清鎮人工影響天氣智能指揮作業系統設計

陳 宇，楊 濤，張 皓，席佐聯，金昭貴，滕萬里，羅 梅

(1.貴州省氣象服務中心，貴州 貴陽 550001；2.貴陽市氣象局，貴州 貴陽 550001；3.清鎮市氣象局，貴州 清鎮 551400；4.修文縣氣象局，貴州 修文 550200)

1 引言

在全球氣候變暖背景下，近年來頻發冰雹、干旱、大風等極端氣候事件，給我國經濟社會可持續發展帶來了巨大考驗，為推進“十四五”時期人工影響天氣工作高質量發展，有效發揮人影在鄉村振興、防災減災、生態文明建設等國家重大戰略實施和重點領域的保障作用。實現“科學作業、精準作業、安全作業”要求，長期以來，我國各省都組織研發了適應當地的人工影響天氣科學指揮系統，如安徽省[1]“基于新一代天氣雷達的省級人影業務系統，系統能提供不同時效、不同分辨率的業務指導產品給市縣級人影作業指揮人員。吉林省[2]根據采集micaps氣象數據為基礎，進行資料同化處理來打造人工影響天氣系統。2015年，中國氣象局人工影響天氣中心結合長期的人工影響天氣業務實踐和科學研究，提出了我國人工影響天氣“五段”實時業務，廣東省[3]針對人影5段實時業務各階段任務創建了人影綜合業務系統。

清鎮“一山有四季、十里不同天”屬亞熱帶季風濕潤氣候，位于我國西南喀斯特地貌中心區，生態環境脆弱，暴雨、冰雹等氣象災害多發。清鎮作為省會貴陽市的“西大門”，處于主要的四條冰雹帶上，在區域聯防戰略中居于重要位置，清鎮開展人影工作已有48年，所屬9個鄉鎮布設有11個人影作業點，擁有一支55人的人影作業隊伍，現已對7門高炮、10門火箭進行了自動化改造。目前貴州省在人影方面已建設多個業務系統，如：人影物聯網系統、安全射界、視頻監控等系統，但是隨著人影發展，信息化程度不斷深化，業務系統越來越多，且各業務系統之間權限、數據相互獨立。在實際應用中，多個系統時存在登錄、操作權限混亂復雜、各系統之間數據不能交互與融合，沒有形成完整的流程體系。為更好高質量發展人影事業，深度融入國家戰略，清鎮采納“威寧模式”經驗[4]，依托計算機技術，通過人影智能化指揮作業系統建設，打造出智能人影綜合業務平臺，為人影業務、安全管理、科研工作注入智慧元素，進一步提高人影作業的效率和科學性。

2 系統設計思路

系統基于B/S架構，利用大數據、物聯網等技術，如圖 1 所示，該系統利用了 java web 技術搭建后臺架構，整體分為基礎設施層、系統平臺服務層、應用軟件層。系統以人影業務專用數據庫為數據支撐，將目前相對孤立的人影指揮、人影物聯網、安全射界、視頻監控等業務系統進行資源整合，以實現在統一的平臺基礎上構建滿足業務需求的應用系統。系統能分析處理人影作業需要的各種信息，以及建立人影作業條件指標模型、預警模型和安全系數模型標準。并隨著人影業務的不斷發展和新需求，能夠快速增加應用系統。打造出人影智能綜合業務平臺，實現了氣象數據可視化分析和展示。

圖1 人影智能指揮系統總體架構

3 人影業務智能指揮子系統

基于大數據平臺構建的人影智能指揮系統，能實現從信息采集、作業計劃、作業預案、監測預警、跟蹤指揮、空域申請、作業實施、信息上報、作業評估整個業務流程的自動化和智能化，極大提高人影作業執行力，顯著增強人影作業效率。如圖2所示，其系統外部接口有：CIMISS系統接口、貴州省彈藥物聯網監管系統接口、貴州省安全射界系統接口、貴州省綜合業務管理與信息共享平臺接口、以及其它業務系統接口。系統通過網絡協議與人影作業裝備控制系統對接，經過系統綜合分析，提供作業指揮信息，確定作業參數，再結合彈道曲線參數，安全射界系統最終量化輸出作業部位和用彈量等參數指標，實現自動化作業并進行作業效果評估。

