雨量傳感器自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)

趙曉東 杜慧

摘要：該文提出一種國(guó)家氣象觀測(cè)站雨量傳感器自動(dòng)防護(hù)裝置，以雷達(dá)回波為提前開(kāi)啟控制信息；以天氣現(xiàn)象儀和感雨傳感器發(fā)生降雨信號(hào)為應(yīng)急開(kāi)啟保障信息；以天氣現(xiàn)象儀和感雨傳感器為降雨停止信息，并經(jīng)與雷達(dá)回波進(jìn)行比對(duì)確認(rèn)，關(guān)閉雨量傳感器。采用圖像識(shí)別技術(shù)、音頻信號(hào)識(shí)別和高阻0.1mm雨量計(jì)數(shù)技術(shù)，實(shí)時(shí)判斷降雨時(shí)雨量傳感器的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)雨量傳感器的智能化控制管理。

關(guān)鍵詞：雨量傳感器；自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)；圖像識(shí)別

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）10-0178-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

氣象觀測(cè)是氣象業(yè)務(wù)中重要的基礎(chǔ)性工作，氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)的代表性、準(zhǔn)確性、比較性對(duì)開(kāi)展不同時(shí)間尺度的氣象預(yù)報(bào)和有效服務(wù)起著十分重要的作用。大多國(guó)家氣象觀測(cè)站使用的是雙翻斗式雨量傳感器，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一次雨量值計(jì)數(shù)需要通過(guò)承水器、漏斗、匯聚漏斗、計(jì)量翻斗，各環(huán)節(jié)任何一處出現(xiàn)落葉、塵土等堵塞，將直接導(dǎo)致雨量數(shù)據(jù)缺測(cè)或數(shù)據(jù)異常。中國(guó)氣象局提出發(fā)展觀測(cè)智能、預(yù)報(bào)精準(zhǔn)、服務(wù)開(kāi)放、管理科學(xué)的智慧氣象，是氣象與經(jīng)濟(jì)社會(huì)融合發(fā)展的重要支撐，是轉(zhuǎn)變氣象發(fā)展方式的重要途徑，也是全面推進(jìn)氣象現(xiàn)代化的重要突破，其中雨量傳感器堵塞的問(wèn)題，是觀測(cè)智能實(shí)現(xiàn)的障礙之一。

本文設(shè)計(jì)的國(guó)家氣象觀測(cè)站雨量傳感器自動(dòng)防護(hù)裝置，實(shí)時(shí)判斷降感雨傳感器的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)雨量傳感器防護(hù)的智能化，能夠推動(dòng)智慧氣象臺(tái)站建設(shè)和確保雨量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，具有全國(guó)國(guó)家氣象觀測(cè)站推廣應(yīng)用的價(jià)值。

1 信息處理系統(tǒng)

信息處理系統(tǒng)主要包括降水啟?？刂颇K和降雨動(dòng)態(tài)過(guò)程顯示模塊兩部分組成，其中降水啟停控制模塊由降雨開(kāi)啟、雨停關(guān)閉及應(yīng)急啟停模塊組成；降雨動(dòng)態(tài)過(guò)程顯示模塊由視頻動(dòng)目標(biāo)、音頻識(shí)別、0.1mm雨量監(jiān)控模塊組成。

1.1 降水啟?？刂颇K

1.1.1 降雨開(kāi)啟模塊

（1）雷達(dá)產(chǎn)品的選用

選擇反射率因子產(chǎn)品中最常用的19號(hào)產(chǎn)品的PPI形式的反射率作為判斷雷達(dá)回波移動(dòng)方向、速度及到達(dá)自動(dòng)站的時(shí)間，該雷達(dá)的特征是徑向分辨率為1km，16個(gè)數(shù)據(jù)級(jí)，顯示范圍為230km。

雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的主要數(shù)據(jù)塊有：信息頭數(shù)據(jù)、產(chǎn)品說(shuō)明、產(chǎn)品數(shù)據(jù)、圖像字符數(shù)據(jù)、字符表。每個(gè)數(shù)據(jù)塊也有相應(yīng)的格式。根據(jù)數(shù)據(jù)格式定義，編程讀取雷達(dá)產(chǎn)品。

（2）觀測(cè)站坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

從單仰角獲取的是雷達(dá)PPI數(shù)據(jù)，以極坐標(biāo)的形式表示，而觀測(cè)站的位置是以經(jīng)緯度表示的，因此，將經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一。由以下公式[1]可以將經(jīng)緯度（α，β）換算為極坐標(biāo)（S，φ）：

