清镇人工影响天气智能指挥作业系统设计

陈 宇，杨 涛，张 皓，席佐联，金昭贵，滕万里，罗 梅

(1.贵州省气象服务中心，贵州 贵阳 550001；2.贵阳市气象局，贵州 贵阳 550001；3.清镇市气象局，贵州 清镇 551400；4.修文县气象局，贵州 修文 550200)

1 引言

在全球气候变暖背景下，近年来频发冰雹、干旱、大风等极端气候事件，给我国经济社会可持续发展带来了巨大考验，为推进“十四五”时期人工影响天气工作高质量发展，有效发挥人影在乡村振兴、防灾减灾、生态文明建设等国家重大战略实施和重点领域的保障作用。实现“科学作业、精准作业、安全作业”要求，长期以来，我国各省都组织研发了适应当地的人工影响天气科学指挥系统，如安徽省[1]“基于新一代天气雷达的省级人影业务系统，系统能提供不同时效、不同分辨率的业务指导产品给市县级人影作业指挥人员。吉林省[2]根据采集micaps气象数据为基础，进行资料同化处理来打造人工影响天气系统。2015年，中国气象局人工影响天气中心结合长期的人工影响天气业务实践和科学研究，提出了我国人工影响天气“五段”实时业务，广东省[3]针对人影5段实时业务各阶段任务创建了人影综合业务系统。

清镇“一山有四季、十里不同天”属亚热带季风湿润气候，位于我国西南喀斯特地貌中心区，生态环境脆弱，暴雨、冰雹等气象灾害多发。清镇作为省会贵阳市的“西大门”，处于主要的四条冰雹带上，在区域联防战略中居于重要位置，清镇开展人影工作已有48年，所属9个乡镇布设有11个人影作业点，拥有一支55人的人影作业队伍，现已对7门高炮、10门火箭进行了自动化改造。目前贵州省在人影方面已建设多个业务系统，如：人影物联网系统、安全射界、视频监控等系统，但是随着人影发展，信息化程度不断深化，业务系统越来越多，且各业务系统之间权限、数据相互独立。在实际应用中，多个系统时存在登录、操作权限混乱复杂、各系统之间数据不能交互与融合，没有形成完整的流程体系。为更好高质量发展人影事业，深度融入国家战略，清镇采纳“威宁模式”经验[4]，依托计算机技术，通过人影智能化指挥作业系统建设，打造出智能人影综合业务平台，为人影业务、安全管理、科研工作注入智慧元素，进一步提高人影作业的效率和科学性。

2 系统设计思路

系统基于B/S架构，利用大数据、物联网等技术，如图 1 所示，该系统利用了 java web 技术搭建后台架构，整体分为基础设施层、系统平台服务层、应用软件层。系统以人影业务专用数据库为数据支撑，将目前相对孤立的人影指挥、人影物联网、安全射界、视频监控等业务系统进行资源整合，以实现在统一的平台基础上构建满足业务需求的应用系统。系统能分析处理人影作业需要的各种信息，以及建立人影作业条件指标模型、预警模型和安全系数模型标准。并随着人影业务的不断发展和新需求，能够快速增加应用系统。打造出人影智能综合业务平台，实现了气象数据可视化分析和展示。

图1 人影智能指挥系统总体架构

3 人影业务智能指挥子系统

基于大数据平台构建的人影智能指挥系统，能实现从信息采集、作业计划、作业预案、监测预警、跟踪指挥、空域申请、作业实施、信息上报、作业评估整个业务流程的自动化和智能化，极大提高人影作业执行力，显著增强人影作业效率。如图2所示，其系统外部接口有：CIMISS系统接口、贵州省弹药物联网监管系统接口、贵州省安全射界系统接口、贵州省综合业务管理与信息共享平台接口、以及其它业务系统接口。系统通过网络协议与人影作业装备控制系统对接，经过系统综合分析，提供作业指挥信息，确定作业参数，再结合弹道曲线参数，安全射界系统最终量化输出作业部位和用弹量等参数指标，实现自动化作业并进行作业效果评估。

