项目背景与行业痛点

气象条件是影响工程结构安全、施工组织、农业生产、水利运行、生态环境和野外科研的重要基础因素。空气温度、相对湿度、风速、风向和降雨并不是相互独立的数据，大风、强降雨、高湿和温度变化往往会同时作用于边坡、桥梁、铁塔、大坝、建筑工地及其他户外设施。

传统气象监测项目常采用多台单要素仪器分别测量温度、湿度、风速、风向和降雨，不同设备之间可能存在采样时间不一致、供电分散、通信接口不同、数据格式不统一和维护点位较多等问题。对于只需要建立工程现场微气象背景的项目，过多独立设备会明显增加立杆、布线、机柜和系统集成工作量。

人工气象观测还存在连续性不足的问题。强降雨、大风、夜间或恶劣天气往往恰恰是最需要数据的时段，但人工巡测难以持续覆盖。对于山区、水库、道路边坡、矿山、农田和其他无人值守点位，人员频繁到场读取数据也会增加运维成本。

一体式多要素气象监测站将空气温湿度、超声波风速风向和降雨监测集成到统一系统中，并通过边缘采集、太阳能供电、4G通信和在线监测平台实现连续自动观测，为工程安全、农业生态、科研教学和城市环境提供统一时间基准的现场气象数据。

建设目标与监测目标

本项目建设一体式多要素气象在线监测系统，在目标区域布设综合气象监测站，对空气温度、相对湿度、风速、风向、降雨量及雨强进行连续自动采集。

系统重点解决传统多套气象仪器数据分散的问题，使温度、湿度、风和降雨数据按照统一时钟采集，并同步记录设备供电、通信和运行状态。

对于结构安全监测项目，气象站主要作为外部环境背景数据源，为边坡位移、桥梁变形、铁塔倾斜、大坝位移等监测数据提供降雨、大风和温湿度关联依据。

对于农业、水利、生态和科研项目，则通过长期积累气象时间序列，获得日变化、月变化、累计降雨、极值风速和环境变化规律，为生产管理、科研分析和环境评价提供基础数据。

需求分析

多要素气象监测首先要求不同气象参数具有统一采样时间。如果温湿度、风速和降雨由多套互不关联的设备采集，时间基准和统计周期不一致，会降低后续气象要素之间以及气象数据与工程监测数据之间的关联价值。

风环境监测需要兼顾低风速启动性能和长期户外稳定性。本方案采用超声波时差测风方式，不依赖机械风杯和风向标转动部件，适合长期自动获取风速和风向数据。

降雨监测不仅需要记录累计雨量，还应能够分析雨强和不同时间尺度的降雨过程。对于边坡、基坑、水利和施工安全项目，短时强降雨往往比单纯日累计雨量更具有分析价值。

户外气象监测点通常需要独立供电和远程通信，因此系统应兼顾低功耗、太阳能储能、4G联网、本地缓存、设备状态监测和断网补传，保证偏远区域长期无人值守运行。

监测点位置同样会直接影响数据质量。气象站应布设在具有代表性的开阔位置，避免建筑尾流、树木遮挡、局部热源、喷淋和其他非目标环境因素影响测量结果。

总体解决方案

本方案采用S-AWST一体式多要素气象监测站，由一体式温湿风雨感知单元、边缘数据采集主机、太阳能与储能系统、4G通信单元、安装立杆、防雷接地及SIYB智能监测平台组成。

一体式气象感知单元同步获取空气温度、相对湿度、风速、风向和降雨数据。其中风速风向采用超声波测量方式，避免传统机械式风杯长期运行中的轴承磨损和转动部件维护问题。

现场边缘采集单元按照统一时钟获取各类气象参数，并完成信号解析、标定换算、温度或零点补偿、累计量统计、变化率计算和数据质量判断。

气象站通过4G移动通信网络将实时监测数据上传SIYB智能监测平台。在具备固定网络的场景，也可根据项目配置以太网等通信方式；特殊偏远区域还可根据项目条件配置其他远程链路。

