劉鴻斌

(淮安市氣象局，江蘇 淮安 223001)

0 引言

中國(guó)在2020年一年時(shí)間內(nèi)，發(fā)生過近萬起雷電事故，造成人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失不計(jì)其數(shù)[1-5]。如何安全避雷，精準(zhǔn)防雷是國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的研究重點(diǎn)。

文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)基于綜合防雷措施的電子防雷系統(tǒng)，安裝在雷電易發(fā)地點(diǎn)起到引流和導(dǎo)雷的作用，通過內(nèi)部防雷與外部防雷相結(jié)合的方式減小雷電損失。但是這種方法主要功能過渡依賴硬件，面對(duì)雷雨這種惡劣天氣系統(tǒng)穩(wěn)定性稍顯不足，仍無法有效對(duì)雷電天氣進(jìn)行監(jiān)測(cè)。文獻(xiàn)[2]提出智能化防雷系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，防雷預(yù)警等功能做到對(duì)雷擊事故的預(yù)防，智能化的調(diào)控使其具有較高的穩(wěn)定性，但監(jiān)測(cè)精度不高，對(duì)雷電的判斷上有失誤風(fēng)險(xiǎn)。本研究所用技術(shù)方案在準(zhǔn)確度與穩(wěn)定性上有著明顯的提升，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，本研究系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確判斷雷電時(shí)間與雷擊事故。

1 防雷預(yù)警系統(tǒng)的組成

1.1 雷電信息監(jiān)測(cè)分析預(yù)處理

在大數(shù)據(jù)模型技術(shù)中，數(shù)據(jù)分析技術(shù)的主要實(shí)行方法為聯(lián)機(jī)分析法，通過這一方法，大數(shù)據(jù)系統(tǒng)能夠針對(duì)多維信息數(shù)據(jù)進(jìn)行信息共享[6]。將聯(lián)機(jī)分析法融入到氣象防雷領(lǐng)域，通過大數(shù)據(jù)對(duì)雷擊進(jìn)行合理有效的預(yù)防，為雷電防治裝置的應(yīng)用提供便利。雷電危害范圍圖如圖1所示。

圖1 雷電危害范圍圖

雷擊在城市區(qū)域能影響2 km范圍左右的日常用電，還易在雷擊中心產(chǎn)生火災(zāi)，在傳統(tǒng)防雷系統(tǒng)中，通過引下線和接地裝置等對(duì)雷擊進(jìn)行防控[7]。雷擊預(yù)警主要通過對(duì)空氣中的電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)檢測(cè)從而進(jìn)行判斷，因雷電地域性特點(diǎn)明顯，不同氣候類型，不同地理環(huán)境引起的雷電差異較大，增加了雷電防控研究的技術(shù)難度[8-10]。

在天氣晴朗的時(shí)段場(chǎng)強(qiáng)穩(wěn)定在150 V/m左右的范圍內(nèi)，但當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)高于2 kV/m時(shí)，空氣中場(chǎng)強(qiáng)會(huì)發(fā)生不穩(wěn)定的變化，最高甚至能夠達(dá)到20 kV/m，這時(shí)就說明此地區(qū)上方雷云正在形成或者靠近。場(chǎng)強(qiáng)變化如圖2所示。

圖2 場(chǎng)強(qiáng)變化圖

如圖2所示，在20分鐘之前為黃色預(yù)警，空氣中場(chǎng)強(qiáng)開始發(fā)生變化，但仍趨于穩(wěn)定，暗示雷電形成；在20～30分鐘時(shí)為橙色預(yù)警，場(chǎng)強(qiáng)逐漸增大，雷云正在從遠(yuǎn)方靠近，且在靠近過程中進(jìn)行雷電活動(dòng)；在30分鐘之后為紅色預(yù)警，場(chǎng)強(qiáng)變化劇烈，附近有雷電產(chǎn)生，本地雷電活動(dòng)已經(jīng)開始。

1.2 大數(shù)據(jù)氣象防雷預(yù)警系統(tǒng)

