WP1A型天氣現(xiàn)象智能觀測(cè)系統(tǒng)組成與維護(hù)

李 力，聶 成，甘少明，劉 雯

(1.湖北省氣象信息與技術(shù)保障中心，武漢 430074；2.襄陽(yáng)市氣象局，襄陽(yáng) 441021)

0 引言

隨著地面觀測(cè)業(yè)務(wù)的深入開(kāi)展和不斷完善，綜合氣象觀測(cè)網(wǎng)中覆蓋最密集的地面觀測(cè)設(shè)備包括新型自動(dòng)氣象站、土壤水分站、日照時(shí)長(zhǎng)觀測(cè)儀、天氣現(xiàn)象觀測(cè)儀等[1]。

地面氣象觀測(cè)自動(dòng)化業(yè)務(wù)的正式運(yùn)行代替了臺(tái)站人工定時(shí)觀測(cè)和日常值守任務(wù)，相比人工觀測(cè)，自動(dòng)化氣象觀測(cè)的能力提升顯著，但同時(shí)也對(duì)自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備的常規(guī)維護(hù)與技術(shù)保障提出了更高的目標(biāo)要求[2-4]。

天氣現(xiàn)象智能觀測(cè)儀通過(guò)不同角度的多個(gè)高清攝像機(jī)采集圖像和視頻數(shù)據(jù)，利用圖像識(shí)別、深度學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)融合等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)天氣現(xiàn)象等氣象要素的智能觀測(cè)，主要應(yīng)用于國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站，解決目前以人工觀測(cè)為主的部分天氣現(xiàn)象自動(dòng)化觀測(cè)問(wèn)題[5-7]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

WP1A型天氣現(xiàn)象智能觀測(cè)儀是一種通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行天氣現(xiàn)象自動(dòng)觀測(cè)識(shí)別的氣象儀器，該儀器可對(duì)總云量、云狀、地面凝結(jié)現(xiàn)象(霜、露、雨凇、霧凇)、結(jié)冰、積雪和雪深等天氣現(xiàn)象(或氣象要素)進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)識(shí)別，并具備擴(kuò)展電線積冰、視程障礙現(xiàn)象(輕霧、霧、霾、浮塵、揚(yáng)沙、沙塵暴)的自動(dòng)觀測(cè)識(shí)別能力。

天氣現(xiàn)象智能觀測(cè)儀由圖像采集單元、圖像處理單元、通信單元和供電單元等主要部件組成(圖1)。

圖1 天氣現(xiàn)象智能觀測(cè)儀主要部件圖

2 系統(tǒng)組成單元

2.1 圖像采集單元

圖像采集單元由多個(gè)攝像機(jī)組成，根據(jù)觀測(cè)對(duì)象的特點(diǎn)和需要，一般由1個(gè)魚(yú)眼鏡頭和2～5個(gè)定焦或變焦鏡頭的高清攝像機(jī)組成。WP1A 型天氣現(xiàn)象智能觀測(cè)儀圖像采集單元的組合方式為分離式圖像采集單元組，由1個(gè)獨(dú)立的魚(yú)眼鏡頭、1個(gè)長(zhǎng)焦鏡頭和1個(gè)短焦鏡頭3部高清攝像機(jī)組成。

2.1.1 魚(yú)眼攝像機(jī)

WP1A型天氣現(xiàn)象智能觀測(cè)儀圖像采集單元中含有1部魚(yú)眼攝像機(jī)VC1A，又稱魚(yú)眼鏡頭，可實(shí)現(xiàn)水平180°觀測(cè)，使用時(shí)垂直向上安裝，用于觀測(cè)云量與云狀。

2.1.2 長(zhǎng)焦攝像機(jī)

WP1A 型天氣現(xiàn)象智能觀測(cè)儀圖像采集單元中的長(zhǎng)焦鏡頭高清攝像機(jī)VC2A，使用時(shí)對(duì)準(zhǔn)水盆與草地，用于觀測(cè)水面結(jié)冰、霜、露、是否積雪等現(xiàn)象。

2.1.3 短焦攝像機(jī)

WP1A 型天氣現(xiàn)象智能觀測(cè)儀圖像采集單元中的短焦高清攝像機(jī)VC3A，使用時(shí)對(duì)準(zhǔn)雪尺與電線，用于觀測(cè)雪深、雨凇和霧凇。

2.2 圖像處理單元

圖像處理單元由控制處理器和存儲(chǔ)單元組成?？刂铺幚砥魇荂PU，GPU和內(nèi)存等部件組成的嵌入式AI計(jì)算機(jī)，處理器內(nèi)置了嵌入式識(shí)別軟件和控制管理軟件，用于天氣現(xiàn)象(氣象要素)的自動(dòng)觀測(cè)識(shí)別和設(shè)備控制管理，負(fù)責(zé)處理采集的視頻和圖片等信息，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制、運(yùn)算處理和記錄存儲(chǔ)[8]。

