HY-WP1A 型天气现象智能观测仪维护维修方法研究

徐文隆 1 ，陈胜远 1 ，杨亭 1 ，熊平 2 ，李艳 1

1. .贵州省大气探测技术与保障中心，贵州贵阳 550001；

2. 2.黔南州气象局 贵州都匀 558000； 

摘要：2020年，贵州省气象部门完成了HY-WP1A天气现象智能观测仪的安装，并投入业务试运行。该设备的建成，标志着贵州省地面气象观测全面实现现代化，各地面气象观测要素由人工观测转为自动化观测。该设备实现了对云、凝结现象、降雪的自动化图像识别，是气象观测业务运行领域率先使用图像数据处理技术的新装备。然而，伴随的时地面观测自动化改革的到来，国家级台站已再无观测员，对业务人员的维护维修提出了新的要求，本文通过阐述天气现象智能观测仪的传感器、采集器、信号通讯等方面技术要点，以对设备进行综合故障排查和修复提供必要的技术基础。

关键词：天气现象智能观测仪；故障排查

前言

HY-WP1A型天气现象智能观测仪是由华云升达公司开发并生产的气象观测装备，它被广泛应用于气象行业内，作为人工观测的重要替代自动化设备，该设备具备云观测（总云量、云状）、结冰观测（结冰现象和电线结冰）、地面凝结现象（露、霜、雨凇、雾凇）、降雪（雪深、积雪）的自动观测能力。同时可以通过传感器扩展，可对视程障碍现象（雾、轻雾、霾、沙尘等）进行观测。需要注意的是，贵州省目前建设的没有扩展视程障碍现象，所以我省的HY-WP1A不用作视程障碍现象观测，视程障碍现象主要依靠前向散射式能见度仪进行综合判别。HY-WP1A型天气现象智能观测仪具有智能化、分布式的技术特点，但由于分布式单元较多，对维护维修尤其是故障排查的环节也相应增加，维持，梳理清楚设备结构和信号传输特点，可以帮助我们更快速的排查故障解决故障。

1 HY-WP1A型天气现象智能观测仪基本功能介绍

1.1基本结构

天气现象智能观测仪主要由图像采集单元、图像处理单元、通信单元、供电单元和结冰观测单元、雪深观测单元、结构附件等组成。对于该设备的总体结构需要注意的是，设备从上到下依次是图形采集单元（鱼眼摄像机、长焦摄像机、短焦摄像机）。机箱内包含数据处理单元（主要是我们通常说的采集器）、输出传输单元（光纤、路由器、串口信号线）、电源（电线缆、空开）、防雷设施（弱电信号避雷接线器）等，各摄像头所观测目标物和所得天气现象如表1：

表1 摄像头类型对应天气现象

1.2 工作原理

设备的工作原理是将摄像头拍摄到固定位置目标物的图片，进行图形识别，应用图形处理器里大量的特征图像数据，进行数据分析对比，最终得到目标物气象特性的判定。其主要观测结果测试指标如表2：

表2 天气现象智能观测仪观测结果测试指标

1.3 信号传输流程

HY-WP1A智能观测仪的产品是由两种组成，一个为三个摄像头拍摄的图片数据，另一个为主控制器MC1A输出的判别串口数据。他们通过不同的方式传输，最终进入值班室业务计算机，在观测业务软件上体现。图片信号的传输路径为，摄像机通过网线到机箱内室外交换机，经过交换机汇集，通过网线再传输至主控制器进行图形处理，同时，室外交换机通过光纤传输，应用观测场综合硬件控制器内对光纤进行耦合延长，至值班室内，经光纤转换器，转为RJ45网络信号，把图片传输至本地计算机；主控器处理判别的数据，通过串口输出，以三芯线缆的方式，经过防雷组件，进入综合硬件控制器，再经光纤传输至值班室，转换为RJ45信号，进入业务计算机，业务计算机通过映射串口，获取主控器的图像判别产品。

