雷电气象环境要素采集技术研究

摘要：同步采集与分析雷电气象环境要素监测数据，可以为综合防雷监测、雷电灾害预测及防灾减灾提供重要依据。笔者在嵌入式技术和MEMS传感器技术的基础上，研究雷电、气象、环境要素信息采集终端一体化设计技术，形成以物联网为基础平台，由前端信息采集设备、系统软件、智能终端组成的雷电气象环境要素信息采集系统，构建雷电预警数学模型。

关键词：物联网；雷电要素；气象要素，综合防雷；信息采集

国内目前公开的文献和专利中，有采用光辐射信号、电场变化信号、磁场变化信号进行波性特征分析的雷电预测方法[1]，或利用卫星观测资料和数据统计分析方法，研究个别城市或地区流云系的降水和闪电特征，结合最小二乘支持向量机方法预报雷暴[2]。雷电预报是在筛选与雷电发生相关性高的大气不稳定参数作为预报因子的基础上，构建雷电发生概率预报方程，并区分强雷电与弱雷电[3]。雷电预报利用的资料主要有探空、雷达和卫星等观测资料及雷电探测资料。中国气象科学研究院雷电物理和防护工程实验室开展了雷电临近预警方法和系统研究，并开发了雷电临近预警系统（LightningNowcastingandWarningSystem，CAMS_LNWS）[4]，通过在全国各地气象部门推广试验，不断改进和完善。滕少华等2014年发表的基于SVM的多组合器协同分析方法，提出了一个具有较高预测准确性和分类稳定性的多组合器协同分析算法，但传统决策树分类算法不能有效解决海量气象数据中的知识挖掘问题。2015年，国内科学家用二进制表示构建属性二进制信息粒向量，提出了属性信息增益计算方法，并结合并行处理模型MapReduce，研究了基于粒计算的ID3（IterativeDichotomiser3）决策树分类并行化处理新方法。该方法在气象领域预测取得了较好效果，但局限于成本等，现阶段推广应用较少。本文在研究应用嵌入式技术和MEMS传感器技术的基础上，探索雷电、气象、环境要素信息采集终一体化设计技术，形成以物联网为基础平台，由前端信息采集设备、系统软件、智能终端组成的雷电气象环境要素信息采集系统。通过该系统的物联网应用，构建系统雷电接闪事件信息数据库，形成雷电预警数学模型，最终构建一套基于物联网的雷电气象环境要素信息采集系统，实现通过雷电电场、气象、环境多要素的综合防雷预测应用，提升预测雷电发生的准确性，提高雷电防护综合水平。

1雷电气象环境要素信息采集系统整体架构

基于物联网的雷电气象环境要素信息采集系统架构设计，以物联网为基础平台，由前端信息采集设备、系统软件、智能终端组成。前端信息采集设备采集的信息，一方面用于驱动本地建筑物的智能终端；另一方面为大数据处理提供基础数据。第一，雷电、气象、环境要素信息采集器。对于雷电防护，接闪（杆）器必不可少，提前放置于避雷针，实现雷电、气象、环境信息要素采集。当建（构）筑物提前放置避雷针时，即在该建筑物设立了雷电、气象、环境信息要素实时采集器，可为建筑物智能化设备终端提供信息服务，为气象、雷电大数据提供信息源。第二，雷电、气象、环境要素信息采集及数据库构建。通过工程应用，实现对以上信息要素的自动采集，构建雷电气象环境要素数据库，并接入所在建（构）筑物的传感网，为建（构）筑物的雷电预防、空气调节、通风等智能设备提供信息接口。