2.2.1 MC1A型主控制器

基于圖像采集、算法運(yùn)算和業(yè)務(wù)邏輯軟件作為整體的圖像識(shí)別采集器是以TX2為核心的邊緣計(jì)算設(shè)備，可根據(jù)需求進(jìn)行外圍硬件、軟件配置，用于多種觀測(cè)場(chǎng)景的圖像識(shí)別，例如雪深、云、天氣現(xiàn)象等。TX2是針對(duì)AI計(jì)算能力研發(fā)的自帶GPU嵌入式電路板，架構(gòu)采用ARM+GPU，對(duì)外接口包括1個(gè)調(diào)試串口、1個(gè)SD卡接口、3個(gè)通用串口、2個(gè)USB接口、1個(gè)RJ45網(wǎng)口、1個(gè)Micro HDMI接口和1個(gè)4 G模塊接口。

2.2.2 主控制器指示燈狀態(tài)

MC1A型主控制器有4個(gè)狀態(tài)指示燈，分別表示為：外部電壓為12 V電源輸入后，“電源”指示紅燈為常亮；正常工作時(shí)，“控制”指示紅燈為常亮，“工作”指示綠燈也為常亮；RS-232-1或RS-232-2有數(shù)據(jù)輸出時(shí)，“通信”指示綠燈為常亮[9]。

2.3 通信單元

WP1A型天氣現(xiàn)象智能觀測(cè)儀共有3種通信方式，分別為串口通信、光纖—網(wǎng)線通信和可擴(kuò)展無(wú)線4 G通信。通信單元可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送、接收以及通信方式轉(zhuǎn)換等功能，采用RS-232串口通信和光纖通信。識(shí)別結(jié)果通過(guò)RS-232串口通信經(jīng)綜合集成硬件控制器與ISOS軟件聯(lián)通，視頻和圖片數(shù)據(jù)采用光纖通信方式傳輸至室內(nèi)通信終端，再通過(guò)業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)上傳至省級(jí)數(shù)據(jù)中心和臺(tái)站，通信流程如圖2所示[10-12]。

圖2 通信流程

2.4 供電單元

供電單元主要由交直流轉(zhuǎn)換器、浪涌保護(hù)器和空氣開(kāi)關(guān)等部件組成，將220 V交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，為天氣現(xiàn)象智能觀測(cè)儀供電，其組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 供電單元組成結(jié)構(gòu)示意圖

3 系統(tǒng)維護(hù)

為了保障WP1A型天氣現(xiàn)象智能觀測(cè)系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，臺(tái)站還需要按照以下要求開(kāi)展天氣現(xiàn)象智能觀測(cè)儀的日常維護(hù)工作：

1)若發(fā)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或異常，及時(shí)開(kāi)展設(shè)備維修維護(hù)。

2)每周需要檢查攝像機(jī)鏡頭的遮擋和污染情況。若存在遮擋或污染應(yīng)及時(shí)處理，選擇在日出前或日落后進(jìn)行清理。清潔攝像機(jī)鏡頭時(shí)，護(hù)罩式鏡頭應(yīng)用柔軟不掉毛的棉布或脫脂棉蘸無(wú)水乙醇直接擦試鏡頭玻璃，魚(yú)眼鏡頭可先用清水沖洗表面浮塵和沙粒，再用柔軟的棉布或脫脂棉蘸無(wú)水乙醇擦試鏡頭。注意：不要?jiǎng)潅ＡП砻妫绻翱诩訜峁δ芰己?，表面將很快干燥，不建議用其他物品清潔；可根據(jù)設(shè)備附近的環(huán)境情況，延長(zhǎng)或縮短維護(hù)周期，如出現(xiàn)沙塵、降雪等惡劣天氣影響觀測(cè)時(shí)，應(yīng)及時(shí)清潔鏡頭。

3)每月需定期檢查攝像機(jī)的水平、方位和傾角，以及立柱是否穩(wěn)固，出現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)校正，避免因振動(dòng)等外界因素對(duì)攝像機(jī)產(chǎn)生的不良影響。

4)每月定期檢查地面集中觀測(cè)區(qū)自然下墊面和露、霜等目標(biāo)物的草地狀況，需保持平整。

5)每月定期檢查供電設(shè)施，保證供電系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。

6)每年春季應(yīng)檢驗(yàn)系統(tǒng)的防雷設(shè)施，復(fù)測(cè)接地電阻。

7)結(jié)冰容器盡量從當(dāng)?shù)刈匀凰w(江、河、湖泊)取水，水量不足時(shí)需及時(shí)添加；專用雪尺保持豎直，零刻度線應(yīng)與地面集中觀測(cè)區(qū)自然下墊面齊平。

8)定期更換設(shè)備易損件，出現(xiàn)損壞或腐蝕需及時(shí)更換處理，尤其是在自然條件惡劣的區(qū)域。

9)系統(tǒng)需定期進(jìn)行檢查、維護(hù)、維修和校準(zhǔn)，對(duì)自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)有影響的操作應(yīng)詳細(xì)記錄。

4 結(jié)束語(yǔ)

全國(guó)地面觀測(cè)業(yè)務(wù)已經(jīng)進(jìn)入無(wú)人值守的自動(dòng)觀測(cè)階段，觀測(cè)模式也更加新穎、先進(jìn)、全面，天氣現(xiàn)象智能觀測(cè)儀通過(guò)先進(jìn)的圖像處理和模式識(shí)別技術(shù)使天氣現(xiàn)象觀測(cè)具備了自動(dòng)識(shí)別能力，為天氣現(xiàn)象的無(wú)人觀測(cè)提供綜合保障和技術(shù)支持。