新型智能雷電災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2021-11-20 · 閱讀249

0引言

雷電災(zāi)害發(fā)生的瞬間會(huì)產(chǎn)生巨大的電流、電磁波、超高的溫度以及對(duì)地面具有強(qiáng)烈沖擊的有效沖擊波。按照不同的放電現(xiàn)象,可以將雷電災(zāi)害分成多種性質(zhì),現(xiàn)階段人們更多研究的是云層放電以及對(duì)人類傷害較大云地放電，上述兩類放電現(xiàn)象又被稱為云地閃和云間閃。根據(jù)我國(guó)有關(guān)部門(mén)研究統(tǒng)計(jì),地球上每秒鐘越有超過(guò)1 800 個(gè)雷電活動(dòng)區(qū)出現(xiàn)雷電災(zāi)害,這些雷電區(qū)可以產(chǎn)生每秒1 000次以上的云地閃和云間閃。在雷電發(fā)生的瞬間，強(qiáng)大的閃電電磁波的侵蝕會(huì)造成人員直接傷亡或者周圍物體或基礎(chǔ)設(shè)施部分甚至全部功能喪失，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)后果。從傷害范圍和綜合傷害程度上來(lái)看,雷電災(zāi)害已經(jīng)成為我國(guó)最嚴(yán)重的氣象災(zāi)害之一,我國(guó)屬于全球范圍內(nèi)雷電高發(fā)區(qū),對(duì)于雷電災(zāi)害的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和相關(guān)預(yù)報(bào)研究,已經(jīng)成為我國(guó)相關(guān)部門(mén)急需解決的問(wèn)題雖然雷電災(zāi)害的發(fā)生速率較快,但是通過(guò)科學(xué)技術(shù)進(jìn)行合理的雷電災(zāi)害預(yù)警防護(hù)是可行且有效的。20世紀(jì)70年代以來(lái),隨著相關(guān)科技的不斷發(fā)展,尤其是無(wú)線.傳感網(wǎng)絡(luò)和電機(jī)計(jì)算機(jī)技術(shù)的革新,具有無(wú)線傳感自動(dòng)化特征的雷電探測(cè)定位預(yù)警,已經(jīng)成為一個(gè)專有的研究領(lǐng)域。其研究原理主要是探測(cè)雷電發(fā)生時(shí)的光波、音效、電磁波等可測(cè)信號(hào),對(duì)其放電類型進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，這些在天氣監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)中均起到主導(dǎo)作用。目前國(guó)內(nèi)市.場(chǎng)上的雷電災(zāi)害預(yù)測(cè)系統(tǒng)整體產(chǎn)品雖然已經(jīng)可以做到快速預(yù)警,但是單一產(chǎn)品的有效輻射區(qū)域較小,其核心.原因在于信號(hào)傳感的限制。對(duì)此基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù),設(shè)計(jì)了新型雷電災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng),在保證預(yù)警速率的前提下，通過(guò)利用無(wú)線傳感技術(shù),提高預(yù)警系統(tǒng)的有效傳輸距離,從而提高預(yù)警系統(tǒng)的有效輻射區(qū)。

1基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能防雷雷電災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的雷電災(zāi)害與預(yù)警系統(tǒng)主要由雷電數(shù)據(jù)采集模塊、系統(tǒng)定位模塊、系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸以及系統(tǒng)電源模塊構(gòu)成。雷電數(shù)據(jù)的采集模塊其核心是一個(gè)360度全方位感應(yīng)式雷電無(wú)線傳感器。該傳感器支持四周全方位信號(hào)數(shù)據(jù)探測(cè),可以有效獲取雷電電磁波信號(hào);定位模塊整體采用了BD/GPS雙模板芯片,該芯片可以提供系統(tǒng)自身的經(jīng)緯度信息以及雷電災(zāi)害發(fā)生瞬間的時(shí)間信息,此外該模塊可以提供1pps格式信號(hào),保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐骄认到y(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸通信串口可以完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的無(wú)線傳輸,實(shí)現(xiàn)雷電災(zāi)害的預(yù)警。以下為系統(tǒng)各部分的設(shè)計(jì)過(guò)程。