圖2 人影智能指揮系統外部接口

3.1 數據獲取及分析

系統數據設計從CIMISS系統中讀取：雷達數據、衛星數據、探空數據、雨滴譜儀、微波輻射計等特種設備獲得實時監測數據，用于人影作業的自動監測預警。基于TITAN算法實現對識別到的增雨、防雹區強回波進行跟蹤和外推。實現更新周期為7～10 min，可外推10 min、0.5 h、1 h的強回波的路徑和參數的預報。并可以通過WEB或移動端APP查看最新的雷達觀測產品的回波、降水量、降水相態演變情況等信息，實現對當前天氣進行實時監測。

3.2 監測與預警

智能指揮系統主要是應用雷達、衛星、探空資料等進行綜合監測預警，對監測區、警戒區、作業區天氣進行實時監測。根據雷達發現的作業目標的位置、大小，基于TITAN算法實現對單體及多單體的識別、追蹤、外推。預警閾值是按照不同的月份來設置對單體對反射率因子強度、體積、數量、最大反射率高度、垂直累積液態水含量等參數。一旦雷達的實時監控產品達到預警閥值，系統根據預警范圍、預警級別，發出預警提醒指揮人員進行下一步工作事項。在接收到警告后，能迅速通過預警制作系統選擇落區模式、區域模式或全區模式利用把文本模板制作出預警，進行發布。預警信息包括發布單位、時間、回波強度、速度方向、影響區域和防御指南，并通過下發預警通知及語音播放通知各站點。界面還能對48 h內預警信息及指令進行查詢統計(圖3)。

圖3 人影智能指揮業務界面

3.3 作業實施

作業實施指令交互是實時指揮平臺中最關鍵的一個環節，作業指揮系統以新一代天氣雷達拼圖數據為核心，以地理信息為背景，圖上標明各炮站及各農業、水利、城市等重要位置，根據貴州省基層氣象防災減災標準化建設實施方案和貴陽人影作業歷史經驗利用3個同心圓對應的距離來劃分監測區、警戒區、作業區。指揮人員可以對天氣進行實時監測，并且實時監控到各作業站點狀態(共12種)，如離線、待命、作業中、故障等狀態。

指揮流程如圖4所示，當通過多種監測手段分析發現天氣系統達到本地化后的增雨、防雹指標后，再根據作業目標的位置、大小，結合作業站點的分布，作業裝備的彈道，安全射界等進行綜合分析計算，生成作業指令信息，信息包含作業的方位角、俯仰角、用彈量。指揮人員審核通過后將作業信息指令下發到炮站作業控制終端。炮站作業人員根據系統及實際天氣情況進行綜合判別后作業，作業指令執行完成后，自動控制終端向中心回傳作業完成消息。

圖4 人影業務組成和指揮流程

3.4 信息上報

在人影作業過程中，能夠同時將作業過程中、空域申請時間、獲得批復時間、彈藥使用情況、每一枚彈藥的發射方位、仰角、時間等信息發送到指揮中心。如有災情發生，炮站人員可以上傳圖片及災情信息到系統統計，方面指揮人員查看。

4 綜合管理子系統

綜合管理子系統主要是基于貴州省人影辦以及現有物聯網、安全射界圖、視頻監控相關系統進行對接，將現有系統的數據納入本系統進行數據同步。從圖5可以看出，系統實現了對作業站點信息、人員及裝備信息、彈藥種類數量、彈藥出入庫記錄等多方面進行實時監管，對安全檢查相關工作進行全面的信息記錄和便捷的查詢，對相關安全工作進行自動化評估，以實現安全監管貫穿于整個人影業務流程。

圖5 人影綜合管理子系統

4.1 作業站點及人員管理

系統能對作業站點及人員的基本信息進行管理，具體統計建立炮站基本資料：炮站編號、經度、緯度、海拔高度、建站時間、改造情況記錄、年檢記錄、年度配置人數、設備履歷表、年度作業量統計、作業站點批復、作業維修記錄，安全射界角、人員的基本信息等進行全面記錄及查詢。

4.2 彈藥、裝備管理

系統建立從市、區縣、作業站點的三級彈藥庫，根據炮彈唯一編碼，接入物聯網監管系統，對每一枚炮彈進行唯一性標注，它的型號、數量、生產廠家，對采購后的炮彈進行入庫管理，根據炮彈唯一性編號詳細記錄炮彈的使用、調配和運輸軌跡情況。對故障炮彈進行標記，針對故障開展故障分析和炮彈質量問題追溯。可根據彈藥的采購時間、生產日期和有效期建立質保安全預警閾值，當炮彈存儲時間超過有效期后將自動進行告警，防止使用過期彈發生安全事故。

