基于氣象大數(shù)據(jù)的雨量智能分級控制系統(tǒng)設(shè)計

趙 勇,王 瑜

(棗莊市氣象局,棗莊 277800)

0 引言

人工影響天氣是氣象服務(wù)于防災(zāi)、減災(zāi)、保護人民生命財產(chǎn)安全和提高人民生活質(zhì)量、合理開發(fā)利用氣候資源、生態(tài)建設(shè)與保護的重要科技手段[1]。受全球氣候變暖影響,極端天氣事件增多,尤其是近幾年冬春連旱和春夏冰雹頻發(fā),氣象部門通過人工增雨和消雹能有效降低干旱及冰雹對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的不良影響,確保糧食作物穩(wěn)產(chǎn)。

為了更好地開展人工影響天氣業(yè)務(wù),國內(nèi)氣象工作者開發(fā)了許多業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)[2-5]。同時為提供更加形象直觀的地理場景和三維可視效果,諸多人影工作者在業(yè)務(wù)中已開始設(shè)計和應(yīng)用地理(傳統(tǒng))和電子沙盤。宋建予[6]利用地理沙盤模型,開發(fā)了基于GIS技術(shù)的市級人影作業(yè)地理沙盤輔助指揮調(diào)度系統(tǒng);畢力格等[7-9]設(shè)計研發(fā)了人工影響天氣電子沙盤系統(tǒng),實現(xiàn)了人影作業(yè)裝備、觀測站網(wǎng)、衛(wèi)星云圖、雷達回波和降水量等信息的三維可視化展示。根據(jù)實際業(yè)務(wù)需求,文章設(shè)計了一種用于氣象人影沙盤的雨量自動分級展示系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計

1.1 業(yè)務(wù)需求

沙盤是根據(jù)區(qū)域地形、地貌,按照一定比例關(guān)系,用玻璃鋼、石膏粉、紙漿、草絨和其他材料制成的微型模型,在建筑、交通、水利等行業(yè)應(yīng)用廣泛。傳統(tǒng)氣象人影沙盤主要展示地形、地貌、河流、湖泊和人影作業(yè)點位置、射界等基本信息,形式單調(diào),功能單一,無法直觀展示人工增雨過程中氣象站的雨量級別。電子沙盤雖然能通過投影或屏幕展示地形地貌、衛(wèi)星云圖、雷達回波和降水量等信息,但是無法與傳統(tǒng)地理沙盤直觀的三維立體可視效果相媲美。針對以上問題,文章結(jié)合現(xiàn)代信息控制技術(shù)設(shè)計一種適用于傳統(tǒng)地理沙盤的氣象站雨量自動分級展示系統(tǒng)。

1.2 架構(gòu)設(shè)計

雨量自動分級展示系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計,主要由人影沙盤模型、燈組展示模塊、自動控制模塊和數(shù)據(jù)處理模塊4部分構(gòu)成(圖1)。

圖1 雨量自動分級展示系統(tǒng)

2 功能實現(xiàn)

2.1 人影沙盤模型

人影沙盤模型除用傳統(tǒng)方式展示地形、地貌外,還將河流、湖泊和人影作業(yè)點位置、射界及自動氣象站雨量等信息用不同顏色的動態(tài)LED燈展示;河流和湖泊底部采用藍色透明燈板,邊界間隔10～15 mm設(shè)置藍色LED燈帶,并高出模擬河流和湖泊2～3 mm,當(dāng)周圍自動氣象站有雨量數(shù)據(jù)時,藍色LED燈帶依次閃爍,模擬河流流向;人工增雨作業(yè)站點采用內(nèi)含白色LED燈的聚光玻璃罩展示,射界采用扇形白色LED燈帶展示,當(dāng)作業(yè)站點開展人工增雨時,站點對應(yīng)的白色LED燈和發(fā)射方向的白色LED燈帶不停閃爍,人影沙盤模型能夠醒目地展示人工增雨作業(yè)站點和方向。

2.2 燈組展示模塊

燈組展示模塊主要由與自動氣象站數(shù)量相等的聚光玻璃罩組成,聚光玻璃罩布設(shè)于自動氣象站對應(yīng)在人影沙盤模型中的位置。每個聚光玻璃罩內(nèi)含綠、黃、橙、紅4種不同顏色的LED燈,將自動氣象站監(jiān)測到的不同量級降雨信息以這4種不同顏色LED燈模擬展示在沙盤模型中?？刂颇K根據(jù)指令控制燈組展示模塊的運行,用綠、黃、橙、紅4種顏色自動分級展示自動氣象站的小雨、中雨、大雨和暴雨。

2.3 自動控制模塊

自動控制模塊主要由RS-232串口控制器、多路繼電控制器和四路繼電控制器組成。RS-232串口控制器安裝在計算機串口,將數(shù)據(jù)處理模塊控制指令分發(fā)給多路繼電控制器和四路繼電控制器;多路繼電控制器內(nèi)置和自動氣象站數(shù)量相等的控制芯片,其控制芯片根據(jù)RS-232串口控制器轉(zhuǎn)發(fā)的控制指令工作;四路繼電控制器也和自動氣象站數(shù)量相等,其內(nèi)置的四個控制芯片按照RS-232串口控制器轉(zhuǎn)發(fā)的控制指令控制燈組展示模塊中4個LED燈的運行。