1.1 360度雷電傳感器

360度雷電傳感器是基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)前端數(shù)據(jù)傳感部分,該傳感器主要負(fù)責(zé)雷電信號(hào)的采集和初步傳輸工作。傳感器采用雙通道模式，可以分別記錄雷電云間閃以及云地閃不同時(shí)期的電磁波脈沖次數(shù)A利用LED陣列數(shù)據(jù),集中顯示當(dāng)前云地閃的實(shí)時(shí)強(qiáng)度。因?yàn)橥ǔＧ闆r下，云地閃一般出現(xiàn)于云間閃之后,所以當(dāng)LED陣列數(shù)據(jù)出現(xiàn)響應(yīng)時(shí),云間閃的記錄一般已經(jīng)出現(xiàn)了高頻次數(shù)據(jù)。此時(shí)，預(yù)警數(shù)據(jù)被后續(xù)模塊傳輸,實(shí)現(xiàn)預(yù)警觸發(fā)。控制器可以通過(guò)數(shù)據(jù)內(nèi)部記錄的云地閃以及云間閃數(shù)據(jù),對(duì)雷電預(yù)警觸發(fā)點(diǎn)進(jìn)行判斷,并輸出雷電電平信號(hào)。雷電觸發(fā)信號(hào)具有兩個(gè)通路,分別對(duì)應(yīng)云地閃和云間閃，傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。
傳感器前置探測(cè)天線主要負(fù)責(zé)采集閃電的低幀低頻電磁波信號(hào)。其接收天線對(duì)云地閃測(cè)量頻率為.8kHz,云間閃測(cè)量頻率為24kHz。天線頻段同樣分為兩個(gè),每段包括兩根天線,保證全角度測(cè)量。天線采用防水結(jié)構(gòu)灌封，蓋板采用CRE全銅鍍金材料。其技術(shù)參數(shù)如表1所示。

外部的電源天線可以對(duì)定位模塊進(jìn)行供電，而定位模塊則負(fù)責(zé)檢測(cè)雷電傳感器天線的接收狀態(tài)和線路保護(hù)狀態(tài)。傳感器將接收到的電磁波信息傳送給定位模塊內(nèi)的雙模射頻芯片，在芯片內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)放大,再經(jīng).過(guò)混頻后進(jìn)行下級(jí)中頻濾波處理。處理后經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，傳送給基帶芯片。基帶芯片接收到這些信號(hào)和串口電路傳送過(guò)來(lái)的拆分信號(hào)后，通過(guò)串口輸出數(shù)據(jù)并生成1pps信號(hào)。模塊使用的信號(hào)格式為NEMA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)格式,在該格式下，數(shù)據(jù)字符使用ADCII 字符。傳輸方式使用“語(yǔ)句傳輸”,每個(gè)語(yǔ)句代號(hào)為“&”、“會(huì)話ID’ “語(yǔ)句ID’ ‘?dāng)?shù)據(jù)體”等。傳輸數(shù)據(jù)字段以逗號(hào)進(jìn)行分割,語(yǔ)句末尾添加資源尾綴“CHECKSUM。每行語(yǔ)句包括回車和“&”，最多為57個(gè)語(yǔ)句字符。設(shè)計(jì)定位模塊語(yǔ)句結(jié)構(gòu)如表2所示。

1.3實(shí)現(xiàn)雷電災(zāi)害預(yù)測(cè).

系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸模塊采用的時(shí)一款基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸終端引擎設(shè)備。該設(shè)備可以有效提供數(shù)據(jù)傳輸通道,保證通道透明性,方便遠(yuǎn)程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)據(jù)傳輸,是設(shè)計(jì)提高有效監(jiān)測(cè)區(qū)域的核心構(gòu)件之。該終端內(nèi)置30kB大型緩存區(qū),內(nèi)部采用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)劃分技術(shù)，提高內(nèi)存區(qū)使用效率。以傳輸終端設(shè)備為核心的數(shù)據(jù)傳輸模塊采用通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)，簡(jiǎn)稱RPSE。其傳輸主要以數(shù)據(jù)包的形式進(jìn)行。數(shù)據(jù)包內(nèi)部為DTU,即數(shù)據(jù)傳輸單元,傳輸過(guò)程分為三部分。首先將定位模塊發(fā)送傳輸?shù)男盘?hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)包，再將IP數(shù)據(jù)包通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò),傳輸給終端設(shè)備或者服務(wù)器,最后將已經(jīng)完成傳輸業(yè)務(wù)的IP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)。整個(gè)傳輸過(guò)程主要由客戶設(shè)備、DTU、后臺(tái)數(shù)據(jù)中心以及服務(wù)器SOCKEY連接,構(gòu)成整個(gè)傳輸脈絡(luò)。在數(shù)據(jù)傳輸錢(qián),客戶設(shè)備主要通過(guò)傳輸接口232以及串口485與DTU相互連接,將傳輸信息注冊(cè)到后臺(tái)數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)用和存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)包DTU整個(gè)工作過(guò)程如下:數(shù)據(jù)包連通后，讀取內(nèi)部PT-FLASH中的撥號(hào)參數(shù),串口數(shù)據(jù)波特率以及數(shù)據(jù)中心IP地址等工作參數(shù);數(shù)據(jù)包登錄后臺(tái)網(wǎng)絡(luò),進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)PPS撥號(hào),撥號(hào)成功后,提取后臺(tái)分配IP地址;將數(shù)據(jù)包與數(shù)據(jù)中心相連,建立通信鏈路,鎖存災(zāi)害信息，完成雙向通信,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)。