图2 人影智能指挥系统外部接口

3.1 数据获取及分析

系统数据设计从CIMISS系统中读取：雷达数据、卫星数据、探空数据、雨滴谱仪、微波辐射计等特种设备获得实时监测数据，用于人影作业的自动监测预警。基于TITAN算法实现对识别到的增雨、防雹区强回波进行跟踪和外推。实现更新周期为7～10 min，可外推10 min、0.5 h、1 h的强回波的路径和参数的预报。并可以通过WEB或移动端APP查看最新的雷达观测产品的回波、降水量、降水相态演变情况等信息，实现对当前天气进行实时监测。

3.2 监测与预警

智能指挥系统主要是应用雷达、卫星、探空资料等进行综合监测预警，对监测区、警戒区、作业区天气进行实时监测。根据雷达发现的作业目标的位置、大小，基于TITAN算法实现对单体及多单体的识别、追踪、外推。预警阈值是按照不同的月份来设置对单体对反射率因子强度、体积、数量、最大反射率高度、垂直累积液态水含量等参数。一旦雷达的实时监控产品达到预警阀值，系统根据预警范围、预警级别，发出预警提醒指挥人员进行下一步工作事项。在接收到警告后，能迅速通过预警制作系统选择落区模式、区域模式或全区模式利用把文本模板制作出预警，进行发布。预警信息包括发布单位、时间、回波强度、速度方向、影响区域和防御指南，并通过下发预警通知及语音播放通知各站点。界面还能对48 h内预警信息及指令进行查询统计(图3)。

图3 人影智能指挥业务界面

3.3 作业实施

作业实施指令交互是实时指挥平台中最关键的一个环节，作业指挥系统以新一代天气雷达拼图数据为核心，以地理信息为背景，图上标明各炮站及各农业、水利、城市等重要位置，根据贵州省基层气象防灾减灾标准化建设实施方案和贵阳人影作业历史经验利用3个同心圆对应的距离来划分监测区、警戒区、作业区。指挥人员可以对天气进行实时监测，并且实时监控到各作业站点状态(共12种)，如离线、待命、作业中、故障等状态。

指挥流程如图4所示，当通过多种监测手段分析发现天气系统达到本地化后的增雨、防雹指标后，再根据作业目标的位置、大小，结合作业站点的分布，作业装备的弹道，安全射界等进行综合分析计算，生成作业指令信息，信息包含作业的方位角、俯仰角、用弹量。指挥人员审核通过后将作业信息指令下发到炮站作业控制终端。炮站作业人员根据系统及实际天气情况进行综合判别后作业，作业指令执行完成后，自动控制终端向中心回传作业完成消息。

图4 人影业务组成和指挥流程

3.4 信息上报

在人影作业过程中，能够同时将作业过程中、空域申请时间、获得批复时间、弹药使用情况、每一枚弹药的发射方位、仰角、时间等信息发送到指挥中心。如有灾情发生，炮站人员可以上传图片及灾情信息到系统统计，方面指挥人员查看。

4 综合管理子系统

综合管理子系统主要是基于贵州省人影办以及现有物联网、安全射界图、视频监控相关系统进行对接，将现有系统的数据纳入本系统进行数据同步。从图5可以看出，系统实现了对作业站点信息、人员及装备信息、弹药种类数量、弹药出入库记录等多方面进行实时监管，对安全检查相关工作进行全面的信息记录和便捷的查询，对相关安全工作进行自动化评估，以实现安全监管贯穿于整个人影业务流程。

图5 人影综合管理子系统

4.1 作业站点及人员管理

系统能对作业站点及人员的基本信息进行管理，具体统计建立炮站基本资料：炮站编号、经度、纬度、海拔高度、建站时间、改造情况记录、年检记录、年度配置人数、设备履历表、年度作业量统计、作业站点批复、作业维修记录，安全射界角、人员的基本信息等进行全面记录及查询。

4.2 弹药、装备管理

系统建立从市、区县、作业站点的三级弹药库，根据炮弹唯一编码，接入物联网监管系统，对每一枚炮弹进行唯一性标注，它的型号、数量、生产厂家，对采购后的炮弹进行入库管理，根据炮弹唯一性编号详细记录炮弹的使用、调配和运输轨迹情况。对故障炮弹进行标记，针对故障开展故障分析和炮弹质量问题追溯。可根据弹药的采购时间、生产日期和有效期建立质保安全预警阈值，当炮弹存储时间超过有效期后将自动进行告警，防止使用过期弹发生安全事故。