2.4 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊是安裝在計算機內(nèi)的控制程序,是整個系統(tǒng)的核心,包括CIMISS數(shù)據(jù)接口、定時程序和控制程序。CIMISS數(shù)據(jù)接口主要用于存儲全國氣象綜合觀測數(shù)據(jù),并提供數(shù)據(jù)訪問接口[10]。定時程序根據(jù)設(shè)定時間間隔(5 min)按照自動氣象站編號掃描CIMISS數(shù)據(jù)接口,將雨量數(shù)據(jù)按照氣象標(biāo)準轉(zhuǎn)換成雨量等級,然后發(fā)送給控制程序,控制程序?qū)⒂炅康燃壭畔⑥D(zhuǎn)化為控制指令,并將控制指令發(fā)送給自動控制模塊。

2.5 電源供電模塊

電源供電模塊的主要作用是提供電能,將220 V交流電轉(zhuǎn)換為多路繼電控制器、四路繼電控制器和LED燈使用的3 V直流電,確保器件正常工作。

3 業(yè)務(wù)應(yīng)用

3.1 運行流程

該系統(tǒng)運行流程為:數(shù)據(jù)處理模塊將控制指令發(fā)送給自動控制模塊,自動控制模塊根據(jù)控制指令將分控開關(guān)閉合連通,電源供電模塊形成供電閉合回路,燈組展示模塊內(nèi)LED燈亮起。

1)國內(nèi)所有自動氣象站將監(jiān)測到的氣象數(shù)據(jù)信息經(jīng)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制等處理后通過氣象專用網(wǎng)絡(luò)或4G通信技術(shù)傳送到全國綜合氣象信息共享平臺(CIMISS)。

2)數(shù)據(jù)處理模塊內(nèi)的定時程序每隔5 min按照需要展示的自動氣象站編號列表依次掃描CIMISS數(shù)據(jù)接口,從返回的氣象數(shù)據(jù)信息中篩選出雨量數(shù)據(jù),并按照氣象雨量等級標(biāo)準轉(zhuǎn)換成雨量等級(小雨、中雨、大雨或暴雨),然后將自動氣象站編號、雨量等級等信息發(fā)送給控制程序。

3)控制程序接收到定時程序發(fā)送的信息后,將自動氣象站編號轉(zhuǎn)化為多路繼電控制器的芯片編號,將雨量等級信息轉(zhuǎn)化為四路繼電控制器的芯片編號,然后將生成的控制指令通過RS-232串口控制器分別發(fā)送給多路繼電控制器和四路繼電控制器。

4)多路繼電控制器接收到RS-232串口控制器發(fā)送的控制指令后,控制芯片根據(jù)控制指令將分控開關(guān)閉合或斷開[11]。四路繼電控制器接收控制指令后,與雨量等級對應(yīng)的控制芯片將分控開關(guān)閉合,其余三路控制芯片將分控開關(guān)斷開。

5)電源供電模塊將220 V交流電轉(zhuǎn)換為3 V直流電,并一直處于供電狀態(tài)。當(dāng)分控開關(guān)閉合連通后,燈組展示模塊內(nèi)對應(yīng)的LED亮起。

3.2 應(yīng)用案例

文章根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)、功能模塊和運行流程,在氣象人工影響天氣業(yè)務(wù)中,設(shè)計并制作了一種用于氣象人影沙盤的雨量分級展示裝置?，F(xiàn)舉例說明其運行過程:

1)編號為D8051的自動氣象站位于某人工增雨作業(yè)點附近,在開展人工增雨過程中,該站點監(jiān)測到周圍雨量為15 mm,通過4G網(wǎng)絡(luò)經(jīng)質(zhì)量控制后將雨量數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺珖C合氣象信息共享平臺(CIMISS)。

2)定時程序從CIMISS數(shù)據(jù)接口返回的氣象數(shù)據(jù)中篩選出編號為D8051的自動氣象站雨量數(shù)據(jù)為15 mm,按照雨量等級標(biāo)準將其轉(zhuǎn)換成“中雨”,然后將“D8051”和“中雨”信息配對并發(fā)送給控制程序。

3)控制程序接收到“D8051”和“中雨”的配對信息后,將“D8051”轉(zhuǎn)化為多路繼電控制器的“控制芯片1”,將“中雨”轉(zhuǎn)化為四路繼電控制器的“控制芯片2”,然后生成控制指令,通過RS-232串口控制器分別發(fā)送給多路繼電控制器和四路繼電控制器。

4)多路繼電控制器接收到控制指令“控制芯片1”后,控制芯片1自動將分控開關(guān)閉合。同理,四路繼電控制器的控制芯片2也自動將分控開關(guān)閉合,控制芯片3和4保持分控開關(guān)處于斷開狀態(tài)。

5)多路繼電控制器控制芯片1和四路繼電控制器的控制芯片2同時將分控開關(guān)閉合連通后,LED燈組內(nèi)的黃色LED亮起。

按照上述運行過程,所有自動氣象站對應(yīng)的LED燈組均以和雨量等級相對應(yīng)的顏色在人影沙盤中展示。

4 結(jié)束語

利用氣象云大數(shù)據(jù)和現(xiàn)代信息控制技術(shù)設(shè)計的人影沙盤雨量自動分級展示系統(tǒng),拓寬了氣象數(shù)據(jù)標(biāo)準格式的應(yīng)用范圍,實現(xiàn)了氣象數(shù)據(jù)的自動處理和信息展示方式的智能控制,既保證了整個控制過程的準確、及時,又展現(xiàn)了人影業(yè)務(wù)的智能化。

在增加自動分級展示實時雨量信息的同時,利用不同顏色LED燈(帶)展示河流流向、湖泊水位和增雨作業(yè)方位,使系統(tǒng)既符合業(yè)務(wù)需求又增強科技質(zhì)感,將自動氣象站分級雨量信息展示得更加明了、直觀,提升了人影沙盤的表現(xiàn)力和感染力,獲得了更高的質(zhì)量和更加真實的體驗效果。