強(qiáng)雷暴天氣情況下自動(dòng)氣象站的主動(dòng)防雷研究

彭發(fā)強(qiáng) 賴洞森 黃愛玉

(福建省龍巖市氣象局，福建 龍巖 364000)

0 引言

龍巖市位于福建省西部，地處閩粵贛三省交界，屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，全年平均雷暴日數(shù)74.1d。轄區(qū)內(nèi)含有5個(gè)國家基本氣象站和2個(gè)國家天氣觀測站，各臺站按照上級業(yè)務(wù)管理部門部署列裝同型號觀測設(shè)備，依據(jù)《地面氣象觀測場規(guī)范化圖冊》和設(shè)備安裝規(guī)范完成地面觀測場地的建設(shè)和設(shè)備安裝，但傳感器(箱體)與地溝之間的距離未做較好的線路屏蔽，電源和信號線纜幾乎是外露狀態(tài)。由于地面觀測場大多地處空曠地或山頭，強(qiáng)雷暴天氣過境時(shí)，極易遭受雷擊，造成設(shè)備損壞。

近五年，連城、漳平、上杭、武平、永定等臺站接連遭遇不同程度雷擊。而2020年至2021年，連城、上杭、武平等臺站在強(qiáng)雷暴天氣過境時(shí)連續(xù)遭受雷擊，造成部分觀測設(shè)備損壞，甚至業(yè)務(wù)中斷，嚴(yán)重影響臺站業(yè)務(wù)質(zhì)量。現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)，雷擊損壞的設(shè)備主要集中在主采、分采、通訊模塊及傳感器等，損壞設(shè)備均無燒焦、炸裂等情況。因此，推斷設(shè)備功能性損壞不是直擊雷導(dǎo)致，而是閃電感應(yīng)或閃電電涌侵入引起。

自雙套新型自動(dòng)氣象站建設(shè)以來，針對強(qiáng)雷暴天氣過境時(shí)的雷擊風(fēng)險(xiǎn)，業(yè)務(wù)管理部門提出臺站視天氣情況提前關(guān)閉B站(第二套新型自動(dòng)氣象站)，以保證A站被雷擊損壞后能及時(shí)啟動(dòng)B站，繼續(xù)開展地面氣象觀測。一部分臺站關(guān)閉B站只關(guān)閉觀測場交流電源輸入，新型自動(dòng)氣象站仍由直流供電運(yùn)行，此做法未做到真正意義上的關(guān)閉；另一部分臺站則是人為對B站所有線路進(jìn)行物理斷接，此做法雖然是進(jìn)行物理斷接，但強(qiáng)雷暴天氣期間，人員在觀測場活動(dòng)，存在雷擊風(fēng)險(xiǎn)。因此，主動(dòng)遠(yuǎn)程控制線路物理斷接是強(qiáng)雷暴天氣過境時(shí)減少閃電感應(yīng)對觀測設(shè)備的破壞，以及保護(hù)人身安全的重要防護(hù)措施。

1 主動(dòng)防雷裝置設(shè)計(jì)思路

主采、分采、通訊模塊及傳感器等設(shè)備易由雷擊造成損失且大部分是由閃電感應(yīng)或閃電電涌侵入引起[1]。其主要成因是強(qiáng)雷暴天氣產(chǎn)生的電磁脈沖經(jīng)由地線、金屬線及空間等通道耦合產(chǎn)生瞬時(shí)浪涌，并擊穿設(shè)備中的電子元器件[2-3]。本文實(shí)現(xiàn)主動(dòng)防雷的思路是使用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)操控?cái)嗦吩O(shè)備實(shí)現(xiàn)分隔主采、分采、傳感器等設(shè)施的地線、金屬線及空間通道。因此，本文的研究重點(diǎn)在于強(qiáng)雷暴天氣提前預(yù)警和保護(hù)電路及控制模塊的設(shè)計(jì)，以DZZ5自動(dòng)氣象站為例，設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)思路