4.3 安全檢查、統計查詢

指揮人員可通過系統創建安全檢查任務，在線指派檢查人員。檢查人員接收到檢查任務后根據任務要求清單進行安全檢查，檢查實施后通過系統上報安全檢查情況表以及炮站整改情況。系統支持對安全檢查情況的查詢和統計功能，安全管理每周零報告報送，能夠多角度對安全檢查情況進行統計分析。如圖 6 所示，系統可以對查詢時段內發布的作業預警、作業指令、作業申請、彈藥信息、降雹統計等進行統計查詢功能。

圖6 人影業務各信息統計管理界面

5 “個例庫”科研子系統

人影“個例庫”是在發生典型天氣過程時，人影作業后或發生災情后，系統自動將該時間段的所有信息統一打包及進行文件長時間存儲。同時在WEB端提供查詢和下載接口，方便省、市、縣各級人影業務單位開展研究工作。“個例庫”的設計是為了便于人影業務進行指標驗證，效果評估，科研等工作。系統能通過氣象產品選擇雷達、衛星產品和各自動站氣象數據，圖7界面為一次冰雹天氣過程案例數據資料，研究人員可通過手動選取時間段，選定目標區，可以獲得雷達回波的演變情況，對雷達數據的多種物理量進行對比展示，主要包括：回波頂高、過冷水層厚度等，還能查看當時預報預警、作業指令、作業信息等數據資料。

圖7 人影“個例庫”數據資料查詢界面

6 移動終端app

移動終端APP是作業炮點與市、縣人影指揮中心實時進行信息交互的應用程序，系統設計適應各種安卓智能終端，用戶可以使用平板電腦等各種載體安裝智能終端軟件，支持4G、WLAN網絡等多種方式接入互聯網，圖8為移動終端app顯示界面，可以看出移動端app主要功能可包含：雷達回波顯示、當地天氣實況、預警信息、空域申請、作業信息上報、災情上報等功能。根據接收信息使市、縣指揮中心能實時了解炮站作業狀態，以便于更有效的進行作業指揮和調度，實現市、縣、炮站三級人工影響天氣作業體系信息化、標準化。

圖8 移動終端app顯示界面

7 系統應用個例

圖9為2020年05月16日清鎮市發生的一次冰雹天氣過程雷達產品圖，16日03:00，當系統監測到畢節市大方縣有回波生成發展后會影響清鎮，指揮系統及時自動發布了藍色預警如圖4，具體內容為：回波中心最大強度47.5 dBz，回波頂高15.0 km，并以6 km/h向東南移動，并提示要求作業人員到崗，密切關注天氣。3:54，回波繼續發展，系統對清鎮、修文作業站點發布了黃色預警，畢節市黔西縣有回波生成發展，回波中心最大強度49.5 dBz，回波頂高21.0 km，并以31 km/h向東南移動，提示要求作業人員檢查裝備，準備彈藥。5:48，此時冰雹回波已經進入清鎮作業范圍，系統發布紅色預警，并通過數據分析生成作業信息方案與指令，指令由指揮人員審核后對清鎮新店、流長作業站進行空域申請，到5:56空域批復通過后即刻通過客戶端下發到新店、流長作業站進行120 s作業時間指令，作業完成后由作業站班長進行作業信息初報。如有降雹發生也可使用移動端上傳照片。

圖9 2020年05月16日清鎮發生的一次冰雹天氣過程雷達產品

8 結論

(1)系統將物聯網系統、安全射界系統、信息上報系統等綜合應用到一個系統，實現業務指揮和數據的上下互通、功能互補。系統基于TITAN算法實現精準預報預警，自動計算作業信息，下發作業指令，設定人影作業的預期目標。實現了人影業務信息化、智能化。

(2)系統根據管理者、指揮者、作業人員工作模式，制定以條件、時間軸為觸發機制，建立不同類型響應事件，通過系統的每一個節點信息自動觸發一個或多個事件服務流程，利用平臺打造標準化的業務流程標準體系，實現了人影業務工作流程標準化。

(3)系統對作業人員、裝備、彈藥、作業狀態、視頻監控等安全方面進行實時監管，并整個作業過程都建立了一套安全處置流程。實現了人影安全監管可視化，并貫穿整個業務流程。

(4)系統打造了用于科研的數據分析平臺，能自動收集典型天氣過程個例產品，對典型天氣過程數據提供下載功能，為科研提供數據支撐。在實際應用中操作簡單、指揮科學、信息上報快。具有可推廣性，助力推進量清鎮人影業務現代化建設。