雨量傳感器自動防護系統

趙曉東 杜慧

摘要：該文提出一種國家氣象觀測站雨量傳感器自動防護裝置，以雷達回波為提前開啟控制信息；以天氣現象儀和感雨傳感器發生降雨信號為應急開啟保障信息；以天氣現象儀和感雨傳感器為降雨停止信息，并經與雷達回波進行比對確認，關閉雨量傳感器。采用圖像識別技術、音頻信號識別和高阻0.1mm雨量計數技術，實時判斷降雨時雨量傳感器的工作狀態，實現雨量傳感器的智能化控制管理。

關鍵詞：雨量傳感器；自動防護系統；圖像識別

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）10-0178-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

氣象觀測是氣象業務中重要的基礎性工作，氣象觀測數據的代表性、準確性、比較性對開展不同時間尺度的氣象預報和有效服務起著十分重要的作用。大多國家氣象觀測站使用的是雙翻斗式雨量傳感器，其結構復雜，一次雨量值計數需要通過承水器、漏斗、匯聚漏斗、計量翻斗，各環節任何一處出現落葉、塵土等堵塞，將直接導致雨量數據缺測或數據異常。中國氣象局提出發展觀測智能、預報精準、服務開放、管理科學的智慧氣象，是氣象與經濟社會融合發展的重要支撐，是轉變氣象發展方式的重要途徑，也是全面推進氣象現代化的重要突破，其中雨量傳感器堵塞的問題，是觀測智能實現的障礙之一。

本文設計的國家氣象觀測站雨量傳感器自動防護裝置，實時判斷降感雨傳感器的工作狀態，實現雨量傳感器防護的智能化，能夠推動智慧氣象臺站建設和確保雨量數據準確，具有全國國家氣象觀測站推廣應用的價值。

1 信息處理系統

信息處理系統主要包括降水啟停控制模塊和降雨動態過程顯示模塊兩部分組成，其中降水啟停控制模塊由降雨開啟、雨停關閉及應急啟停模塊組成；降雨動態過程顯示模塊由視頻動目標、音頻識別、0.1mm雨量監控模塊組成。

1.1 降水啟停控制模塊

1.1.1 降雨開啟模塊

（1）雷達產品的選用

選擇反射率因子產品中最常用的19號產品的PPI形式的反射率作為判斷雷達回波移動方向、速度及到達自動站的時間，該雷達的特征是徑向分辨率為1km，16個數據級，顯示范圍為230km。

雷達產品數據的主要數據塊有：信息頭數據、產品說明、產品數據、圖像字符數據、字符表。每個數據塊也有相應的格式。根據數據格式定義，編程讀取雷達產品。

（2）觀測站坐標轉換

從單仰角獲取的是雷達PPI數據，以極坐標的形式表示，而觀測站的位置是以經緯度表示的，因此，將經緯度轉換為極坐標進行統一。由以下公式[1]可以將經緯度（α，β）換算為極坐標（S，φ）：

1.1.2 雨量傳感器防護開啟信息

系統自動識別雷達回波的移動方向、速度及到達自動站的時間，在預計雷達回波達到自動站前30分鐘時，自動向雨量傳感器防護裝置發出開啟信息，防護裝置開啟正常后，自動上傳開啟狀態信息。降雨開啟控制流程如圖1所示：

1.1.3 降雨停止關閉控制模塊

天氣現象儀、感雨傳感器采集的數據，作為雨量傳感器防護裝置關閉動作的控制信息，為了防止裝置誤動作造成缺測，在關閉動作啟動前，將關閉動作請求信息上傳氣象局平臺，通過與雷達回波比對，確認無降水10分鐘后，關閉裝置。降雨停止關閉控制流程如圖2。

1.1.4 應急啟停模塊

（1）應急開啟

應急開啟功能是在觀測站天氣現象儀和感雨傳感器采集到降雨信息，而智能信息處理系統未發出開啟信息時，采取的備用應急措施，防止降雨缺測事故的發生，并自動生成日志文件。

（2）應急關閉

如果開啟30分鐘后，天氣現象儀和感雨傳感器均未出現降雨現象，自動上傳關閉請求信號，再次對雷達回波降雨判斷，確定為無降雨時，發出關閉指令，并自動生成日志文件。

1.2 降雨動態過程顯示模塊

雨量傳感器結構模型為動態顯示圖形，采用Flash工具開發，以PHP技術連接后臺數據庫，數據庫采用MS-SQLServer2000。提取的視頻、音頻及0.1mm雨量監測數據，動態顯示雨量傳感器的工作過程。

