張 瑞，蒲小蘭,周 宇

(1.四川省合江縣氣象局，四川 合江 646200;2.四川省瀘州市納溪區(qū)氣象局，四川 瀘州 646300)

0 引言

根據(jù)四川省氣象局要求，2020年9月30日20時(shí)后，氣溫降水多傳感器融合觀測業(yè)務(wù)正式運(yùn)行，在此之前各臺(tái)站需完成氣溫降水多傳感器的安裝，地面綜合觀測業(yè)務(wù)ISOS軟件Ver3.0.2.615、主采程序升級(jí)，氣溫降水多傳感器掛接調(diào)試工作。多溫多雨觀測正式運(yùn)行，更能保證氣溫與雨量數(shù)據(jù)的完整性和可用性，提高自動(dòng)化程度。

1 氣溫降水多傳感器簡介

1.1 氣溫

氣溫多傳感器標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)[1]：3支氣溫傳感器和氣溫多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器等組成。

氣溫標(biāo)準(zhǔn)值[2]：3支氣溫傳感器采集的氣溫觀測數(shù)據(jù)進(jìn)入氣溫多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器，通過融合算法和監(jiān)控算法實(shí)現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)融合為標(biāo)準(zhǔn)值。

氣溫多傳感器由3支鉑電阻溫度傳感器組成，分別稱為氣溫傳感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，氣溫多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器將氣溫傳感器Ⅰ的測量結(jié)果選作業(yè)務(wù)主用數(shù)據(jù)源，Ⅱ和Ⅲ的測量結(jié)果作為熱備份數(shù)據(jù)源，將3支傳感器的測量值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比檢查，若超出閾值±0.3 ℃，則觀測軟件報(bào)警提示檢查異常氣溫傳感器?，F(xiàn)用氣溫傳感器異常時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)控制器自動(dòng)切換至狀態(tài)正常的熱備份氣溫?cái)?shù)據(jù)源，順序?yàn)棰瘛ⅱ?、Ⅲ、Ⅰ依次切換，標(biāo)準(zhǔn)值缺測或3支氣溫傳感器均超出閾值，則傳輸值缺測。

1.2 降水

降水多傳感器標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)：3個(gè)雨量傳感器和雨量多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器等組成。

降水多傳感器標(biāo)準(zhǔn)值：3個(gè)雨量傳感器采集的降水量觀測數(shù)據(jù)進(jìn)入雨量多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器，通過融合算法和監(jiān)控算法實(shí)現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)融合為標(biāo)準(zhǔn)值。

降水多傳感器由3個(gè)翻斗式雨量傳感器[1]組成，分別稱為雨量傳感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，降水多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器將Ⅰ的測量結(jié)果選作業(yè)務(wù)主用數(shù)據(jù)源，Ⅱ和Ⅲ的測量結(jié)果作為熱備份數(shù)據(jù)源，在整點(diǎn)將3個(gè)傳感器的小時(shí)累積降水量測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比檢查，若超出閾值±0.4 mm(≤10 mm)或±4%(>10 mm)，則觀測軟件報(bào)警提示檢查異常雨量傳感器。現(xiàn)用雨量傳感器異常時(shí)，其切換方式和順序與氣溫多傳感器相同。

2 氣溫降水多傳感器安裝

2.1 氣溫多傳感器安裝

斷電后將配套的多孔位溫濕度支架安裝好后，在多孔位溫濕度支架上安裝3支新溫度傳感器與原用的濕度傳感器，氣溫傳感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和濕度傳感器的安裝方位分別為東、北、南、西(如圖1)。

