紅外光學(xué)雨量計在智慧機場中的應(yīng)用方案

王 江，楊一帆，鄒 軍，石明明，李抒智，張 紅，王洪榮，蘇曉峰，陳 啟，鄭煒陵

（1. 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 理學(xué)院 , 上海 201418；2. 上海產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院, 上海 201206；3. 上海贄匠智能科技有限公司, 上海 201107；4. 煙臺華創(chuàng)智能裝備有限公司, 山東 煙臺 264001；5. 西雙版納承啟科技有限公司,云南 景洪, 666100；6. 上海國際機場股份有限公司, 上海 201207）

降水情況影響著社會生活、自然環(huán)境、交通運輸、軍事行動、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各個方面，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進步，對降水的監(jiān)測技術(shù)手段也越來越智能化與精確化[1]。對降水進行有效實時監(jiān)測是非常有必要的，特別是在機場等特殊的空間區(qū)域，對降水的實時監(jiān)測有助于決策者對降水實時狀況的掌握，進而采取相應(yīng)的應(yīng)急措施[2]。降水量過多會導(dǎo)致機場跑道積水或內(nèi)澇[3]，影響機場的正常運轉(zhuǎn)。建立完善的防汛指揮系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、管理和運行機制等可以解決降雨后的積水問題；而對降水的測量可以反演降雨強度，起到很好的預(yù)警作用，為提前預(yù)測未來降雨情況提供參考依據(jù)。隨著降水監(jiān)測技術(shù)的不斷發(fā)展和雨量計實時監(jiān)測技術(shù)的不斷突破，將雨量計應(yīng)用于智慧機場，可為維護機場運轉(zhuǎn)提供重要保障。

1 雨量計工作原理

1.1 雨量計檢測技術(shù)

目前，世界各國所使用的降水監(jiān)測工具主要包括氣象衛(wèi)星、氣象雷達和雨量計等[4]。其中氣象衛(wèi)星與氣象雷達主要用于大范圍監(jiān)測，不能精確反演降水分布和定量分析；而雨量計在小區(qū)域的降水監(jiān)測優(yōu)勢突出，合理布置雨量計的觀測點即可知道該區(qū)域的具體降水分布情況，通過反演解析降雨強度[4]。

按照是否接觸雨水，雨量計可分為接觸式雨量計和非接觸式雨量計[5]。接觸式雨量計是較為傳統(tǒng)的雨量測量儀器，如翻斗式雨量計、虹吸式雨量計、稱重式雨量計等。這些傳統(tǒng)機械式的雨量計測量都是定時測量，獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)具有一定延時性，無法及時獲取實時數(shù)據(jù)，且需要對儀器進行定期清理維護，長期暴露在野外儀器容易損壞，系統(tǒng)誤差較大[6]。而非接觸雨量計是新興的雨量檢測儀器，通過對電[6]、光[7]、聲[8]等的變化進行檢測，來獲取雨量數(shù)據(jù)，包括壓電雨量計、聲學(xué)雨量計、紅外光學(xué)雨量計等。這類雨量計靈敏度高，速度快，可以進行長時間自動連續(xù)采集，方便快速獲取實時數(shù)據(jù)[9]。紅外光學(xué)雨量計有高精度和高靈敏度的特點，可以通過與窄帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的方式，在智慧機場的雨量測量領(lǐng)域得到應(yīng)用。

1.2 紅外光學(xué)雨量計檢測技術(shù)

紅外光學(xué)雨量計是光學(xué)雨量計的一種。光學(xué)雨量計的基礎(chǔ)都是建立在降水粒子對光學(xué)傳播的影響上，通過對光學(xué)經(jīng)過粒子后的物理參數(shù)進行檢測，從而獲取降水粒子包含的物理信息，通過建立和解析光學(xué)與粒子物理參數(shù)的模型進而分析降雨情況。光學(xué)雨量計根據(jù)不同的探測內(nèi)容可分為2類，一類探測降水粒子的速度與顆粒大小等特征，另一類探測光信號的散射、光強等特征[10]。第1類主要采用消光遮蔽技術(shù)、圖像采集法及光散射技術(shù)等方法實現(xiàn)探測[11]。第2類則是將光束接收到的信息轉(zhuǎn)為頻譜進行分析，技術(shù)包括光強閃爍法[12]、光強衰減及散射儀綜合測量法等[10]。

