雷電氣象環(huán)境要素采集技術(shù)研究

1、雷電氣象環(huán)境要素采集技術(shù)研究摘要：同步采集與分析雷電氣象環(huán)境要素監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以為綜合防雷監(jiān)測、雷電災(zāi)害預(yù)測及防災(zāi)減災(zāi)提供重要依據(jù)。筆者在嵌入式技術(shù)和MEMS傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究雷電、氣象、環(huán)境要素信息采集終端一體化設(shè)計(jì)技術(shù)，形成以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)平臺(tái)，由前端信息采集設(shè)備、系統(tǒng)軟件、智能終端組成的雷電氣象環(huán)境要素信息采集系統(tǒng)，構(gòu)建雷電預(yù)警數(shù)學(xué)模型。 關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；雷電要素；氣象要素，綜合防雷；信息采集 國內(nèi)目前公開的文獻(xiàn)和專利中，有采用光輻射信號(hào)、電場變化信號(hào)、磁場變化信號(hào)進(jìn)行波性特征分析的雷電預(yù)測方法1，或利用衛(wèi)星觀測資料和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法，研究個(gè)別城市或地區(qū)流云系的降水和閃電特征，結(jié)合最小

2、二乘支持向量機(jī)方法預(yù)報(bào)雷暴2。雷電預(yù)報(bào)是在篩選與雷電發(fā)生相關(guān)性高的大氣不穩(wěn)定參數(shù)作為預(yù)報(bào)因子的基礎(chǔ)上，構(gòu)建雷電發(fā)生概率預(yù)報(bào)方程，并區(qū)分強(qiáng)雷電與弱雷電3。雷電預(yù)報(bào)利用的資料主要有探空、雷達(dá)和衛(wèi)星等觀測資料及雷電探測資料。中國氣象科學(xué)研究院雷電物理和防護(hù)工程實(shí)驗(yàn)室開展了雷電臨近預(yù)警方法和系統(tǒng)研究，并開發(fā)了雷電臨近預(yù)警系統(tǒng)（LightningNowcastingandWarningSystem，CAMS_LNWS）4，通過在全國各地氣象部門推廣試驗(yàn)，不斷改進(jìn)和完善。滕少華等2014年發(fā)表的基于SVM的多組合器協(xié)同分析方法，提出了一個(gè)具有較高預(yù)測準(zhǔn)確性和分類穩(wěn)定性的多組合器協(xié)同分析算法，但傳統(tǒng)決策樹分

3、類算法不能有效解決海量氣象數(shù)據(jù)中的知識(shí)挖掘問題。2015年，國內(nèi)科學(xué)家用二進(jìn)制表示構(gòu)建屬性二進(jìn)制信息粒向量，提出了屬性信息增益計(jì)算方法，并結(jié)合并行處理模型MapReduce，研究了基于粒計(jì)算的ID3（IterativeDichotomiser3）決策樹分類并行化處理新方法。該方法在氣象領(lǐng)域預(yù)測取得了較好效果，但局限于成本等，現(xiàn)階段推廣應(yīng)用較少。本文在研究應(yīng)用嵌入式技術(shù)和MEMS傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)上，探索雷電、氣象、環(huán)境要素信息采集終一體化設(shè)計(jì)技術(shù)，形成以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)平臺(tái)，由前端信息采集設(shè)備、系統(tǒng)軟件、智能終端組成的雷電氣象環(huán)境要素信息采集系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，構(gòu)建系統(tǒng)雷電接閃事件信息數(shù)據(jù)

4、庫，形成雷電預(yù)警數(shù)學(xué)模型，最終構(gòu)建一套基于物聯(lián)網(wǎng)的雷電氣象環(huán)境要素信息采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)通過雷電電場、氣象、環(huán)境多要素的綜合防雷預(yù)測應(yīng)用，提升預(yù)測雷電發(fā)生的準(zhǔn)確性，提高雷電防護(hù)綜合水平。 1雷電氣象環(huán)境要素信息采集系統(tǒng)整體架構(gòu) 基于物聯(lián)網(wǎng)的雷電氣象環(huán)境要素信息采集系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)平臺(tái)，由前端信息采集設(shè)備、系統(tǒng)軟件、智能終端組成。前端信息采集設(shè)備采集的信息，一方面用于驅(qū)動(dòng)本地建筑物的智能終端；另一方面為大數(shù)據(jù)處理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。第一，雷電、氣象、環(huán)境要素信息采集器。對于雷電防護(hù)，接閃（桿）器必不可少，提前放置于避雷針，實(shí)現(xiàn)雷電、氣象、環(huán)境信息要素采集。當(dāng)建（構(gòu)）筑物提前放置避雷針時(shí)，即在該