通過衛(wèi)星云圖與當(dāng)?shù)貧庀髾z測(cè)站給出的數(shù)據(jù)信息，對(duì)雷電進(jìn)行檢測(cè)，是傳統(tǒng)雷電檢測(cè)技術(shù)[11]。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)在于將大數(shù)據(jù)引入到雷電檢測(cè)系統(tǒng)中，通過大數(shù)據(jù)的信息整合能力完善雷電預(yù)警能力。通過大數(shù)據(jù)分析能力，追根溯源，找出雷電發(fā)生的源頭，對(duì)雷電發(fā)生的規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，計(jì)算出雷電發(fā)生的基本要求，再通過防雷措施解決雷電發(fā)生的基本條件從而使雷電事故能夠得到可靠的控制[12]。圖3為綜合防雷措施圖。

圖3 綜合防雷措施圖

面對(duì)前代雷電預(yù)警系統(tǒng)的功能與優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)大數(shù)據(jù)新型系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重新架構(gòu)。下文將從系統(tǒng)基本架構(gòu)與系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)兩部分對(duì)本研究系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)進(jìn)行講解。

2 大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)

2.1 組成架構(gòu)的創(chuàng)新

本研究針對(duì)環(huán)境適應(yīng)問題與設(shè)備安全的保護(hù)問題，設(shè)計(jì)氣象防雷大數(shù)據(jù)預(yù)警系統(tǒng)的組成架構(gòu)。通過模塊化設(shè)計(jì)，將架構(gòu)分為感知模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、設(shè)備管理模塊、用戶交互模塊與數(shù)據(jù)分析模塊[13-15]，具體模塊化結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 模塊化結(jié)構(gòu)圖

本設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)在于，通過使用大數(shù)據(jù)雷電感知模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，考慮到電子設(shè)備裸露在外的劣化情況，將其與當(dāng)?shù)貧夂颉貪穸?、雷電情況相結(jié)合，形成劣化數(shù)據(jù)模型，通過此數(shù)據(jù)模型對(duì)雷電進(jìn)行預(yù)測(cè)。模型中假設(shè)該地區(qū)劣化因素為ρ，其為一個(gè)大于一小于零的常量，通過大數(shù)據(jù)分析使用時(shí)間對(duì)感知模塊精度的影響對(duì)感知結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，從而輸出較為精準(zhǔn)的雷電預(yù)測(cè)結(jié)果。

(1)

如(1)式所示，D為輸出的感知結(jié)果；d為實(shí)際感知到的結(jié)果；t與t0分別為設(shè)備使用時(shí)間和設(shè)備劣化時(shí)間。針對(duì)設(shè)備安全方面的創(chuàng)新，本研究使用數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)分析分離的設(shè)計(jì)，在其中加入專業(yè)級(jí)大數(shù)據(jù)防火墻，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行安全防護(hù)，同時(shí)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中添加數(shù)據(jù)暫存功能，對(duì)大氣中感知到的雷擊相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)進(jìn)行暫時(shí)存儲(chǔ)，減少數(shù)據(jù)在傳輸過程中發(fā)生的丟失風(fēng)險(xiǎn)。在感知模塊后加入網(wǎng)絡(luò)模塊，通過規(guī)范性Modbus協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)密匙的設(shè)定對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行防護(hù)。因協(xié)議得到規(guī)范的緣故，不同協(xié)議間互相處理所用的代碼量明顯減少，從而減少數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)間，增加了處理與傳輸速度。

2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新

針對(duì)傳統(tǒng)雷電檢測(cè)只能應(yīng)用于一小片區(qū)域的弊端，本研究通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析整合，將雷電檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)信息傳輸至大數(shù)據(jù)云平臺(tái)之中，再通過大數(shù)據(jù)分類算法，對(duì)大數(shù)據(jù)云平臺(tái)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理，從而對(duì)未來地區(qū)雷云的移動(dòng)與形成進(jìn)行完美的推演預(yù)算[16]。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

