区域自动气象站远程控制和实景监控系统的设计与实现.pdf

第期气 象 水 文 海 洋 仪 器N o 年月M e t e o r o l o g i c a l,H y d r o l o g i c a l a n dM a r i n e I n s t r u m e n t sJ u n 收稿日期:基金项目:山东省气象局面上科研项目(s d q x m ,s d q x m )资助作者简介:涂爱琴(),女,硕士,高级工程师主要从事气象观测设备的运行监控和观测数据的质量控制工作区域自动气象站远程控制和实景监控系统的设计与实现涂爱琴,于帅,刘彬,杨崇静,李季,吴举秀,(山东省气象防灾减灾重点实验室,济南 ;山东省气象局大气探测技术保障中心,济南 )摘要:针对无人值守的区域自动气象站存在的保障效率低和观测环境不达标的问题,文章设计研发了远程控制和实景监控系统.系统实现了电源状态实时监控、自动气象站远程重启和观测环境图片的定时采集大功能,通过在线修复部分自动气象站故障和检查观测环境,提高了保障效率,降低了保障成本.关键词:远程控制;实景监控;区域自动气象站中图分类号:P 文献标识码:A文章编号:X()D e s i g na n dr e a l i z a t i o no f r e m o t e c o n t r o l a n dr e a l s c e n em o n i t o r i n gs y s t e mf o r r e g i o n a l a u t o m a t i cm e t e o r o l o g i c a l s t a t i o nT uA i q i n,Y uS h u a i,L i uB i n,Y a n gC h o n g j i n g,L i J i,WuJ u x i u,(S h a n d o n gK e yL a b o r a t o r yf o rM e t e o r o l o g i c a lD i s a s t e rP r e v e n t i o na n dR e d u c t i o n,J i n a n ;S h a n d o n gM e t e o r o l o g i c a lB u r e a uA t m o s p h e r i cD e t e c t i o nT e c h n o l o g yS u p p o r tC e n t e r,J i n a n )A b s t r a c t:T os o l v et h ep r o b l e m so f l o ws u p p o r t i n ge f f i c i e n c ya n dt h eo b s e r v a t i o ne n v i r o n m e n tb e i n gn o tu pt os t a n d a r de x i s t e d i nu n a t t e n d e dr e g i o n a l a u t o m a t i cm e t e o r o l o g i c a l s t a t i o n,t h i sp a p e rd e s i g n sa n dd e v e l o p s t h e r e m o t e c o n t r o l a n d r e a l s c e n em o n i t o r i n gs y s t e m T h i s s y s t e mc a nb eu s e d t o r e a l i z e m a j o rf u n c t i o n s,i n c l u d i n g r e a l t i m e m o n i t o r i n g o f p o w e r s t a t e,r e m o t e r e b o o t o f a u t o m a t i cm e t e o r o l o g i c a l s t a t i o na n dt i m e da c q u i s i t i o no f i m a g e s f o r t h ee n v i r o n m e n to b s e r v e d,e n a b l i n gt h eo n l i n er e p a i ro fp a r t i a lf a i l u r e so fa u t o m a t i c m e t e o r o l o g i c a ls t a t i o n a n di n s p e c t i o n o fo b s e r v a t i o ne n v i r o n m e n t,a n dr e a l i z i n gt h e i m p r o v e m e n to f s u p p o r t i n ge f f i c i e n c ya n dr e d u c t i o no f s u p p o r t i n gc o s t K e yw o r d s:r e m o t ec o n t r o l;r e a l s c e n em o n i t o r i n g;r e g i o n a l a u t o m a t i cm e t e o r o l o g i c a l s t a t i o n引言为了适应中小尺度天气系统监测预警的需求,满足当地气象服务的需要,近 a,中国建立了密集的区域自动气象站,这些区域自动气象站的观测资料在气象服务特别是气象决策服务中发挥了重要的作用,得到各级政府的关注和认同.