5、建筑物設(shè)立了雷電、氣象、環(huán)境信息要素實(shí)時(shí)采集器，可為建筑物智能化設(shè)備終端提供信息服務(wù)，為氣象、雷電大數(shù)據(jù)提供信息源。第二，雷電、氣象、環(huán)境要素信息采集及數(shù)據(jù)庫構(gòu)建。通過工程應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對以上信息要素的自動(dòng)采集，構(gòu)建雷電氣象環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)庫，并接入所在建（構(gòu)）筑物的傳感網(wǎng)，為建（構(gòu)）筑物的雷電預(yù)防、空氣調(diào)節(jié)、通風(fēng)等智能設(shè)備提供信息接口。 2前端雷電氣象環(huán)境要素信息采集設(shè)備 前端雷電氣象環(huán)境信息包括雷電預(yù)警信息、氣象溫度、濕度、風(fēng)力、風(fēng)向、雨量、氣壓和環(huán)境PM2.5等要素。2.1ARM9系列微處理器應(yīng)用。第一，采集器充分利用ARM9的接口性能和數(shù)據(jù)處理能力，進(jìn)行緊湊性設(shè)計(jì)。信息實(shí)時(shí)采樣的時(shí)間段為：大氣

6、電場信息1次/min（數(shù)據(jù)畸變時(shí)，1次/5s)；溫度、濕度1次/5min；風(fēng)力、風(fēng)速1次/10s；雨量1次/min。第二，接口設(shè)計(jì)。通信接口采用400MHz無線通信、WiFi通信、網(wǎng)絡(luò)100MHz通信等多種方式。第三，數(shù)據(jù)處理。計(jì)算超聲波測量數(shù)據(jù)，計(jì)算預(yù)警大氣電場值。2.2超聲波風(fēng)力風(fēng)速測量數(shù)據(jù)采集設(shè)備。本方案采用壓電式超聲波換能器。當(dāng)在兩電極上施加電壓，使之在晶體內(nèi)形成電場時(shí)，會(huì)得到反向壓電效應(yīng)，此時(shí)晶體將承受機(jī)械應(yīng)變。采用頻率為40300KHz壓電陶瓷超聲探頭，完成超聲波聲能與電能之間的相互轉(zhuǎn)換，采用在極軸方向布設(shè)四個(gè)收發(fā)探頭的方式，測量時(shí)按序測量東西、南北、西東和北南聲波到達(dá)的時(shí)間，計(jì)算

7、風(fēng)力大小和方向。目前，此方案僅限于平面二維測量，三維測量有待進(jìn)一步優(yōu)化。超聲波換能器選用收發(fā)一體式探頭。方案中四個(gè)超聲收發(fā)器共用振蕩電路和信號(hào)接收后處理電路，各超聲波探頭各自有一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路和接收電路，以確保測量一致性。2.3壓力式雨量測量。氣象專業(yè)領(lǐng)域雨量測量采用翻斗式或虹吸式雨水量直接計(jì)量方法。因?yàn)樵摲椒ㄔO(shè)備笨重，不適宜智能化應(yīng)用設(shè)備，所以本項(xiàng)目方案采用壓力式雨量傳感器。當(dāng)雨滴撞擊到采集器表面時(shí)，壓電傳感器產(chǎn)生一個(gè)電壓脈沖信號(hào)，該電壓信號(hào)放大、濾波、數(shù)字化后通過CPU進(jìn)行采集處理。該電壓信號(hào)與雨滴大小成比例關(guān)系，由電壓信號(hào)可以計(jì)算雨滴的大小參數(shù)。通過統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間的雨滴數(shù)量和質(zhì)量，得出該時(shí)段的

8、降雨量。 3智能終端設(shè)備研制 本方案智能終端綜合利用采樣信息和網(wǎng)路決策信息，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，自動(dòng)控制建筑物內(nèi)的配電開關(guān)、空氣調(diào)節(jié)、通風(fēng)等機(jī)電設(shè)施，同時(shí)，智能終端可以作為智能建筑的一部分，為智能建筑提供決策信息和執(zhí)行控制。智能終端的ARM9為核心控制元件，由功率開關(guān)、信號(hào)開關(guān)、智能遙控和溫濕度采樣等組成。本方案智能終端實(shí)現(xiàn)的功能包括功率負(fù)載開關(guān)輸出控制、開關(guān)信號(hào)輸出、數(shù)據(jù)控制接口、執(zhí)行信息反饋和室內(nèi)環(huán)境參數(shù)采集。 4基于本技術(shù)方案的智慧城市應(yīng)用設(shè)想 本項(xiàng)目研制的前端雷電、氣象、環(huán)境信息采樣器，可應(yīng)用于智慧城市建設(shè)。第一，建立區(qū)域雷電、氣象、環(huán)境信息數(shù)據(jù)云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)雷電、氣象、環(huán)境

