蘇 偉 羅佳俊

（1. 天津市防雷中心，天津 300074；2. 深圳市盾牌防雷技術(shù)有限公司，深圳 廣東 518067）

閃電多點(diǎn)定位系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

蘇 偉1羅佳俊2

（1. 天津市防雷中心，天津 300074；2. 深圳市盾牌防雷技術(shù)有限公司，深圳 廣東 518067）

介紹開發(fā)閃電多點(diǎn)定位系統(tǒng)思路和框架結(jié)構(gòu)，并提供核心源代碼。該系統(tǒng)可對(duì)閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的閃電資料進(jìn)行處理后存儲(chǔ)于SQL2000數(shù)據(jù)庫中，通過程序調(diào)用數(shù)據(jù)將閃電數(shù)據(jù)重新定位于地理信息地圖中。該系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用對(duì)于多個(gè)相同類型的大型建設(shè)工程、重點(diǎn)工程、爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境、人員密集場(chǎng)所的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、雷電分布規(guī)律和雷災(zāi)事故調(diào)查具有重要的作用。

閃電監(jiān)測(cè)；地理信息系統(tǒng)；多點(diǎn)定位

閃電是一種重要的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象[1]。由于閃電產(chǎn)生的瞬時(shí)放電電流強(qiáng)度大，常常對(duì)地面設(shè)施造成影響，嚴(yán)重的甚至發(fā)生人員傷亡事故，同時(shí)閃電放電時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)大電磁場(chǎng)對(duì)電子信息系統(tǒng)、易燃易爆場(chǎng)所等構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，對(duì)閃電進(jìn)行準(zhǔn)確的定位和監(jiān)測(cè)就顯得非常必要。隨著我國(guó)雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警網(wǎng)的建立和不斷完善，閃電同其它氣象現(xiàn)象如氣溫、氣壓、風(fēng)速風(fēng)向、濕度等一樣，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)、連續(xù)性地記錄監(jiān)測(cè)，對(duì)于研究雷電時(shí)空分布規(guī)律、閃電參量的測(cè)量研究和采取有效措施減輕雷電災(zāi)害具有重要的價(jià)值。

現(xiàn)有雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的圖形顯示終端雖然具有閃電數(shù)據(jù)查詢功能，并與GIS信息結(jié)合在一起，但是滿足不了雷電監(jiān)測(cè)服務(wù)的實(shí)際需要，如不能對(duì)多個(gè)項(xiàng)目周圍的雷電同時(shí)進(jìn)行同時(shí)統(tǒng)計(jì)分析、不能對(duì)直觀地看出不同統(tǒng)計(jì)半徑范圍內(nèi)雷電分布狀況等。因此，本文以雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取的閃電資料為基礎(chǔ)，結(jié)合GIS系統(tǒng)，介紹閃電多點(diǎn)定位系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，從而更好地服務(wù)于防雷減災(zāi)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

1 閃電定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹

雷電定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Lightning Location System，LLS）基于當(dāng)代雷電物理研究成果，采用衛(wèi)星同步對(duì)時(shí)技術(shù)（GPS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）和雷電遙測(cè)、波形傳播延時(shí)處理以及超量程計(jì)算技術(shù)，結(jié)合“時(shí)間到達(dá)＋定向”綜合定位模型，實(shí)時(shí)計(jì)算顯示云對(duì)地雷擊的發(fā)生時(shí)間、位置、雷電流幅值和極性、回?fù)舸螖?shù)、每次回?fù)舻膮?shù)，并以雷擊點(diǎn)的分時(shí)彩色圖清晰地顯示雷暴的運(yùn)動(dòng)軌跡[2]。LLS是一套全自動(dòng)、大面積、高精度、實(shí)時(shí)雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是當(dāng)代雷電探測(cè)和雷電預(yù)警領(lǐng)域的高新技術(shù)。

目前國(guó)際上應(yīng)用的閃電定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由三大類[3]，一類是磁方向定位法（DMF），一類是時(shí)差定位法（TOA），另外一類是時(shí)差方向混合定位法（IMPACT），也是目前國(guó)內(nèi)閃電定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的定位方法。從監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)看，定位方法有二站時(shí)差法、三站時(shí)差測(cè)向法、四站算法三種。國(guó)內(nèi)常用的兩種閃電定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心的ADTD型和中國(guó)華云公司的LD-II型兩種。兩者均可以監(jiān)測(cè)到的閃電數(shù)據(jù)有時(shí)間、經(jīng)度、緯度、強(qiáng)度、陡度、誤差、定位方式、省、市、縣等參數(shù)。

