丘富霖 曾耀晖 李梦芸 邓冬梅

(福建省长汀县气象局,福建 龙岩 366300)

近年来,我国气象科技迅速发展,越来越多的自动化观测设备投入日常气象业务使用,为发展地面观测自动化业务提供有力支撑[1]。HY-WP1A型天气现象视频智能观测仪(以下简称视频智能观测仪)是华云升达公司研发的一款专业气象仪器,该仪器通过摄像机多角度采集探测环境的图像和视频数据,使用当下先进的图像识别、深度学习、数据融合等技术[2],实现对探测环境中天气现象、各气象要素的自动化观测。目前,视频智能观测仪已在我国气象观测业务中正式运行,较好地实现了部分依靠人工观测为主的天气现象自动化观测。视频智能观测仪从2020年开始投入应用到福建省地面气象观测业务中,本文基于该仪器的使用经验,简要介绍其组成结构,并总结日常维护要点,以及该仪器容易出现的故障和处置流程,为基层气象台站业务人员使用和维护、维修提供参考。

1 视频智能观测仪的组成结构及工作原理

1.1 组成结构

视频智能观测仪主要由图像采集单元、图像处理单元、通信单元、供电单元和附件等组成(图1)[3]。图像采集单元根据观测对象特点和需要,由1个鱼眼摄像机、1个长焦摄像机和1个短焦摄像机组成;图像处理单元是仪器的核心,由主控制器及数据存储设备组成,主控制器内部嵌入了识别软件和控制管理软件,具备观测数据处理和设备控制的功能;通信单元负责数据传输,其中,视频智能观测仪与ISOS业务计算机通过RS-232串口连接综合集成硬件控制器的方式实现数据通信,而视频和图片数据则是采用光纤传输到室内通信转换单元,再通过业务内网上传至台站及省级数据中心;供电单元包含了交直流转换器、浪涌保护器、空气开关等部件,将220 V交流市电转换为直流电,根据不同需求,直流输出分为24 V和12 V两路,其中,24 V电源为鱼眼摄像机和长焦摄像机供电;12 V电源为主控制器、工业交换机及短焦摄像机供电。附件主要是安装基础预埋件、辅助观测目标物等配件。

图1 视频智能观测仪组成结构

1.2 工作原理

组成图像采集单元的3个摄像机根据观测任务被安装在不同位置。其中,鱼眼摄像机拍摄总云量、云状等天气现象,置于立杆顶端垂直拍摄天空;长焦摄像机拍摄结冰、霜、露、积雪现象,因此,摄像机镜头需要对着地面的蒸发皿、植物;短焦摄像机拍摄雨凇积雪深度,镜头对准支架上的电缆和雪尺。视频智能观测仪在通过图像采集单元采集探测环境的视频和图片,接着图像处理单元对拍摄的图片进行自动识别处理,最后通信单元将采集的视频、图片和识别结果传输至台站及省级数据中心[4]。

2 视频智能观测仪调试及日常维护要点

2.1 仪器调试要点

视频智能观测仪对气象要素或天气现象的准确识别,需要有质量合格的图片为支撑。因此,在仪器安装完成后要特别注意仪器的调试,将观察标志物和图像调整规范,确保仪器能够正常稳定地进行气象观测。

2.1.1 短焦摄像机

雨凇、雾凇和积雪深度的识别需要短焦摄像机拍摄合格的电缆和雪尺图片。在安装时,雪尺必须垂直于地面(倾斜角度<3°),同时,清理雪尺周边杂草,避免遮挡雪尺刻度,雪尺红色中轴线要求居中。在调试摄像机画面时,要求能清楚地看到电缆和雪尺刻度;雪尺零刻度与图像底部、电缆顶部与图像顶部、电缆底部与雪尺顶部都需要留有一段距离,镜头内的电缆要保持水平,雪尺须占图片高度的70%以上[5]。调试完成后的画面要求清晰,不能出现对焦模糊的情况(图2)。

图2 短焦摄像机观测图

2.1.2 长焦摄像机

长焦摄像机的目标物是蒸发皿和地面植物,因此,在调试画面时图像中的目标物需要保证清晰。画面调整过程中,业务人员可以通过摄像机调焦功能,调整目标物在画面中的占比。其中,画面的右半部分以观测场地面植物为主,左半部分画面以蒸发皿为主,要求蒸发皿占据左边大部分面积[6]。画面调整后,业务人员可以进行测试,向画面中的植物洒上一些水滴,再从摄像机观察能否清楚看到植物叶片上洒的水滴(图3)。

图3 长焦摄像机观测图

2.1.3 鱼眼摄像机

鱼眼摄像机的目标物是天空,安装完成后需要通过IE浏览器访问摄像机IP,在页面检查鱼眼摄像机镜头安装和显示方式的设置是否正确,其默认的安装方式分别为桌面和鱼眼(图4)。如果出现鱼眼摄像机图像显示异常,多数原因是鱼眼摄像机的安装和显示方式错误[7]。

图4 鱼眼摄像机界面

2.2 仪器日常维护

视频智能观测仪的稳定运行离不开定期的巡检、维护,气象台站应该将其纳入到日常工作中。同时,在开展巡检、维护过程中要注意以下几点:

①发现仪器观测数据出现错误或异常时,应立即分析原因并作出处理,将影响降至最低,确保仪器观测数据的准确、及时。

②开展仪器周维护时,业务人员要仔细检查3个摄像机镜头的情况,发现镜头有遮挡或污染应在日出前或日落后用柔软不起毛的棉布或脱脂棉蘸无水乙醇直接擦拭镜头玻璃进行清洁,鱼眼摄像机表面若有浮尘或沙粒时,可先用清水冲洗,然后擦试。在清洁摄像机镜头的过程中要特别注意不要划伤玻璃表面。摄像机窗口具备了加热功能,能够自动烘干摄像机镜头,业务人员无需用其他物品进行清洁。在日常工作中,业务人员应根据设备附近环境的情况,适当调整维护的时间间隔。