圖1 溫濕度支架上傳感器布局Fig.1 Layoutof sensoron the temperature and humidity bracket

傳感器安裝上架后，在19位接線排上按對(duì)應(yīng)順序接線。接線要注意，原單溫單雨觀測時(shí)，使用HMP155溫濕度傳感器的臺(tái)站，接濕度傳感器線時(shí)應(yīng)只接溫濕度傳感器上藍(lán)棕粉紅4根濕度傳感器的電源、信號(hào)線，另黃白灰綠4根溫度電阻線不再接用。在百葉箱外側(cè)南面安裝HY1360氣溫多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器，與接線排對(duì)應(yīng)接口連接，最后將氣溫多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器通過電源線、CAN總線與主采連接，實(shí)現(xiàn)通電和通訊。

2.2 降水多傳感器安裝

降水多傳感器的安裝首先要預(yù)制基礎(chǔ)。原單溫單雨使用的翻斗式雨量傳感器距東邊小路2.5 m則可保持不動(dòng)，作為降水多傳感器中的雨量傳感器Ⅰ，并以此為基準(zhǔn)安裝其他儀器。在雨量傳感器Ⅰ東側(cè)1.5 m處安裝降水多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器，安裝完成后，標(biāo)準(zhǔn)控制器應(yīng)與東邊小路相距1 m；在雨量傳感器Ⅰ西南側(cè)和東南側(cè)分別安裝雨量傳感器Ⅱ和Ⅲ，3個(gè)雨量傳感器位置的連線成為邊長為1.5 m的等邊三角形(圖2)。將3個(gè)雨量傳感器的二芯線分別接到HY1361降水多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器上對(duì)應(yīng)的接口，最后將降水多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器通過電源線、CAN總線與主采相連接，實(shí)現(xiàn)通電和通訊。

圖2 降水傳感器及控制器安裝布局Fig.2 Installation layout of precipitation sensor and controller

要實(shí)現(xiàn)氣溫降水多傳感器掛接運(yùn)行，還需將主采軟件升級(jí)到VER2.69版本，地面綜合觀測業(yè)務(wù)軟件升級(jí)到VER3.0.2.615，軟件升級(jí)在此不再詳述。升級(jí)完成后的參數(shù)設(shè)置：可以通過調(diào)試助手或者在ISOS軟件維護(hù)終端進(jìn)行相關(guān)命令操作，查看版本號(hào)，檢查升級(jí)是否成功，命令符：“VERSION(回車)”，設(shè)置溫雨融合框架：命令符：“CHRVER X”，“1”表示溫雨融合框架，“0”表示單溫單雨框架，返回T表示設(shè)置成功，隨后采集器會(huì)重啟，稍等2～3 min；設(shè)置溫度降水多傳感器站，命令符：“STLX M(回車)”(此命令需在溫雨融合框架下使用)，返回“M”為溫度降水多傳感器站，返回“S”為溫度降水單傳感器站；設(shè)置多溫度傳感器系數(shù)，命令符：“RSENCO XXX a0 a1 a2 a3”，返回“T”設(shè)置成功。XXX分別代表多溫傳感器T01、T02、T03，溫度傳感器標(biāo)簽上的系數(shù)有2種表達(dá)方式ABC與a2a1a0,A=a2,B=a1,C=a0。重置質(zhì)控默認(rèn)參數(shù)，命令符“RESETTOFACTORY(回車)”后，則可對(duì)氣溫多傳感器進(jìn)行掛接調(diào)試。

3 氣溫降水多傳感器問題

氣溫降水多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)，能有效解決現(xiàn)行自動(dòng)氣象站氣溫和雨量傳感器故障導(dǎo)致的氣溫、雨量數(shù)據(jù)異?；蛉睖y破壞數(shù)據(jù)連續(xù)性的問題，其本質(zhì)就是增加氣溫和降水的備用數(shù)據(jù)源，使其在儀器故障等需要較長時(shí)間恢復(fù)的過程中，有實(shí)時(shí)可用、即時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，較單溫單雨觀測時(shí)，大大增加了氣溫、降水觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性、完整性和可用性，以此提高了自動(dòng)化程度。氣溫降水多傳感器的優(yōu)點(diǎn)顯而易見，但也還存在一些可優(yōu)化的問題。

