彭發(fā)強 賴洞森 黃愛玉

(福建省龍巖市氣象局，福建 龍巖 364000)

0 引言

龍巖市位于福建省西部，地處閩粵贛三省交界，屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，全年平均雷暴日數(shù)74.1d。轄區(qū)內(nèi)含有5個國家基本氣象站和2個國家天氣觀測站，各臺站按照上級業(yè)務(wù)管理部門部署列裝同型號觀測設(shè)備，依據(jù)《地面氣象觀測場規(guī)范化圖冊》和設(shè)備安裝規(guī)范完成地面觀測場地的建設(shè)和設(shè)備安裝，但傳感器(箱體)與地溝之間的距離未做較好的線路屏蔽，電源和信號線纜幾乎是外露狀態(tài)。由于地面觀測場大多地處空曠地或山頭，強雷暴天氣過境時，極易遭受雷擊，造成設(shè)備損壞。

近五年，連城、漳平、上杭、武平、永定等臺站接連遭遇不同程度雷擊。而2020年至2021年，連城、上杭、武平等臺站在強雷暴天氣過境時連續(xù)遭受雷擊，造成部分觀測設(shè)備損壞，甚至業(yè)務(wù)中斷，嚴(yán)重影響臺站業(yè)務(wù)質(zhì)量。現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)，雷擊損壞的設(shè)備主要集中在主采、分采、通訊模塊及傳感器等，損壞設(shè)備均無燒焦、炸裂等情況。因此，推斷設(shè)備功能性損壞不是直擊雷導(dǎo)致，而是閃電感應(yīng)或閃電電涌侵入引起。

自雙套新型自動氣象站建設(shè)以來，針對強雷暴天氣過境時的雷擊風(fēng)險，業(yè)務(wù)管理部門提出臺站視天氣情況提前關(guān)閉B站(第二套新型自動氣象站)，以保證A站被雷擊損壞后能及時啟動B站，繼續(xù)開展地面氣象觀測。一部分臺站關(guān)閉B站只關(guān)閉觀測場交流電源輸入，新型自動氣象站仍由直流供電運行，此做法未做到真正意義上的關(guān)閉；另一部分臺站則是人為對B站所有線路進行物理斷接，此做法雖然是進行物理斷接，但強雷暴天氣期間，人員在觀測場活動，存在雷擊風(fēng)險。因此，主動遠(yuǎn)程控制線路物理斷接是強雷暴天氣過境時減少閃電感應(yīng)對觀測設(shè)備的破壞，以及保護人身安全的重要防護措施。

1 主動防雷裝置設(shè)計思路

主采、分采、通訊模塊及傳感器等設(shè)備易由雷擊造成損失且大部分是由閃電感應(yīng)或閃電電涌侵入引起[1]。其主要成因是強雷暴天氣產(chǎn)生的電磁脈沖經(jīng)由地線、金屬線及空間等通道耦合產(chǎn)生瞬時浪涌，并擊穿設(shè)備中的電子元器件[2-3]。本文實現(xiàn)主動防雷的思路是使用計算機控制技術(shù)操控斷路設(shè)備實現(xiàn)分隔主采、分采、傳感器等設(shè)施的地線、金屬線及空間通道。因此，本文的研究重點在于強雷暴天氣提前預(yù)警和保護電路及控制模塊的設(shè)計，以DZZ5自動氣象站為例，設(shè)計思路如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計思路

1.1 強雷暴天氣識別技術(shù)思路

關(guān)于對流天氣的判別通常以天氣雷達的觀測數(shù)據(jù)作為重要判斷依據(jù)，ConvLSTM模型能夠利用已有的雷達拼圖較準(zhǔn)確地預(yù)測1小時內(nèi)降水情況[4]。ConvLSTM結(jié)構(gòu)如圖2所示[5]，將每個時次采集到的雷達拼圖作為時間序列中的一個元素，用一個長度為t的時間序列預(yù)測下一個時次的雷達拼圖。因此，本文以ConvLSTM作為強雷暴識別模型，預(yù)測自動氣象站未來30分鐘是否會出現(xiàn)強對流天氣。假設(shè)輸入的雷達數(shù)據(jù)為一張二維圖像，其維度為M×N，每個像素點取值范圍為P，則雷達數(shù)據(jù)可以表示為∈RP×M×N[6]。

圖2 ConvLSTM單元結(jié)構(gòu)

