導語：雷電氣象環(huán)境要素采集技術(shù)研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

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、雷電災害預測及防災減災提供重要依據(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)計技術(shù)，形成以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)平臺，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)建雷電預警數(shù)學模型。

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)目前公開的文獻和專利中，有采用光輻射信號、電場變化信號、磁場變化信號進行波性特征分析的雷電預測方法[1]，或利用衛(wèi)星觀測資料和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法，研究個別城市或地區(qū)流云系的降水和閃電特征，結(jié)合最小二乘支持向量機方法預報雷暴[2]。雷電預報是在篩選與雷電發(fā)生相關(guān)性高的大氣不穩(wěn)定參數(shù)作為預報因子的基礎(chǔ)上，構(gòu)建雷電發(fā)生概率預報方程，并區(qū)分強雷電與弱雷電[3]。雷電預報利用的資料主要有探空、雷達和衛(wèi)星等觀測資料及雷電探測資料。中國氣象科學研究院雷電物理和防護工程實驗室開展了雷電臨近預警方法和系統(tǒng)研究，并開發(fā)了雷電臨近預警系統(tǒng)（LightningNowcastingandWarningSystem，CAMS_LNWS）[4]，通過在全國各地氣象部門推廣試驗，不斷改進和完善。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，提出了一個具有較高預測準確性和分類穩(wěn)定性的多組合器協(xié)同分析算法，但傳統(tǒng)決策樹分類算法不能有效解決海量氣象數(shù)據(jù)中的知識挖掘問題。2015年，國內(nèi)科學家用二進制表示構(gòu)建屬性二進制信息粒向量，提出了屬性信息增益計算方法，并結(jié)合并行處理模型MapReduce，研究了基于粒計算的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)計技術(shù)，形成以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)平臺，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)庫，形成雷電預警數(shù)學模型，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)，實現(xiàn)通過雷電電場、氣象、環(huán)境多要素的綜合防雷預測應(yīng)用，提升預測雷電發(fā)生的準確性，提高雷電防護綜合水平。

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，以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)平臺，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，接閃（桿）器必不可少，提前放置于避雷針，實現(xiàn)雷電、氣象、環(huán)境信息要素采集。當建（構(gòu)）筑物提前放置避雷針時，即在該建筑物設(shè)立了雷電、氣象、環(huán)境信息要素實時采集器，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，實現(xiàn)對以上信息要素的自動采集，構(gòu)建雷電氣象環(huán)境要素數(shù)據(jù)庫，并接入所在建（構(gòu)）筑物的傳感網(wǎng)，為建（構(gòu)）筑物的雷電預防、空氣調(diào)節(jié)、通風等智能設(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)境信息包括雷電預警信息、氣象溫度、濕度、風力、風向、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，進行緊湊性設(shè)計。信息實時采樣的時間段為：大氣電場信息1次/min（數(shù)據(jù)畸變時，1次/5s)；溫度、濕度1次/5min；風力、風速1次/10s；雨量1次/min。第二，接口設(shè)計。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。計算超聲波測量數(shù)據(jù)，計算預警大氣電場值。2.2超聲波風力風速測量數(shù)據(jù)采集設(shè)備。本方案采用壓電式超聲波換能器。當在兩電極上施加電壓，使之在晶體內(nèi)形成電場時，會得到反向壓電效應(yīng)，此時晶體將承受機械應(yīng)變。采用頻率為40～300KHz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)四個收發(fā)探頭的方式，測量時按序測量東西、南北、西東和北南聲波到達的時間，計算風力大小和方向。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。方案中四個超聲收發(fā)器共用振蕩電路和信號接收后處理電路，各超聲波探頭各自有一個驅(qū)動電路和接收電路，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量方法。因為該方法設(shè)備笨重，不適宜智能化應(yīng)用設(shè)備，所以本項目方案采用壓力式雨量傳感器。當雨滴撞擊到采集器表面時，壓電傳感器產(chǎn)生一個電壓脈沖信號，該電壓信號放大、濾波、數(shù)字化后通過CPU進行采集處理。該電壓信號與雨滴大小成比例關(guān)系，由電壓信號可以計算雨滴的大小參數(shù)。通過統(tǒng)計一段時間的雨滴數(shù)量和質(zhì)量，得出該時段的降雨量。

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)合計算機技術(shù)和通信技術(shù)，自動控制建筑物內(nèi)的配電開關(guān)、空氣調(diào)節(jié)、通風等機電設(shè)施，同時，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)、信號開關(guān)、智能遙控和溫濕度采樣等組成。本方案智能終端實現(xiàn)的功能包括功率負載開關(guān)輸出控制、開關(guān)信號輸出、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，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)雷電、氣象、環(huán)境信息采樣器監(jiān)測信息的實時共享、動態(tài)監(jiān)測和預警，實現(xiàn)水文、國土、環(huán)保和城建等信息的實時共享。利用智慧城市的視頻監(jiān)控資源，實時監(jiān)測雷電、氣象、環(huán)境信息狀況并預警。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)境信息精細化預報平臺，實現(xiàn)精細化到定制用戶級和普及型用戶的雷電、氣象、環(huán)境信息。第三，充分利用項目數(shù)據(jù)采集信息，利用智慧城市信息系統(tǒng)，搭建區(qū)域災害天氣預警及氣象信息平臺，通過政府相關(guān)部門，實現(xiàn)氣象信息及災害天氣預警信息的快速。

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。第二，集成的雷電氣象環(huán)境要素信息采集器，綜合集成光學、超聲、電場技術(shù)與MEMS傳感技術(shù)，實現(xiàn)雷電氣象信息傳感器的一體化設(shè)計與應(yīng)用。第三，雷電氣象信息終端包括所在建筑物區(qū)域的實時室外雷電氣象和室內(nèi)環(huán)境信息，依靠大數(shù)據(jù)處理，信息終端能實現(xiàn)未來短期的雷電發(fā)生和氣象變化預測。

參考文獻

[1]中國氣象科學研究院.雷電監(jiān)測預警方法及系統(tǒng):中國,CN103472342A[P].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,2010:78.

[3]劉彥章.雷電數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)開發(fā)與雷電預報模型研究[D].南昌:南昌大學,2011:64.

[4]呂偉濤,張義軍,孟青,等.雷電臨近預警方法和系統(tǒng)研發(fā)[J].氣象,2009,35(5):10-17.

作者:潘葉鏡 蔡燕雯 何錫華 單位:廣東立信防雷科技有限公司