来宾市自动气象站监控告警系统的设计与实现

胡祖权，王永明，覃爱金，苏庆红，谭光平

(来宾市气象局，来宾 546100)

0 引言

近年来，随着气象现代化建设的不断推进，来宾市自动气象站点逐年增加，空间分布日趋完善，所获取的观测数据已成为开展各类气象服务工作的重要依据。如何做好自动气象站运行维护成为日益突出的问题，而开发设计一套自动气象站监控告警系统是解决该问题的一个有效途径[1-3]。

1 自动气象站管理中存在的问题

随着科技的进步和发展，自动气象站观测技术不断提高，因其准确性高、稳定性强、不受时间和空间的限制等特点，在全国范围内大量建设。截至2019年，来宾市已经建设129个自动气象站，分布在各乡镇、村屯，为全市精细化的公众气象预报服务、专业气象服务和靶向性气象防灾减灾提供了基础数据支撑[4-6]。如果自动气象站故障发现和维修不及时、无法及时获取气象信息或获取到错误的气象数据，将直接影响气象服务工作的方向性和准确性。目前，来宾市自动气象站运行监控工作由气象观测业务员承担，因从事该项工作人员少，无法全天监控设备的运行状况，致使监控盲区凸显。在缺乏高效监控和告警手段的条件下，基层台站经常是在使用过程中发现某个自动气象站缺数据或数据疑误时才组织人员去维修，导致故障排除时间过长。只有转变自动气象站故障监控和告警方式，才能提高故障排除效率，降低对气象业务工作的不利影响，因此需要开发一套本地化的自动气象站监控告警系统[7-9]。

2 系统需求分析

2.1 功能需求分析

分布在全市各个乡镇、村屯的自动气象站，每5 min通过移动网络上传1次气象观测数据到自治区气象局数据中心。按照业务规定，自动气象站需每季度进行1次巡检，每年进行1次仪器核查，每2 a进行1次仪器校准，出现故障需在72 h内修复。但由于来宾市自动气象站分布范围广、站点多、维护人员严重不足，无法采取人工的方式24 h监控自动气象站的运行状况，经常导致无法在业务规定的时间内修复故障。因此，来宾市自动气象站监控告警系统的总体设计思路是：对辖区内各站点上传的观测数据进行监控，发现故障后判断故障站点，再根据故障站点所属区域及时采用手机短信或电话的方式通知相关保障人员，提醒保障人员及时维护维修。此监控告警系统应包括自动气象站观测数据采集、基础数据录入、数据监测分析、故障信息发送、检测信息查询、告警信息查询和质量统计等功能。

2.2 技术选择

编程环境采用Windows 7 64位操作系统；编程语言采用易语言，易语言是一个面向对象、支持全中文的编程语言，编译后的程序体积小，占用内存低，运行效率高；数据库采用SQL数据库；告警设备采用基于4G的无线告警设备。

3 系统设计与实现

3.1 设计思路

根据自动气象站网布局相关规定，自动气象站观测数据全部汇集到自治区气象局数据中心，由数据中心负责处理、存储和共享数据，监控告警系统所需自动气象站数据只能从数据中心相关系统获取。为了保证获取数据的实时性和稳定性，该系统选取了两种获取方式，一是广西壮族自治区气象局自动气象站数据库；二是国省统一数据环境的气象数据服务接口。两种获取方式同时使用，互为备份和补充，避免单一获取方式出现数据获取不及时的情况发生，获取的气象观测数据存入本地SQL数据库，方便系统多次调用。

故障的判断采用分类和分级模式。分类模式指根据故障类型分为数据缺测、数据逾限、要素缺测、要素时间一致性、要素空间一致性和逻辑性6个类别，系统对自动气象站数据的监测主要依据故障类型逐站逐类开展循环检测，并将检测出的故障按类型、台站和时间存入数据库。分级模式指根据故障紧急程度分为缺测告警、一般告警和疑误告警3个等级，系统根据告警等级确定告警时限和方式。对于缺测告警，设定为故障发生后24 h以内每4 h发送1次告警短信，24 h以后为每4 h拨打1次告警电话；一般告警设定为故障发生后24 h以内每6 h发送1次告警短信，24 h以后为每6 h拨打1次告警电话；疑误告警设定为故障发生后24 h以内每12 h发送1次告警短信，24 h以后为每12 h拨打1次告警电话。夜间23：00至早上07：00系统只监测不发送告警信息，当故障被排除，数据恢复正常后所有告警信息将自动停止。