在圖5網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，使用大數(shù)據(jù)雷電檢測(cè)云服務(wù)對(duì)無線通信設(shè)備進(jìn)行連接，無線通信設(shè)備包含數(shù)據(jù)采集設(shè)備與數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備[17]。同時(shí)由于大數(shù)據(jù)云平臺(tái)的推廣，數(shù)據(jù)傳輸接收的范圍覆蓋至使用本大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的所有范圍，能夠?qū)Ψ秶鷥?nèi)的所有區(qū)域的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，有效得出雷云形成地點(diǎn)與行動(dòng)軌跡[18]。

2.3 大數(shù)據(jù)算法的創(chuàng)新

傳統(tǒng)決策樹ID3算法抗糙性較差，且為單變量決策樹，不適用于多項(xiàng)數(shù)據(jù)綜合的雷電預(yù)測(cè)領(lǐng)域[19]。而CART算法數(shù)據(jù)處理過程過于繁瑣，計(jì)算量過大，因此針對(duì)CART算法與ID3算法進(jìn)行改良，將CART算法與ID3算法相結(jié)合，構(gòu)建新型大數(shù)據(jù)決策樹算法。將區(qū)域內(nèi)的氣象信息作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，影響雷電形成的數(shù)據(jù)主要有3種：空氣濕度、電磁場(chǎng)強(qiáng)度以及電磁脈沖。如圖6所示。

圖6 雷電產(chǎn)生的三大因素

通過決策樹對(duì)感應(yīng)模塊所采集到的氣象信息進(jìn)行處理，假設(shè)區(qū)域內(nèi)氣象數(shù)據(jù)集為M，則計(jì)算數(shù)據(jù)集的兩個(gè)Gini系數(shù)，對(duì)氣象數(shù)據(jù)集中的每一個(gè)數(shù)據(jù)A，都有a1,a2,a3三種子分類，對(duì)3種子分類進(jìn)行處理，得到該氣象數(shù)據(jù)的不同集合。

(2)

如公式(2)所示，Gini指數(shù)Gini(M,A)指代不同分組下氣象數(shù)據(jù)A在氣象數(shù)據(jù)集M中的關(guān)聯(lián)集合。再假設(shè)將雷電影響數(shù)據(jù)分為N個(gè)類，測(cè)試數(shù)據(jù)中的一個(gè)隨機(jī)數(shù)據(jù)屬于第n類的概率設(shè)為Pn，則針對(duì)雷電產(chǎn)生的概率因素的gini指數(shù)如公式(3)所示：

(3)

在公式(3)中通過給定雷電天氣中的不同種類的氣象數(shù)據(jù)，判定雷擊事故的產(chǎn)生概率以及影響范圍，同時(shí)可以根據(jù)Gini指數(shù)來對(duì)天氣情況進(jìn)行判定，通過對(duì)數(shù)據(jù)的計(jì)算，得出什么條件下能夠影響雷電的產(chǎn)生，制定出規(guī)避雷電事故發(fā)生的方案。通過這一設(shè)定，假定在區(qū)域內(nèi)進(jìn)行雷電預(yù)警測(cè)試，可根據(jù)算法決策樹去演化雷電預(yù)警概率[19-21]，如圖7所示。

圖7 雷電產(chǎn)生決策樹

2.4 雷電地點(diǎn)判定的創(chuàng)新

傳統(tǒng)雷電定位系統(tǒng)因雷電定位布置不合理，且云閃監(jiān)測(cè)系統(tǒng)效果不理想等，在雷電定位方向仍有改進(jìn)空間[22]。