1.1 強(qiáng)雷暴天氣識別技術(shù)思路

關(guān)于對流天氣的判別通常以天氣雷達(dá)的觀測數(shù)據(jù)作為重要判斷依據(jù)，ConvLSTM模型能夠利用已有的雷達(dá)拼圖較準(zhǔn)確地預(yù)測1小時(shí)內(nèi)降水情況[4]。ConvLSTM結(jié)構(gòu)如圖2所示[5]，將每個(gè)時(shí)次采集到的雷達(dá)拼圖作為時(shí)間序列中的一個(gè)元素，用一個(gè)長度為t的時(shí)間序列預(yù)測下一個(gè)時(shí)次的雷達(dá)拼圖。因此，本文以ConvLSTM作為強(qiáng)雷暴識別模型，預(yù)測自動(dòng)氣象站未來30分鐘是否會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)對流天氣。假設(shè)輸入的雷達(dá)數(shù)據(jù)為一張二維圖像，其維度為M×N，每個(gè)像素點(diǎn)取值范圍為P，則雷達(dá)數(shù)據(jù)可以表示為∈RP×M×N[6]。

圖2 ConvLSTM單元結(jié)構(gòu)

ConvLSTM計(jì)算過程表示為式(1)，根據(jù)ConvLSTM計(jì)算特點(diǎn)，本文挑選龍巖地區(qū)的一個(gè)強(qiáng)雷暴天氣過程163小時(shí)的數(shù)據(jù)(6分鐘采集一次完整的雷達(dá)回波數(shù)據(jù))，運(yùn)用ConvLSTM對雷達(dá)組合反射率進(jìn)行預(yù)測。在ConvLSTM預(yù)測實(shí)驗(yàn)中，隨著預(yù)測提前量的增加，預(yù)測的組合放射率圖像的清晰度逐漸降低，且ConvLSTM能夠準(zhǔn)確預(yù)測1小時(shí)內(nèi)的組合反射率的發(fā)展趨勢。根據(jù)地面觀測規(guī)范，B站關(guān)閉時(shí)間在30分鐘內(nèi)為宜，因此本文將強(qiáng)雷暴識別算法設(shè)計(jì)如下步驟，為了提高模型的在線運(yùn)算效率，模型參數(shù)提前使用歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練。

(1)

①使用2小時(shí)長、間隔6分鐘的雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)作為二維的時(shí)間序列；

②將二維時(shí)間序列抽取為96×96灰度圖，并循環(huán)輸入訓(xùn)練好的ConvLSTM；

③輸出ConvLSTM外推出的未來30分鐘內(nèi)組合反射率；

④根據(jù)自動(dòng)氣象站所在位置判斷未來6、12、24、30分鐘是否會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)對流天氣，并根據(jù)當(dāng)前時(shí)間計(jì)算準(zhǔn)確的過境時(shí)間，輸出判斷結(jié)果；

⑤根據(jù)判斷結(jié)果向操控模塊輸出控制型號，如果出現(xiàn)輸出1，否則輸出0。

1.2 保護(hù)電路設(shè)計(jì)思路

繼電器是一種具有隔離功能的自動(dòng)開關(guān)控制元件，本文選用歐姆龍直流12V電磁繼電器，它是一種利用輸入電路內(nèi)電流在電磁鐵鐵芯與銜鐵間產(chǎn)生的吸力作用，將接觸片吸住而工作的一種電氣繼電器，結(jié)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)控制信號輸入1時(shí)，驅(qū)動(dòng)電磁鐵組件工作，帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)(常開觸點(diǎn))吸合，此時(shí)2和3導(dǎo)通，如果控制信號消失，銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與原來的靜觸點(diǎn)(常閉觸點(diǎn))接觸，此時(shí)2和4導(dǎo)通。強(qiáng)雷暴天氣過境時(shí)，控制模塊控制繼電器的銜鐵與常閉常開觸點(diǎn)切換，實(shí)現(xiàn)對各采集器供電和傳感器信號線路通斷控制，最終達(dá)到主動(dòng)防護(hù)效果。