2 閃電多點(diǎn)定位系統(tǒng)的構(gòu)架

考慮到各個(gè)地方的氣象部門只擁有所在地區(qū)的閃電資料，為了便于管理閃電數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和調(diào)取速度，本系統(tǒng)采用客戶機(jī)/服務(wù)器（Client/Server，C/S）模式，它是一種分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?？蛻魴C(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)獲取國(guó)家雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警中心的閃電數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到本地服務(wù)器的閃電信息數(shù)據(jù)庫中，客戶機(jī)具備一定的數(shù)據(jù)處理功能，用戶在客戶機(jī)端對(duì)服務(wù)器閃電信息數(shù)據(jù)庫中的閃電數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)閱統(tǒng)計(jì)，同時(shí)調(diào)取本地的 mapinfo和 GISmap地圖，并在客戶端的顯示器上顯示定位圖形，從而達(dá)到客戶端共享數(shù)據(jù)和單獨(dú)分析處理數(shù)據(jù)的目的。本系統(tǒng)適合于局域網(wǎng)絡(luò)或者氣象系統(tǒng)的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)專線，提高了數(shù)據(jù)庫的安全性和訪問速度。該系統(tǒng)基于VB.NET語言程序開發(fā)，采用的定位軟件為 MapX 5.0，地圖包為 GISmap，數(shù)據(jù)庫軟件 SQL2000，服務(wù)器系統(tǒng)Windows server 2003，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 閃電多點(diǎn)定位系統(tǒng)的開發(fā)

本文以中國(guó)氣象局國(guó)家雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警網(wǎng)監(jiān)測(cè)到的閃電數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，介紹兩種閃電多點(diǎn)定位系統(tǒng)的思想和核心代碼。但是本系統(tǒng)可以兼容 ADTD和LD-II兩種系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的雷電數(shù)據(jù)。兩種閃電多點(diǎn)定位分別為同點(diǎn)不同半徑的多點(diǎn)定位和不同點(diǎn)相同半徑的多點(diǎn)定位，用于對(duì)某一點(diǎn)周圍不同半徑的雷電時(shí)空分布特征分析和項(xiàng)目類型相同、半徑相同而位置不同的周圍雷電時(shí)空分布特征。除了閃電定位在GIS系統(tǒng)上外，還統(tǒng)計(jì)出某段時(shí)間內(nèi)每個(gè)點(diǎn)任意半徑范圍內(nèi)總地閃次數(shù)、雷擊大地密度、正閃次數(shù)、最大正閃、最小正閃、正閃比例、平均正閃、負(fù)閃次數(shù)、最大負(fù)閃、最小負(fù)閃、負(fù)閃比例和平均負(fù)閃等數(shù)據(jù)，并可查看每一次地閃的詳細(xì)參數(shù)。

3.1 同點(diǎn)不同半徑的多點(diǎn)定位功能實(shí)現(xiàn)

本功能實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)在于選擇了閃電信息數(shù)據(jù)庫，確定評(píng)估對(duì)象的經(jīng)緯度后，能夠篩選出某個(gè)時(shí)間段和半徑內(nèi)的閃電記錄數(shù)據(jù)，并將閃電數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為正閃符號(hào)“+”和負(fù)閃符號(hào)“-”，同時(shí)顯示在GIS地圖上，所有的正、負(fù)閃電均落在以經(jīng)緯度定位點(diǎn)為圓心的一個(gè)圓內(nèi)，并將該圓在地圖上畫出。另外，將符合條件的閃電資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，自動(dòng)計(jì)算出總地閃次數(shù)、雷擊大地密度、正閃次數(shù)、最大正閃、最小正閃、正閃比例、平均正閃、負(fù)閃次數(shù)、最大負(fù)閃、最小負(fù)閃、負(fù)閃比例和平均負(fù)閃等數(shù)據(jù)。同時(shí)，可以預(yù)覽符合條件的篩選出來的閃電數(shù)據(jù)，并導(dǎo)出為 EXCEL文件。當(dāng)半徑發(fā)生變化而評(píng)估點(diǎn)和時(shí)間段固定時(shí)，不同半徑范圍內(nèi)的閃電信息將全部顯示在GIS地圖上，并自動(dòng)完成上述統(tǒng)計(jì)計(jì)算功能。

1）篩選數(shù)據(jù)

篩選數(shù)據(jù)的要點(diǎn)在于計(jì)算閃電信息數(shù)據(jù)庫中指定時(shí)間段內(nèi)的每條閃電記錄中經(jīng)緯度與指定點(diǎn)經(jīng)緯度之間的距離，當(dāng)距離小于或等于半徑 r時(shí)，符合要求，當(dāng)距離大于半徑 r時(shí)不符合要求。后臺(tái)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)逐行查詢和符合半徑范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)篩選核心代碼如下：

2）正、負(fù)地閃在GIS地圖上的顯示

該功能的要點(diǎn)在于在地圖上創(chuàng)建一個(gè)臨時(shí)層，并通過函數(shù)將正、負(fù)閃電記錄轉(zhuǎn)換為圖片顯示在臨時(shí)層。當(dāng)輸入多個(gè)半徑時(shí)，分別創(chuàng)建不同的臨時(shí)層。核心代碼如下：

3）閃電資料統(tǒng)計(jì)

本功能的重點(diǎn)在于區(qū)分正、負(fù)閃電的數(shù)量及幅值大小等，核心代碼如下：

3.2 不同點(diǎn)相同半徑的多點(diǎn)定位功能實(shí)現(xiàn)