9、信息采樣器監(jiān)測信息的實(shí)時(shí)共享、動(dòng)態(tài)監(jiān)測和預(yù)警，實(shí)現(xiàn)水文、國土、環(huán)保和城建等信息的實(shí)時(shí)共享。利用智慧城市的視頻監(jiān)控資源，實(shí)時(shí)監(jiān)測雷電、氣象、環(huán)境信息狀況并預(yù)警。第二，在區(qū)域地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)上，搭建區(qū)域雷電、氣象、環(huán)境信息精細(xì)化預(yù)報(bào)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化到定制用戶級和普及型用戶的雷電、氣象、環(huán)境信息發(fā)布。第三，充分利用項(xiàng)目數(shù)據(jù)采集信息，利用智慧城市信息發(fā)布系統(tǒng)，搭建區(qū)域?yàn)?zāi)害天氣預(yù)警及氣象信息發(fā)布平臺(tái)，通過政府相關(guān)部門，實(shí)現(xiàn)氣象信息及災(zāi)害天氣預(yù)警信息的快速發(fā)布。 5結(jié)語 第一，以綜合防雷信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)，集成雷電防護(hù)和雷電氣象一體化產(chǎn)品，融合綜合雷電氣象一體化在線監(jiān)測平臺(tái)。第二，集成的雷電氣象環(huán)境要素信息采

10、集器，綜合集成光學(xué)、超聲、電場技術(shù)與MEMS傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)雷電氣象信息傳感器的一體化設(shè)計(jì)與應(yīng)用。第三，雷電氣象信息終端包括所在建筑物區(qū)域的實(shí)時(shí)室外雷電氣象和室內(nèi)環(huán)境信息，依靠大數(shù)據(jù)處理，信息終端能實(shí)現(xiàn)未來短期的雷電發(fā)生和氣象變化預(yù)測。 參考文獻(xiàn) 1中國氣象科學(xué)研究院.雷電監(jiān)測預(yù)警方法及系統(tǒng):中國,CN103472342AP.2013-12-25. 2張祎.南京地區(qū)雷電多種觀測資料分析與應(yīng)用D.南京:南京信息工程大學(xué),2010:78. 3劉彥章.雷電數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)開發(fā)與雷電預(yù)報(bào)模型研究D.南昌:南昌大學(xué),2011:64. 4呂偉濤,張義軍,孟青,等.雷電臨近預(yù)警方法和系統(tǒng)研發(fā)J.氣象,2009,3

11、5(5):10-17. 5 1、最靈夢想是一個(gè)天真的詞，實(shí)現(xiàn)夢想是個(gè)殘酷的詞。21.2.242.24.202101:0701:07:342月-2101:072、只有收獲，才能檢驗(yàn)耕耘的好處；只有貢獻(xiàn)，方可衡量人生的價(jià)值。二二一二二一年二月二十四日2021年2月24日星期三3、不要放棄，你要配的上自己的野心，也不要辜負(fù)了所受的苦難。01:072.24.202101:072.24.202101:0701:07:342.24.202101:072.24.20214、找一個(gè)理由，否認(rèn)憂傷，笑容就會(huì)燦爛到無所不在。2.24.20212.24.202101:0701:0701:07:3401:07:345

12、、成功與不成功之間有時(shí)距離很短只要后者再向前幾步。二月 21星期三, 二月 24, 20212/24/20216、只要努力抬起你的雙腳，勝利將屬于你。1時(shí)7分1時(shí)7分24-2月-212.24.20217、青春如此華美，卻在煙火在散場。21.2.2421.2.2421.2.24。2021年2月24日星期三二二一二二一年二月二十四日8、真正沒有資格談明天的人，是那個(gè)不懂得珍惜今日的人。01:0701:07:342.24.2021星期三, 二月 24, 20211、你始終不屬于我，屬于我的只是我自己。21.2.242.24.202101:0701:07:342月-2101:072、一份信心，一份努力

13、，一份成功；十分信心，十分努力，十分成功。二二一二二一年二月二十四日2021年2月24日星期三3、你是唯一的，你是十分獨(dú)特的，你就是你生命中的第一名。01:072.24.202101:072.24.202101:0701:07:342.24.202101:072.24.20214、要跟成功者有同樣的結(jié)果，就必須采取同樣的行動(dòng)。2.24.20212.24.202101:0701:0701:07:3401:07:345、我們的生命，就是以不斷出發(fā)的姿勢得到重生。二月 21星期三, 二月 24, 20212/24/20216、只要站起來的次數(shù)比倒下去的次數(shù)多，那就是成功。1時(shí)7分1時(shí)7分24-2月-

14、212.24.20217、自知之明是最難得的知識(shí)。21.2.2421.2.2421.2.24。2021年2月24日星期三二二一二二一年二月二十四日8、勇氣通往天堂，怯懦通往地獄。01:0701:07:342.24.2021星期三, 二月 24, 20211、最靈繁的人也看不見自己的背脊。21.2.242.24.202101:0701:07:342月-2101:072、最困難的事情就是認(rèn)識(shí)自己。二二一二二一年二月二十四日2021年2月24日星期三3、有勇氣承擔(dān)命運(yùn)這才是英雄好漢。01:072.24.202101:072.24.202101:0701:07:342.24.202101:072.24.20214、與肝膽人共事，無字句處讀書。2.24.20212.24.202101:0701:0701:07:3401: