吳舉秀，黃 磊，邊文超，于 帥

(1.山東省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250031；2.山東省氣象局大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，濟(jì)南 250031)

0 引言

區(qū)域自動(dòng)氣象站是全國(guó)自動(dòng)氣象觀(guān)測(cè)體系的重要組成部分，區(qū)域站和天氣站的風(fēng)向風(fēng)速測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)天氣預(yù)報(bào)、氣候監(jiān)測(cè)、霧霾防治、氣象預(yù)警以及氣象理論研究等方面具有重要作用。為了確保區(qū)域站風(fēng)傳感器探測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要定期對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)[1]。但是由于區(qū)域站、天氣站地理位置偏遠(yuǎn)，環(huán)境比較惡劣，風(fēng)向、風(fēng)速傳感器經(jīng)常出現(xiàn)軸承卡澀現(xiàn)象，造成啟動(dòng)風(fēng)速過(guò)大和小風(fēng)速缺失等問(wèn)題，目前運(yùn)行的業(yè)務(wù)監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)法識(shí)別出軸承卡澀造成的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤問(wèn)題，臺(tái)站雖然根據(jù)區(qū)域站核查辦法制定了不同臺(tái)站現(xiàn)場(chǎng)核查時(shí)間，但是核查時(shí)間是固定的，使得大量臺(tái)站出現(xiàn)風(fēng)傳感器軸承卡滯問(wèn)題無(wú)法被及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，從而產(chǎn)生了很多錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。部分文獻(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)核查的方法進(jìn)行了研究[2，3]，劉昕[4]等詳細(xì)介紹了風(fēng)向、風(fēng)速現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法，但是沒(méi)有具體研究臺(tái)站風(fēng)向風(fēng)速核查維護(hù)的最佳時(shí)間。也有一些文獻(xiàn)對(duì)風(fēng)傳感器的凍結(jié)問(wèn)題進(jìn)行了探討，朱世恒[5]等設(shè)計(jì)了一種基于風(fēng)傳感器的故障自動(dòng)檢測(cè)裝置，可以快速判斷風(fēng)傳感器是否被凍結(jié)，但如何利用目前的業(yè)務(wù)監(jiān)控系統(tǒng)快速判定傳感器是否被凍住尚未有人研究。

綜合氣象觀(guān)測(cè)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)是國(guó)家氣象探測(cè)設(shè)備保障領(lǐng)域內(nèi)的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)提高氣象裝備運(yùn)行效能發(fā)揮了重要作用[6，7]。但是省級(jí)ASOM2.0系統(tǒng)和在全國(guó)已完成了業(yè)務(wù)試運(yùn)行的省級(jí)裝備保障一體化系統(tǒng)以及綜合氣象觀(guān)測(cè)業(yè)務(wù)運(yùn)行信息化平臺(tái)(“天元”系統(tǒng))，都沒(méi)有識(shí)別出傳感器卡滯以及凍結(jié)故障，造成大量的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。所以文章研究了一種風(fēng)向風(fēng)速傳感器軸承卡滯以及凍結(jié)故障的識(shí)別算法，依托已經(jīng)試運(yùn)行的綜合觀(guān)測(cè)省級(jí)裝備保障一體化業(yè)務(wù)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了個(gè)性化監(jiān)控模塊，識(shí)別出軸承卡澀需要現(xiàn)場(chǎng)核查的臺(tái)站以及軸承凍結(jié)需要維護(hù)的臺(tái)站，使得臺(tái)站可以根據(jù)識(shí)別的結(jié)果制定區(qū)域站風(fēng)向風(fēng)速核查計(jì)劃以及利用凍結(jié)連續(xù)時(shí)間決策維護(hù)維修時(shí)間，提高區(qū)域站風(fēng)向風(fēng)速核查的有效性以及保障的及時(shí)性，從設(shè)備前端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。

1 算法設(shè)計(jì)

