项目背景与行业痛点

桥梁、公路、水库、电力设施、光伏电站、风电场及城市环境监测项目，对局地气象条件越来越依赖。强风会改变桥梁和高耸结构的受力状态，温湿度影响材料和设备运行，太阳辐射直接关系到光伏发电和结构温度场，而道路、城市和工业区域还可能需要同步关注颗粒物、噪声、气压或降雨等环境因素。

传统气象监测往往由风速仪、风向标、温湿度计、光照计、辐射表等多个独立设备组成。设备数量增加后，会带来安装支架多、线缆多、供电点多、通信协议不统一以及采样时间难以完全同步等问题，不利于长期自动化管理。

其中，传统机械式风杯和风向标依赖转轴、轴承和机械转动结构，长期暴露在沙尘、盐雾、低温、雨雪及高湿环境中，需要关注转动部件磨损、结冰或卡滞。对于桥梁、高速公路、水库和无人值守站点，更需要减少机械运动部件对长期运行的影响。

超声波综合气象监测站以无机械超声波测风为核心，同时集成温湿度、光照和太阳总辐射监测，并可扩展气压、雨量、颗粒物和噪声等环境参数，通过4G通信、太阳能供电和在线平台形成完整的综合气象监测系统。

建设目标与监测目标

本项目建设超声波综合气象在线监测系统，对目标区域局地气象条件进行连续、自动和远程观测，形成统一时间基准下的多要素环境数据。

基础监测内容包括空气温度、相对湿度、风速、风向、光照强度和太阳总辐射。根据具体工程需要，可进一步扩展气压、降雨、颗粒物、噪声等监测参数。

系统重点建立实时气象状态、日变化、极值、风环境变化、辐射变化和长期气象序列，并同步记录设备供电、通信和运行状态。

对于桥梁、道路、边坡、大坝和其他结构监测项目，可将气象数据与位移、倾角、振动、裂缝等结构数据进行时间关联；对于新能源项目，则可重点分析风环境、光照和总辐射变化。

需求分析

综合气象监测首先需要解决数据同步问题。温度、湿度、风速、风向、光照和总辐射只有在相同时间基准下采集，才适合进行气象过程分析以及与结构响应、设备状态和能源输出进行关联。

风环境是本系统的重要监测对象。对于桥梁、道路、电力和新能源场景，不仅需要获取当前风速，还需要掌握风向变化、最大风速以及不同时间尺度的风环境特征，因此要求测风设备具备较低启动风速和良好的长期户外适应能力。

太阳光照和总辐射属于不同物理量。光照反映人眼视觉相关的环境照度，而总辐射反映单位面积接收到的太阳辐射功率，两类数据在道路环境、生态研究、光伏评价和结构温度效应分析中具有不同用途，不能简单互相替代。

偏远站点还需要解决供电和联网问题。系统应具备低功耗设计、太阳能储能、4G远程传输、本地缓存和断网补传能力，使设备能够在无固定市电和宽带条件下长期运行。

总体解决方案

本方案采用S-UWST超声波综合气象监测站，由超声波多要素综合气象感知单元、边缘数据采集主机、太阳能与锂电池供电系统、4G通信单元、安装立杆、防护机柜、防雷接地以及SIYB智能监测平台组成。

