WP1A型天气现象智能观测系统组成与维护

李 力，聂 成，甘少明，刘 雯

(1.湖北省气象信息与技术保障中心，武汉 430074；2.襄阳市气象局，襄阳 441021)

0 引言

随着地面观测业务的深入开展和不断完善，综合气象观测网中覆盖最密集的地面观测设备包括新型自动气象站、土壤水分站、日照时长观测仪、天气现象观测仪等[1]。

地面气象观测自动化业务的正式运行代替了台站人工定时观测和日常值守任务，相比人工观测，自动化气象观测的能力提升显著，但同时也对自动观测设备的常规维护与技术保障提出了更高的目标要求[2-4]。

天气现象智能观测仪通过不同角度的多个高清摄像机采集图像和视频数据，利用图像识别、深度学习和数据融合等技术，实现天气现象等气象要素的智能观测，主要应用于国家级地面气象观测站，解决目前以人工观测为主的部分天气现象自动化观测问题[5-7]。

1 系统结构

WP1A型天气现象智能观测仪是一种通过图像识别技术进行天气现象自动观测识别的气象仪器，该仪器可对总云量、云状、地面凝结现象(霜、露、雨凇、雾凇)、结冰、积雪和雪深等天气现象(或气象要素)进行自动观测识别，并具备扩展电线积冰、视程障碍现象(轻雾、雾、霾、浮尘、扬沙、沙尘暴)的自动观测识别能力。

天气现象智能观测仪由图像采集单元、图像处理单元、通信单元和供电单元等主要部件组成(图1)。

图1 天气现象智能观测仪主要部件图

2 系统组成单元

2.1 图像采集单元

图像采集单元由多个摄像机组成，根据观测对象的特点和需要，一般由1个鱼眼镜头和2～5个定焦或变焦镜头的高清摄像机组成。WP1A 型天气现象智能观测仪图像采集单元的组合方式为分离式图像采集单元组，由1个独立的鱼眼镜头、1个长焦镜头和1个短焦镜头3部高清摄像机组成。

2.1.1 鱼眼摄像机

WP1A型天气现象智能观测仪图像采集单元中含有1部鱼眼摄像机VC1A，又称鱼眼镜头，可实现水平180°观测，使用时垂直向上安装，用于观测云量与云状。

2.1.2 长焦摄像机

WP1A 型天气现象智能观测仪图像采集单元中的长焦镜头高清摄像机VC2A，使用时对准水盆与草地，用于观测水面结冰、霜、露、是否积雪等现象。

2.1.3 短焦摄像机

WP1A 型天气现象智能观测仪图像采集单元中的短焦高清摄像机VC3A，使用时对准雪尺与电线，用于观测雪深、雨凇和雾凇。

2.2 图像处理单元

图像处理单元由控制处理器和存储单元组成。控制处理器是CPU，GPU和内存等部件组成的嵌入式AI计算机，处理器内置了嵌入式识别软件和控制管理软件，用于天气现象(气象要素)的自动观测识别和设备控制管理，负责处理采集的视频和图片等信息，同时进行数据的质量控制、运算处理和记录存储[8]。

2.2.1 MC1A型主控制器

基于图像采集、算法运算和业务逻辑软件作为整体的图像识别采集器是以TX2为核心的边缘计算设备，可根据需求进行外围硬件、软件配置，用于多种观测场景的图像识别，例如雪深、云、天气现象等。TX2是针对AI计算能力研发的自带GPU嵌入式电路板，架构采用ARM+GPU，对外接口包括1个调试串口、1个SD卡接口、3个通用串口、2个USB接口、1个RJ45网口、1个Micro HDMI接口和1个4 G模块接口。

2.2.2 主控制器指示灯状态

MC1A型主控制器有4个状态指示灯，分别表示为：外部电压为12 V电源输入后，“电源”指示红灯为常亮；正常工作时，“控制”指示红灯为常亮，“工作”指示绿灯也为常亮；RS-232-1或RS-232-2有数据输出时，“通信”指示绿灯为常亮[9]。

2.3 通信单元

WP1A型天气现象智能观测仪共有3种通信方式，分别为串口通信、光纤—网线通信和可扩展无线4 G通信。通信单元可实现数据发送、接收以及通信方式转换等功能，采用RS-232串口通信和光纤通信。识别结果通过RS-232串口通信经综合集成硬件控制器与ISOS软件联通，视频和图片数据采用光纤通信方式传输至室内通信终端，再通过业务内网上传至省级数据中心和台站，通信流程如图2所示[10-12]。

图2 通信流程

2.4 供电单元

供电单元主要由交直流转换器、浪涌保护器和空气开关等部件组成，将220 V交流电压转换为直流电压，为天气现象智能观测仪供电，其组成结构如图3所示。

图3 供电单元组成结构示意图

3 系统维护

为了保障WP1A型天气现象智能观测系统持续稳定运行，台站还需要按照以下要求开展天气现象智能观测仪的日常维护工作：

1)若发现观测数据错误或异常，及时开展设备维修维护。

2)每周需要检查摄像机镜头的遮挡和污染情况。若存在遮挡或污染应及时处理，选择在日出前或日落后进行清理。清洁摄像机镜头时，护罩式镜头应用柔软不掉毛的棉布或脱脂棉蘸无水乙醇直接擦试镜头玻璃，鱼眼镜头可先用清水冲洗表面浮尘和沙粒，再用柔软的棉布或脱脂棉蘸无水乙醇擦试镜头。注意：不要划伤玻璃表面，如果窗口加热功能良好，表面将很快干燥，不建议用其他物品清洁；可根据设备附近的环境情况，延长或缩短维护周期，如出现沙尘、降雪等恶劣天气影响观测时，应及时清洁镜头。

3)每月需定期检查摄像机的水平、方位和倾角，以及立柱是否稳固，出现问题及时校正，避免因振动等外界因素对摄像机产生的不良影响。

4)每月定期检查地面集中观测区自然下垫面和露、霜等目标物的草地状况，需保持平整。

5)每月定期检查供电设施，保证供电系统的安全和稳定。

6)每年春季应检验系统的防雷设施，复测接地电阻。

7)结冰容器尽量从当地自然水体(江、河、湖泊)取水，水量不足时需及时添加；专用雪尺保持竖直，零刻度线应与地面集中观测区自然下垫面齐平。

8)定期更换设备易损件，出现损坏或腐蚀需及时更换处理，尤其是在自然条件恶劣的区域。

9)系统需定期进行检查、维护、维修和校准，对自动观测数据有影响的操作应详细记录。

4 结束语

全国地面观测业务已经进入无人值守的自动观测阶段，观测模式也更加新颖、先进、全面，天气现象智能观测仪通过先进的图像处理和模式识别技术使天气现象观测具备了自动识别能力，为天气现象的无人观测提供综合保障和技术支持。