新型自动气象站外围设备保障设计

周任柳，高玲

（安徽省当涂县气象局，安徽当涂243100）

新型自动气象站外围设备保障设计

周任柳，高玲

（安徽省当涂县气象局，安徽当涂243100）

新型自动气象站设备的稳定运行和保障十分重要，针对业务运行中外围设备面临的实际问题，本研究分别从数据本地传输线路和保障电源2个方面，提出合理可行的改进设计思路和解决方案。主要方法是数据本地传输线路新增备用线路，解决线路单一和软件功能限制问题；电源方面改进UPS布局和发电机电路，使保障电源更完善。结果表明，新设计的数据传输线路实现多重备份，改进后保障电源有2套UPS主机和电池组互为备份，发电机操作实现无人值守。改造简单成本合理，操作安全布局清晰，实现新型自动气象站外围设备的全面保障。本研究以成熟稳定的设计、合理的成本，为新型自动气象站外围设备保障设计提供最优方案，确保新型站设备的稳定运行和全面保障，为气象现代化建设提供科学依据。

新型自动气象站；外围设备；备用线路；保障电源

0 引言

“十三五”时期气象事业发展仍处于可以大有作为的重要战略机遇期，气象工作与经济发展、粮食安全、农业生产、生态文明、百姓生活等都密切相关，主动适应经济发展新常态，坚持公共气象发展方向，坚持全面推进气象现代化，着力构建现代气象监测预报预警体系和现代公共气象服务体系，提高气象监测预报预警的准确率和精细化水平，提高气象防灾减灾能力和应对气候变化工作水平，是气象部门的重要任务[1]。综合气象观测系统提供的准确、可靠的观测数据，是提高预报预测准确率和服务能力的重要保证[2-3]。近年中国气象观测台站自动气象站设备开始大规模升级新型自动气象站（以下简称新型站），同时老自动气象站备份运行。新型站实现了风向、风速、空气温度、相对湿度、气压、地温、草温、降水与能见度等多要素的自动观测与数据处理，部分台站还实现了云、天气现象等更多要素的自动观测。全国台站建成了以新型自动气象站为主的地面综合观测系统。

新型自动气象站硬件包括采集器、外部总线、传感器、外围设备等，其中外围设备主要包括电源、终端电脑、通信接口和外存储器；软件包括嵌入式软件、业务软件2个部分[4-5]。整个新型站设计达到了高精度、高稳定、易维护、低功耗、易扩展和实时远程监控的要求。张立清等[6-8]对自动站常见故障的检测方法做过详细介绍；张成祥等[9-12]研究了自动站软件、硬件故障的排除与维护。新型站软硬件更先进、更稳定，影响运行稳定的传统故障渐少，新问题多在外围设备方面，而国内目前对新型站外围设备的保障研究甚少。因此，确保新型站设备的运行稳定和做好设备运行保障十分重要和必要，本研究着重分析外围设备常见故障、保障方法和改进设计。

1 研究思路

以当涂国家气象观测站为例，观测站位于安徽省当涂县现代农业示范区内，观测场四面是山地、农田，种植的是低矮植物、作物，环境良好。观测站2套新型站主备运行，还建有激光云量云高观测仪和降水类视程障碍类天气现象观测仪等其他仪器。

在如此高规格建设的基础上，稳定运行和保障仍出现一些问题急待解决，这可能也是其他新型站面临的共同问题，主要有以下4点。

（1）数据本地传输线路（以下简称数据线路）单一。由于所有仪器数据均通过串口服务器传输至电脑，当线路故障，如串口服务器故障时，将导致所有数据无法及时传输至业务电脑，且没有备用线路，线路故障若短时间内无法恢复，将严重影响气象观测业务质量。

