自動氣象站在線故障檢測系統和檢測方法與流程
2023-10-25 10:29:17 2
本發明涉及故障檢測系統領域，具體為自動氣象站在線故障檢測系統和檢測方法。
背景技術：
近年來，由於對氣象要素信息的需求廣泛，全國建設的自動氣象站數量急速增加。目前，我國氣象部門已初步建成了2424套國家級地面自動觀測站網和由5萬餘套中小尺度自動氣象站構成的數量龐大的區域自動氣象觀測站網。這些氣象觀測數據對國民經濟、氣候變化和人民生活有著重要作用，因此對自動氣象站的維修有很強的時效性要求。如何快速、及時地排查自動氣象站在使用過程中發生的各類故障，做好龐大的觀測系統保障工作，一直是困擾氣象管理部門的一大難題。目前，我國的自動氣象站保障工作存在以下技術難題：
(1)自動氣象站日益複雜，且一些新型傳感器的智能化程度較高，對維修保障工作提出了更高要求。同時，自動氣象站的故障發生位置可能在傳感器、分採集器、主採集器、防雷信號板、供電、通信和業務軟體等任意一處或幾處，造成維修人員難以迅速判斷故障位置。
(2)自動氣象站沒有在線故障檢測功能，一旦發生故障，必須由維修人員親赴現場進行故障排查。若臺站維修業務人員尚難以及時判定故障位置，則需裝備中心或儀器廠家派出專業人員對故障位置進行確認。這一過程需要大量時間，將造成不可逆轉的觀測數據缺失現象。
(3)目前氣象部門採用了基於設備整體運行狀態判斷方式來監控自動氣象站正常與否。但該方式因脫離了對設備各組成部分運行狀態的獲取和監測，存在很大的局限性，僅能對設備是否在正常工作進行初步判斷，無法定位系統主要部件的真實運行狀態，完全無法判斷設備的故障發生位置。
總之，自動氣象站目前仍無法實現故障的快速診斷，存在故障修復時間長、系統可用性低的問題，且沒有針對故障在線檢測的產品和方法。
技術實現要素：
本發明的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種自動氣象站在線故障檢測系統和檢測方法，其結構簡單，設置方便，時效性強，故障定位準確，將極大地提高自動氣象站的裝備保障能力。
本發明提出的技術方案如下：自動氣象站在線故障檢測系統，包括自動氣象站、傳感器測量單元、分採集器測量單元、主採集器測量單元、外部設備測量單元和主控單元；自動氣象站包括氣象要素傳感器、氣象要素分採集器、主採集器、信號防雷板、氣壓傳感器、供電系統、通信系統和上位機；所述的傳感器測量單元、分採集器測量單元、主採集器測量單元、外部設備測量和上位機分別與主控單元連接，所述的傳感器測量單元的輸入端與氣象要素傳感器的輸出端連接，所述的分採集器測量單元的輸入端與氣象要素分採集器或與之配套的氣象要素傳感器的輸出端連接，所述的主採集器測量單元的輸入端分別與主採集器、信號防雷板、氣壓傳感器的輸出端連接，所述的外部設備測量單元的輸入端分別與供電系統和通信系統的輸出端連接。
作為方案一的改進，所述的主控單元主要由數據採集模塊、數據處理模塊、數據存儲模塊、參數調整模塊、數據顯示模塊和數據通信模塊組成。
作為方案一的改進，所述的氣象要素傳感器包括溫度傳感器、溼度傳感器、風向傳感器、風速傳感器、降水傳感器、蒸發傳感器、能見度傳感器、地溫傳感器、氣壓傳感器、能見度傳感器、雲高傳感器、天氣現象傳感器、輻射傳感器、日照傳感器；氣象要素傳感器可直接與傳感器測量單元相連接，或通過氣象要素分採集器後與分採集器測量單元相連接。
作為方案三的改進，所述的傳感器測量單元主要由雨量傳感器測量模塊、風向傳感器測量模塊、風速傳感器測量模塊、蒸發傳感器測量模塊和智能傳感器測量模塊組成，對氣象要素傳感器相應的輸出信號進行測量。
作為方案四的改進，所述的智能傳感器測量模塊主要由能見度測量模塊、雲高測量模塊、天氣現象測量模塊、日照測量模塊和雲量測量模塊組成。
作為方案一至五任意一項的改進，所述的分採集器測量單元主要由溫溼度分採集器測量模塊、地溫分採集器測量模塊、輻射分採集器測量模塊組成，對氣象要素分採集器或與之配套的氣象要素傳感器的輸出信號進行測量。