2前端雷电气象环境要素信息采集设备

前端雷电气象环境信息包括雷电预警信息、气象温度、湿度、风力、风向、雨量、气压和环境PM2.5等要素。2.1ARM9系列微处理器应用。第一，采集器充分利用ARM9的接口性能和数据处理能力，进行紧凑性设计。信息实时采样的时间段为：大气电场信息1次/min（数据畸变时，1次/5s)；温度、湿度1次/5min；风力、风速1次/10s；雨量1次/min。第二，接口设计。通信接口采用400MHz无线通信、WiFi通信、网络100MHz通信等多种方式。第三，数据处理。计算超声波测量数据，计算预警大气电场值。2.2超声波风力风速测量数据采集设备。本方案采用压电式超声波换能器。当在两电极上施加电压，使之在晶体内形成电场时，会得到反向压电效应，此时晶体将承受机械应变。采用频率为40～300KHz压电陶瓷超声探头，完成超声波声能与电能之间的相互转换，采用在极轴方向布设四个收发探头的方式，测量时按序测量东西、南北、西东和北南声波到达的时间，计算风力大小和方向。目前，此方案仅限于平面二维测量，三维测量有待进一步优化。超声波换能器选用收发一体式探头。方案中四个超声收发器共用振荡电路和信号接收后处理电路，各超声波探头各自有一个驱动电路和接收电路，以确保测量一致性。2.3压力式雨量测量。气象专业领域雨量测量采用翻斗式或虹吸式雨水量直接计量方法。因为该方法设备笨重，不适宜智能化应用设备，所以本项目方案采用压力式雨量传感器。当雨滴撞击到采集器表面时，压电传感器产生一个电压脉冲信号，该电压信号放大、滤波、数字化后通过CPU进行采集处理。该电压信号与雨滴大小成比例关系，由电压信号可以计算雨滴的大小参数。通过统计一段时间的雨滴数量和质量，得出该时段的降雨量。

3智能终端设备研制

本方案智能终端综合利用采样信息和网路决策信息，结合计算机技术和通信技术，自动控制建筑物内的配电开关、空气调节、通风等机电设施，同时，智能终端可以作为智能建筑的一部分，为智能建筑提供决策信息和执行控制。智能终端的ARM9为核心控制元件，由功率开关、信号开关、智能遥控和温湿度采样等组成。本方案智能终端实现的功能包括功率负载开关输出控制、开关信号输出、数据控制接口、执行信息反馈和室内环境参数采集。

4基于本技术方案的智慧城市应用设想

本项目研制的前端雷电、气象、环境信息采样器，可应用于智慧城市建设。第一，建立区域雷电、气象、环境信息数据云平台，实现区域内雷电、气象、环境信息采样器监测信息的实时共享、动态监测和预警，实现水文、国土、环保和城建等信息的实时共享。利用智慧城市的视频监控资源，实时监测雷电、气象、环境信息状况并预警。第二，在区域地理信息系统基础上，搭建区域雷电、气象、环境信息精细化预报平台，实现精细化到定制用户级和普及型用户的雷电、气象、环境信息。第三，充分利用项目数据采集信息，利用智慧城市信息系统，搭建区域灾害天气预警及气象信息平台，通过政府相关部门，实现气象信息及灾害天气预警信息的快速。

5结语

第一，以综合防雷信息系统为基础，集成雷电防护和雷电气象一体化产品，融合综合雷电气象一体化在线监测平台。第二，集成的雷电气象环境要素信息采集器，综合集成光学、超声、电场技术与MEMS传感技术，实现雷电气象信息传感器的一体化设计与应用。第三，雷电气象信息终端包括所在建筑物区域的实时室外雷电气象和室内环境信息，依靠大数据处理，信息终端能实现未来短期的雷电发生和气象变化预测。

参考文献

[1]中国气象科学研究院.雷电监测预警方法及系统:中国,CN103472342A[P].2013-12-25.

[2]张祎.南京地区雷电多种观测资料分析与应用[D].南京:南京信息工程大学,2010:78.

[3]刘彦章.雷电数据管理系统开发与雷电预报模型研究[D].南昌:南昌大学,2011:64.

[4]吕伟涛,张义军,孟青,等.雷电临近预警方法和系统研发[J].气象,2009,35(5):10-17.

作者:潘叶镜 蔡燕雯 何锡华 单位:广东立信防雷科技有限公司