平台对实时气象数据、累计降雨、风速极值、历史趋势、报警信息和设备状态进行统一展示，并可与结构位移、倾角、裂缝、GNSS等其他监测数据放在同一项目时间轴中分析。

系统架构设计

系统由气象感知层、边缘处理层、供电通信层、数据平台层和业务应用层构成。

气象感知层负责空气温度、相对湿度、风速、风向和降雨的现场测量，是整个自动气象站的数据入口。

边缘处理层负责统一采集调度、工程量换算、累计雨量计算、风速统计、状态检测、本地存储及异常规则执行。

供电通信层根据现场条件配置太阳能、市电、储能、4G、RS485、以太网或其他项目通信方式，使气象监测站能够适应固定站点和偏远无人值守环境。

数据平台层负责气象数据长期存储、趋势分析、极值统计、报警管理、设备状态监测和报表输出。

业务应用层根据行业不同，可以将同一套气象数据用于结构安全监测、建筑施工、农业种植、水利管理、科研教育、城市环境和生态观测。

监测内容与监测方法

空气温度监测用于记录监测点周围空气热状态，可形成实时温度、日最高温度、日最低温度、平均温度及长期温度变化曲线。

相对湿度监测用于反映空气湿润程度，可与温度共同分析高湿、低湿、昼夜变化及季节变化特征。

风速采用超声波时差原理进行测量。系统持续输出当前风速，并可根据项目统计瞬时风速、平均风速、最大风速及不同时间窗口的风速变化。

风向采用0～359°角度表示，可根据项目统一设置北向零位，并长期记录风向变化和主导风向分布。

降雨监测用于获取降雨过程数据，可计算当前雨强、累计降雨量、小时降雨量、日降雨量及指定时间段累计雨量。

所有气象参数均按照统一时间戳保存，使大风、降雨、温湿度变化能够与工程结构、农业生产或现场事件进行准确时间对应。

技术原理与算法模型

空气温湿度测量通过环境温湿度感知单元获取空气温度和相对湿度，并经过标定换算和数字处理输出工程值。

风速风向采用超声波时差测量原理。超声波在空气中的传播时间受到气流方向和速度影响，通过测量不同方向超声波传播时间差，可以计算水平风矢量，并进一步得到风速和风向。

相比机械式风杯和风向标，超声波测风没有机械旋转部件，适合需要长期自动化运行和降低机械维护频率的现场。

降雨测量单元持续记录降水过程，并根据设备输出形成雨量及雨强数据。平台可按照统一统计周期计算小时累计、日累计和指定时间窗口累计降雨。

风速可进一步统计平均值、最大值和极值；风向属于圆周角度数据，进行平均风向计算时不宜直接采用普通算术平均，应根据风向矢量进行统计。

累计降雨数据需要保存统计起点和清零规则。例如日雨量、过程雨量和项目累计雨量属于不同统计口径，平台应明确区分，避免不同报表之间出现数据解释冲突。

系统同时保留原始数据、工程值、质量标记和设备状态。当出现越量程、跳变、断线、供电异常或通信中断时，可对对应数据进行质量标识，避免将设备故障直接解释为真实天气变化。