作為方案六的改進，所述的檢測系統各單元間運用有線數據傳輸的方法。
作為方案六的改進，所述的檢測系統各單元間運用無線數據傳輸的方法。
基於自動氣象站在線故障檢測系統的檢測方法，檢測方法步驟如下：
1)傳感器測量單元對氣象要素傳感器1至氣象要素傳感器n的輸出信號進行測量得出數據A1至An，傳感器測量單元將數據A1至An傳輸到主控單元；
2)分採集器測量單元對氣象要素分採集器1至氣象要素分採集器n或與之配套的氣象要素傳感器的輸出信號進行測量得出數據B1至Bn，分採集器測量單元將數據B1至Bn傳輸到主控單元；
3)主採集器測量單元對主採集器、信號防雷板和氣壓傳感器的輸出信號進行測量得出數據C1至C3，主採集器測量單元將數據C1至C3傳輸到主控單元；
4)外部設備測量單元對供電系統和通信系統的輸出信號進行測量得出數據D1和D2，外部設備測量單元將數據D1和D2傳輸到主控單元；
5)主控單元通過數據採集模塊接收到步驟1至步驟4得出的數據並分別通過數據處理模塊對其進行處理，通過在數據處理模塊中預設的故障判斷算法得出不正常數據組E1-En，所述的故障判斷算法為閾值判定或邏輯判定，如：若溼度傳感器的正常輸出信號範圍應為0-1v的直流電壓信號，對應相對溼度的0-100％，則若在各處測量到的電壓值超過0-1v，則視為錯誤；同時，若某處測得的相對溼度輸出電壓值為0-0.05v，則其所對應的相對溼度值為0-5％，但該相對溼度值在絕大多數自然條件下是極難達到的，因此該處測量點的測量值可視為疑似錯誤，應結合其餘各處的測量值和故障判斷算法對該處測量點是否故障進行綜合判斷，以得出可靠結論。在故障判定過程中，可視具體情況，對各處的閾值判定數值和邏輯判定方法在主控單元的參數調整模塊裡進行設置。
6)由步驟5得出的E1-En對應A1至An、B1至Bn、C1至C3、D1和D2各數據中發生錯誤的第1-n個數據，即可利用故障判斷算法進行綜合判定，得出具體的故障位置R1-Rn，R1-Rn對應A1至An、B1至Bn、C1至C3、D1和D2中可能發生故障的各測量位置。如：E1對應C1處測量值錯誤，而此時A1、C2處的測量值是正常的，此時可判斷出氣象要素傳感器1、信號防雷板是正常的，則可判定出自動氣象站發生位置應為主採集器，此時故障位置R1內的信息即為主採集器；
7)將步驟5得出的不正常數據E1-En以及判定結果R1-Rn，傳輸到數據顯示模塊，能通過人機交換界面讓使用者清楚了解具體的故障位置和相關信息；
8)將步驟5得出的不正常數據E1-En以及判定結果R1-Rn，傳輸到數據通信模塊，能通過有線或無線傳輸方式對故障信息進行遠距離傳輸。
本發明具有以下有益效果：
1.在不需維修人員親赴故障現場的情況下，可實現自動氣象站故障的在線檢測和診斷，從而極大地縮短故障排查耗時，提升自動化程度。
2.在設備的原有數據傳輸通道之外，由於本發明對自動氣象站各處的信號均進行檢測，因此可作為一條輔助數據傳輸通道。
3.一旦設備原數據通道的相關組成部分發生故障，在故障尚未排除前，可由該輔助數據通道跳過發生故障的模塊，繼續完成數據傳輸工作，從而進一步降低觀測資料的缺失率。
附圖說明
圖1為本發明的檢測系統的連接框圖。
具體實施方式
下面結合具體附圖和實施例對本發明作進一步說明：
如圖1所示，自動氣象站在線故障檢測系統，包括自動氣象站、傳感器測量單元、分採集器測量單元、主採集器測量單元、外部設備測量單元和主控單元；自動氣象站包括氣象要素傳感器、氣象要素分採集器、主採集器、信號防雷板、氣壓傳感器、供電系統、通信系統和上位機；傳感器測量單元、分採集器測量單元、主採集器測量單元、外部設備測量和上位機分別與主控單元連接，傳感器測量單元的輸入端與氣象要素傳感器的輸出端連接，分採集器測量單元的輸入端與氣象要素分採集器或與之配套的氣象要素傳感器的輸出端連接，主採集器測量單元的輸入端分別與主採集器、信號防雷板、氣壓傳感器的輸出端連接，外部設備測量單元的輸入端分別與供電系統和通信系統的輸出端連接。