風(fēng)速、風(fēng)向傳感器軸承有卡澀時(shí)，小風(fēng)速下傳感器測(cè)的風(fēng)向主要表現(xiàn)為連續(xù)一段時(shí)間內(nèi)為某一固定值，風(fēng)速可表現(xiàn)為連續(xù)一段時(shí)間內(nèi)為0 m/s，軸承卡滯越嚴(yán)重持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。風(fēng)向、風(fēng)速傳感器凍結(jié)時(shí)，主要表現(xiàn)為風(fēng)向連續(xù)不變，有時(shí)數(shù)據(jù)為0°，風(fēng)速體現(xiàn)為連續(xù)一段時(shí)間為0 m/s。目前靜風(fēng)時(shí)區(qū)域站業(yè)務(wù)軟件處理得到的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)表現(xiàn)為0°、0 m/s，因此要識(shí)別出風(fēng)速、風(fēng)向傳感器軸承卡澀或凍結(jié)現(xiàn)象，首先需要統(tǒng)計(jì)山東省靜風(fēng)持續(xù)時(shí)間，把靜風(fēng)因素去掉。文中選用區(qū)域站的小時(shí)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算法設(shè)置，利用小時(shí)數(shù)據(jù)而不用分鐘數(shù)據(jù)的原因是：軸承卡滯造成的風(fēng)向風(fēng)速連續(xù)不變的時(shí)間以及靜風(fēng)持續(xù)時(shí)間都會(huì)持續(xù)幾小時(shí)以上；業(yè)務(wù)系統(tǒng)讀取的都是小時(shí)數(shù)據(jù)，比存儲(chǔ)分鐘數(shù)據(jù)節(jié)省存儲(chǔ)資源；極大風(fēng)速的風(fēng)速風(fēng)向完全可以體現(xiàn)出分鐘數(shù)據(jù)風(fēng)速風(fēng)向的特征，所以用小時(shí)數(shù)據(jù)更有實(shí)際意義。

1.1 靜風(fēng)持續(xù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)

文章中的數(shù)據(jù)來(lái)自經(jīng)過(guò)初步質(zhì)控的CIMISS系統(tǒng)中的中國(guó)地面逐小時(shí)資料(國(guó)家站)，利用山東省123個(gè)國(guó)家氣象觀(guān)測(cè)站的風(fēng)傳感器觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了2018年12月至2020年11月靜風(fēng)持續(xù)時(shí)間。統(tǒng)計(jì)時(shí)認(rèn)為國(guó)家站的風(fēng)向風(fēng)速傳感器是符合校準(zhǔn)的，不考慮部分臺(tái)站軸承出現(xiàn)輕微卡澀造成對(duì)靜風(fēng)時(shí)間的影響。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，風(fēng)向出現(xiàn)靜風(fēng)頻率比風(fēng)速的多，2 min平均風(fēng)速的持續(xù)時(shí)間與瞬時(shí)風(fēng)速的持續(xù)時(shí)間相差不大，靜風(fēng)持續(xù)時(shí)間絕大多數(shù)為1 h，個(gè)別最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間可達(dá)12 h，但持續(xù)時(shí)間在5 h以上的臺(tái)站較少，與王玉辰[8]統(tǒng)計(jì)的延安地區(qū)的靜風(fēng)時(shí)間分布規(guī)律基本一致。通過(guò)統(tǒng)計(jì)每月風(fēng)向、風(fēng)速的靜風(fēng)最長(zhǎng)連續(xù)時(shí)次以及連續(xù)超過(guò)6時(shí)次的站點(diǎn)個(gè)數(shù)，可以得出多數(shù)月份最大持續(xù)時(shí)次超過(guò)5時(shí)次，但是站點(diǎn)個(gè)數(shù)很少，7—12月靜風(fēng)時(shí)間可連續(xù)超過(guò)6時(shí)次；靜風(fēng)時(shí)，2 min平均風(fēng)速的持續(xù)時(shí)間稍高于極大風(fēng)速持續(xù)的時(shí)間。其中1月、2月很多站點(diǎn)傳感器出現(xiàn)凍結(jié)造成多時(shí)次數(shù)據(jù)缺測(cè)，統(tǒng)計(jì)的靜風(fēng)時(shí)間也可能由于受到冰凍天氣的影響而稍有增長(zhǎng)，但總體來(lái)說(shuō)，1—6月靜風(fēng)持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短。