針對(duì)雷電產(chǎn)生的地點(diǎn)判定的改進(jìn)，本研究使用三角測(cè)距法來對(duì)雷電定位儀進(jìn)行設(shè)置。通過臨近的三臺(tái)雷電檢測(cè)定位裝置，對(duì)區(qū)域內(nèi)的雷電進(jìn)行定位，在定位的準(zhǔn)確度上，采用以電磁變化監(jiān)測(cè)和電磁脈沖信號(hào)監(jiān)測(cè)為主要判斷依據(jù)，云閃監(jiān)測(cè)與雷聲監(jiān)測(cè)為輔助判斷依據(jù)[23]。隨著距離的增加，電磁脈沖的衰減也不同，同時(shí)這一信號(hào)檢測(cè)穩(wěn)定性高于使用圖像與聲音傳達(dá)速度和時(shí)間不同進(jìn)行測(cè)量的云閃監(jiān)測(cè)方式，但電磁傳輸速度較光傳輸慢，同時(shí)為了規(guī)避云層高度對(duì)結(jié)果的影響，因此需要云閃監(jiān)測(cè)與雷聲監(jiān)測(cè)當(dāng)做輔助監(jiān)測(cè)方式[22]。

電磁監(jiān)測(cè)與云閃監(jiān)測(cè)所結(jié)合的雷電定位系統(tǒng)，能夠通過添加定位監(jiān)測(cè)裝置來對(duì)區(qū)域進(jìn)行精準(zhǔn)定位，且定位范圍廣，系統(tǒng)安全性與穩(wěn)定性有所保證[23]。圖8為三角定位展示。

圖8 三角定位

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境及數(shù)據(jù)

本研究采用硬件計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)為Microsoft Windows 10，64 位，使用 Visual Studio 2020 OpenCV 3.0作為主要開發(fā)工具，CPU：Inter(R)Core(TM)i7；主頻為2.59 GHz；內(nèi)存16 G。

鄭州市處于北溫帶，屬于大陸性季風(fēng)氣候，夏季降水頻繁，雷電產(chǎn)生頻率高，因此本研究采用鄭州市中心區(qū)域作為模擬對(duì)象，實(shí)驗(yàn)過程中使用鄭州市中心區(qū)域三維地形為測(cè)試地形，通過對(duì)市中心區(qū)域夏季雷電發(fā)生事件進(jìn)行模擬，從而比較本研究所用氣象防雷系統(tǒng)與現(xiàn)階段氣象防雷系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，驗(yàn)證本研究系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)越性。

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)過程

為了驗(yàn)證本研究的技術(shù)優(yōu)越性，設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn)，先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，主要通過對(duì)大數(shù)據(jù)防雷系統(tǒng)中的管理模型進(jìn)行搭建，對(duì)比文獻(xiàn)[1]基于綜合防雷措施的電子防雷系統(tǒng)與文獻(xiàn)[2]智能化防雷系統(tǒng)，判斷三者在雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警過程中的系統(tǒng)穩(wěn)定性與系統(tǒng)精度。

實(shí)驗(yàn)中首先需要對(duì)整個(gè)鄭州市區(qū)域進(jìn)行大數(shù)據(jù)建模，根據(jù)2020年夏季雷電頻發(fā)季節(jié)的雷擊頻率與雷電影響范圍大小對(duì)雷電信息進(jìn)行模擬，將模擬的雷電信息輸入本研究所搭建的系統(tǒng)平臺(tái)、文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]的系統(tǒng)平臺(tái)之上，檢測(cè)三者之間的測(cè)試精度與系統(tǒng)穩(wěn)定度。給定的雷電信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)圖如圖9所示。

圖9 給定的雷電信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)圖

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中，對(duì)雷電信息進(jìn)行模擬整合，在三組雷電預(yù)警系統(tǒng)中進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，給定雷電信號(hào)的模擬進(jìn)度，觀察雷電系統(tǒng)在時(shí)間變化中對(duì)場(chǎng)強(qiáng)判斷的精確度，得到測(cè)試圖，以此來判斷系統(tǒng)對(duì)雷電預(yù)警的精確度和穩(wěn)定性，如圖10所示。

圖10 3種系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

如圖10中的(a)(b)(c)分別為文獻(xiàn)[1]的電子防雷系統(tǒng)、文獻(xiàn)[2]中智能防雷系統(tǒng)與本研究所用系統(tǒng)在測(cè)試圖9的雷電模擬信號(hào)時(shí)輸出的測(cè)試結(jié)果。