2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

上述過(guò)程完成了基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的雷電災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。為了詳細(xì)驗(yàn)證該系統(tǒng)能否有效提高雷電災(zāi)害預(yù)警監(jiān)測(cè)范圍，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)際地址情況,在雷電災(zāi)害仿真基地共設(shè)置五個(gè)仿真探測(cè)點(diǎn)，點(diǎn)位坐標(biāo)分別為
( 120.356 852 65°，31.558 623 26°) ( 120.559 655 26°,
31.526 536 23°) ( 120. 365 625 689°, 32.265599 85°)
( 120.265 869 850)( 120.658 885 48°,31.903 405 85°)。

在上述仿真探測(cè)點(diǎn)上，分別設(shè)立實(shí)驗(yàn)組和對(duì)比組。令實(shí)驗(yàn)組選擇新設(shè)計(jì)的雷電災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng),令對(duì)比組選擇傳統(tǒng)預(yù)警系統(tǒng)，分別進(jìn)行預(yù)測(cè)。點(diǎn)位1數(shù)據(jù)接收到的時(shí)間段為1.37 s、點(diǎn)位2數(shù)據(jù)接收到的時(shí)間段為1.28 s,點(diǎn)位3數(shù)據(jù)接收到的時(shí)間段為1.35s,點(diǎn)位4數(shù)據(jù)接收到的時(shí)間段1.33 s,點(diǎn)位5數(shù)據(jù)接收到的時(shí)間段為1. 19 s。針對(duì)數(shù)據(jù)接收結(jié)果，分別對(duì)比五個(gè)探測(cè)點(diǎn)，以及實(shí)驗(yàn)組和對(duì)比組云地閃和云間閃的有效監(jiān)測(cè)預(yù)警范圍http://www.jj-xf.com/。

2.1云地閃有效預(yù)警范圍對(duì)比

按照數(shù)據(jù)信息,將實(shí)驗(yàn)組和對(duì)比組云地閃的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行解析,提取完全有效數(shù)據(jù)和次有效數(shù)據(jù),對(duì)比其有效范圍,其結(jié)果如表3所示。(有效數(shù)據(jù)指準(zhǔn)確率為95%以上的數(shù)據(jù),次有效數(shù)據(jù)為準(zhǔn)確率在85%以上的數(shù)據(jù)。表3云地閃有效預(yù)警范圍對(duì)比
因?yàn)楦魈綔y(cè)點(diǎn)的地理?xiàng)l件和相關(guān)雷電信息頻率不.同,所以整體有效和次有效監(jiān)測(cè)范圍有些許出入。根據(jù)表3數(shù)據(jù)可以看出,實(shí)驗(yàn)組有效監(jiān)測(cè)范圍區(qū)間為1.22平方公里到1.45平方公里之間,次有效監(jiān)測(cè)范圍為3.15
平方公里到3.32平方公里之間;對(duì)比組有效和次有效監(jiān)測(cè)范圍分別為1.01 到1.15平方公里和2.89到3.01.平方公里范圍內(nèi)。根據(jù)數(shù)據(jù)范圍可以直觀看出，實(shí)驗(yàn)組的有效預(yù)警范圍提高了19. 5%左右。

2.2云間閃有 效預(yù)警范圍

按照上述方式,對(duì)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)比組針對(duì)云間閃的有效預(yù)警范圍進(jìn)行統(tǒng)計(jì),其統(tǒng)計(jì)結(jié)果表4所示。
表4云 間閃有效預(yù)警范圍對(duì)比