基于氣象大數據的雨量智能分級控制系統設計

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于防災、減災、保護人民生命財產安全和提高人民生活質量、合理開發利用氣候資源、生態建設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,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業生產造成的不良影響,確保糧食作物穩產。

為了更好地開展人工影響天氣業務,國內氣象工作者開發了許多業務應用系統[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務中已開始設計和應用地理(傳統)和電子沙盤。宋建予[6]利用地理沙盤模型,開發了基于GIS技術的市級人影作業地理沙盤輔助指揮調度系統;畢力格等[7-9]設計研發了人工影響天氣電子沙盤系統,實現了人影作業裝備、觀測站網、衛星云圖、雷達回波和降水量等信息的三維可視化展示。根據實際業務需求,文章設計了一種用于氣象人影沙盤的雨量自動分級展示系統。

1 總體設計

1.1 業務需求

沙盤是根據區域地形、地貌,按照一定比例關系,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、水利等行業應用廣泛。傳統氣象人影沙盤主要展示地形、地貌、河流、湖泊和人影作業點位置、射界等基本信息,形式單調,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、衛星云圖、雷達回波和降水量等信息,但是無法與傳統地理沙盤直觀的三維立體可視效果相媲美。針對以上問題,文章結合現代信息控制技術設計一種適用于傳統地理沙盤的氣象站雨量自動分級展示系統。

1.2 架構設計

雨量自動分級展示系統采用模塊化設計,主要由人影沙盤模型、燈組展示模塊、自動控制模塊和數據處理模塊4部分構成(圖1)。

圖1 雨量自動分級展示系統

2 功能實現

2.1 人影沙盤模型

人影沙盤模型除用傳統方式展示地形、地貌外,還將河流、湖泊和人影作業點位置、射界及自動氣象站雨量等信息用不同顏色的動態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設置藍色LED燈帶,并高出模擬河流和湖泊2～3 mm,當周圍自動氣象站有雨量數據時,藍色LED燈帶依次閃爍,模擬河流流向;人工增雨作業站點采用內含白色LED燈的聚光玻璃罩展示,射界采用扇形白色LED燈帶展示,當作業站點開展人工增雨時,站點對應的白色LED燈和發射方向的白色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量相等的聚光玻璃罩組成,聚光玻璃罩布設于自動氣象站對應在人影沙盤模型中的位置。每個聚光玻璃罩內含綠、黃、橙、紅4種不同顏色的LED燈,將自動氣象站監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,將數據處理模塊控制指令分發給多路繼電控制器和四路繼電控制器;多路繼電控制器內置和自動氣象站數量相等的控制芯片,其控制芯片根據RS-232串口控制器轉發的控制指令工作;四路繼電控制器也和自動氣象站數量相等,其內置的四個控制芯片按照RS-232串口控制器轉發的控制指令控制燈組展示模塊中4個LED燈的運行。

2.4 數據處理模塊

數據處理模塊是安裝在計算機內的控制程序,是整個系統的核心,包括CIMISS數據接口、定時程序和控制程序。CIMISS數據接口主要用于存儲全國氣象綜合觀測數據,并提供數據訪問接口[10]。定時程序根據設定時間間隔(5 min)按照自動氣象站編號掃描CIMISS數據接口,將雨量數據按照氣象標準轉換成雨量等級,然后發送給控制程序,控制程序將雨量等級信息轉化為控制指令,并將控制指令發送給自動控制模塊。

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 業務應用

3.1 運行流程

該系統運行流程為:數據處理模塊將控制指令發送給自動控制模塊,自動控制模塊根據控制指令將分控開關閉合連通,電源供電模塊形成供電閉合回路,燈組展示模塊內LED燈亮起。

1)國內所有自動氣象站將監測到的氣象數據信息經數據質量控制等處理后通過氣象專用網絡或4G通信技術傳送到全國綜合氣象信息共享平臺(CIMISS)。

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

3)控制程序接收到定時程序發送的信息后,將自動氣象站編號轉化為多路繼電控制器的芯片編號,將雨量等級信息轉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串口控制器發送的控制指令后,控制芯片根據控制指令將分控開關閉合或斷開[11]。四路繼電控制器接收控制指令后,與雨量等級對應的控制芯片將分控開關閉合,其余三路控制芯片將分控開關斷開。

5)電源供電模塊將220 V交流電轉換為3 V直流電,并一直處于供電狀態。當分控開關閉合連通后,燈組展示模塊內對應的LED亮起。

3.2 應用案例

文章根據系統架構、功能模塊和運行流程,在氣象人工影響天氣業務中,設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點附近,在開展人工增雨過程中,該站點監測到周圍雨量為15 mm,通過4G網絡經質量控制后將雨量數據傳輸到全國綜合氣象信息共享平臺(CIMISS)。

2)定時程序從CIMISS數據接口返回的氣象數據中篩選出編號為D8051的自動氣象站雨量數據為15 mm,按照雨量等級標準將其轉換成“中雨”,然后將“D8051”和“中雨”信息配對并發送給控制程序。

3)控制程序接收到“D8051”和“中雨”的配對信息后,將“D8051”轉化為多路繼電控制器的“控制芯片1”,將“中雨”轉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也自動將分控開關閉合,控制芯片3和4保持分控開關處于斷開狀態。

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同時將分控開關閉合連通后,LED燈組內的黃色LED亮起。

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

4 結束語

利用氣象云大數據和現代信息控制技術設計的人影沙盤雨量自動分級展示系統,拓寬了氣象數據標準格式的應用范圍,實現了氣象數據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,又展現了人影業務的智能化。

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方位,使系統既符合業務需求又增強科技質感,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力和感染力,獲得了更高的質量和更加真實的體驗效果。