該功能與同點(diǎn)不同半徑的多點(diǎn)定位功能的區(qū)別在于，多點(diǎn)定位可以保存項(xiàng)目，將多個(gè)屬性相同的項(xiàng)目分別同時(shí)定位在地圖上，并對(duì)閃電資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)定位。閃電信息數(shù)據(jù)篩選、統(tǒng)計(jì)、定位與同點(diǎn)不同半徑的多點(diǎn)定位功能類似，再次不在列舉代碼。新建不同點(diǎn)相同半徑的多點(diǎn)定位功能核心代碼如下：

4 閃電多點(diǎn)定位系統(tǒng)的應(yīng)用

本應(yīng)用以中國(guó)石化股份公司天津分公司100萬t/年乙烯及配套項(xiàng)目和天津京津塘高速公路 3個(gè)收費(fèi)站為例，分別分析2011年內(nèi)不同半徑及相同半徑內(nèi)的閃電時(shí)空分布規(guī)律。

圖2 閃電多點(diǎn)定位系統(tǒng)界面

4.1 閃電信息數(shù)據(jù)庫的鏈接

閃電信息數(shù)據(jù)庫是該系統(tǒng)用于存儲(chǔ)、調(diào)閱閃電數(shù)據(jù)的重要后臺(tái)處理平臺(tái)。該平臺(tái)采用SQL2000作為數(shù)據(jù)庫，具有存儲(chǔ)數(shù)據(jù)大、速度快的特點(diǎn)。用戶通過本軟件的數(shù)據(jù)庫設(shè)定功能，可以很方便的將數(shù)據(jù)庫連接上，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫與客戶端的數(shù)據(jù)交換。設(shè)定數(shù)據(jù)庫連接的界面如圖3所示。

4.2 同點(diǎn)不同半徑的多點(diǎn)定位功能應(yīng)用

以中國(guó)石化股份公司天津分公司 100萬 t/年乙烯及配套項(xiàng)目為例，分析2011年全面附近3～5km范圍內(nèi)的落雷概況，并統(tǒng)計(jì)出以下參數(shù)。

圖3 數(shù)據(jù)庫的設(shè)定與連接

表1 中心經(jīng)緯度117.4096，38.82432011年3～5km范圍內(nèi)閃電數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

中國(guó)石化股份公司天津分公司100萬t/年乙烯及配套項(xiàng)目2011年內(nèi)的閃電數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)如表1所示。

圖4 經(jīng)緯度117.4096，38.82432011年3～5km范圍內(nèi)閃電定位

4.3 不同點(diǎn)相同半徑的多點(diǎn)定位功能

該功能對(duì)于屬性相同、地理位置不同的大型項(xiàng)目、重點(diǎn)項(xiàng)目和易燃易爆項(xiàng)目等的閃電定位監(jiān)測(cè)具有重要的意義。對(duì)大型項(xiàng)目的閃電狀況進(jìn)行閃電定位監(jiān)測(cè)，必要時(shí)結(jié)合大氣電場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)布雷電預(yù)警，并對(duì)大型項(xiàng)目，易燃易爆項(xiàng)目和人員密集場(chǎng)所進(jìn)行雷電專項(xiàng)服務(wù)。

表2 京津塘高速公里收費(fèi)站3公里范圍落雷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表（取三個(gè)站為例）

圖5 京津塘高速公里收費(fèi)站3km范圍閃電定位

5 結(jié)論

該軟件通過測(cè)試，可以穩(wěn)定地運(yùn)行在Windows XP和Windows 7系統(tǒng)中，并且可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。全面地統(tǒng)計(jì)閃電數(shù)據(jù)并分析其活動(dòng)規(guī)律，對(duì)于防雷減災(zāi)工作意義重大。閃電多點(diǎn)定位系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用為防雷減災(zāi)工作尤其是雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作提供了可靠的閃電數(shù)據(jù)和直觀閃電分布規(guī)律，為決策者快速做出科學(xué)決策、提高公共服務(wù)水平具有重要的作用。

[1] 周后福. 安徽省雷電監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[M]. 合肥：中國(guó)科技大學(xué)出版社, 2010.

[2] 朱義東，邵寶珠，凌立平. 雷電定位系統(tǒng)在遼寧電網(wǎng)的應(yīng)用[J]. 東北電力技術(shù), 2009(12): 24-26.

[3] 梁華，徐志龍，馬良，等. 淺談LD-Ⅱ型時(shí)差法雷電定位系統(tǒng)[J]. 氣象水文海洋儀器, 2009(2): 67-69.

Development and Application of Lightning Location System

Su Wei1 Luo Jiajun2
(1. Tianjin Lightning Protection Center , Tianjin 300074;2. Shenzhen DOWIN Lightning Technologies Co., Ltd, Shenzhen, Guangdong 518067)

Introduces the thinking and the framework of developing the lightning location system,and provide the core source code. This system can be used for storing the lightning data in the SQL2000database which from the lightning location system to monitor, and according the program calls the data to put lightning data relocation to geographic information map. The development and application of the system plays an important role in the same type of large construction projects, key projects, explosion and fire hazardous environment, personnel intensive places risk assessment of lightning, thunder and lightning disaster distribution accident investigation.

lightning monitoring; geographic information system; multi point positioning

蘇 偉（1960-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向：雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。