河北省氣象應急移動觀測平臺的設計與探討

金龍 蔣濤 劉宇 沙瑜 付佳智 幺倫韜 武春愛*

1.河北省氣象技術裝備中心 河北石家莊 050051；2.西安華騰微波有限責任公司 陜西西安 710119

隨著氣候變化對全球影響的日趨明顯，極端天氣、氣候事件的發生越來越被關注，氣象災害影響人民的生命和財產安全，氣象防災減災形勢不容樂觀。

為提高河北省氣象部門積極應對自然災害性天氣突發事件的處置能力，有效開展自然性突發事件的氣象要素監測活動，河北省氣象部門建立了氣象應急移動觀測平臺(以下簡稱：觀測平臺)。觀測平臺是依托衛星通信技術、視頻會議技術、衛星數據廣播技術、短波通信技術等建立的，觀測平臺涵蓋了X波段雙偏振天氣雷達、激光風雷達、激光氣溶膠雷達、微波輻射計、車載氣象觀測站、大氣電場儀等先進觀測設備，可以實現降水、風、溫度、濕度、氣溶膠等要素的觀測。有助于現場應急工作團隊各項監測、預報、分析、服務等工作的開展。2021年河北省慶祝建黨100周年之際和2022年北京冬奧會張家口賽區火炬傳遞時，觀測平臺在現場發揮了重要作用，取得了良好的社會效益。

1 氣象應急移動觀測平臺的設計

氣象應急移動觀測平臺的主體是氣象應急移動觀測車，國Ⅵ排放標準。內部空間根據功能劃分為駕駛區、操作區、多普勒雷達升降區、油機和附件設備區，布設了氣象觀測設備、衛星通信設備、定位導航設備、監控照明設備和柴油發電機等。

圖1 河北省象應急移動觀測平臺側視圖(右側)

圖2 河北省象應急移動觀測平臺側視圖(左側)

1.1 車體改裝

載車選用德國MAN TGM 18.290/4×2二類底盤，箱體采用(長7500×寬2450×高3220(mm))一體式大板拼接而成，車輛底盤四周做裙箱，內放載車工具、附件、支撐腿、接口窗、線纜盤、墊木、土木工具等。經載車改造加裝箱體后，整車外形尺寸：長10412mm×寬2500mm×高3850mm。重量設計值為：16t。

1.2 觀測設備

觀測設備包含激光風雷達、X波段雙偏振天氣雷達、激光氣溶膠雷達、微波輻射計、大氣電場儀和車載氣象觀測站，分布在載車平臺前部、中后部、尾部。

表1 河北省象應急移動觀測平臺觀測設備清單

1.3 通信方式

通信方式采取衛星通信和4G/5G路由相結合。氣象應急移動觀測平臺能夠匯聚省局信息中心數據、應急移動觀測平臺觀測系統數據和外接的本地便攜式氣象觀測站數據，同時融合混切矩陣平臺中的音視頻信息，通過亞洲Ⅴ號衛星或者4G/5G氣象內網回傳給氣象局。

圖3 河北省氣象應急移動觀測平臺網絡拓撲結構

1.4 其他附屬設備

云臺照明攝像一體機：載車平臺前部方艙左前側(車輛行車方向)設置1套4m手動升降桿，升降桿的頂部設置1套云臺照明攝像一體機，能夠實現應急照明和車外實景監控。

車頂空調：車頂平臺上安裝通風風扇和車頂空調，以保證超低溫/高溫環境下操作區內工控機、矩陣平臺和UPS等設備及技術人員的工作環境溫度可控。

電動支撐腿：在車大梁兩側安裝4個電動支撐腿(4腿承重18T)，電動支撐腿通過安裝支架固定在汽車大梁的相應位置，使用時支撐腿向下伸出觸地，將車身頂起，從而保持駐車時的平穩性，可使用手搖裝置進行手動升降。

雷達升降平臺：升降平臺采用升降導軌與驅動裝置分開設計。導軌的主要作用是防止載重平臺水平竄動，保證升降精度。驅動裝置由雙輸出軸電機、電動推桿、動滑輪、提升鏈等組成。平臺底部驅動電機通過雙輸出軸，將動力傳遞給兩側電動推桿，通過推桿頂部的動滑輪與提升鏈的配合，可將載重平臺從方艙底部(四端限位柱上)升至方艙頂部。載重平臺采用多層鈑金件焊接而成，既保證強度，又減輕重量。

1.5 燃油供電系統

燃油供電系統是氣象應急移動觀測平臺的動力核心，氣象應急移動觀測平臺的燃油供電系統設計有多種供電方式，可通過市電、車載發電機、UPS不間斷電源之間的切換，確保車載系統和設備在任何情況下都能正常使用。車體中部裙邊箱內設置有獨立配電面板可進行供電方式切換。燃油容量設計方面首先需考慮氣象應急行車里程，其次要考慮發電機燃油供電。發電機容量的選取需滿足平臺滿載設備功耗。

