基于气象大数据的雨量智能分级控制系统设计

赵 勇,王 瑜

(枣庄市气象局,枣庄 277800)

0 引言

人工影响天气是气象服务于防灾、减灾、保护人民生命财产安全和提高人民生活质量、合理开发利用气候资源、生态建设与保护的重要科技手段[1]。受全球气候变暖影响,极端天气事件增多,尤其是近几年冬春连旱和春夏冰雹频发,气象部门通过人工增雨和消雹能有效降低干旱及冰雹对农业生产造成的不良影响,确保粮食作物稳产。

为了更好地开展人工影响天气业务,国内气象工作者开发了许多业务应用系统[2-5]。同时为提供更加形象直观的地理场景和三维可视效果,诸多人影工作者在业务中已开始设计和应用地理(传统)和电子沙盘。宋建予[6]利用地理沙盘模型,开发了基于GIS技术的市级人影作业地理沙盘辅助指挥调度系统;毕力格等[7-9]设计研发了人工影响天气电子沙盘系统,实现了人影作业装备、观测站网、卫星云图、雷达回波和降水量等信息的三维可视化展示。根据实际业务需求,文章设计了一种用于气象人影沙盘的雨量自动分级展示系统。

1 总体设计

1.1 业务需求

沙盘是根据区域地形、地貌,按照一定比例关系,用玻璃钢、石膏粉、纸浆、草绒和其他材料制成的微型模型,在建筑、交通、水利等行业应用广泛。传统气象人影沙盘主要展示地形、地貌、河流、湖泊和人影作业点位置、射界等基本信息,形式单调,功能单一,无法直观展示人工增雨过程中气象站的雨量级别。电子沙盘虽然能通过投影或屏幕展示地形地貌、卫星云图、雷达回波和降水量等信息,但是无法与传统地理沙盘直观的三维立体可视效果相媲美。针对以上问题,文章结合现代信息控制技术设计一种适用于传统地理沙盘的气象站雨量自动分级展示系统。

1.2 架构设计

雨量自动分级展示系统采用模块化设计,主要由人影沙盘模型、灯组展示模块、自动控制模块和数据处理模块4部分构成(图1)。

图1 雨量自动分级展示系统

2 功能实现

2.1 人影沙盘模型

人影沙盘模型除用传统方式展示地形、地貌外,还将河流、湖泊和人影作业点位置、射界及自动气象站雨量等信息用不同颜色的动态LED灯展示;河流和湖泊底部采用蓝色透明灯板,边界间隔10～15 mm设置蓝色LED灯带,并高出模拟河流和湖泊2～3 mm,当周围自动气象站有雨量数据时,蓝色LED灯带依次闪烁,模拟河流流向;人工增雨作业站点采用内含白色LED灯的聚光玻璃罩展示,射界采用扇形白色LED灯带展示,当作业站点开展人工增雨时,站点对应的白色LED灯和发射方向的白色LED灯带不停闪烁,人影沙盘模型能够醒目地展示人工增雨作业站点和方向。

2.2 灯组展示模块

灯组展示模块主要由与自动气象站数量相等的聚光玻璃罩组成,聚光玻璃罩布设于自动气象站对应在人影沙盘模型中的位置。每个聚光玻璃罩内含绿、黄、橙、红4种不同颜色的LED灯,将自动气象站监测到的不同量级降雨信息以这4种不同颜色LED灯模拟展示在沙盘模型中。控制模块根据指令控制灯组展示模块的运行,用绿、黄、橙、红4种颜色自动分级展示自动气象站的小雨、中雨、大雨和暴雨。

2.3 自动控制模块

自动控制模块主要由RS-232串口控制器、多路继电控制器和四路继电控制器组成。RS-232串口控制器安装在计算机串口,将数据处理模块控制指令分发给多路继电控制器和四路继电控制器;多路继电控制器内置和自动气象站数量相等的控制芯片,其控制芯片根据RS-232串口控制器转发的控制指令工作;四路继电控制器也和自动气象站数量相等,其内置的四个控制芯片按照RS-232串口控制器转发的控制指令控制灯组展示模块中4个LED灯的运行。