现场综合气象感知单元同步获取空气温湿度、风速、风向、光照和总辐射信息，并根据项目配置扩展气压、雨量、颗粒物和噪声等环境参数。

边缘采集主机按照统一时钟读取各类数据，完成信号解析、单位转换、补偿处理、极值统计、状态检查和本地存储。

监测数据通过4G移动网络上传SIYB平台；有固定网络条件的项目，可根据实际系统配置采用以太网或其他通信方式。偏远地区可利用太阳能和锂电池实现独立运行。

最终形成“超声波测风—多要素同步感知—边缘数据处理—远程通信—平台展示—气象分析—异常预警”的综合监测体系。

系统架构设计

系统采用气象感知层、边缘计算层、供电通信层、数据服务层和业务应用层架构。

气象感知层负责温湿度、超声波风速风向、光照和总辐射等参数测量，并根据项目增加其他环境要素。

边缘计算层完成传感器数据轮询、标定换算、异常识别、极值统计、质量标记和本地缓存，使站点在网络异常时仍保持持续采集。

供电通信层采用太阳能、储能和4G等方式构建独立站点，也可根据现场条件采用市电、RS485、以太网或其他通信链路。

数据服务层负责多站点数据接收、长期数据库存储、统计分析、设备状态和报警记录。

业务应用层面向交通、水利、环境、电力、新能源和应急气象等不同用户，根据行业需求形成相应的数据页面和分析结果。

监测内容与监测方法

空气温度用于记录站点周围热环境，可分析日最高、日最低、平均温度以及长期季节变化。

相对湿度用于表征空气含湿状态，可与温度共同分析高温高湿、低温高湿和环境舒适度等变化。

风速采用超声波时差测量方式，不依赖机械风杯转动，连续获取水平风速数据。

风向采用0～359°角度表示，通过统一北向零位建立工程方向基准，可进一步分析主导风向和不同时间段风向变化。

光照监测获得环境照度，可用于道路、城市环境、生态和设备现场的光环境分析。

太阳总辐射监测记录单位面积接收到的辐射功率，可用于光伏资源、结构太阳辐射效应和环境能量变化分析。

扩展配置可进一步增加气压、降雨、颗粒物和噪声，实现气象与环境参数综合在线观测。

技术原理与算法模型

风速风向采用超声波传播时间差原理。超声波沿不同方向传播时，空气流动会使顺风方向和逆风方向的传播时间产生差异，通过比较传播时间即可计算对应方向上的风速分量。

将不同方向的风速分量进行矢量合成后，可得到水平风速V及风向角θ。由于整个测量过程中无需机械风杯和风向标转动，因此不存在传统机械轴承的启动摩擦问题。

空气温湿度通过数字化温湿度感知单元获取，并经过传感器标定和数字转换输出工程值。

光照测量按照环境照度变化输出光照强度，主要反映可见光环境；太阳总辐射则通过辐射感知单元测量一定光谱范围内单位面积接收到的辐射功率。

总辐射实时值单位通常以W/m²表示。如项目需要分析一定时间范围内的累计太阳能量，可在统一采样周期基础上对总辐射随时间积分，形成相应累计辐射指标。

风向属于圆周变量，例如359°和1°实际上只相差2°，因此平均风向和方向变化不能简单采用普通算术平均，而应使用风矢量方法处理。

平台同时保存实时值、极值、时间和质量状态，使用户能够区分正常环境变化、瞬时异常和设备运行异常。

系统功能设计

系统具备多要素同步采集、超声波风监测、温湿度监测、光照监测、总辐射监测、扩展环境要素接入、边缘计算、本地缓存、远程联网、历史查询、统计分析、设备诊断和报警管理等功能。

实时气象功能集中展示当前温度、湿度、风速、风向、光照和总辐射，使管理人员能够快速了解站点当前微气象状态。

风环境功能可统计当前风速、一定时间范围内最大风速以及风向变化，为桥梁、道路和高耸结构运行分析提供数据。

辐射环境功能用于查看光照和太阳总辐射的日变化，识别日出、午间峰值、阴云变化和日落过程。

扩展环境监测功能可按照项目需要增加气压、降雨、颗粒物和噪声，避免为每一种环境参数分别建设独立通信和平台系统。

设备诊断功能能够识别断线、低电、通信异常、越量程和异常跳变，并在平台形成质量状态记录。

硬件组成与配置方案

系统主要由S-UWST超声波综合气象感知单元、边缘数据采集主机、4G通信模块及天线、太阳能板、锂电池、安装立杆、防护箱、防雷接地、供电及通信线缆组成。

标准感知配置以空气温度、相对湿度、风速、风向、光照和总辐射为主要监测参数。

如果项目同时涉及环境质量，可按需求增加颗粒物和噪声；涉及气象过程分析时，可增加气压和雨量。扩展参数应在设备选型和合同技术要求中提前确认。

边缘采集主机统一管理全部气象和环境传感器，并通过一条远程通信链路将数据上传平台，减少多套独立采集器重复建设。

偏远监测点采用太阳能加锂电池供电；市政道路、桥梁或场站存在稳定电源时，也可根据现场条件采用固定电源方案。

核心设备参数

空气温度测量范围为-40～+60℃，精度±0.2℃，分辨率0.1℃。

相对湿度测量范围为0～100%RH，精度±3%RH，分辨率0.1%RH。

超声波风速启动风速为0.1m/s，测量范围0～30m/s，分辨率0.01m/s，精度为±(0.2m/s+0.02×V)，其中V为实际风速。

风向测量范围0～359°，精度±1°，分辨率1°。

光照测量范围0～200klux，精度±5%。当前资料中的光照分辨率标注不清，因此具体分辨率以最终产品配置确认。

太阳总辐射光谱范围为400～1100nm，量程0～2000W/m²，余弦响应≤5%，精确度资料标称±5%rdg+10digits，线性度±2%。

气压、雨量、颗粒物和噪声属于扩展监测要素，具体量程和精度根据项目配置确定，未明确的参数不作为默认标准配置。

远程通信支持4G，北斗通信可根据项目要求配置。

供电范围为DC7～17V，典型储能配置采用DC7.4V、5200mAh锂电池，太阳能板资料标称10W。

设备工作电流资料标称约25mA，实际功耗会随传感器数量、通信方式和数据上报周期变化。

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—气象要素”组织监测数据，实现单个站点详细查看和多站点统一管理。