紅外光學(xué)雨量計使用第1類探測技術(shù)。通過近紅外向前散射技術(shù)[13-14]，利用光學(xué)散射原理，能夠建立散射光特性與降水粒子的物理特性（如粒子大小、形態(tài)、速度等）的關(guān)系模型[15]。紅外光學(xué)雨量計對降水粒子進行測量，不同降水粒子具有不同的末速度和粒子大小，可以根據(jù)關(guān)系模型提取降水粒子的物理特性。圖1 是基于光學(xué)散射理論設(shè)計的光學(xué)雨量計工作原理圖。光源發(fā)射光經(jīng)過擴束器后形成多束平行光，光線照射降水粒子后被散射形成散射光。散射光被光電探測器接收，將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，信號?jīng)處理后根據(jù)建立的模型轉(zhuǎn)換后得到降水粒子的速度與大小用于判斷降水類型，再根據(jù)單位時間內(nèi)降水粒子的數(shù)量計算出降水量[13]。

圖1 紅外光學(xué)雨量計工作原理Fig.1 Working principle of infrared optical rain gauge

1.3 代表性紅外光學(xué)雨量計

1.3.1 RS100紅外光電雨量計

RS100紅外光電雨量計內(nèi)部采取光學(xué)感應(yīng)原理測量降雨量，并且采用了可靠的算法保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。RS100可在相對濕度0%～99%，工作溫度-40～85 ℃的環(huán)境中工作。在性能方面，其感雨直徑達到7 cm，準(zhǔn)確度＜5%；具有2個模式，分別為測雨模式和感雨模式。在測雨模式下，分辨率為0.1 mm，傳感器未檢測到0.1 mm的降雨時，通過信號線向外界發(fā)出一個時長50 ms的信號。在感雨模式下，分辨率為0.01 mm，傳感器每檢測到0.01 mm的降雨時，通過信號線向外界發(fā)出一個時長1 min的信號。

1.3.2 G11紅外光學(xué)雨量計

G11雨量計使用光束的紅外光，檢測是否有水觸及外表面。它比典型的翻斗式雨量計要靈敏100倍，統(tǒng)計雨滴數(shù)量并發(fā)送脈沖信號。且G11采用高科技的紅外光學(xué)檢測原理，無機械配件，其傳感器不僅不受雨水沖撞影響，還可以在移動中測量雨量。

G11紅外光學(xué)雨量傳感器包括一個多種操作模式開關(guān)，允許自由配置多種操作模式，其中包括雨量測量模式、下雨模式以及停雨模式等。

2 基于智慧機場下的紅外光電雨量計系統(tǒng)方案

2.1 紅外光電雨量計的系統(tǒng)架構(gòu)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，窄帶物聯(lián)網(wǎng)（narrow band-internet of things，NB-IoT）技術(shù)被應(yīng)用于智慧機場的建設(shè)中[16]。NB-IoT具有廣深覆蓋、海量連接、低功耗、低速率、超低成本、支持重復(fù)傳輸?shù)葍?yōu)勢[17-18]。且NB-IoT基于授權(quán)頻譜和運營商網(wǎng)絡(luò)，無需重新安裝基站，只要運營商的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，即可實現(xiàn)物聯(lián)通信，建設(shè)與部署容易便捷，大大降低安裝與運維成本。雨水對機場的影響較大，對機場降雨情況進行實時監(jiān)測是非常有必要的，機場管理區(qū)域范圍較大，使用傳統(tǒng)人工對機場管理起來費時費力，因此基于NB-IoT的紅外光學(xué)雨量計系統(tǒng)被應(yīng)用于智慧機場的建設(shè)中。以上海浦東國際機場的方案為例，如圖2所示，紅外光電雨量計系統(tǒng)主要包括紅外光學(xué)雨量計傳感器組成的終端、NB網(wǎng)絡(luò)、IoT平臺和業(yè)務(wù)平臺。

圖2 智能雨量測量系統(tǒng)Fig.2 Intelligent rainfall measuring system

第1層是終端感知層[19]，是系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)的底層，用于部署基礎(chǔ)硬件設(shè)備。終端層采用集成的NB-IoT模塊的紅外光學(xué)雨量計，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與雨量計的直接通信，減少中間環(huán)節(jié)，節(jié)省大量中間采集傳輸設(shè)備的投入，且可以進行實時監(jiān)測與通信。

第2層是傳輸網(wǎng)絡(luò)層，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸與通信。采用基于NB-IoT的無線公網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸與通信，實現(xiàn)將感知層采集的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)絀oT平臺。

第3層是運營商IoT平臺，通過該平臺運營商對感知層的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)存儲以及加工，提供連接管理功能，為業(yè)務(wù)平臺提供必要的信息和分析結(jié)果。

