以实时检测到网络故障，能对上传文件进行指定的业务逻辑检查，有效避免了目前业务软件的缺陷，提高了台站的数据可用率、来报率及MDOS的反馈及时率。从MDOS系统查询清远全市2016年1月1日到4月12日为止的反馈率，可以看到佛冈站12 h的反馈率为100%，疑误数据查询数为43个，为全市最少，如图4所示。

图4 2016年1—4月清远市MDOS疑误查询

目前，新型自动气象站已经在全省各级台站普及，通过每月广东省信息探测中心下发的观测设备运行情况表可以发现，每月均有业务“传输”软件因网络阻塞而造成的数据迟发问题。在MDOS系统上也经常会出现日数据缺测情况，所以针对这些问题而开发监控工具是非常及时且必要的，可切实提高台站的业务质量。但对观测业务自动化的趋势来说，仅及时提醒还不能满足业务需求，在正点数据缺测的情况下，实现前后10 min数据自动代替，在日数据缺测的情况下自动生成日数据并上传等功能还需要继续完善。

［1］黄晓华，阎友民.新型自动气象站的结构特点及传感器的日常维护与维修［J］.沙漠与绿洲气象，2015，9（z1）：156-158.

［2］陈冬冬，杨志彪，施丽娟，等.新型自动气象站结构特点及其优越性［J］.气象水文海洋仪器，2011，28（4）：93-99.

［3］黄思源，刘钧.新型自动气象站观测业务技术［M］.北京：气象出版社，2014：49-146.

［4］Nicolai M.Josuttis.C++标准库［M］.2版.侯捷，译.北京：电子工业出版社，2015：638-654.

［5］中国气象局监测网络司.地面气象测报业务系统软件操作手册［M］.北京：气象出版社，2004：33.

［6］王建庄，余秀娟.国家级自动气象站应用APN自动补传的实现［J］.广东气象.2015，37（4）：73-76.

［7］刘铸飘.自动站实况图形监控及灾害预警程序的设计［J］.广东气象，2013，35（6）：73-78.

［8］马祖胜，郑细华，谢玉仙.提高自动站质量控制的措施［J］.广东气象，2013，35（6）：79-80.

［9］钟少君，温亚丽，李运斌，等.基于VML标记语言的自动气象站监控［J］.广东气象，2011，33（5）：52.

［10］王建庄，许沛林，彭惠英，等.II型自动站数据采集的实时质量控制［J］.广东气象，2009，31（5）：57-58.

图2 2010—2014年各月累计采集器维修次数

由于篇幅的限制，区域自动气象故障情况分析没有给出各个县的故障情况，同样是山区，同样是沿海，采集器故障率可以最高，也可以最低，说明区域自动站基础设施建设、防雷工程存在不同程度的问题［7］，不同地市的故障率，有些逐年增加，有些逐年降低，而降低的地市大都进行过硬件改造。本研究中各地市得出的信息能较全面反映各地区故障维护的特点，能为各地市的装备保障工作提供一定的指示［8］。就装备保障工作而言，除了完善和提高设备本身的性能之外，要降低区域自动气象站的故障率，可以通过科学安排、加强管理、增加培训来实现，特别是要加强对外包公司的培训和提高要求。区域自动气象站采集器内部器件情况的分析，能为今后电路的设计提供一定的指导意见，通过不断完善设备设计的合理性、优化设备的性能，以期不断提高装备保障效率。

参考文献：

［1］涂爱琴，黄磊，刘彬.山东省自动气象站2011—2013年运行维修情况评估与分析［J］.气象水文海洋仪器，2015，33（1）：113-117.

［2］吴小芳，伍志方，叶爱芬.广东一次强对流天气过程分析［J］.广东气象，2011，33（1）：5-7.

［3］詹利群，黄炜萱，陈德诚.自动气象站中心站资料传输流程优化实践［J］.气象研究与应用，2013，34（3）：68-71.

［4］罗凤明，邱劲飚，李伟权，等.区域自动气象站故障排查及典型事例分析［J］.广东气象，2008，30（3）：51-53.

［5］陈艳果.新建地面气象自动站资料质量控制方法设计［J］.河南科技，2013（10）：160.

［6］罗征，马祖胜.自动气象站的运行和维护［J］.广东气象，2008，30（5）：63-64.

［7］吕海勇，李文飞，吴坚.1995—2014年广东省雷电灾害事故的统计分析［J］.广东气象，2015，37（6）：52-55.

［8］陈绿文，黄智慧，禹继，等.一次人工触发闪电事件的定位误差分析［J］.广东气象，2010，32（1）：11-14.

TP39

A

10.3969/j.issn.1007-6190.2016.05.018目前，新型自动站已经在广东省所有国家级气象自动站运行，较之II型站在硬件上有较大提升，如在传感器接入方面有较强的扩展能力。在新型站业务软件方面，较之II型站也变化较大，在数据实时质控有较大提升［1-2］。但在地面气象观测业务中，发现存在不少问题，而且这些问题在全国范围内普遍存在，如不定期生成空白（表现为全部缺测）的日上传数据、FTP传输间断性卡死等。针对上传数据的业务逻辑检查也尚不完备，如定时观测时次未人工质控不会警告、雨量与天象记录矛盾不会提示等。因为新型站运行不久，目前国内未找到类似工具或项目的开发。因此，针对业务需求，开发相应的业务监控工具，能显著改善因此类问题而影响的业务质量。

2016-03-15

广东省气象局2013年度项目“在台站一级实现自动站实时及非实时质量控制（编号2013B36）”

王建庄（1979年生），男，工程师，大专，现主要从事站网管理工作。E-mail：25936342@qq.com

王建庄，余秀娟.新型自动气象站业务运行监控工具的开发［J］.广东气象，2016，38（5）：69-73.