系统功能设计

系统具备温湿度监测、风速风向监测、降雨监测、累计量统计、极值统计、历史趋势、设备诊断、本地存储、断网补传、报警管理和数据报表等功能。

实时监测功能同步展示空气温度、相对湿度、当前风速、当前风向、降雨量、雨强以及设备通信和供电状态。

统计功能可按照小时、日、月或自定义周期生成平均值、最大值、最小值和累计值，为气象过程分析提供标准化数据。

边缘计算功能在现场完成累计雨量、极值、状态判断及部分报警规则，减少所有计算完全依赖远程服务器造成的网络压力。

本地缓存功能保证通信异常期间仍持续记录数据，网络恢复后按照原时间顺序补传并检查数据完整性。

平台报警可根据高温、低温、高湿、大风、强降雨、累计降雨和设备离线等条件分别设置。

硬件组成与配置方案

系统主要由S-AWST一体式温湿风雨感知单元、边缘数据采集主机、太阳能板、蓄电池、4G通信模块及天线、安装立杆、防护箱、线缆、防雷接地和基础安装附件组成。

一体式感知单元将温湿度、超声波风和降雨测量集中在同一气象监测节点，减少多套独立传感器分别安装所产生的立杆、布线和设备管理工作。

边缘采集主机负责统一采样、数据换算、本地存储、报警规则和联网通信，并将各气象要素按照同一时间标准上传平台。

偏远无人值守站点可采用太阳能板和蓄电池独立供电；施工现场、园区和固定设施也可根据条件采用市电或其他稳定供电方式。

通信以4G远程传输为典型配置，同时系统可根据项目条件配置RS485、以太网或其他远程通信链路。

核心设备参数

空气温度测量范围为-40～+60℃，测量精度±0.2℃，分辨率0.1℃。

相对湿度测量范围为0～100%RH，测量精度±3%RH，分辨率0.1%RH。

风速采用超声波测量原理，启动风速0.1m/s，测量范围0～30m/s，分辨率0.01m/s，测量精度为±(0.2m/s+0.02×V)，其中V为实际风速。

风向测量范围为0～359°，精度±1°，分辨率1°。

降雨雨强测量范围为0～4mm/min，精度±0.2mm，分辨率0.2mm。

通信方式支持4G远程通信，北斗通信可根据项目配置。

典型供电方案采用太阳能加DC12V 12Ah蓄电池，太阳能板资料标称10W。设备供电范围为DC7～17V，工作电流20～100mA，典型值约60mA。

设备运行环境资料为-20～+70℃、0～95%RH且无凝露。安装结构、防雷、通信方式和采集平台根据具体项目完整配置。

以上参数属于产品技术资料中的典型或配置指标。最终量程、精度、供电、通信和附件应根据项目现场环境及最终设备配置确认。

软件平台与数据展示

SIYB智能监测平台可按照“项目—区域—气象站—监测要素”进行分级管理，适合单站气象监测和多个区域气象站集中管理。

实时页面重点显示空气温度、相对湿度、风速、风向、降雨量、雨强、设备供电和通信状态，使用户快速掌握当前天气环境。

历史趋势可将温度、湿度、风速和降雨按照统一时间轴展示，并支持时间区间查询、多参数对比和极值查看。

降雨页面可重点查看过程雨量、累计雨量和雨强变化；风环境页面可查看实时风速、最大风速及风向变化。

对于结构监测项目，气象数据可与GNSS位移、倾角、裂缝、沉降等工程监测数据在同一平台项目中进行时间关联，为异常事件提供天气背景。

平台支持权限管理、数据报表、设备诊断、远程参数、断网补传和项目数据接口，可根据客户要求对接已有业务系统。

数据分析与智能应用

多要素同步气象数据的重要价值在于可以还原完整天气过程，而不仅是查看某一时刻的单个温度或风速。

系统可分析温度和湿度的昼夜周期，统计日最高、最低和平均值，并用于分析环境变化对结构、设备或农业生产的影响。

风环境分析可统计最大风速、平均风速、风向变化和主导风向，为桥梁、铁塔、风电设备、施工吊装及户外设施运行提供环境背景。

降雨分析可以按照分钟、小时、日或降雨过程统计累计雨量和雨强。对于边坡、滑坡和地质灾害监测，可进一步分析强降雨发生后位移、裂缝或地下水数据的响应时间。