1.1.2 雨量傳感器防護(hù)開(kāi)啟信息

系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別雷達(dá)回波的移動(dòng)方向、速度及到達(dá)自動(dòng)站的時(shí)間，在預(yù)計(jì)雷達(dá)回波達(dá)到自動(dòng)站前30分鐘時(shí)，自動(dòng)向雨量傳感器防護(hù)裝置發(fā)出開(kāi)啟信息，防護(hù)裝置開(kāi)啟正常后，自動(dòng)上傳開(kāi)啟狀態(tài)信息。降雨開(kāi)啟控制流程如圖1所示：

1.1.3 降雨停止關(guān)閉控制模塊

天氣現(xiàn)象儀、感雨傳感器采集的數(shù)據(jù)，作為雨量傳感器防護(hù)裝置關(guān)閉動(dòng)作的控制信息，為了防止裝置誤動(dòng)作造成缺測(cè)，在關(guān)閉動(dòng)作啟動(dòng)前，將關(guān)閉動(dòng)作請(qǐng)求信息上傳氣象局平臺(tái)，通過(guò)與雷達(dá)回波比對(duì)，確認(rèn)無(wú)降水10分鐘后，關(guān)閉裝置。降雨停止關(guān)閉控制流程如圖2。

1.1.4 應(yīng)急啟停模塊

（1）應(yīng)急開(kāi)啟

應(yīng)急開(kāi)啟功能是在觀測(cè)站天氣現(xiàn)象儀和感雨傳感器采集到降雨信息，而智能信息處理系統(tǒng)未發(fā)出開(kāi)啟信息時(shí)，采取的備用應(yīng)急措施，防止降雨缺測(cè)事故的發(fā)生，并自動(dòng)生成日志文件。

（2）應(yīng)急關(guān)閉

如果開(kāi)啟30分鐘后，天氣現(xiàn)象儀和感雨傳感器均未出現(xiàn)降雨現(xiàn)象，自動(dòng)上傳關(guān)閉請(qǐng)求信號(hào)，再次對(duì)雷達(dá)回波降雨判斷，確定為無(wú)降雨時(shí)，發(fā)出關(guān)閉指令，并自動(dòng)生成日志文件。

1.2 降雨動(dòng)態(tài)過(guò)程顯示模塊

雨量傳感器結(jié)構(gòu)模型為動(dòng)態(tài)顯示圖形，采用Flash工具開(kāi)發(fā)，以PHP技術(shù)連接后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用MS-SQLServer2000。提取的視頻、音頻及0.1mm雨量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)顯示雨量傳感器的工作過(guò)程。

1.2.1 視頻動(dòng)目標(biāo)識(shí)別模塊

降雨開(kāi)始，啟動(dòng)上傳1分鐘視頻，將各左右翻斗作為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，視頻流運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)中主要包含運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)、陰影去除和目標(biāo)識(shí)別等模塊。

運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)模塊采用三幀差分法，主要實(shí)現(xiàn)將視頻序列中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)準(zhǔn)確并完整地檢測(cè)出來(lái)；陰影去除模塊主要實(shí)現(xiàn)去除連同運(yùn)動(dòng)目標(biāo)一起被檢測(cè)出來(lái)的陰影區(qū)域，由于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)是采用兩幀間的灰度差值變化進(jìn)行的，檢測(cè)過(guò)程中不可避免由于光照產(chǎn)生的陰影；目標(biāo)識(shí)別模塊采用改進(jìn)的Hausdorff距離法進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別，主要完成識(shí)別左右計(jì)數(shù)翻斗的運(yùn)動(dòng)情況，判斷其工作是否正常。

1.2.2 音頻識(shí)別模塊

應(yīng)用雨量傳感器內(nèi)置音頻傳感器，采集上下翻斗和計(jì)數(shù)翻斗工作時(shí)的聲音信息，以上下翻斗和計(jì)數(shù)翻斗3個(gè)音頻信息為一個(gè)上傳文件，通過(guò)聲音識(shí)別判斷各翻斗的工作狀態(tài)。

1.2.3 0.1mm雨量監(jiān)控模塊

以0.1mm雨量值為一個(gè)上傳文件，實(shí)時(shí)記錄降雨過(guò)程，采集到0.1mm雨量值，說(shuō)明雨量傳感器工作正常。

2 雨量傳感器防護(hù)裝置

在無(wú)降雨時(shí)，承水器口處于加蓋狀態(tài)，防止落葉、塵土或昆蟲(chóng)侵入，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)防護(hù)功能；降雨前，根據(jù)雷達(dá)回波判定開(kāi)啟時(shí)間，以天氣現(xiàn)象儀及感雨傳感器感雨數(shù)據(jù)為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急備開(kāi)啟控制信息，確保雨量傳感器正常工作；降雨停止后，防護(hù)蓋關(guān)閉。