1.2 具體算法

文章跟蹤了實(shí)際軸承卡澀時(shí)的風(fēng)要素?cái)?shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)很多臺(tái)站在11月份雖然極大風(fēng)速連續(xù)不變的時(shí)次只有5時(shí)次以上，但是2 min平均風(fēng)速連續(xù)不變的時(shí)次可達(dá)18時(shí)次以上，因此結(jié)合以上統(tǒng)計(jì)的靜風(fēng)分布時(shí)間特點(diǎn)，不同月份設(shè)置不同的閾值。因?yàn)轱L(fēng)向風(fēng)速傳感器是一起進(jìn)行核查維護(hù)的，所以可忽略風(fēng)向風(fēng)速靜風(fēng)持續(xù)時(shí)間的差別。臺(tái)站人員根據(jù)告警結(jié)果分析傳感器狀態(tài)，合理安排核查臺(tái)站次序、時(shí)間，制定核查方案，優(yōu)先安排去現(xiàn)場(chǎng)核查持續(xù)報(bào)警站點(diǎn)，通常軸承卡澀嚴(yán)重的需要及時(shí)更換風(fēng)傳感器[9，10]。

1)3—6月

設(shè)置瞬時(shí)風(fēng)速或者2 min平均風(fēng)速或者極大風(fēng)速(風(fēng)向)連續(xù)6時(shí)次不變進(jìn)行風(fēng)速(風(fēng)向)持續(xù)不變告警。

2)1—2月

1—2月天氣很冷，不利于傳感器的現(xiàn)場(chǎng)核查以及維護(hù)維修。通常出現(xiàn)最多的問(wèn)題是風(fēng)傳感器被凍結(jié)，風(fēng)向傳感器凍結(jié)表現(xiàn)為風(fēng)向風(fēng)速連續(xù)不變，也可以聯(lián)合濕度、氣溫進(jìn)行判斷。袁佰順等研究確定了風(fēng)傳感器凍結(jié)時(shí)氣溫、濕度、風(fēng)速的臨界值；尹憲志等認(rèn)為，凍結(jié)時(shí)濕度最小閾值為93%，氣溫閾值為0°，也可以設(shè)置算法識(shí)別風(fēng)速傳感器是否被凍結(jié)。算法流程為風(fēng)速或者風(fēng)向連續(xù)6時(shí)次，氣溫小于等于0°，并且最小相對(duì)濕度大于等于93%，則凍結(jié)報(bào)警；風(fēng)速或者風(fēng)向連續(xù)6時(shí)次無(wú)變化也可以識(shí)別出出現(xiàn)凍結(jié)臺(tái)站或者軸承卡澀的臺(tái)站。此算法只適合有濕度要素的區(qū)域站，未安裝濕度要素的區(qū)域站則不做考慮，風(fēng)向傳感器的判別流程與風(fēng)速相同。

3)7—12月

設(shè)置極大風(fēng)速(風(fēng)向)或者瞬時(shí)風(fēng)速(風(fēng)向)或者2 min平均風(fēng)速(風(fēng)向)連續(xù)12時(shí)次不變進(jìn)行告警。12月也可能出現(xiàn)凍結(jié)的情況，凍結(jié)故障識(shí)別算法同1—2月。

2 軟件設(shè)計(jì)