第4層是應(yīng)用層，主要是應(yīng)用管理系統(tǒng)。提供監(jiān)控管理、數(shù)據(jù)查詢、報警管理等功能。

2.2 紅外光電雨量計系統(tǒng)的通信模式

基于蓬勃發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可應(yīng)用于智慧機場的通信模式數(shù)不勝數(shù)，目前最主流的通信模式當(dāng)屬WIFI、NB-IoT等短距離通信模式。根據(jù)紅外光電雨量計的特征，可以采取搭建分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)的方式作為紅外光電雨量計的主要通信模式。紅外光電雨量計的傳感器網(wǎng)絡(luò)采用混合組網(wǎng)模式進行節(jié)點之間的通信以及數(shù)據(jù)上傳。NB-IoT技術(shù)是2015年9月在3GPP標(biāo)準(zhǔn)組織中立項提出的一種新的窄帶蜂窩通信LPWAN技術(shù)，其特點主要包括低速率、低成本、高容量等。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)簡稱WMN，其工作原理是通過多跳節(jié)點構(gòu)建一個移動的自組織網(wǎng)絡(luò)。分布于智慧機場中各位置的紅外光電雨量計通過搭載Mesh網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成Mesh網(wǎng)絡(luò)中的終端，并在固定位置放置Mesh路由器，如此一來，傳感器終端也可以通過Mesh路由器彼此之間的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)來講數(shù)據(jù)傳輸?shù)組esh網(wǎng)關(guān)節(jié)點，最后由網(wǎng)關(guān)節(jié)點經(jīng)由NB-IoT技術(shù)將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，過程如圖3所示。采用NB-Mesh網(wǎng)絡(luò)的最大優(yōu)點就是每個節(jié)點都有路由的能力而且功耗非常低，大部分時間都處在監(jiān)聽狀態(tài)。報文的傳輸都在分配好的時間片內(nèi)完成，采用跳頻技術(shù)降低了沖突的發(fā)生，因此會大大降低報文的碰撞和重傳。每個消息都有ACK，通信的可靠性高，與此同時網(wǎng)絡(luò)的規(guī)?？梢赃_到1 000 個節(jié)點左右。NB-Mesh主要的安全策略包括加密和授權(quán)。

圖3 NB-Mesh網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.3 Network topology of NB-Mesh network

2.3 紅外光電雨量計系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析及處理

紅外光電雨量計使用非接觸式掃描，采集到的數(shù)據(jù)量非常的龐大，這就對數(shù)據(jù)的存放和處理有極高的要求。在智慧機場應(yīng)用中，紅外光電雨量計將檢測到的雨量相關(guān)模擬信號通過特定算法進行轉(zhuǎn)換，得到一級數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。隨后使用Bloom Filter對一級數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分類和整合，根據(jù)大量歷史數(shù)據(jù)并通過BP（back propagation） 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測得出二級數(shù)據(jù)，使用SQL SERVER數(shù)據(jù)庫將二級數(shù)據(jù)進行保存維護，并生成對應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)。得到的二級數(shù)據(jù)通過圖形用戶界面（graphical user interface，GUI）的方式進行人機交互。

2.4 紅外光電雨量計系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲方式

使用Bloom Filter對智慧機場中紅外光電雨量計的檢測數(shù)據(jù)進行分類和整合。Bloom Filter是一種空間效率很高的隨機數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)， Bloom Filter通過極少的錯誤率換取了空間的極大節(jié)省。初始狀態(tài)時，Bloom Filter是1個包含m位的位數(shù)組，每一位都置為0。

為了表達雨量計原始數(shù)據(jù)S={x1,x2,···,xn}這樣1個n個元素的集合，Bloom Filter使用k個互相獨立的哈希函數(shù)，分別將集合中的每個雨量計原始數(shù)據(jù)映射到{1,2,···,m}的范圍中。對任意一個元素x，第i個哈希函數(shù)映射的位置hi(x)就會被置為1(1≤i≤k)。

Bloom Filter在判斷一個雨量計原始數(shù)據(jù)是否屬于它表示的集合時會有一定的錯誤率，通過簡化模型，首先能夠得出當(dāng)集合雨量計原始數(shù)據(jù)模型S={x1,x2,···,xn}的 所有元素都被k個哈希函數(shù)映射到m位的位數(shù)組中時，這個位數(shù)組中某一位還是0的概率是：

要把S完全映射到位數(shù)組中，需要做kn次哈希。某1位還是0意味著kn次哈希都沒有選中它，因此其概率為的kn次方。

令p=是為了簡化運算。這里用到了計算e時常用的近似：

令ρ為位數(shù)組中0的比例，則ρ的數(shù)學(xué)期望E(ρ)=p′。在ρ已知的情況下，錯誤率為：

式中：(1-ρ)為位數(shù)組中1的比例；(1-ρ)k表示k次哈希都剛好選中1的區(qū)域。

綜上所述，使用Bloom Filter可以將大量的雨量計原始數(shù)據(jù)進行存放，并保證讀取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為下一步工作做足了充分的準(zhǔn)備。