主控單元主要由數據採集模塊、數據處理模塊、數據存儲模塊、參數調整模塊、數據顯示模塊和數據通信模塊組成。
氣象要素傳感器包括溫度傳感器、溼度傳感器、風向傳感器、風速傳感器、降水傳感器、蒸發傳感器、能見度傳感器、地溫傳感器、氣壓傳感器、能見度傳感器、雲高傳感器、天氣現象傳感器、輻射傳感器、日照傳感器；氣象要素傳感器可直接與傳感器測量單元相連接，或通過氣象要素分採集器後與分採集器測量單元相連接。
傳感器測量單元主要由雨量傳感器測量模塊、風向傳感器測量模塊、風速傳感器測量模塊、蒸發傳感器測量模塊和智能傳感器測量模塊組成，對氣象要素傳感器相應的輸出信號進行測量。
智能傳感器測量模塊主要由能見度測量模塊、雲高測量模塊、天氣現象測量模塊、日照測量模塊和雲量測量模塊組成。
分採集器測量單元主要由溫溼度分採集器測量模塊、地溫分採集器測量模塊、輻射分採集器測量模塊組成，對氣象要素分採集器和與之配套的氣象要素傳感器相應的輸出信號進行測量。
檢測系統各單元間運用有線數據傳輸的方法。
檢測系統各單元間運用無線數據傳輸的方法。
基於自動氣象站在線故障檢測系統的檢測方法，檢測方法步驟如下：
1)傳感器測量單元對氣象要素傳感器1至氣象要素傳感器n的輸出信號進行測量得出數據A1至An，傳感器測量單元將數據A1至An傳輸到主控單元；
2)分採集器測量單元對氣象要素分採集器1至氣象要素分採集器n或與之配套的氣象要素傳感器的輸出信號進行測量得出數據B1至Bn，分採集器測量單元將數據B1至Bn傳輸到主控單元；
3)主採集器測量單元對主採集器、信號防雷板和氣壓傳感器的輸出信號進行測量得出數據C1至C3，主採集器測量單元將數據C1至C3傳輸到主控單元；
4)外部設備測量單元對供電系統和通信系統的輸出信號進行測量得出數據D1和D2，外部設備測量單元將數據D1和D2傳輸到主控單元；
5)主控單元通過數據採集模塊接收到步驟1至步驟4得出的數據並分別通過數據處理模塊對其進行處理，通過在數據處理模塊中預設的故障判斷算法得出不正常數據組E1-En，故障判斷算法為閾值判定或邏輯判定，如：若溼度傳感器的正常輸出信號範圍應為0-1v的直流電壓信號，對應相對溼度的0-100％，則若在各處測量到的電壓值超過0-1v，則視為錯誤；同時，若某處測得的相對溼度輸出電壓值為0-0.05v，則其所對應的相對溼度值為0-5％，但該相對溼度值在絕大多數自然條件下是極難達到的，因此該處的測量值可視為疑似錯誤，應結合其餘各處的測量值和故障判斷算法對該處測量點是否故障進行綜合判斷，以得出可靠結論。在故障判定過程中，可視具體情況，對各處的閾值判定數值和邏輯判定方法在主控單元的參數調整模塊裡進行設置。
6)由步驟5得出的E1-En對應A1至An、B1至Bn、C1至C3、D1和D2各數據中發生錯誤的第1-n個數據，即可利用故障判斷算法進行綜合判定，得出具體的故障位置R1-Rn，R1-Rn對應A1至An、B1至Bn、C1至C3、D1和D2中可能發生故障的各測量位置；如：E1對應C1處測量值錯誤，而此時A1、C2處的測量值是正常的，此時可判斷出氣象要素傳感器1、信號防雷板是正常的，則可判定出自動氣象站發生位置應為主採集器，此時故障位置R1內的信息即為主採集器；
7)將步驟5得出的不正常數據E1-En以及判定結果R1-Rn，傳輸到數據顯示模塊，能通過人機交換界面讓使用者清楚了解具體故障位置和相關信息；
8)將步驟5得出的不正常數據En以及判定結果R1-Rn，傳輸到數據通信模塊，能通過有線或無線傳輸方式對故障信息進行遠距離傳輸。
運用本發明的檢測系統與檢測方法，在不需維修人員親赴故障現場的情況下，可實現自動氣象站故障的在線檢測和診斷，從而極大地縮減故障排除耗時，提升自動化程度。在設備的原有數據傳輸通道之外，由於本發明對自動氣象站各處的信號均進行檢測，因此可作為一條輔助數據傳輸通道。因此，一旦設備原數據通道的相關組成部分發生故障，在故障尚未排除前，可由該輔助數據通道跳過發生故障的模塊，繼續完成數據傳輸工作，從而進一步降低觀測資料的缺失率。