庞大的区域自动气象站数量,给站点的维护和维修等保障工作带来了巨大的压力.保障工作量通常由部分组成:一部分是开展维护、巡查和维修等工作的工作量;另一部分是在往返站点路途上的工作量.在一些偏远的高山站和海岛站,保障人员需要在路途上消耗较多时间,这增加了保障的成本和时间.业务人员在以气 象 水 文 海 洋 仪 器J u n 往的工作中对区域自动气象站的故障进行了总结,一 部 分 业 务 人 员 提 出 了 针 对 性 的 解 决 措施 .通信故障、电源故障和雨量传感器故障在区域自动气象站中发生频率较高,其中通信死机(重启修复故障)、电池没电和雨量筒堵塞等故障最为常见.为此,文章设计并开发了区域自动气象站远程控制和实景监控系统,实现对自动气象站的远程重启和站点观测环境的远程监控功能,在缓解保障压力、提升保障工作效率的同时提高观测质量.硬件设计 硬件架构区域自动气象站远程控制和实景监控系统(以下简称系统)在硬件上主要由主控单元、视频单元、电控单元、供电单元和辅助单元部分组成.主控单元由管理终端和运行在该硬件单元的软件组成,主控单元是系统运行的控制中心,协调各单元工作;视频单元是指内置云台控制装置的监控摄像头,实现图像采集功能;电控单元包括个电控盒,用于电源电压、电流状态的采集和电源重启控制,其中个电控盒内置于保障系统防雨箱内,另个内置于自动气象站防雨箱内;供电单元包括太阳能板、太阳能控制器和蓄电池,用于对主控单元、视频单元和电控单元 供 电;辅 助 单 元 包 含 m立 杆(含 避 雷 针 m)、防雨箱、防雨箱防晒罩、防雨箱支架、太阳能板支架和摄像头支架等部件.数据传输系统采用 G传输,考虑到气象数据的保密要求,在传输时进行了空口的端对端加密,即发送端(远程控制及实景监控端)加密,接收端(数据接收平台)解密,密钥由发送端和接收端共同协商.此外,为了防止网络恶意攻击或者误操作,在远程操作重启气象站时设立了门限值,即在重启的频次上开放了设置接口,通过预设重启频次避免来自网络的恶意攻击.关键技术 功耗控制由于系统安装于户外,依赖太阳能和蓄电池供电,为了提高续航能力,应该尽量减少设备功耗.因此系统主要采取了种措施:一是选择工业级低功耗设备及模块,具体如表所示;二是对摄像头采取定时休眠处理,摄像头每隔指定时间唤醒次,唤醒后保持活动状态nm i n,在nm i n内抓拍所有预置点,然后重新进入休眠状态.由于摄像头在系统中功耗占比较大,且休眠、静止和拍照模式下的功耗差别也较大,因此对摄像头采取定时休眠处理,以提高系统的续航能力.如果摄像头按照每隔h抓拍 个预置角度来计算典型场景功耗,轮抓拍耗时大约m i n,d抓拍 轮,白 天 和 夜 间 模 式 均 分.每 日 总 功 耗 为 ()/(/)W,平均小时功耗为/W.加上管理终端和 电 控 盒 的 功 耗,整 个 系 统 时 均 功 耗 在 W左右,日功耗可以控制在 W.表系统所选设备功耗详情设备名称 常规功耗/W说明管理终端摄像头休眠 W,静止W,白天抓拍瞬时功耗W,夜间抓拍瞬时功耗 W电控盒 电路断开W,电路闭合 W 主要部件参数选择)监控设备分辨力监控设备分辨力太低,会影响远程监控效果和智能保障模型的准确率;同时考虑到系统采用 G传输,带宽有限,分辨力太高占用传输资源.通过比较国家级自动气象站不同分辨力监控设备采集的图像,在满足图像识别需求的前提下选取最低分辨力,最终选择 万像素()的摄像头作为野外观测站图像采集系统的监控设备.)蓄电池容量系统日功耗在 W左右,蓄电池效能按照 计算,蓄电池工作电压是 V D C,为了达到阴雨天气可以续航d的设计需求,蓄电池容量应该为:/W()/A h()因此选择 A h的蓄电池.)太阳能板容量一般情况下太阳能板应满足d充满蓄电池.按照日均有效光照时间h计算,应选择 W的太阳能板.为了方便安装,文章选择 W太阳能板,采用片 W太阳能板(V D C)并 联,块 A h三 元 聚 合 锂 电 池(V D C)并联的方法.第期涂爱琴,等:区域自动气象站远程控制和实景监控系统的设计与实现软件设计系统整体采用自顶向下逐层分解的规划方法,局部子系统则在整体设计指导下自底向上逐步分析设计.设计原则系统软件的设计遵循高效性、安全性和易扩展性等原则.