圖3 繼電器結(jié)構(gòu)圖

地面氣象觀測設(shè)備需24小時(shí)不間斷運(yùn)行，而電磁繼電器帶有常開和常閉接線端。本設(shè)計(jì)將電磁繼電器接線端中的常閉接線端接入觀測設(shè)備，該接線方法能使電磁線圈處于未工作狀態(tài)，避免電磁繼電器線圈長時(shí)間工作而造成線圈燒毀。當(dāng)遇到強(qiáng)電流天氣過境等需關(guān)閉設(shè)備時(shí)，遠(yuǎn)程控制繼電器由常閉切換至常開狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)線路物理斷接。供電控制主要是控制各類采集器、綜合集成控制器等設(shè)備電源。如圖4(a)所示，繼電器串聯(lián)接入各用電設(shè)備的供電控制線(正極)，一端接用電設(shè)備，另一端接供電(DC12V)電源正極。繼電器供電采用并聯(lián)方式連接成供電繼電器組，供電由網(wǎng)絡(luò)繼電器控制的直流12V提供。信號控制主要是控制各類接入采集器的傳感器信號線路。如圖4(b)所示，繼電器串聯(lián)接入各采集器的信號線，繼電器供電采用并聯(lián)方式連接成信號繼電器組，供電由網(wǎng)絡(luò)繼電器控制的直流12V提供。

(a) 采集器接入繼電器圖

2 測試運(yùn)行及分析

2.1 模擬測試方案

為驗(yàn)證本設(shè)計(jì)方案的穩(wěn)定性和業(yè)務(wù)可用性，在實(shí)驗(yàn)室條件下搭建一套簡易的氣象觀測站，由于條件限制，使用氣溫傳感器做數(shù)據(jù)序列完整性和準(zhǔn)確性驗(yàn)證，使用有強(qiáng)對流天氣的雷達(dá)拼圖序列作為雷達(dá)信號輸入，測試方案設(shè)備連接圖如圖5所示。本文測試使用的主采集器型號為HY-3000；綜合集成硬件控制器型號為DPZ1；氣溫傳感器型號為HY-T03，編號分別為2593、151655，所有檢定點(diǎn)誤差均為-0.1，使用一臺二層交換機(jī)將防雷控制端及主采集器/傳感器保護(hù)模塊接入氣象專網(wǎng)。本測試實(shí)驗(yàn)接近國家級臺站設(shè)備安裝環(huán)境，所使用的氣溫傳感器誤差大小及趨勢一致，因此該測試實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)較為合理且所得的數(shù)據(jù)具有代表性。

通過對資源財(cái)政稅收預(yù)算管理工作中存在的問題進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的解決策略：健全完善制度體系；及時(shí)轉(zhuǎn)變?nèi)藛T觀念；高效使用預(yù)算資金；實(shí)現(xiàn)財(cái)稅科學(xué)管理，希望能進(jìn)一步提升我國國土資源財(cái)政稅收預(yù)算管理工作的科學(xué)性，從而促進(jìn)我國國土資源的有效利用，使其能進(jìn)一步推動(dòng)我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

圖5 測試方案設(shè)備連接圖

2.2 數(shù)據(jù)序列完整性和準(zhǔn)確性

信號繼電器組串聯(lián)接入各設(shè)備信號，滿足地面氣象觀測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，選取溫度傳感器測試，采用直連和串連繼電器方式接入同一個(gè)地溫分采集器的不同采集通道。