2.5 紅外光電雨量計系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫存儲

紅外光電雨量計的數(shù)據(jù)庫存儲內(nèi)容包括歷史檢測數(shù)據(jù)以及參考數(shù)據(jù)。雨量計數(shù)據(jù)庫儲存所有二級數(shù)據(jù)，并根據(jù)時間定義將一部分二級數(shù)據(jù)定義為歷史數(shù)據(jù)。根據(jù)人為觀測結(jié)果，對所有歷史數(shù)據(jù)進行標(biāo)簽。數(shù)據(jù)庫使用SQL SERVER對數(shù)據(jù)進行存儲、分類以及標(biāo)簽。根據(jù)不同的降雨量對將于進行標(biāo)簽處理，并對異常數(shù)據(jù)進行人為處理后，進行標(biāo)簽歸類，最終形成歷史數(shù)據(jù)，再匯入外部參考數(shù)據(jù)，最終形成雨量計數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫的具體存儲標(biāo)簽及規(guī)則如圖4所示。

圖4 雨量計數(shù)據(jù)庫存儲規(guī)則Fig.4 Rain gauge database storage rules

2.6 紅外光電雨量計系統(tǒng)的數(shù)據(jù)預(yù)測

在智慧機場中，不僅降雨量的歷史數(shù)據(jù)非常重要，未來時間內(nèi)的降雨量預(yù)測也同樣重要。精確預(yù)測未來時間內(nèi)的降雨量，可以對機場的防洪、防汛工作起到很大的幫助作用，機場相關(guān)工作人員可以根據(jù)預(yù)測結(jié)果，提前定點定時布置防洪防汛工作，保證機場各單位工作的穩(wěn)定工作。

光電雨量計系統(tǒng)從雨量計數(shù)據(jù)庫中調(diào)用歷史數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同的歷史數(shù)據(jù)得到不同的預(yù)測結(jié)果，預(yù)測模型根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的原理進行搭建。紅外光電雨量計的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型如圖5所示。

圖5 雨量計系統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)Fig.5 BP neural network of rain gauge system

該BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用多元線性回歸模型來完成。該BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一共有3層，分別為Input層、Hidden層、Output層。Input層負(fù)責(zé)調(diào)用雨量計的歷史數(shù)據(jù)，并根據(jù)Input層權(quán)重的大小計算得出Hidden層的數(shù)據(jù)。Hidden層負(fù)責(zé)對雨量計歷史數(shù)據(jù)進行進一步處理，根據(jù)Hidden層的權(quán)重大小計算得到Output層的數(shù)據(jù)。Output層得到計算后的數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)輸出。

Input層數(shù)據(jù)與Hidden層數(shù)據(jù)之間的關(guān)系如下：

Output層數(shù)據(jù)與Hidden層數(shù)據(jù)之間的關(guān)系如下：

式中：x為雨量計的歷史數(shù)據(jù)；β為Input層的權(quán)重；h為Hidden的數(shù)據(jù)；ω為Hidden層的權(quán)重；y是預(yù)測 的未來降雨量；ξ是隨機誤差項。

2.7 基于NB-IoT的智能雨量測量系統(tǒng)流程

基于NB-IoT的智能雨量測量系統(tǒng)流程如圖6所示。紅外光電雨量計將監(jiān)測的感知信息通過傳輸網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至運營商IoT平臺，運營商IoT平臺對數(shù)據(jù)進行加工處理后展示于實時監(jiān)控平臺。接受雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)、報警等信息，實時監(jiān)測雨量計運行情況，直觀實現(xiàn)實時狀態(tài)、歷史變化、報警分析、事件統(tǒng)計等多種數(shù)據(jù)信息的可視化展示。此外，可實現(xiàn)與雨量計之間的直接通信，根據(jù)實際運行情況通過遠程平臺發(fā)出指令對雨量計相關(guān)參數(shù)進行修改與調(diào)整。

圖6 基于NB-IoT的智能雨量測量系統(tǒng)流程圖Fig.6 Flow chart of NB-IoT based intelligent rainfall measurement system

3 結(jié) 語

根據(jù)智慧物聯(lián)系統(tǒng)的實際需求，將紅外光學(xué)雨量計應(yīng)用于智慧機場中。介紹了紅外光學(xué)雨量計的檢測技術(shù)，并以浦東機場智慧場區(qū)為例，詳細闡述了紅外光學(xué)雨量計在智慧機場中的應(yīng)用方案。通過雨量計監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析可以反演降水類型，同時也可以分析預(yù)測未來降雨走勢，有利于機場防汛的及時調(diào)度和指揮。