4.3 安全检查、统计查询

指挥人员可通过系统创建安全检查任务，在线指派检查人员。检查人员接收到检查任务后根据任务要求清单进行安全检查，检查实施后通过系统上报安全检查情况表以及炮站整改情况。系统支持对安全检查情况的查询和统计功能，安全管理每周零报告报送，能够多角度对安全检查情况进行统计分析。如图 6 所示，系统可以对查询时段内发布的作业预警、作业指令、作业申请、弹药信息、降雹统计等进行统计查询功能。

图6 人影业务各信息统计管理界面

5 “个例库”科研子系统

人影“个例库”是在发生典型天气过程时，人影作业后或发生灾情后，系统自动将该时间段的所有信息统一打包及进行文件长时间存储。同时在WEB端提供查询和下载接口，方便省、市、县各级人影业务单位开展研究工作。“个例库”的设计是为了便于人影业务进行指标验证，效果评估，科研等工作。系统能通过气象产品选择雷达、卫星产品和各自动站气象数据，图7界面为一次冰雹天气过程案例数据资料，研究人员可通过手动选取时间段，选定目标区，可以获得雷达回波的演变情况，对雷达数据的多种物理量进行对比展示，主要包括：回波顶高、过冷水层厚度等，还能查看当时预报预警、作业指令、作业信息等数据资料。

图7 人影“个例库”数据资料查询界面

6 移动终端app

移动终端APP是作业炮点与市、县人影指挥中心实时进行信息交互的应用程序，系统设计适应各种安卓智能终端，用户可以使用平板电脑等各种载体安装智能终端软件，支持4G、WLAN网络等多种方式接入互联网，图8为移动终端app显示界面，可以看出移动端app主要功能可包含：雷达回波显示、当地天气实况、预警信息、空域申请、作业信息上报、灾情上报等功能。根据接收信息使市、县指挥中心能实时了解炮站作业状态，以便于更有效的进行作业指挥和调度，实现市、县、炮站三级人工影响天气作业体系信息化、标准化。

图8 移动终端app显示界面

7 系统应用个例

图9为2020年05月16日清镇市发生的一次冰雹天气过程雷达产品图，16日03:00，当系统监测到毕节市大方县有回波生成发展后会影响清镇，指挥系统及时自动发布了蓝色预警如图4，具体内容为：回波中心最大强度47.5 dBz，回波顶高15.0 km，并以6 km/h向东南移动，并提示要求作业人员到岗，密切关注天气。3:54，回波继续发展，系统对清镇、修文作业站点发布了黄色预警，毕节市黔西县有回波生成发展，回波中心最大强度49.5 dBz，回波顶高21.0 km，并以31 km/h向东南移动，提示要求作业人员检查装备，准备弹药。5:48，此时冰雹回波已经进入清镇作业范围，系统发布红色预警，并通过数据分析生成作业信息方案与指令，指令由指挥人员审核后对清镇新店、流长作业站进行空域申请，到5:56空域批复通过后即刻通过客户端下发到新店、流长作业站进行120 s作业时间指令，作业完成后由作业站班长进行作业信息初报。如有降雹发生也可使用移动端上传照片。

图9 2020年05月16日清镇发生的一次冰雹天气过程雷达产品

8 结论

(1)系统将物联网系统、安全射界系统、信息上报系统等综合应用到一个系统，实现业务指挥和数据的上下互通、功能互补。系统基于TITAN算法实现精准预报预警，自动计算作业信息，下发作业指令，设定人影作业的预期目标。实现了人影业务信息化、智能化。

(2)系统根据管理者、指挥者、作业人员工作模式，制定以条件、时间轴为触发机制，建立不同类型响应事件，通过系统的每一个节点信息自动触发一个或多个事件服务流程，利用平台打造标准化的业务流程标准体系，实现了人影业务工作流程标准化。

(3)系统对作业人员、装备、弹药、作业状态、视频监控等安全方面进行实时监管，并整个作业过程都建立了一套安全处置流程。实现了人影安全监管可视化，并贯穿整个业务流程。

(4)系统打造了用于科研的数据分析平台，能自动收集典型天气过程个例产品，对典型天气过程数据提供下载功能，为科研提供数据支撑。在实际应用中操作简单、指挥科学、信息上报快。具有可推广性，助力推进量清镇人影业务现代化建设。