經(jīng)連續(xù)不斷電采集數(shù)據(jù)測試得到4621條數(shù)據(jù)樣本，兩種接入方式的數(shù)據(jù)采集成功率為100%，采集數(shù)據(jù)序列完整。根據(jù)《新型自動(dòng)氣象(氣候)站功能需求書》規(guī)定，溫度傳感器分鐘連續(xù)最小變化誤差0.2℃。設(shè)定直連接入方式作為標(biāo)準(zhǔn)采集輸出值，串聯(lián)繼電器方式作為采集輸出值，通過計(jì)算與標(biāo)準(zhǔn)采集輸出值的誤差，計(jì)算公式為誤差=采集輸出值-標(biāo)準(zhǔn)采集輸出值，進(jìn)而以計(jì)算誤差結(jié)果分析串連繼電器方式對數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性影響。如圖6(a)所示，兩傳感器采集的4621個(gè)數(shù)據(jù)樣本，采集周期為1min，數(shù)值及發(fā)展趨勢幾乎一致。如圖6(b)圖所示，按計(jì)算公式計(jì)算得出誤差值為-0.1～0.1，其中零誤差4550條，占98.46%，-0.1差值37條，占0.8%，0.1差值34條，占0.74%，所有數(shù)據(jù)樣本均在允許誤差內(nèi)。

圖6 測試運(yùn)行采集數(shù)據(jù)

由圖6(a)可知，經(jīng)過繼電器的氣溫傳感器1和未經(jīng)過繼電器的氣溫傳感器2所采集的溫度曲線幾乎重合。為了量化說明兩氣溫傳感器采集的數(shù)據(jù)存在的差異，可以計(jì)算兩列時(shí)間序列的協(xié)方差，如式(2)所示[7]。

(2)

(3)

2.3 運(yùn)行穩(wěn)定性

為保障業(yè)務(wù)正常運(yùn)行及繼電器功能，測試運(yùn)行過程中繼電器常閉狀態(tài)。測試系統(tǒng)經(jīng)過連續(xù)18天不間斷供電運(yùn)行測試，模擬強(qiáng)雷暴天氣過境時(shí)繼電器因接收到控制信號驅(qū)動(dòng)線圈工作而處于常開狀態(tài)和強(qiáng)雷暴天氣結(jié)束時(shí)繼電器狀態(tài)切換傳感器功能正常開啟。經(jīng)過模擬測試證明，該系統(tǒng)具有較高的可靠性及穩(wěn)定性，具備運(yùn)用于業(yè)務(wù)的可行性。

3 結(jié)論

①研究發(fā)現(xiàn)，氣溫傳感器1和氣溫傳感器2在測試運(yùn)行期間采集的數(shù)據(jù)的協(xié)方差值為0.99987356，數(shù)據(jù)序列具有較高的相似度。因此，本文設(shè)計(jì)的主動(dòng)防雷系統(tǒng)對地面觀測業(yè)務(wù)不會(huì)產(chǎn)生任何影響，傳感器的測量數(shù)據(jù)符合《新型自動(dòng)氣象(氣候)站功能需求書》規(guī)定要求。

②ConvLSTM識別強(qiáng)雷暴天氣發(fā)展過程具有較高的準(zhǔn)確率，通過識別結(jié)果向控制模塊發(fā)出的控制信號，能夠切斷B站觀測傳感器及各類采集器的供電通路，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)氣象站自動(dòng)化防雷，從而達(dá)到保護(hù)B站觀測設(shè)備的目的。

③使用其他數(shù)據(jù)(如三維閃電數(shù)據(jù)等)對ConvLSTM識別結(jié)果進(jìn)行修正對于提高準(zhǔn)確率有較大幫助，同時(shí)也會(huì)增加防雷指令輸出模塊的延時(shí)。

④為了提高計(jì)算的時(shí)間效率，對于雷達(dá)組合反射率圖像采取了降采樣及灰度化的處理，一定程度上弱化了雷達(dá)回波，是產(chǎn)生強(qiáng)雷暴天氣誤報(bào)的原因之一。

⑤本系統(tǒng)在測試過程中表現(xiàn)出極高的穩(wěn)定性，可以在強(qiáng)雷暴天氣條件下自動(dòng)保護(hù)B站觀測設(shè)備，同時(shí)也避免了人工關(guān)閉B站過程中可能出現(xiàn)的人員傷亡事故，適合龍巖市氣象觀測業(yè)務(wù)實(shí)際運(yùn)行需求，具有較廣的應(yīng)用性。