前面提到，氣溫降水多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器會(huì)將3個(gè)傳感器的測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)用傳感器異常時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)控制器可自動(dòng)切換至狀態(tài)正常的熱備份數(shù)據(jù)源。但是氣溫、降水多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器對(duì)比所用時(shí)間太長，切換不及時(shí)。例如：某臺(tái)站9月25日降水情況(表1)，雨量傳感器Ⅰ故障導(dǎo)致22—08時(shí)無降雨量，08時(shí)40分經(jīng)人工維護(hù)恢復(fù)正常；雨量傳感器Ⅱ也出現(xiàn)故障，但是有降雨量，雨量偏小，17時(shí)31分恢復(fù)正常；雨量傳感器Ⅲ經(jīng)與備份站比較，雨量正常。降水標(biāo)準(zhǔn)控制器25日04時(shí)將數(shù)據(jù)源轉(zhuǎn)為雨量Ⅱ，到19時(shí)才將傳輸數(shù)據(jù)源切換回雨量Ⅰ，期間從未切換到降水傳感器Ⅲ。而在此過程中，無法進(jìn)行人工切換，將數(shù)據(jù)源切換到正常的降雨傳感器數(shù)據(jù)源。

表1 某站24日22時(shí)—25日21時(shí)雨量數(shù)據(jù)(單位：mm)Tab.1 Rainfall data of a station from 22:00 on the 24th to 21:00 on the 25th (unit∶mm)

由于雨量變化過程不是緩慢而連續(xù)的，所以與3個(gè)傳感器的觀測值進(jìn)行對(duì)比的標(biāo)準(zhǔn)值算法應(yīng)該再進(jìn)行優(yōu)化，否則當(dāng)3個(gè)傳感器中有2個(gè)傳感器同時(shí)異常時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)值就失去了標(biāo)準(zhǔn)性，加上對(duì)比切換時(shí)間長達(dá)幾個(gè)小時(shí)，這對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率也有所影響。

多傳感器現(xiàn)存在的問題：一是標(biāo)準(zhǔn)控制器對(duì)比不靈敏，所需用時(shí)長達(dá)幾小時(shí)，人工發(fā)現(xiàn)明顯錯(cuò)誤時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)控制器不能質(zhì)控出來；二是某傳感器異常時(shí)，只能通過標(biāo)準(zhǔn)控制器對(duì)比后自動(dòng)切換，不能人工切換；三是標(biāo)準(zhǔn)值的融合算法有待進(jìn)一步優(yōu)化，多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器進(jìn)行融合處理時(shí)，各傳感器測量的不精確和干擾都會(huì)成為數(shù)據(jù)融合的障礙[3]。

4 結(jié)論

①應(yīng)用安裝：氣溫降水多傳感器的安裝與單溫單雨傳感器安裝過程大同小異，在安裝中需注意在標(biāo)準(zhǔn)控制器中的對(duì)應(yīng)接線順序，否則會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)源選用錯(cuò)誤；硬件安裝后的軟件升級(jí)是使用多傳感器觀測方式的前提，軟件升級(jí)成功后一定要先發(fā)送命令轉(zhuǎn)化多溫多雨融合框架才能進(jìn)行傳感器的參數(shù)設(shè)置。

②優(yōu)化建議：多傳感器融合技術(shù)在氣象觀測的應(yīng)用中應(yīng)繼續(xù)優(yōu)化，如果在之后的軟件升級(jí)中能優(yōu)化人工切換數(shù)據(jù)源功能，優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)控制器對(duì)比切換數(shù)據(jù)源的時(shí)間以及標(biāo)準(zhǔn)值的融合算法，相信能讓氣溫降水多傳感器在保證數(shù)據(jù)連續(xù)性、完整性、準(zhǔn)確性、可用性上更進(jìn)一步。能讓氣象觀測事業(yè)實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)化、現(xiàn)代化、智能化。