在圖9測(cè)試用雷電信號(hào)中可以明顯看出在32分鐘左右與37分半左右有兩次負(fù)向場(chǎng)強(qiáng)最大的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，在36分鐘有一次正向場(chǎng)強(qiáng)最大的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，這三次場(chǎng)強(qiáng)最大的時(shí)間節(jié)點(diǎn)即為雷電瞬間。

在圖10(a)中，18分鐘至27分鐘因錯(cuò)誤判斷導(dǎo)致最終結(jié)果與實(shí)際情況差距過大，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)是因模擬信號(hào)輸入量過大導(dǎo)致系統(tǒng)計(jì)算失誤，表明了該系統(tǒng)穩(wěn)定性不足。

在圖10(b)中，測(cè)試的雷擊瞬間分別為31分鐘、32分鐘、36分鐘與37分鐘時(shí)，比實(shí)際情況多了一次測(cè)試結(jié)果，據(jù)分析，原因?yàn)槲墨I(xiàn)[2]智能算法對(duì)雷擊瞬間判定有一定延遲，導(dǎo)致32分鐘時(shí)刻一次雷擊形成兩個(gè)場(chǎng)強(qiáng)較大的點(diǎn)，錯(cuò)誤的把一次云層的放電現(xiàn)象當(dāng)做雷擊瞬間。

圖10(c)中，3次雷擊瞬間的時(shí)間點(diǎn)記錄的比較準(zhǔn)確，雖然中間變化過程仍有差距，但已經(jīng)滿足雷電監(jiān)測(cè)所需的要求。

經(jīng)過上述對(duì)比分析，得出分析結(jié)果：在相同的雷擊信號(hào)輸入的情況下，使用電子防雷系統(tǒng)的穩(wěn)定性不足以支撐起強(qiáng)雷擊變化的信號(hào)，出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰的現(xiàn)象；智能化防雷系統(tǒng)由于系統(tǒng)本身強(qiáng)大的穩(wěn)定性，成功測(cè)試到字后，但測(cè)試結(jié)果與實(shí)際情況差距較大，系統(tǒng)測(cè)試精度不夠，而本研究所用基于大數(shù)據(jù)平臺(tái)的防雷系統(tǒng)，測(cè)試結(jié)果與實(shí)際情況相似度高，在雷擊瞬間的記錄也能準(zhǔn)確完成，因此本研究所用系統(tǒng)不論在系統(tǒng)穩(wěn)定性還是測(cè)試精度上都優(yōu)于前兩者，具有技術(shù)優(yōu)越性。

4 結(jié)束語

本研究基于大數(shù)據(jù)研究，對(duì)傳統(tǒng)雷電監(jiān)測(cè)部門氣象防雷進(jìn)行改良。利用模塊化結(jié)構(gòu)技術(shù)，構(gòu)建出氣象防雷大數(shù)據(jù)云平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，再通過CART算法與ID3算法相結(jié)合的大數(shù)據(jù)防雷算法對(duì)雷電產(chǎn)生的條件進(jìn)行分類判斷，進(jìn)一步改進(jìn)了傳統(tǒng)雷電監(jiān)測(cè)中系統(tǒng)穩(wěn)定性不足與精確度低的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了高效且高準(zhǔn)確率對(duì)大氣中的雷電數(shù)據(jù)的采集與分析工作，這使得雷電監(jiān)測(cè)與預(yù)警領(lǐng)域提升了一個(gè)新的技術(shù)高度。

通過對(duì)大數(shù)據(jù)雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的搭建與新型算法的引用，進(jìn)而對(duì)整個(gè)雷電監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)架構(gòu)與雷電防治的方案設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，將這一技術(shù)應(yīng)用到日常生活與生產(chǎn)中，能夠有效減少雷擊事故的產(chǎn)生，對(duì)現(xiàn)代化建設(shè)與審過提供了安全的保障，同時(shí)對(duì)雷電監(jiān)測(cè)行業(yè)進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代提供堅(jiān)實(shí)的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。