2 各主要传感器的作用和信号传输流程

掌握各传感器的作用和信号传输流程对我们日常进行故障排查和修复有着重要的指导意义，掌握了信号的传输线路，可以帮助准确找到故障环节；掌握传感器的作用，可以结合终端软件的现象显示，发现故障具体部位。

2.1鱼眼摄像机的作用和主要技术要点

鱼眼摄像机安装于整个设备的最顶端，它对准天空，实现180°水平观测，采用1200万像素记录，对天空中的总云量和云状进行图片拍摄，经数据处理单元（采集器）进行总云量和云状的数据判别。

由此可知，鱼眼摄像机只是一个记录拍照的部件，它需要结合采集器才会最终实现云状云量的传感结果。如图1：

图1 鱼眼摄像机信号传输流程

需要注意的是，当排查鱼眼摄像机故障时，可以先用万用表直流档检查24V直流电源（可在机箱内，最好是在摄像头接电处）是否正常供电，再检查网线通断，如果以上都正常，那么鱼眼摄像机本身故障，寄回厂家修复即可。

2.2长焦摄像机的作用和主要技术要点

长焦摄像机安装于整个设备的中上端，位于鱼眼摄像机之下，它对准草地和蒸发皿，采用400万像素记录，对目标物进行图片拍摄，经数据处理单元（采集器）进行露、霜、电线结冰和积雪的判断，如图2：

图2 长焦摄像机信号传输流程

对长焦摄像机故障的排查，除同鱼眼排查方式一致外，对地面现象出现故障的，还需注意摄像机是否对准了草地和蒸发皿，同时，蒸发皿内需保留30mm的水，由于是采用图形算法，参照物的一致对识别结果起到关键作用。

2.3短焦摄像机的作用和主要技术要点

短焦摄像机安装于整个设备的下端，位于长焦摄像机之下，它对准电线和雪深尺，采用400万像素记录，对目标物进行图片拍摄，经数据处理单元（采集器）进行雪深观测和雨凇、雾凇的判断，如图3：

图3 短焦摄像机信号传输流程

需要注意的是，短焦摄像机故障排查中，需要检查电源是否是正常接入12V直流，再检查网线通断以排查摄像机本身故障。

3 主控制器的作用和技术要点

智能现象仪的数据处理核心为HY-MC1A型主控制器，也可以理解为我们日常维护维修中应用的主采集器，它和采集器不同的是里面装有GPU图形识别芯片，以上三个摄像机观测到的图片，就是经它进行图形计算，得到我们的观测结果并以串口信号输出的。

对主控制器进行故障排查时，需要通过指示灯亮情况进行初步故障判断，见表3：

表3 指示灯亮情况

主控制器的工作电压为12V直流，采集箱中的12V直流电源和5A保险管是检查电源的关键点，在故障排查中需要注意。同时，主控制器有4个232接口位于最左侧，在正常安装（串口线序RX为绿色、TX为黄色、G为蓝色）情况下，使用了从上至下的第二口作为串口信号输出，如果在无判别结果，同时各摄像头均正常的情况下，可跟换至任意插口，以检查是否为模拟口故障还是采集器内部故障。其次，主控制器的判别结果，通过串口信号，至观测场现有硬件控制器，最终在终端计算机上进行串口映射，达到数据传输的目的，所以综合排查硬件控制器的工作情况，也是排除无判别数据传输的关键点。

4 仪器维护和故障排查

4.1日常维护

每周检查摄像机镜头的遮挡和污染情况，若有遮挡或污染应及时清理，清理应在日出前或日落后进行。清洁摄像机镜头时，天气现象视频成像仪镜头可用柔软不起毛的棉布或脱脂棉沾无水乙醇直接擦试镜头玻璃，全天空成像仪镜头可先用清水冲洗表面浮尘与沙粒，再用柔软不起毛的棉布或脱脂棉沾无水乙醇擦试镜头，注意不要划伤玻璃表面，勿用其他物品清洁。可根据设备附近环境的情况，延长或缩短维护的时间间隔（遇沙尘、降雪等影响观测时，应及时清洁）。