表2 河北省氣象應急移動觀測平臺觀測設備功耗和重量

由于上述設備中X波段天氣雷達與雷達升降平臺不能同時工作，綜合上表總功率可確定發電機容量需不小于12.5kW，本平臺選取16kW的熊貓靜音車載式柴油發電機組，工作小時油耗為3.5L。其中，車載UPS系統作為一種安裝裝置也是必不可少的。其作用一是應急使用，防止突然斷電而給用電設備造成損害；二是消除市電上的電涌、瞬間高電壓等“電源污染”改善電源質量。其容量確定方法為：UPS額定容量=總功率(kW)×工作時長(h)÷UPS供電效率。本平臺按UPS最大供電時間20分鐘供電效率85%計算，選取UPS額定容量6kW。

油箱容量的設計在考慮野外無市電供電時長的同時還需保證行車里程。原車油箱300L，發電機油箱150L，發電機外接油箱300L。滿載后車輛油耗不超過30L/100km。在保證行車里程不小1000km的同時，還能夠保證平臺滿載運行約128小時(450L÷3.5L/h=128.57h)。

2 設計中遇到的問題及解決方式

2.1 行駛安全性校核

根據各設備的重量合理設計布局不僅是為了美觀，更重要的是保證行車安全。需要根據平臺上所有設備分布和設備質量確定平臺重心、軸核校核、行駛橫向穩定性校核、行駛縱向穩定性校核等要素以滿足行車安全要求。

重心確定方法：以底盤前軸兩輪與水平地面接觸點連線的中點為坐標原點，以車頭往后為X坐標正向，以車寬往右為Y坐標正向，以車高為Z坐標正向，根據平臺上布設的全部設備位置和重量分布確定平臺重心。

前橋軸載和后橋軸載需結合平臺重心根據下式計算得出。

前橋軸載=平臺重量×(軸距-縱向重心位置)/軸距

(1)

后橋軸載=平臺重量-N1

(2)

行駛橫向穩定性應滿足下式要求：B/2H≥Ф

(3)

行駛縱向穩定性應滿足下式要求：L/H≥Ф

(4)

式中：B——輪距；H——高度重心位置；L——重心距后軸水平距離；Ф——附著系數，取0.5～0.6。

因平臺內設備眾多，不一一列出，經整合計算后可得到平臺行駛安全性校核信息如下表，均滿足行車安全要求。

表3 河北省氣象應急移動觀測平臺行駛安全性校核信息

2.2 電磁干擾

當有X頻段氣象雷達信號從接收方向射入后，9.3～9.7Ghz的雷達信號和Ku頻段(12.25～12.75GHz)衛星通信下行信號經天線接收后共同進入天線雙工器(OMT)。此時，接收射頻信號為Ku頻段衛星信號和X頻段雷達信號的混合信號。但是雷達信號電平遠大于接收到的衛星信號，為接收衛星信號設計的LNB前級放大器會被X頻段雷達信號推至飽和狀態，導致衛星信號也無法被正常放大接收。但X頻段氣象雷達對衛星通信系統的干擾屬于異頻干擾，可通過增加選頻濾波裝置的方式改進。

增加干擾抑制設備的衛星天線接收信號的流程如下圖所示：

圖4 增加干擾抑制設備后衛星天線接收信號流程

主要改進措施是在衛星通信天線阻發濾波器之后，安裝一個定制的、截止頻率12GHz的高通濾波器，接收到的衛星信號頻率高于截止點可正常通過，雷達信號頻率低于截止點，會被大量阻隔衰減，對LNB前級放大器的干擾就可以有效降低，增強衛星通信系統抗X頻段氣象雷達干擾的能力。

3 使用中遇到的問題

3.1 外表螺絲孔銹蝕

在平臺交付使用后，經歷了幾次降水后發現車體上多處出現銹蝕痕跡，與設備安裝和車體油漆噴涂順序有關。由于部分設備在車體噴涂后進行的安裝調試，導致漆面受損雨后銹漬順著車體留下，影響整體美觀。解決方式：在全部車載設備掛接完畢后，重新整體噴涂一遍車身即可避免此問題的出現。

3.2 艙門合頁變形

隨著使用頻率的增加，各個艙門的合頁會出現不同程度的磨損，加之不同功能區域艙門類型的不同導致重量不同，使用頻率較高的部分實心門已出現合頁變形導致艙門下墜無法關閉的現象。解決方式：(1)選取質量較好的合頁。(2)變更艙門開合方式。質量體積較小的艙門建議選取側開或對開方式，質量體積較大的艙門建議選取上翻或者下拉方式，以減輕合頁承重量。