项目总览显示气象站空间位置、在线状态、通信状态、供电状态、最新数据和当前报警情况。

实时气象页面集中展示温湿度、风速、风向、光照和总辐射，同时显示项目配置的其他环境要素。

历史趋势支持按照小时、日、周、月及自定义时间区间查询不同气象参数，可将多个参数放在统一时间尺度下进行对照。

对于多个气象站组成的区域监测网络，可进行站点间对比，观察不同道路区段、水库区域或新能源场站的局地气象差异。

平台同步保存原始值、工程值、质量标记、设备状态、报警和维护信息，使气象监测结果具有完整数据背景。

系统支持权限管理、远程参数配置、断网补传、设备诊断、报表以及项目约定的数据接口。

数据分析与智能应用

超声波综合气象监测的重点不是简单显示六个实时数值，而是建立局地风、热湿和辐射环境之间的关系。

在桥梁和道路项目中，可重点分析风速、风向和温度变化。大风发生时，可进一步与桥梁振动、位移或车辆运行事件进行时间关联。

在光伏电站中，总辐射能够作为太阳能资源和组件受光条件的重要环境背景，可与光伏输出功率进行时间对照，辅助分析天气因素与发电变化之间的关系。

在风电及高耸结构应用中，可以统计不同风向对应的风速分布和长期主导风向，为设备运行环境及结构响应分析提供基础数据。

在城市环境监测中，如果扩展颗粒物和噪声，可进一步分析风速风向与污染物扩散、交通噪声变化之间的时间关系。

在水库、堤坝及防灾项目中，可结合气压、降雨等扩展参数形成更加完整的局地天气过程，并与水位、位移和其他工程监测数据联合分析。

长期积累后，可按照日、月和季节建立站点自身的气象变化基线，用于识别异常高温、大风或辐射条件。

预警机制与决策支撑

系统可根据不同项目用途配置多种气象预警规则，其中风速属于道路、桥梁、电力和施工场景的重要控制参数。

大风预警可根据当前风速、一定时间平均风速或项目设计控制值触发，并结合持续时间避免单个瞬时数据造成频繁误报警。

温度和湿度可分别设置高低限值，用于设备环境、道路结冰风险辅助分析、生态环境或其他特定业务。

总辐射和光照可根据新能源、科研或设备运行需求设置异常条件，用于识别辐射环境明显变化。

配置雨量、颗粒物或噪声后，可进一步增加强降雨、污染物浓度和噪声超限等项目规则。

气象预警值应依据实际业务系统、设备允许条件、工程设计文件和管理制度确定，不能直接使用传感器量程或测量精度作为业务报警值。

对于结构安全监测，气象参数更多承担外部诱因和环境背景作用，应结合结构变形、振动或其他专业监测数据进行综合研判。

项目实施方案

项目实施前首先明确气象站的主要业务目的。桥梁道路侧重风和局地天气，新能源侧重风、光照和辐射，城市环境项目则可能需要扩展颗粒物和噪声，因此应先冻结最终监测要素组合。