1.2.1 視頻動目標識別模塊

降雨開始，啟動上傳1分鐘視頻，將各左右翻斗作為運動目標，視頻流運動目標識別系統中主要包含運動目標檢測、陰影去除和目標識別等模塊。

運動目標檢測模塊采用三幀差分法，主要實現將視頻序列中的運動目標準確并完整地檢測出來；陰影去除模塊主要實現去除連同運動目標一起被檢測出來的陰影區域，由于運動目標檢測是采用兩幀間的灰度差值變化進行的，檢測過程中不可避免由于光照產生的陰影；目標識別模塊采用改進的Hausdorff距離法進行目標識別，主要完成識別左右計數翻斗的運動情況，判斷其工作是否正常。

1.2.2 音頻識別模塊

應用雨量傳感器內置音頻傳感器，采集上下翻斗和計數翻斗工作時的聲音信息，以上下翻斗和計數翻斗3個音頻信息為一個上傳文件，通過聲音識別判斷各翻斗的工作狀態。

1.2.3 0.1mm雨量監控模塊

以0.1mm雨量值為一個上傳文件，實時記錄降雨過程，采集到0.1mm雨量值，說明雨量傳感器工作正常。

2 雨量傳感器防護裝置

在無降雨時，承水器口處于加蓋狀態，防止落葉、塵土或昆蟲侵入，實現自動防護功能；降雨前，根據雷達回波判定開啟時間，以天氣現象儀及感雨傳感器感雨數據為現場應急備開啟控制信息，確保雨量傳感器正常工作；降雨停止后，防護蓋關閉。

2.1 防護機構的設計

雨量傳感器防護裝置由升降機構、旋轉機構、防護蓋、感雨器、定位開關、控制模塊等組成，其工作原理是無降水時，防護蓋處于工作位置，在開啟信息觸發下，防護蓋抬升，脫離雨量傳感器，防護蓋旋轉180°下降到停止位置；降水停止后，防護蓋抬升高于雨量傳感器，旋轉180°到達雨量傳感器上方，防護蓋做下降運動至工作位置，完成開啟關閉工作過程。

防護蓋開啟信息是利用雷達回波提前開啟，根據回波的強度、移動方向、移動速度，判斷回波達到觀測場時間，自動生成雨量傳感器開啟命令，而且還利用了現場天氣現象儀和感雨器信息應急開啟，通過多信息確保防護蓋及時開啟。

2.2 控制電路的設計

雨量傳感器防護控制模塊是防護機構的控制核心，由單片機、D/A升降和旋轉機構控制、I/O開關狀態輸入等組成，模塊在啟停信息的控制下，完成雨量傳感器的防護任務。

2.3 控制軟件的編程

控制軟件完成降雨防護裝置的啟停的功能，正常啟停的控制流程如圖2、圖3所示。應急啟停控制有兩個功能：應急開啟功能是在觀測站天氣現象儀和感雨傳感器采集到降雨信息，而未接收到智能信息處理系統發出的開啟信息時，采取的備用應急措施，防止降雨缺測事故的發生；應急關閉如果30分鐘后，天氣現象儀和感雨傳感器均未出現降雨現象，自動上傳關閉請求信號，再次對雷達回波降雨判斷，無降雨發出關閉指令。

3 降雨動態過程監視電路設計

3.1 降雨動態過程監視傳感器的布設

雨量傳感器過程監視攝像機和MIC音頻傳感器，安裝在漏斗支架上。攝像機安裝在漏斗支架上，可以監視上翻斗、匯聚漏斗、計數翻斗及水平泡等的工作運行狀態。攝像機配置LED燈，確保獲得清晰圖像資料；MIC音頻傳感器可以采集各翻斗動作的音頻信息。

3.2 降雨動態過程采集電路設計

將視頻、音頻及0.1mm雨量信息的采集為集成一體，視頻信息采集采用微型攝像機并配置LED燈照明；音頻采集模塊由麥克和音頻編解碼構成，聲音傳感器（麥克）選用 WM62A 進行采集，對聲音信號進行數字化處理。選擇 Philips 的 UDA1380單芯片立體聲音頻編/解碼器模塊，通過數據處理獲得上下翻斗和計數翻斗的工作音頻信息，利用音頻信息自動判斷雨量傳感器的工作狀態；0.1mm雨量在雨量傳感器接線柱并接高阻匹配電路，防止影響傳感器的采集精度。

4 結論

系統綜合運用了運動目標圖像識別技術、音頻識別技術及0.1mm雨量值采集技術，動態監測雨量傳感器的工作過程，傳感器異常自動生成報警信息；采用雷達回波、天氣現象儀、感雨傳感器三種信息，控制雨量傳感器防護裝置的開啟及關閉；采用機電技術結合，對雨量傳感器的防護進行創新提升，使雨量傳感器防護智能化，實現了雨量筒的自動防護。

參考文獻：

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