為了能夠使用省級(jí)裝備保障一體化業(yè)務(wù)平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，文章在此平臺(tái)上開(kāi)發(fā)了開(kāi)放式個(gè)性化監(jiān)控算法實(shí)現(xiàn)模塊，以Web形式實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的算法。模塊使用JAVA語(yǔ)言編程，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到了兼容推廣問(wèn)題，可以很方便地切換到省級(jí)ASOM2.0綜合觀(guān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，也可以作為天元系統(tǒng)本地化的一部分，軟件包括算法查詢(xún)、新增算法、報(bào)警信息查詢(xún)等3部分，具體功能介紹見(jiàn)文獻(xiàn)Lin G等[11]。個(gè)性化的監(jiān)控算法流程：1)首先建立質(zhì)控規(guī)則，按照站點(diǎn)數(shù)據(jù)質(zhì)控業(yè)務(wù)需求來(lái)篩選不同站點(diǎn)的數(shù)據(jù)集合，對(duì)具體要素內(nèi)容設(shè)置多個(gè)規(guī)則的方式準(zhǔn)確地篩選出業(yè)務(wù)所需要的質(zhì)控告警狀態(tài)信息，告警內(nèi)容格式按照告警描述的內(nèi)容可以自行設(shè)置。對(duì)于要素的質(zhì)控規(guī)則，根據(jù)不同要素業(yè)務(wù)需求設(shè)計(jì)了多種可供搭配使用的規(guī)則。2)利用數(shù)據(jù)調(diào)度工程，根據(jù)規(guī)則質(zhì)控完成篩選：先一次性從規(guī)則表中查詢(xún)所有已啟用且在規(guī)則月份內(nèi)的需要質(zhì)控的記錄，然后根據(jù)條件分類(lèi)拼接數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)篩選數(shù)據(jù)，完成業(yè)務(wù)上的邏輯拼接后返回需要的告警信息。3)告警信息以列表形式顯示。

3 告警結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

2020年11月份將風(fēng)向風(fēng)速持續(xù)不變的識(shí)別算法應(yīng)用到軟件中進(jìn)行檢驗(yàn)，首先試驗(yàn)了連續(xù)5時(shí)次無(wú)變化的區(qū)域站，識(shí)別出110個(gè)區(qū)域站風(fēng)向或風(fēng)速連續(xù)5時(shí)次無(wú)變化，與臺(tái)站進(jìn)行了核實(shí)，連續(xù)5時(shí)次不變的臺(tái)站基本認(rèn)為是靜風(fēng)，部分測(cè)站則是因周?chē)懈叽蟮臉?shù)木遮擋造成的，其中12時(shí)次以上基本為風(fēng)傳感器的問(wèn)題。同時(shí)檢測(cè)出很多站點(diǎn)已經(jīng)連續(xù)幾十天風(fēng)向風(fēng)速持續(xù)不變，利用該方法檢測(cè)后，臺(tái)站可以及時(shí)檢查維修，形成良性循環(huán)。2020年12月份風(fēng)向連續(xù)12時(shí)次無(wú)變化準(zhǔn)確識(shí)別出了5個(gè)臺(tái)站出現(xiàn)異常，經(jīng)核實(shí)是風(fēng)向傳感器問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章通過(guò)統(tǒng)計(jì)山東省每月發(fā)生的靜風(fēng)持續(xù)時(shí)間，設(shè)計(jì)了識(shí)別區(qū)域站風(fēng)傳感器軸承卡滯的算法，并探討了聯(lián)合氣溫、濕度、風(fēng)速識(shí)別傳感器凍住的算法。

算法運(yùn)行結(jié)果顯示，軟件運(yùn)行可靠，算法識(shí)別準(zhǔn)確，為區(qū)域站的風(fēng)傳感器現(xiàn)場(chǎng)核查合理時(shí)機(jī)提供了判斷依據(jù)，也為保障人員處理傳感器凍結(jié)問(wèn)題提供了時(shí)間參考。軟件可用在業(yè)務(wù)監(jiān)控系統(tǒng)上，便于在全省進(jìn)行業(yè)務(wù)推廣應(yīng)用，也可以應(yīng)用在天元系統(tǒng)作為本地化的一部分在全國(guó)推廣使用。