站点选址应具有区域代表性，并优先满足超声波风和太阳辐射观测要求。周围应尽可能避开高大建筑、树木和其他明显遮挡，减少建筑尾流对风数据的影响。

光照和总辐射传感区域应避免长期阴影遮挡，并远离可能产生明显反射或局部人工光源干扰的位置。

现场完成基础、立杆、气象感知单元、防护箱、太阳能板和通信设备安装，同时完成水平调整、风向方位校准、防雷接地和线缆防水处理。

平台配置设备编号、监测点坐标、时间、工程单位、风向零位、采样周期、通信周期、阈值和数据接口。

试运行期间重点检查温湿度合理性、低风速响应、风向方向、光照和总辐射日变化、4G联网、本地缓存及报警功能。

运维服务保障

超声波测风无机械转轴和风杯，但并不意味着完全无需维护。长期运行仍应检查测风区域是否存在灰尘、昆虫、冰雪或其他污染物影响超声波传播。

温湿度防护部件应保持通风和清洁，避免喷淋、结露和污染物长期覆盖。

光照及总辐射感知表面应定期检查和清洁，避免灰尘、鸟粪和其他附着物降低光学测量质量。

应定期检查立杆、紧固件、水平状态和风向零位，特别是在台风、强风或施工碰撞之后，应确认站体安装结构没有发生位移。

太阳能供电系统应检查太阳能板遮挡、污染、线路和电池状态，保证长期无人值守运行。

平台持续记录设备在线、供电、通信和数据质量状态。断网期间边缘主机继续保存数据，网络恢复后根据系统配置进行补传。

项目优势与方案价值

超声波无机械测风是本方案的重要特点。风速风向测量无需风杯和机械风向标转动，可降低长期户外监测中机械轴承磨损、低风速启动摩擦和转动部件维护带来的影响。

系统在温湿度和风环境基础上增加光照及太阳总辐射，使监测范围由普通气象数据进一步扩展到太阳辐射环境，适合道路、结构、电力和新能源项目。

多传感器数据采用统一时钟进入同一边缘采集系统，可以直接比较风、温湿度和辐射的同步变化，减少多台独立设备数据时间不一致的问题。

气压、雨量、颗粒物和噪声采用模块化扩展思路，使客户可以针对项目业务增加监测要素，而无需重新建设另一套采集、通信和软件系统。

太阳能、低功耗运行和4G远程通信适合桥梁、水库、道路、风电场等分散式无人值守站点。

SIYB平台可以同时管理气象数据、设备状态及其他结构监测参数，使综合气象站不仅是一套环境仪器，还能够成为综合在线监测项目的重要环境数据节点。

应用场景

本方案适用于桥梁与道路气象监测，可持续获取局部风速、风向、温湿度、光照和辐射数据，为强风、道路环境及结构响应分析提供气象背景。

适用于水库、堤坝、山洪点位和水利工程，可建设无人值守综合气象站，并根据需要增加雨量或气压监测。

适用于城市和生态环境监测，可根据项目增加颗粒物和噪声，形成气象与环境质量综合观测节点。

适用于输电铁塔、变电站和其他电力设施，获取局地风环境和太阳辐射条件。

适用于光伏电站，可将光照和总辐射与组件运行及发电数据进行环境关联分析。

适用于风电场及新能源基地，为设备提供场站级风环境、温湿度和辐射背景数据。

还可用于应急气象、工程施工、科研试验及其他需要多要素自动气象观测的应用场景。

效益分析

设备集成方面，一套综合气象站同时完成多种气象参数采集，可减少独立风速仪、风向标、温湿度计、光照计和辐射设备分别建设产生的重复工作。

维护方面，无机械超声波测风减少传统风杯、风向标机械运动部件带来的维护环节，更适合长期户外运行。

数据方面，统一采样时钟使不同气象要素能够准确对应，为天气过程、结构响应和新能源运行分析提供更高价值的时间序列。

管理方面，多站点可通过4G集中进入SIYB平台，用户无需逐站现场读取，即可掌握实时环境和设备在线状态。

扩展方面，同一系统可按照项目增加气压、雨量、颗粒物和噪声，有利于后期业务扩展和综合在线监测平台建设。

标准规范与政策依据

综合气象观测总体设计可参考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》。

超声波风速风向数据应用可结合GB/T 35227-2017《地面气象观测规范 风向和风速》。

配置降雨监测要素时，可参考GB/T 35228-2017《地面气象观测规范 降水量》。

总辐射观测可参考GB/T 35231-2017《地面气象观测规范 辐射》。

具有外壳防护要求的整机可参考GB/T 4208-2017《外壳防护等级（IP代码）》。

上述标准主要用于观测方法、系统设计和设备选型参考，并不表示产品自动满足相关标准全部条款或已经取得相应认证。最终安装高度、要素组合、采样周期、验收方式和业务控制值应根据项目设计文件及实施要求确定。

成功案例

成功案例应以实际实施并获得公开授权的项目资料为准。典型桥梁道路综合气象项目可在重点桥梁或道路区段附近安装S-UWST超声波综合气象监测站，对局地风速、风向、空气温湿度、光照和太阳总辐射进行连续观测。

气象站通过太阳能系统供电并利用4G上传数据，SIYB平台持续保存风环境、热湿环境和辐射变化。当桥梁结构监测系统出现振动、位移或其他异常数据时，可同步查看当时是否存在明显大风、温度变化或其他特殊天气过程。

在新能源应用中，可将总辐射、光照和温湿度作为环境背景，与光伏或其他设备运行数据进行时间对比，分析不同天气条件下设备运行差异。

典型项目实施包括需求确认、监测要素配置、现场选址、安装校准、太阳能与4G联网、平台配置、试运行及后期运维。以上内容用于说明产品典型应用方式，不作为既有客户名称、项目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 35231-2017，《地面气象观测规范 辐射》。

[6] GB/T 4208-2017，《外壳防护等级（IP代码）》。

[7] 超声波时差测风、风矢量计算及无机械风速风向监测相关技术资料。

[8] 太阳总辐射、光照环境及多要素自动气象监测相关技术资料。