（2）软件功能限制。台站终端电脑现用的业务软件功能有限，无法同时采集2套新型站数据，备份站数据采集须新增1台备份站电脑。

（3）UPS（不间断电源）保障不充分。观测站原有UPS无备用设备，若UPS主机发生故障将导致电源失效且不能立即恢复，这将严重影响业务设备稳定运行。

（4）发电机操作复杂。当外部市电断电，发电机需手动启动，还需要手动断开外部市电线路，操作复杂、耗时、安全性差。

可以看出，问题主要集中在外围设备，主要包括采集器把数据传送到终端电脑的数据本地传输线路和设备保障电源2个方面问题。外围设备的稳定运行是影响新型站稳定运行的重要因素，做好数据线路和保障电源就显得十分重要和必要。

2 解决方案

坚持问题导向，根据上述具体问题，下面分别从数据线路和保障电源2个方面提出改进设计思路和解决方案。

2.1 数据本地传输线路设计

观测站原有数据线路是2套自动站数据分别通过1根串口线传至串口服务器，经串口服务器处理再通过户外光纤传至终端电脑，见图1。这样设计带来的问题是当串口服务器出现问题时，2套自动站数据都将无法传至终端电脑，没有备用传输线路，且终端电脑所用业务软件无法同时完成2套新型站数据的采集和处理。为此，当涂站会同安徽省大气探测与技术保障中心提出解决思路，即增加备用传输线路和备份站终端电脑。

图1 原数据线路

本设计维持原有线路，备份站新增备用数据线路，采用直连光纤加直连串口线双路设计，其中光纤为户外光纤，串口线为带屏蔽户外线材，直接与备份站电脑相连，单独采集备份站数据。同时，备用线路两端和主站线路两端均预留一定长度，以便线路切换使用，见图2，这样既实现主备站数据采集和处理，同时按照规范和设计要求，做好线路防雷、屏蔽、防水、防鼠措施。当主站设备故障不能及时恢复时可立即启用备份站；当主站数据采集线路故障不能及时恢复时可直接切换备用线路。主站与备份站实现互为备份，串口线实现双备份，光纤按照光路实现多重备份，串口服务器与备份站线路实现双备份。综合来看新设计的数据传输线路实现了多重备份的设计，改动简单成本小，保证了数据本地传输稳定运行和故障应急处理能力。

图2 新数据线路

按照业务规定和操作规程，当数据线路或自动站出现故障时，可按顺序依次确定和排除故障隐患。以主站为主，优先使用主站设备、数据线路。当主站数据传输路径串口线故障时可切换备用串口线，当串口服务器故障时可切换备用线路，当光纤故障时可切换备用光路，做到数据线路故障时有备用线路并能方便及时切换使用。故障时还要根据具体情况，决定启用备份站或备用线路。

以上数据线路设计是在优先保障新型站数据连续的前提下设计的，当串口服务器上连接有其他仪器时，以上设计仍有局限性，并不能做到万无一失。在新型站主备运行基础上，通过串口服务器，还连接有激光云量云高观测仪和降水类视程障碍类天气现象观测仪等其他仪器，建成了新型自动气象站综合观测系统。在以上设计的基础上，有条件的台站，可在主站数据线路上设置备用串口服务器，见图3，并使用备用数据线路连接主站、激光云量云高观测仪、降水类视程障碍类天气现象观测仪与备用串口服务器。当主站串口服务器发生故障不能立即恢复时确保有备用设备并能及时切换启用，从而保障新型站、云、天气现象等所有设备的数据传输，实现新型自动气象站综合观测系统数据线路的全面保障。

图3 数据线路综合设计

2.2 保障电源设计

观测站原有保障电源采用UPS与发电机的组合保障设计，市电经UPS保障观测场设备和业务用电脑网络设备，发电机接入业务设备配电箱（UPS充电线路）。UPS在线式运行，起到稳压、稳频、抑制浪涌、尖峰、电噪音、补偿电压下陷、长期低压等因素干扰作用，电源输出质量高[13-15]，日常使用需做好维护[16-19]。但运行期间，曾出现过UPS主机故障的情况，导致UPS电源无法使用，后紧急修改配电箱内电路，临时使用另一台UPS主机才恢复供电。而且原发电机电路，停电时需手动启动发电机，启动前还需断开业务设备配电箱外部市电，市电恢复时需手动关闭发电机，再接入外部市电，操作复杂、耗时、安全性差。