2.1 防護(hù)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

雨量傳感器防護(hù)裝置由升降機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、防護(hù)蓋、感雨器、定位開(kāi)關(guān)、控制模塊等組成，其工作原理是無(wú)降水時(shí)，防護(hù)蓋處于工作位置，在開(kāi)啟信息觸發(fā)下，防護(hù)蓋抬升，脫離雨量傳感器，防護(hù)蓋旋轉(zhuǎn)180°下降到停止位置；降水停止后，防護(hù)蓋抬升高于雨量傳感器，旋轉(zhuǎn)180°到達(dá)雨量傳感器上方，防護(hù)蓋做下降運(yùn)動(dòng)至工作位置，完成開(kāi)啟關(guān)閉工作過(guò)程。

防護(hù)蓋開(kāi)啟信息是利用雷達(dá)回波提前開(kāi)啟，根據(jù)回波的強(qiáng)度、移動(dòng)方向、移動(dòng)速度，判斷回波達(dá)到觀測(cè)場(chǎng)時(shí)間，自動(dòng)生成雨量傳感器開(kāi)啟命令，而且還利用了現(xiàn)場(chǎng)天氣現(xiàn)象儀和感雨器信息應(yīng)急開(kāi)啟，通過(guò)多信息確保防護(hù)蓋及時(shí)開(kāi)啟。

2.2 控制電路的設(shè)計(jì)

雨量傳感器防護(hù)控制模塊是防護(hù)機(jī)構(gòu)的控制核心，由單片機(jī)、D/A升降和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)控制、I/O開(kāi)關(guān)狀態(tài)輸入等組成，模塊在啟停信息的控制下，完成雨量傳感器的防護(hù)任務(wù)。

2.3 控制軟件的編程

控制軟件完成降雨防護(hù)裝置的啟停的功能，正常啟停的控制流程如圖2、圖3所示。應(yīng)急啟?？刂朴袃蓚€(gè)功能：應(yīng)急開(kāi)啟功能是在觀測(cè)站天氣現(xiàn)象儀和感雨傳感器采集到降雨信息，而未接收到智能信息處理系統(tǒng)發(fā)出的開(kāi)啟信息時(shí)，采取的備用應(yīng)急措施，防止降雨缺測(cè)事故的發(fā)生；應(yīng)急關(guān)閉如果30分鐘后，天氣現(xiàn)象儀和感雨傳感器均未出現(xiàn)降雨現(xiàn)象，自動(dòng)上傳關(guān)閉請(qǐng)求信號(hào)，再次對(duì)雷達(dá)回波降雨判斷，無(wú)降雨發(fā)出關(guān)閉指令。

3 降雨動(dòng)態(tài)過(guò)程監(jiān)視電路設(shè)計(jì)

3.1 降雨動(dòng)態(tài)過(guò)程監(jiān)視傳感器的布設(shè)

雨量傳感器過(guò)程監(jiān)視攝像機(jī)和MIC音頻傳感器，安裝在漏斗支架上。攝像機(jī)安裝在漏斗支架上，可以監(jiān)視上翻斗、匯聚漏斗、計(jì)數(shù)翻斗及水平泡等的工作運(yùn)行狀態(tài)。攝像機(jī)配置LED燈，確保獲得清晰圖像資料；MIC音頻傳感器可以采集各翻斗動(dòng)作的音頻信息。

3.2 降雨動(dòng)態(tài)過(guò)程采集電路設(shè)計(jì)

將視頻、音頻及0.1mm雨量信息的采集為集成一體，視頻信息采集采用微型攝像機(jī)并配置LED燈照明；音頻采集模塊由麥克和音頻編解碼構(gòu)成，聲音傳感器（麥克）選用 WM62A 進(jìn)行采集，對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理。選擇 Philips 的 UDA1380單芯片立體聲音頻編/解碼器模塊，通過(guò)數(shù)據(jù)處理獲得上下翻斗和計(jì)數(shù)翻斗的工作音頻信息，利用音頻信息自動(dòng)判斷雨量傳感器的工作狀態(tài)；0.1mm雨量在雨量傳感器接線柱并接高阻匹配電路，防止影響傳感器的采集精度。

4 結(jié)論

系統(tǒng)綜合運(yùn)用了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)圖像識(shí)別技術(shù)、音頻識(shí)別技術(shù)及0.1mm雨量值采集技術(shù)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)雨量傳感器的工作過(guò)程，傳感器異常自動(dòng)生成報(bào)警信息；采用雷達(dá)回波、天氣現(xiàn)象儀、感雨傳感器三種信息，控制雨量傳感器防護(hù)裝置的開(kāi)啟及關(guān)閉；采用機(jī)電技術(shù)結(jié)合，對(duì)雨量傳感器的防護(hù)進(jìn)行創(chuàng)新提升，使雨量傳感器防護(hù)智能化，實(shí)現(xiàn)了雨量筒的自動(dòng)防護(hù)。

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