高效性针对高效性需求,系统采取了以下设计策略:)信息的传输采用消息队列方式,替代文件传输(远程拷贝等)方式可以降低I O频率,减少监控主机的I O使用率,提高系统的响应能力;)告警信息的过滤尽量由生产主机完成,以减轻监控主机的压力,降低C P U的使用频率;)频繁使用数据采用内存存放;)采用A j a x技术,减少页面刷新时流量的传输;)数据库采用连接池连接,减少数据库连接数.安全性)数据可靠备份在整个系统设计中充分重视数据的安全性,尽可能避免数据的毁坏和丢失.系统采取对数据进行统一定期备份的策略,利用非工作时间定期执行的方式对系统关键数据进行增量式备份.)用户访问安全性系统对用户的身份进行可靠识别,并结合角色和权限控制,保证系统访问的安全性,防止系统功能被非法使用.)数据交换安全性系统除了对用户访问安全性进行控制外,为进一步保证信息安全,设计了安全管理系统,依据已有的安全规则对系统中各子系统之间的数据交换进行检查,防止数据信息的泄漏.易扩展性考虑到系统所面对的业务和客户在使用过程中需求可能发生变化,系统架构采用模块化设计,并通过对系统的数据主题和功能分布进行合理规划,以及统一的数据交换和数据集成策略,尽可能减少系统间的直接耦合关系,从而保证更改系统功能模型时系统技术架构的稳定性,有利于系统的扩展.功能设计区域站远程保障与实景监控系统软件部分包括远程保障系统智能控制软件和中心组网控制软件部分.远程保障系统智能控制软件远程保障系统智能控制软件内置在智能控制器中,包含状态数据采集、电源控制和摄像等功能.)状态数据采集状态数据采集功能实现对区域自动气象站和气象远程保障系统的蓄电池电压、电流、剩余电量等信息的采集存储,支持对采集间隔、采集因子和采集方式的设置,其中采集方式支持串口、网口、A I和D I等.)电源控制电源控制功能实现对系统电路的的控制,包括对区域自动气象站数据采集器和摄像头的重启、断电和通电等的控制,同时支持远程中心平台的反控.)摄像功能摄像功能对摄像头起控制作用,支持定时抓拍区域自动气象站的现场图片,最小频次为 m i n间隔,最大预置点大于 个.同时也支持预置点的设置和云台控制,包括云台移动角度和焦距的调整、预置点的移动、添加和删除等.中心组网控制软件中心组网控制软件采用B/S架构,包含数据查询、站点管理和远程维护等模块.)数据查询实现电源状态、告警信息和抓拍图片等数据的分类查询功能.支持区域自动气象站和远程保障系统智能控制器电压、电流数据的查询和导出,并能进行曲线图分析.支持按不同时段和监测参数筛选查询.)站点管理实现站点信息的添加和删除功能,支持视频配置和监测因子的配置管理.)远程维护实现对指定站点的区域自动气象站数据采集器的重启功能和远程保障装备的断电、通电功能.)故障预警当自动气象站蓄电池电量低于 时,系统自动生成告警信息,提示即将发生电源故障,提醒业务人员及时更换蓄电池.安装要求区域自动气象站远程控制和实景监控系统终气 象 水 文 海 洋 仪 器J u n 端的安装位置应不影响现有区域站观测,同时应尽量保证看到雨量筒.经比较,如图所示安装位置最为合适.当区域站位于开阔位置,对土地使用没有具体要求时,按照图选取安装点;当区域站有围栏,而且面积较小时,建议在不影响观测的情况下,选取个角中的个作为安装位置;当场地选点困难时,可安装在风杆上.风杆;风杆和雨量筒距离连线的中点;mR m.图区域站远程重启和实景监控系统终端硬件安装示意图结束语区域自动气象站远程控制和实景监控系统具备实时监控区域站电源、远程/设置定时重启自动气象站和多角度定时/手动抓拍区域自动气象站观测环境图片等功能,可有效降低区域自动气象站的故障率,降低维修成本,也为人工智能技术在区域站智能保障中的应用奠定了基础.系统还可以进一步扩展,增加电量反哺功能和观测环境智能监控功能.电量反哺功能是在区域自动气象站电量耗尽时,切断远程重启和实景监控系统的电流,使实景监控终端的电量供给自动气象站,进一步降低设备故障率,提高数据完整率.参考文献:姜明,史静,崔明,等区域自动气象站蓄电池异常状态判别方法J气象科技,():何炳伟 年区域自动气象站设备故障统计与分析:以湘西土家族苗族自治州为例J湖北农业科学,(增刊):陆霞,陈剑兵,王柱邦区域自动气象站常见故障分析与排除J气象研究与应用,():,罗凤鸣,邱劲飚,李伟权,等区域自动气象站故障排查及典型实例分析J广东气象,():,方晓斌,杨凤琼区域自动气象站常见故障处理J北京农业,():曾海云,游文芬,陈成海,等浅谈区域自动气象站状态监控与异常识别J气象研究与应用,(增刊):刘涛,张婷,杨柳区域自动气象站通信故障分析与排除J沙漠与绿洲气象,(增刊):罗武,陆鸿生,经志梅区域自动气象站铅酸蓄电池常见故障维修J气象科技,():曾杨,魏明明,胡沁区域气象站蓄电池剩余容量预测算法分析J电子测量技术,():卢舟,彭柏池,袁首,等区域自动气象站供电及通信系统改 良 方 法 研 究 J电 子 测 量 技 术,():朱斌,钟 鸣 D Z Z 区 域 自动 气象 站 常见 故障 排查J气象水文海洋仪器,():徐瑾薇区域自动气象站异常现象处理方法和维修事项J气象水文海洋仪器,():周凯,申文进,王小巍区域自动气象站日常故障检修J气象水文海洋仪器,():