对于建筑施工，可将大风、强降雨和高温过程与吊装、脚手架、高处作业及现场施工阶段进行时间关联，为施工组织和事后复盘提供数据。

对于农业与生态观测，可将空气温湿度、降雨和风环境作为基础微气象数据，与土壤温湿度、光照、叶面湿度及其他生态参数联合分析。

平台可以根据长期历史数据形成正常环境区间。当当前气象参数明显偏离历史季节性范围或达到项目控制条件时，自动进入重点关注状态。

预警机制与决策支撑

系统可针对不同气象要素分别配置预警规则，包括高温、低温、高湿、低湿、大风、强降雨、累计降雨和设备离线等条件。

风速预警可按照瞬时值、一定时间平均值或项目控制值设置。当风速超过施工、设备或结构运行允许条件时，平台产生大风预警。

降雨预警可同时考虑短时雨强和累计雨量。例如小时降雨快速增加与连续多日累计降雨属于不同风险模式，可根据项目分别设置规则。

对于边坡、滑坡和地质灾害监测，气象站通常不单独决定地质风险等级，而是将降雨作为诱发因素，与位移、裂缝、地下水或孔隙水压力等数据进行联合判断。

对于结构和施工安全，气象报警值应根据具体设备、施工方案、设计文件和管理制度设置，不能直接由气象站厂家使用统一固定值替代项目技术控制指标。

平台可记录报警发生、确认、处置和复核过程，使天气事件与现场管理行为形成完整记录。

项目实施方案

项目实施前应明确气象监测的主要用途。例如结构安全配套、施工环境监测、农业微气象、水利气象、科研观测等不同用途，对安装位置、采样周期和统计方法的要求存在差异。

现场勘察重点调查周围建筑物、树木、地形、热源、喷淋、车辆和其他可能影响温湿度、风和降雨测量的环境因素，并同时检查雷电、供电、4G信号及后期维护条件。

气象站应优先选择开阔且具有代表性的位置，避免安装在明显建筑尾流区、密集树木旁、局部热源附近或容易受到喷水干扰的位置。

安装过程中完成基础和立杆固定、设备水平调整、风向零位校准、传感器安装、线缆防水、防雷接地、太阳能板和通信设备配置。

设备联网后，在平台中设置设备编号、时间、单位、风向定义、雨量累计规则、采集周期、报警阈值和项目点位。

试运行期间应对温湿度、风和降雨数据进行合理性检查，并测试4G通信、本地缓存、网络恢复补传和报警功能，确认系统运行稳定后进入正式监测。

运维服务保障

气象监测站长期运行过程中应重点维护感知单元表面、降雨承雨区域、安装结构、太阳能供电、防雷设施和通信链路。

应定期检查传感器表面是否存在灰尘、昆虫、树叶或其他污染物，特别是降雨测量部位应保持清洁，避免堵塞或污染影响降雨数据。

长期运行后还应检查立杆垂直度、设备水平状态和风向零位，避免机械安装变化造成风向和其他气象参数的系统性偏差。

太阳能站点应定期检查太阳能板表面清洁程度、安装牢固性和蓄电池状态，保证连续阴雨期间仍具有合理供电保障能力。

通信异常期间现场主机继续采集并缓存数据。网络恢复后，根据系统配置完成数据补传和完整性校验。

设备维护、参数修改、传感器更换、风向校准和报警阈值调整均应保存记录，使长期气象数据具有完整可追溯性。

项目优势与方案价值

一体式多要素设计将空气温湿度、超声波风速风向和降雨集成到一个气象监测系统中，相比多套独立单要素设备，可减少现场立杆、布线、供电和数据汇总工作。

超声波风速风向监测没有传统机械风杯和风向标的旋转部件，更适合需要长期自动运行、降低机械磨损维护的现场。

温度、湿度、风和降雨按照统一时间采集，使不同气象要素之间以及气象数据与工程监测数据之间能够准确进行事件关联。

太阳能、蓄电池和4G通信的组合使系统能够部署在山区、水库、农业、边坡及其他缺少固定市电和网络的区域。

边缘采集端可完成累计、极值、状态判断、本地缓存和异常规则处理，使气象站不仅是远程传感器，还具备现场数据管理能力。

SIYB平台能够将气象、结构变形、报警和运维记录放在同一个项目中管理，特别适合作为桥梁、边坡、大坝、铁塔和施工安全综合在线监测系统的气象环境子系统。

应用场景