ConvLSTM計算過程表示為式(1)，根據(jù)ConvLSTM計算特點，本文挑選龍巖地區(qū)的一個強雷暴天氣過程163小時的數(shù)據(jù)(6分鐘采集一次完整的雷達回波數(shù)據(jù))，運用ConvLSTM對雷達組合反射率進行預(yù)測。在ConvLSTM預(yù)測實驗中，隨著預(yù)測提前量的增加，預(yù)測的組合放射率圖像的清晰度逐漸降低，且ConvLSTM能夠準(zhǔn)確預(yù)測1小時內(nèi)的組合反射率的發(fā)展趨勢。根據(jù)地面觀測規(guī)范，B站關(guān)閉時間在30分鐘內(nèi)為宜，因此本文將強雷暴識別算法設(shè)計如下步驟，為了提高模型的在線運算效率，模型參數(shù)提前使用歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練。

(1)

①使用2小時長、間隔6分鐘的雷達觀測數(shù)據(jù)作為二維的時間序列；

②將二維時間序列抽取為96×96灰度圖，并循環(huán)輸入訓(xùn)練好的ConvLSTM；

③輸出ConvLSTM外推出的未來30分鐘內(nèi)組合反射率；

④根據(jù)自動氣象站所在位置判斷未來6、12、24、30分鐘是否會出現(xiàn)強對流天氣，并根據(jù)當(dāng)前時間計算準(zhǔn)確的過境時間，輸出判斷結(jié)果；

⑤根據(jù)判斷結(jié)果向操控模塊輸出控制型號，如果出現(xiàn)輸出1，否則輸出0。

1.2 保護電路設(shè)計思路

繼電器是一種具有隔離功能的自動開關(guān)控制元件，本文選用歐姆龍直流12V電磁繼電器，它是一種利用輸入電路內(nèi)電流在電磁鐵鐵芯與銜鐵間產(chǎn)生的吸力作用，將接觸片吸住而工作的一種電氣繼電器，結(jié)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)控制信號輸入1時，驅(qū)動電磁鐵組件工作，帶動銜鐵的動觸點與靜觸點(常開觸點)吸合，此時2和3導(dǎo)通，如果控制信號消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點(常閉觸點)接觸，此時2和4導(dǎo)通。強雷暴天氣過境時，控制模塊控制繼電器的銜鐵與常閉常開觸點切換，實現(xiàn)對各采集器供電和傳感器信號線路通斷控制，最終達到主動防護效果。

圖3 繼電器結(jié)構(gòu)圖

地面氣象觀測設(shè)備需24小時不間斷運行，而電磁繼電器帶有常開和常閉接線端。本設(shè)計將電磁繼電器接線端中的常閉接線端接入觀測設(shè)備，該接線方法能使電磁線圈處于未工作狀態(tài)，避免電磁繼電器線圈長時間工作而造成線圈燒毀。當(dāng)遇到強電流天氣過境等需關(guān)閉設(shè)備時，遠(yuǎn)程控制繼電器由常閉切換至常開狀態(tài)，以實現(xiàn)線路物理斷接。供電控制主要是控制各類采集器、綜合集成控制器等設(shè)備電源。如圖4(a)所示，繼電器串聯(lián)接入各用電設(shè)備的供電控制線(正極)，一端接用電設(shè)備，另一端接供電(DC12V)電源正極。繼電器供電采用并聯(lián)方式連接成供電繼電器組，供電由網(wǎng)絡(luò)繼電器控制的直流12V提供。信號控制主要是控制各類接入采集器的傳感器信號線路。如圖4(b)所示，繼電器串聯(lián)接入各采集器的信號線，繼電器供電采用并聯(lián)方式連接成信號繼電器組，供電由網(wǎng)絡(luò)繼電器控制的直流12V提供。

(a) 采集器接入繼電器圖

2 測試運行及分析

2.1 模擬測試方案

為驗證本設(shè)計方案的穩(wěn)定性和業(yè)務(wù)可用性，在實驗室條件下搭建一套簡易的氣象觀測站，由于條件限制，使用氣溫傳感器做數(shù)據(jù)序列完整性和準(zhǔn)確性驗證，使用有強對流天氣的雷達拼圖序列作為雷達信號輸入，測試方案設(shè)備連接圖如圖5所示。本文測試使用的主采集器型號為HY-3000；綜合集成硬件控制器型號為DPZ1；氣溫傳感器型號為HY-T03，編號分別為2593、151655，所有檢定點誤差均為-0.1，使用一臺二層交換機將防雷控制端及主采集器/傳感器保護模塊接入氣象專網(wǎng)。本測試實驗接近國家級臺站設(shè)備安裝環(huán)境，所使用的氣溫傳感器誤差大小及趨勢一致，因此該測試實驗設(shè)計較為合理且所得的數(shù)據(jù)具有代表性。