根据以上问题及处理方法，基本确定了电源改造方案，即增加1套备用UPS电源。在原有电路基础上稍加改造，改动成本较小，如图4。由1套UPS为观测场设备和业务电脑网络设备供电，另一套UPS备用，在UPS主机和电池组输出端分别加装双电源开关[20-22]，实现2套UPS主机和2组电池组互为备份和切换使用。因电池组有保护开关需手动开启，且气象仪器内置电源支持短时间断电运行，综合考虑选择手动双电源开关。在发电机输出端与UPS市电输入端加装自动双电源开关，配合自启动发电机，实现发电机操作无人值守。市电断电时发电机自动启动，双电源开关自动断开业务设备配电箱外部市电；市电来电时发电机自动关闭，双电源开关自动接通业务设备配电箱外部市电。同时按照规范和设计要求，做好线路防漏电、防雷、屏蔽、防水、防鼠措施。

图4 保障电源设计

改造后业务设备电源有2套UPS主机和电池组互为备份，能保障业务设备高质量电源供应和较长时间停电电力保障，为维修维护预留足够时间。且自启动发电机能自动完成启停与电路转换，减少人工操作，降低安全风险，实现无人值守。电源改造后更安全，能耗更低，布局更清晰，保障更便捷。

3 应用效果

以上数据线路和保障电源设计方案，经安徽省大气探测与技术保障中心技术人员、专业电工技术人员现场指导，于2015年10月最终改造完成并稳定运行。经历低温雨雪和高温汛期近1年时间使用，运行可靠稳定，满足新型站可靠性要求。方案对数据线路和保障电源设计布局简洁明晰，各节点功能合理，适用于全国大部分气象观测台站推广使用。且操作使用简单，不需要专业网络或电工知识，只需要插拔线路插头或切换电源开关，即可安全完成操作，保障维护方便快捷，满足新型站可维护性和安全性要求。同时整个方案改造所需材料，不增加额外功耗，都是普通线材或电源开关，但改造施工需要专业人员按规范操作，改造和维护成本低廉，满足新型站低功耗、扩展性、互换性要求。相对于所保障的气象设施设备和产出社会效益，可谓小投入大回报。在方案的改造和使用过程中，还能加强气象工作人员对自动气象站的结构和功能认识，增强气象工作人员气象装备开发使用和保障维护能力，提高气象工作人员的综合素质。

4 结论与讨论

本设计通过咨询行业专家，结合本地实际，解决了新型自动气象站在数据线路和保障电源方面的实际问题，以成熟稳定的设计、合理的成本，为新型自动气象站外围设备保障设计提供最优方案，确保新型站设备的稳定运行和全面保障；为农业气象服务、环境气象服务等专业设备使用提供支持；为服务地方社会经济发展提供更有力的气象保障；为建成集成、优化和高效益的新型观测系统；为提高数据质量、推动技术发展；为气象现代化建设提供科学依据。

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New Automatic Weather Station:Maintenance and Design for Peripheral Devices

Zhou Renliu,Gao Ling
(Dangtu Meteorological Bureau,Dangtu 243100,Anhui,China)

Stability and maintenance is important for new automatic weather station.This paper proposed the design ideas and programs for improving peripheral devices from the data circuit and power supply.The main methods were adding spare data circuits to resolve circuits and software restrictions,and improving the UPS and generator circuits to make the power protection better.The results showed that:the new design realized data circuit and UPS power backup,and an unattended generator;the design was simple and cost-effective, safe for operation and could produce good effects.It also provided a scientific basis for the construction of meteorological modernization.

New Automatic Weather Station;Peripheral Devices;Spare Data Circuit;Power Supply

P414

A论文编号：cjas16090017

2016年度马鞍山市气象局自立科研项目“双套新型自动气象站外围设备双重保障设计”(2016012)。

周任柳，男，1987年出生，安徽马鞍山人，助理工程师，本科，主要从事综合气象观测与服务工作。通信地址：243100安徽省马鞍山市当涂县梅塘路215号当涂县气象局，Tel：0555-6740218，E-mail：459617210@qq.com。

2016-09-30，

2016-12-16。