本方案适用于桥梁、铁塔、风电、大坝及其他结构安全监测项目，可为结构位移、倾角、振动、裂缝等数据提供同步气象背景。

适用于建筑施工现场，可监测大风、强降雨、高温和高湿环境，为吊装、高处作业、施工安排及现场环境管理提供数据。

适用于山体边坡、滑坡、地质灾害隐患点，可将降雨和气象变化与GNSS位移、裂缝、倾角、深部位移和地下水数据联合分析。

适用于农业和智慧农田，可获取作物生长区域的空气温湿度、风环境和降雨基础数据，并与土壤、光照及其他农业传感器组合使用。

适用于水库、河道、堤防和水利工程，为水情、结构安全和现场环境监测提供基础气象数据。

适用于生态观测、科研实验、校园气象站和环境研究，用于连续记录区域微气象变化。

还可用于工业园区、城市环境、户外设备运行和其他需要自动获取多要素气象数据的应用场景。

效益分析

数据效益方面，一体式监测将多个气象要素统一到相同时间基准和数据平台，减少不同设备采样时间、数据格式和统计口径不一致造成的后期整理工作。

运维效益方面，多要素集成和远程通信减少多套独立气象仪器的布线、供电和现场巡检点位，降低长期运维复杂度。

工程效益方面，连续气象数据能够为结构变形、地质灾害和施工异常提供天气背景，有助于区分环境诱发变化与其他工程因素。

管理效益方面，管理人员可通过在线平台远程查看实时天气、历史过程、设备状态和报警信息，提高偏远无人值守监测点的管理效率。

科研与生产效益方面，长期积累的温度、湿度、风和降雨数据可以形成区域微气象数据库，为农业生产、生态研究、设备运行和环境评价提供基础资料。

标准规范与政策依据

地面气象观测总体方法可参考GB/T 35221-2017《地面气象观测规范 总则》。

空气温度和相对湿度监测可参考GB/T 35226-2017《地面气象观测规范 空气温度和湿度》。

风速和风向监测可参考GB/T 35227-2017《地面气象观测规范 风向和风速》。

降雨及降水量监测可参考GB/T 35228-2017《地面气象观测规范 降水量》。

自动气象观测项目可根据实际适用范围参考GB/T 35237-2017《地面气象观测规范 自动观测》。

具有外壳防护声明的设备可参考GB/T 4208-2017《外壳防护等级（IP代码）》。

不同工程项目对气象站安装高度、统计周期、报警阈值和验收方式的要求并不完全相同，应根据项目行业、现场条件、设计文件和实施时有效的技术规范确定最终执行要求。

成功案例

成功案例内容应以真实实施并取得公开授权的项目为准。典型结构安全气象配套项目可在桥梁、边坡、大坝或铁塔附近布设一体式多要素气象监测站，与结构监测设备共享统一平台和时间基准。

气象站持续记录空气温湿度、风速、风向和降雨数据。当结构监测平台发现位移、倾角或裂缝变化时，技术人员可直接查看同一时间段是否存在强降雨、大风或明显温度变化，为异常数据分析提供环境背景。

例如在边坡监测中，可将降雨过程与GNSS位移或深部位移曲线进行对比，观察强降雨发生后坡体变形是否出现延迟响应；在桥梁或铁塔项目中，可对比大风期间结构姿态和振动数据变化。

典型项目实施包括监测需求确认、现场选址、气象站安装、风向校准、供电与4G通信配置、平台接入、数据试运行和后期运维。以上内容属于基于S-AWST产品能力设计的典型应用方式，不作为既有客户业绩或固定量化效果声明。

参考文献

[1] GB/T 35221-2017，《地面气象观测规范 总则》。

[2] GB/T 35226-2017，《地面气象观测规范 空气温度和湿度》。

[3] GB/T 35227-2017，《地面气象观测规范 风向和风速》。

[4] GB/T 35228-2017，《地面气象观测规范 降水量》。

[5] GB/T 35237-2017，《地面气象观测规范 自动观测》。

[6] GB/T 4208-2017，《外壳防护等级（IP代码）》。

[7] 超声波时差测风、空气温湿度测量及自动降雨监测相关技术资料。

[8] 自动气象站、微气象监测及气象环境与结构安全关联分析相关研究资料。