系统部署在气象专用网络，与互联网物理隔离，采用基于4G的无线告警设备，通过网络接入气象宽带网，使用HTTP API接口实现与监控告警系统的通信，设备部署简单、通用性好、运行稳定。

3.2 主要功能模块

3.2.1 观测数据采集模块

该模块用于全市自动气象站观测数据的采集。采用定时的方式从自治区气象局自动气象站数据库和CIMISS气象数据统一服务接口获取气象观测数据，采集频率为1次/2 min，并将采集的数据按格式存入本地数据库。

3.2.2 基础信息录入模块

良好的压实度是保证路面稳定性的重要指标之一，本文根据现行规范《公路路基路面现场测试规程》（JTG E60—2008），采用钻芯取样法对试验段路面压实度进行检测，部分检测结果如表4所示。

该模块用于录入系统所需的基础信息。包括录入SQL数据库访问信息、自动气象站管理维护人员信息和访问自治区气象局数据相关设置等基础信息，通过加密后存储在本地。

3.2.3 数据监测分析模块

该模块的功能是对获取的气象数据进行异常检测。采用定时循环的方式对全市各气象站点的实时观测数据进行检测，主要检测数据缺测、逾限、逻辑性和时空一致性等类别，并将异常监测结果信息存入数据库。

3.2.4 故障信息发送模块

该模块的功能是制作和发送告警信息。通过定时读取存储在数据库的检测结果信息，判断告警类型并按照告警等级设定的时限和站点所属区域发送告警信息给相关管理和维护人员，并将发送结果情况存入数据库。

3.2.5 检测信息查询模块

该模块用于管理人员查询统计自动气象站监控结果信息。可以按照自动气象站点、时间段和告警类型统计监控信息，方便管理人员查询各站点的运行情况。

3.2.6 告警信息查询模块

该模块用于管理人员查询统计告警信息。可以按照时间段、告警手机号码、告警方式和告警结果来统计告警信息，便于管理人员对维护人员的管理，实现留痕管理。

3.2.7 质量统计模块

该模块用于统计自动气象站传输质量。可以按照时间段、区域对辖区内自动气象站传输质量进行统计，方便管理人员对自动气象站的管理。

3.3 技术实现

3.3.1 观测数据获取

通过读取自治区气象局自动气象站数据库和国省统一数据环境气象数据服务接口获取全市自动气象站观测数据，进行格式转换后存入数据库。

3.3.2 数据监测分析

系统将气象观测数据入库时间大于观测时间8 min且小于45 min的数据定义为数据逾限；将数据入库时间大于等于观测时间45 min的数据或者无整点观测数据入库定义为数据缺测。数据时空一致性疑误主要有两个方面：一是部分气象要素(温度、湿度、气压)2 h分钟数据随时间的变化值超过系统设定阈值或者6 h整点数据随时间的变化值与周边4个站点同时间的数据变化值均超出阈值；二是部分气象要素(降雨量、风速)整点数据与周边4个站点同时间的整点数据差值均大于系统设定的阈值。逻辑性疑误主要有3个方面：一是单站3 h整点风速值均大于0但整点风向值变化小于10°；二是各气象要素值大于历史极值；三是部分气象要素(温度、湿度、气压)观测值在过去3 h保持不变。系统通过对自动气象站观测数据缺测、逾限、时空一致性和逻辑性进行滑动检测，分析出错误、疑误的观测数据，按站点、时间、类别存入数据库。

3.3.3 告警信息发送

将4G无线告警模块接入交换机，打开电源，状态指示灯正常后进入等待指令模式，系统使用HTTP API接口与告警模块进行数据传输，主要使用POST、GET等方法实现发短信、打电话和结果获取等功能。

3.3.4 多线程处理

系统根据每个自动气象站观测要素的数量，启用相应数量的计算机线程进行检测，避免出现要素检测过多而产生排队检测现象，从而大幅提高系统运行效率。

4 结束语

该系统自2019年4月在来宾市气象局投入业务应用以来，实用性好，告警准确，大幅度提高了自动气象站的数据传输率和可用性，减轻了自动气象站管理人员的工作压力。但该系统还存在不足之处，特别是局地性天气对空间一致性的影响判断还不完善，今后将不断改进系统功能，更好地服务于自动气象站管理维护工作。