③开展仪器月维护时,业务人员应当检查仪器立柱是否稳固、摄像机位置是否有变化,若发现立柱不稳等问题,应当及时分析原因并整改,避免仪器在工作过程中因为振动等原因导致摄像机损坏,还要检查观测区地面植物生长状况,保持平整。同时,对供电设施安全性进行排查,确保供电的安全。

④将仪器列入每年定期防雷检测范围中。

⑤日常巡检观测场发现蒸发皿中的水量不足时要及时补充,尽可能使用本地自然水体的水。同时,保证雪尺垂直于地面,刻度零线要与观测场地面齐平[8]。

⑥储备仪器易损部件,特别是自然条件较为恶劣的台站,发现仪器部件出现损坏或腐蚀应立即更换,保障仪器稳定运行。

3 视频智能观测仪故障处理

该仪器最常出现的故障是主控制器卡死,导致观测数据中断,无法访问主控页面,此类故障通过对主控制器断电重启便能恢复正常。本文分析了日常遇到的较为复杂的故障,并给出处理方法。

3.1 网页无法访问到主控与摄像机

此类故障一般是通信转换单元出现故障,业务人员可以先排查室内通信转换单元指示灯状态,若指示灯全灭,查看设备供电是否正常。若供电正常,则尝试对通信转换单元进行断电重启。若重启无法解决问题,应检查通信转换单元的光纤头是否能看到红色光点。若两个光纤接头一个常亮,一个不亮,则观测场到通信转换单元的通信正常,此时需要尝试更换通信转换单元。

3.2 ISOS业务软件中视频智能观测仪数据采集成功率低

导致数据采集成功率低的原因有多个,首先考虑是由于视频智能观测仪主控长时间运行未进行手动校时,ISOS业务软件与主控之间存在时间差。因此,业务人员需要通过内网电脑浏览器登入主控页面,在参数设置界面手动校时,页面提示同步成功,表示校时完毕。完成校时操作后,业务人员查看ISOS业务软件观察视频智能观测仪数据采集成功率是否恢复正常。

若不是时间不一致引起采集率低的问题,则考虑是因为主控与摄像机之间未成功建立连接导致。业务人员需要通过内网电脑浏览器访问视频智能观测仪的三个摄像机IP地址,然后依次选择“配置—网络—高级配置—继承协议”,查看是否勾选了“启动ONVIF协议”。接着,在用户列表中将现有的账号删除,然后再重新添加管理员账户,用户名和密码与原账户保持一致。账户新建完成后访问主控制器IP 地址,在设备管理页面依次检查三个摄像机的参数设置,在确保参数与每个摄像机IP地址页面的设置一致后,业务人员需要到观测现场对主控器进行断电重启。

上述步骤若无法解决采集率低的问题,业务人员可以登录主控网页检查看主控程序是否为最新版本,若不是,则需要对主控程序进行更新。业务人员可以前往华云升达的官方网站或者联系厂家下载升级包,然后执行升级包中的update文件,填写主控IP,点击“测试连接”,连接上后点击“开始更新”,进度条到100%后即可完成主控程序的更新。完成上述操作后,若采集率低的问题依旧未能解决,则需要联系厂家进行维修。

3.3 ISOS业务软件中发命令无回复,但内网主控页面访问正常

视频智能观测仪数据到网页与到ISOS业务软件采用不同的链路,因此,遇到这类故障时业务人员可以按照以下步骤进行排查。

①首先,登入内网主控页面中检查主控参数设置中串口名是否正确。其次,尝试将主控器232接口替换成232-1,再测试ISOS业务软件能否正常发送命令。

②通过笔记本电脑和调试线直连主控制器232-2通道,通过串口调试软件向主控制器发送“READDATA”命令,查看能否正常读取分钟数据。若能正常读取,则主控制器通道正常,若无法正常读取,则需要更换主控制器。

③若主控制器通道正常,则排查串口服务器PORT口是否存在故障。可以更换串口服务器的PORT口,并通过SMOPORT软件更改中对应串口的参数,查看ISOS业务软件是否能与主控制器正常通信。

3.4 摄像机直连时无法从网页登录

此处以鱼眼摄像机为例,其它摄像机检查方式类似。

①先检查鱼眼摄像机的供电,用万用表测量机箱内接线排下端供电是否为24 V。若供电异常,则检查左侧保险座内保险丝是否损坏。若保险丝损坏,应检查相关电路是否有短路,着重检查摄像机线缆连接处。若连接处存在短路显现可先用防水绝缘胶带缠绕,确保线路正常再更换对应的保险丝。

②检查摄像机线缆是否连接在 DC24V 双芯插口上,确保连接状态无松动。

③查看摄像机网线是否存在异常。如果无法判断网线是否能够正常使用,可以尝试更换新的网线。

④本机IP地址需要在连接鱼眼摄像机同一网络下且没有被鱼眼摄像机占用。

⑤鱼眼摄像机需要用IE浏览器进行登录,登录后,网页下端会弹出对应黄色插件安装栏,需安装对应插件才可进行正常登录调试。

4 结束语

目前,视频智能观测仪已步入正式业务运行阶段,业务人员必须对仪器的组成结构和工作原理有所了解,才能确保在遇到问题时能够快速分析设备的故障原因,及时找到解决故障的方法,确保视频智能观测仪正常稳定运行,有效提高观测数据质量。