每月定期检查摄像机的水平、方位和倾角，检查立柱是否稳固，检查辅助观测目标物是否稳固，发现问题及时纠正，避免振动等对摄像机拍摄产生的不良影响。

每月检查地面集中观测区自然下垫面及露、霜目标物草地状况，保持平整良好。

每月检查供电设施，保证供电安全。

每年春季对防雷设施进行全面检查，复测接地电阻。

结冰容器应尽可能使用代表当地自然水体(江、河、湖)的水，器内水量不足时需及时添加；雪深尺应保持竖直，刻度零线与地面集中观测区自然下垫面齐平。

结冰容器、雪深尺、电线积冰支架上的观测导线等非结冰期时应收回室内妥善保管，结冰期开始前按照要求及时布设安装。

定期更换设备易损件，尤其是在自然条件较为恶劣的地区；如果损坏或腐蚀应及时进行处理、更换。

当设备故障时应及时进行维护或维修。

4.2 一般故障排查和维修

设备的故障排查和维修由故障现象主要分为：无图像故障、无判别结果故障。

无图像现象故障排查和维修：该故障现象主要表现为本地有正常的天气现象判别结果，但无法获取三个摄像头图像信号。可参照以下排除方法依次进行故障排查和维修：

首先在本地计算机输入图像路由器ip地址，查看是否能够顺利打开路由器，如不能打开路由，应检查室内光纤转换器工作情况，如发现室内光纤转换器故障，应更换光纤转换器。如光纤转换器指示正常，应用光纤笔测量观测场至该位置光纤通断，如光信号无法传输，判断故障为光纤故障，应更换光纤；如光纤传输正常，但依然无图像信号，应检查主采集箱中电源情况，用万用表测量DC12v电源和DC24v电源的输出电压，如果输出电压为0，可依次排查输入电压、保险管状态，如发现故障，可更换电源和相关配件。如电源正常，可检查三个摄像头中电源线是否松动，网线是否松动，如电源正常，网线接入正常，可判断故障为摄像头本身故障，更换摄像头重新完成配置即可。

无判别结果的故障排查和维修：该故障现象主要体现为本地计算机能顺利接受三个摄像头故障，但无法接受判别结果。可参照以下方法进行判别：首先查看硬件控制器配置情况，如正常，查看计算机到硬件控制器之间的光纤转换器运行情况，如光纤转换器运行正常，应查看硬件控制器本身运行情况，测量硬件控制器输入电源是否正常，查看硬件控制器对应接口指示灯TR是否正常闪烁，如TR闪烁不正常，可进一步测试天脸串口信号输出线路通断和信号避雷器是否正常，如线路正常，可判定为MC1A主控制器故障。更换主控制器后重新参照说明书，完成配置即可，如避雷器损坏，更换信号避雷器或直连即可解决故障。

5小结

根据以上叙述，可对目前应用于地面气象观测中的HY-WP1A型天气现象智能观测仪得到系统结构和数据应用两方面的判断：1.HY-WP1A型天气现象智能观测仪的结构环节较多，通讯中任意一个单元的故障都需要经过较长的排查方法才能找到故障点，设备的微智能化程度不够；2.设备缺乏在本地计算机中直接显示的状态信息数据帮助故障排查；3.图像判别依靠的是大量的典型数据应用图形算法迭代结果，对算法需要实时更新，丰富典型数据提高图像识别率。

参考文献：

[1]《地面气象自动观测规范（第一版）》

[2]《HY-WP1A 型天气现象智能观测仪说明书1.1》

作者简介：徐文隆（1986年—）男，汉族，本科，工程师，从事气象装备保障工作。