通過對資源財政稅收預(yù)算管理工作中存在的問題進行分析，提出相應(yīng)的解決策略：健全完善制度體系；及時轉(zhuǎn)變?nèi)藛T觀念；高效使用預(yù)算資金；實現(xiàn)財稅科學(xué)管理，希望能進一步提升我國國土資源財政稅收預(yù)算管理工作的科學(xué)性，從而促進我國國土資源的有效利用，使其能進一步推動我國社會經(jīng)濟的發(fā)展。

圖5 測試方案設(shè)備連接圖

2.2 數(shù)據(jù)序列完整性和準(zhǔn)確性

信號繼電器組串聯(lián)接入各設(shè)備信號，滿足地面氣象觀測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，選取溫度傳感器測試，采用直連和串連繼電器方式接入同一個地溫分采集器的不同采集通道。

經(jīng)連續(xù)不斷電采集數(shù)據(jù)測試得到4621條數(shù)據(jù)樣本，兩種接入方式的數(shù)據(jù)采集成功率為100%，采集數(shù)據(jù)序列完整。根據(jù)《新型自動氣象(氣候)站功能需求書》規(guī)定，溫度傳感器分鐘連續(xù)最小變化誤差0.2℃。設(shè)定直連接入方式作為標(biāo)準(zhǔn)采集輸出值，串聯(lián)繼電器方式作為采集輸出值，通過計算與標(biāo)準(zhǔn)采集輸出值的誤差，計算公式為誤差=采集輸出值-標(biāo)準(zhǔn)采集輸出值，進而以計算誤差結(jié)果分析串連繼電器方式對數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性影響。如圖6(a)所示，兩傳感器采集的4621個數(shù)據(jù)樣本，采集周期為1min，數(shù)值及發(fā)展趨勢幾乎一致。如圖6(b)圖所示，按計算公式計算得出誤差值為-0.1～0.1，其中零誤差4550條，占98.46%，-0.1差值37條，占0.8%，0.1差值34條，占0.74%，所有數(shù)據(jù)樣本均在允許誤差內(nèi)。

圖6 測試運行采集數(shù)據(jù)

由圖6(a)可知，經(jīng)過繼電器的氣溫傳感器1和未經(jīng)過繼電器的氣溫傳感器2所采集的溫度曲線幾乎重合。為了量化說明兩氣溫傳感器采集的數(shù)據(jù)存在的差異，可以計算兩列時間序列的協(xié)方差，如式(2)所示[7]。

(2)

(3)

2.3 運行穩(wěn)定性

為保障業(yè)務(wù)正常運行及繼電器功能，測試運行過程中繼電器常閉狀態(tài)。測試系統(tǒng)經(jīng)過連續(xù)18天不間斷供電運行測試，模擬強雷暴天氣過境時繼電器因接收到控制信號驅(qū)動線圈工作而處于常開狀態(tài)和強雷暴天氣結(jié)束時繼電器狀態(tài)切換傳感器功能正常開啟。經(jīng)過模擬測試證明，該系統(tǒng)具有較高的可靠性及穩(wěn)定性，具備運用于業(yè)務(wù)的可行性。

3 結(jié)論

①研究發(fā)現(xiàn)，氣溫傳感器1和氣溫傳感器2在測試運行期間采集的數(shù)據(jù)的協(xié)方差值為0.99987356，數(shù)據(jù)序列具有較高的相似度。因此，本文設(shè)計的主動防雷系統(tǒng)對地面觀測業(yè)務(wù)不會產(chǎn)生任何影響，傳感器的測量數(shù)據(jù)符合《新型自動氣象(氣候)站功能需求書》規(guī)定要求。

②ConvLSTM識別強雷暴天氣發(fā)展過程具有較高的準(zhǔn)確率，通過識別結(jié)果向控制模塊發(fā)出的控制信號，能夠切斷B站觀測傳感器及各類采集器的供電通路，實現(xiàn)自動氣象站自動化防雷，從而達到保護B站觀測設(shè)備的目的。

③使用其他數(shù)據(jù)(如三維閃電數(shù)據(jù)等)對ConvLSTM識別結(jié)果進行修正對于提高準(zhǔn)確率有較大幫助，同時也會增加防雷指令輸出模塊的延時。

④為了提高計算的時間效率，對于雷達組合反射率圖像采取了降采樣及灰度化的處理，一定程度上弱化了雷達回波，是產(chǎn)生強雷暴天氣誤報的原因之一。

⑤本系統(tǒng)在測試過程中表現(xiàn)出極高的穩(wěn)定性，可以在強雷暴天氣條件下自動保護B站觀測設(shè)備，同時也避免了人工關(guān)閉B站過程中可能出現(xiàn)的人員傷亡事故，適合龍巖市氣象觀測業(yè)務(wù)實際運行需求，具有較廣的應(yīng)用性。