2.4 数据处理模块

数据处理模块是安装在计算机内的控制程序,是整个系统的核心,包括CIMISS数据接口、定时程序和控制程序。CIMISS数据接口主要用于存储全国气象综合观测数据,并提供数据访问接口[10]。定时程序根据设定时间间隔(5 min)按照自动气象站编号扫描CIMISS数据接口,将雨量数据按照气象标准转换成雨量等级,然后发送给控制程序,控制程序将雨量等级信息转化为控制指令,并将控制指令发送给自动控制模块。

2.5 电源供电模块

电源供电模块的主要作用是提供电能,将220 V交流电转换为多路继电控制器、四路继电控制器和LED灯使用的3 V直流电,确保器件正常工作。

3 业务应用

3.1 运行流程

该系统运行流程为:数据处理模块将控制指令发送给自动控制模块,自动控制模块根据控制指令将分控开关闭合连通,电源供电模块形成供电闭合回路,灯组展示模块内LED灯亮起。

1)国内所有自动气象站将监测到的气象数据信息经数据质量控制等处理后通过气象专用网络或4G通信技术传送到全国综合气象信息共享平台(CIMISS)。

2)数据处理模块内的定时程序每隔5 min按照需要展示的自动气象站编号列表依次扫描CIMISS数据接口,从返回的气象数据信息中筛选出雨量数据,并按照气象雨量等级标准转换成雨量等级(小雨、中雨、大雨或暴雨),然后将自动气象站编号、雨量等级等信息发送给控制程序。

3)控制程序接收到定时程序发送的信息后,将自动气象站编号转化为多路继电控制器的芯片编号,将雨量等级信息转化为四路继电控制器的芯片编号,然后将生成的控制指令通过RS-232串口控制器分别发送给多路继电控制器和四路继电控制器。

4)多路继电控制器接收到RS-232串口控制器发送的控制指令后,控制芯片根据控制指令将分控开关闭合或断开[11]。四路继电控制器接收控制指令后,与雨量等级对应的控制芯片将分控开关闭合,其余三路控制芯片将分控开关断开。

5)电源供电模块将220 V交流电转换为3 V直流电,并一直处于供电状态。当分控开关闭合连通后,灯组展示模块内对应的LED亮起。

3.2 应用案例

文章根据系统架构、功能模块和运行流程,在气象人工影响天气业务中,设计并制作了一种用于气象人影沙盘的雨量分级展示装置。现举例说明其运行过程:

1)编号为D8051的自动气象站位于某人工增雨作业点附近,在开展人工增雨过程中,该站点监测到周围雨量为15 mm,通过4G网络经质量控制后将雨量数据传输到全国综合气象信息共享平台(CIMISS)。

2)定时程序从CIMISS数据接口返回的气象数据中筛选出编号为D8051的自动气象站雨量数据为15 mm,按照雨量等级标准将其转换成“中雨”,然后将“D8051”和“中雨”信息配对并发送给控制程序。

3)控制程序接收到“D8051”和“中雨”的配对信息后,将“D8051”转化为多路继电控制器的“控制芯片1”,将“中雨”转化为四路继电控制器的“控制芯片2”,然后生成控制指令,通过RS-232串口控制器分别发送给多路继电控制器和四路继电控制器。

4)多路继电控制器接收到控制指令“控制芯片1”后,控制芯片1自动将分控开关闭合。同理,四路继电控制器的控制芯片2也自动将分控开关闭合,控制芯片3和4保持分控开关处于断开状态。

5)多路继电控制器控制芯片1和四路继电控制器的控制芯片2同时将分控开关闭合连通后,LED灯组内的黄色LED亮起。

按照上述运行过程,所有自动气象站对应的LED灯组均以和雨量等级相对应的颜色在人影沙盘中展示。

4 结束语

利用气象云大数据和现代信息控制技术设计的人影沙盘雨量自动分级展示系统,拓宽了气象数据标准格式的应用范围,实现了气象数据的自动处理和信息展示方式的智能控制,既保证了整个控制过程的准确、及时,又展现了人影业务的智能化。

在增加自动分级展示实时雨量信息的同时,利用不同颜色LED灯(带)展示河流流向、湖泊水位和增雨作业方位,使系统既符合业务需求又增强科技质感,将自动气象站分级雨量信息展示得更加明了、直观,提升了人影沙盘的表现力和感染力,获得了更高的质量和更加真实的体验效果。