3.3 低溫下設備無法啟動

在張家口地區，冬季夜間最低溫度能低于零下20℃，多數設備最低工作溫度介于零下20℃至零下15℃之間，導致車輛在張家口地區冬季停放數日后部分車載設備無法正常啟動。雷達升降平臺潤滑油脂凝固，嚴重影響工作性能。解決方式：(1)設備選型時需充分考慮工作場景和所在地的環境溫度變化范圍。(2)車輛艙體內需安裝冷暖空調，以保證在極高/低溫環境下技術人員和設備的適宜工作環境溫度。

3.4 電瓶虧電

車輛長時間停放后原車電瓶虧電造成車輛無法正常點火啟動，經過分析為車輛改裝過程中加裝了支撐系統、照明系統等設備，容易造成車輛駐車熄火后，上述設備繼續耗電的情況。解決方式：(1)電路系統設計過程中切忌改動原車電器線路，車輛長時間停放時需切斷原車電源。(2)車輛長時間停放時，需定期啟動給電瓶充電，保持電瓶活性。(3)設備電路系統需根據功能劃分設計為獨立回路，加裝斷路器保護開關，供電回路需進行漏電保護、過電保護、防浪涌保護等。

4 應急保障工作的對策與建議

4.1 需建立一支專業保障隊伍

氣象應急保障工作要求應急車上的技術人員和設備要能快速地進入工作狀態。這就要求建立完善的應急工作流程及預案。經常開展應急演練，使保障人員對設備操作熟練。同時一次完整的應急工作的開展離不開各單位和部門的通力協作，以保證應急服務工作的有序開展。比如省氣象探測中心負責車載平臺系統穩定運行，氣象信息中心協助通信連接(衛星、無線、微波)，氣象臺協助現場預報決策，氣象局辦公室負責信息宣傳等。通過合作將應急觀測平臺的優質氣象服務綜合效益融入各個領域，充分發揮應急保障作用。

4.2 車輛及車載設備需定期使用維護

縱觀整個氣象應急觀測系統的生命周期，其使用頻率總體較低，出車使用頻率甚至不能達到每個月1次。這就要求定期(每個月)進行車輛和車載設備的定期保養維護，一方面要保持設備性能，另一方面要加強操作人員的操作維護能力。比如激光類設備若長時間不開啟，設備內部受潮容易影響激光器性能和壽命；車輛長時間停放容易導致電瓶性能下降車輛無法打火啟動，通信系統長時間不使用需確認通信卡無欠費現象，衛星端口申請鏈路暢通等。同時還需根據季節和前往目的地的不同，來對車輛及其相關附屬設施進行保養。比如更換低溫玻璃水、高標號汽車柴油、低溫齒輪油、低溫潤滑脂等，避免車輛到達應急保障任務現場后因環境溫度劇烈變化無法正常工作的現象發生。

4.3 安全接地

接地是一種用電安全措施，通過金屬導線與接地裝置連接來實現，接地裝置通常為金屬導體，能夠砸入地下或者接入其他已接地的裝置上。在載車平臺停穩后設備開啟前，應該首先尋找合適地點進行觀測平臺的安全接地，以保證應急觀測平臺設備正常工作和人身安全而采取的安全保護措施。尤其在雷暴天氣環境下開展應急觀測保障工作過程時，必須先進行安全接地。為了能夠更充分有效地發揮接地效果，也可在砸入地下的接地裝置周圍傾倒水/鹽水以增加電導率和接觸面積。

4.4 合理設計

氣象應急移動觀測平臺的設計初衷應突出應急和移動觀測，觀測設備的選取要有重點，切忌觀測設備追求數量多、車體大，這樣會使平臺設計成本和平臺維護保養成本增加，還會出現車輛通過性降低、駕駛員技術要求提高、車輛審核手續復雜等一系列問題。建議把小型化、輕型化、可移動性強作為氣象應急移動平臺的發展方向。

結語

河北省氣象應急移動觀測平臺自2021年交付使用以來，在2021年河北省慶祝建黨100周年之際和2022年北京冬奧會張家口賽區火炬傳遞時，發揮了重要作用，提供了優質的現場氣象保障服務。實踐證明氣象應急移動觀測平臺能夠在時間和空間尺度上發揮出應有的作用，能夠提高氣象應急保障服務能力。雖然取得了良好的社會效益，但在服務過程中也暴露出了設計中的缺陷和問題，通過對河北省氣象應急移動觀測平臺的設計和應用進行探討，對今后其他應急保障平臺的設計和應急保障體系工作的開展均有借鑒意義。