年預(yù)計(jì)雷擊頻次GUI計(jì)算程序的設(shè)計(jì)與探討

姚森泉,韋思翾,關(guān)卓斌

(1.廣寧縣突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布中心,廣寧 526300;2.廣東省肇慶市高要區(qū)氣象局,高要 526100)

0 引言

雷電是發(fā)生在地球大氣中的瞬間強(qiáng)烈放電過程,對(duì)自然環(huán)境和人們的生命財(cái)產(chǎn)安全有重大影響。廣東省地處副熱帶,太陽(yáng)輻射強(qiáng),強(qiáng)對(duì)流活動(dòng)頻繁,雷擊事件頻發(fā)。隨著雷電科學(xué)的發(fā)展,人們對(duì)雷電的認(rèn)識(shí)逐步加深,為保障人民的生命財(cái)產(chǎn)安全,采取積極的雷電防護(hù)措施是十分必要的[1]。雷電防護(hù)裝置是目前人工防御雷電災(zāi)害的主要手段。年預(yù)計(jì)雷擊頻次是對(duì)建筑物進(jìn)行雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要參數(shù)之一,其數(shù)值的大小影響著建筑物防雷類別的劃分和雷電防護(hù)措施的選擇。計(jì)算建筑物年預(yù)計(jì)雷擊頻次的方法有公式法和作圖法兩種,公式法適用于外形簡(jiǎn)單的建筑物,作圖法適用于外形復(fù)雜的建筑物[2]。考慮到計(jì)算流程比較繁瑣,以及實(shí)際情況復(fù)雜多變,文章開發(fā)了年預(yù)計(jì)雷擊頻次GUI計(jì)算程序并在AutoCAD中構(gòu)建了三維模型,旨在為防雷技術(shù)人員的雷電災(zāi)害防御工作提供技術(shù)支撐。

1 GUI計(jì)算程序設(shè)計(jì)

年預(yù)計(jì)雷擊頻次GUI計(jì)算程序的開發(fā)基于Python語(yǔ)言,程序代碼分為窗口界面代碼和業(yè)務(wù)邏輯代碼兩部分。窗口界面代碼的主要功能是實(shí)時(shí)獲取用戶輸入的參數(shù)和顯示業(yè)務(wù)邏輯代碼運(yùn)行后的結(jié)果;業(yè)務(wù)邏輯代碼的主要功能是對(duì)用戶輸入的參數(shù)進(jìn)行判別和分類,然后執(zhí)行對(duì)應(yīng)的運(yùn)算流程。

程序以GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A以及GB 50343—2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》第4.2條和附錄A中的計(jì)算流程作為業(yè)務(wù)邏輯代碼的標(biāo)準(zhǔn),窗口界面主要參數(shù)的符號(hào)、名稱、單位和解釋說(shuō)明與規(guī)范中的表述相一致。利用Qt Designer設(shè)計(jì)窗口和窗口上的控件,對(duì)窗口及窗口控件之間的聯(lián)動(dòng)進(jìn)行編程,將窗口的設(shè)計(jì)與對(duì)窗口的編程分離開來(lái),將窗口界面代碼和業(yè)務(wù)邏輯代碼分別儲(chǔ)存到不同的模塊之中,實(shí)現(xiàn)窗口和業(yè)務(wù)的獨(dú)立編程,使二者代碼的設(shè)計(jì)與優(yōu)化可同步進(jìn)行。

1.1 窗口界面模塊

程序的窗口界面分為GB 50057(N),GB 50343(N)和GB 50343(Nc&LPL)3個(gè)版塊,這3個(gè)版塊集成在一個(gè)切換卡控件QTabWidget中。切換卡控件是一種容器控件,在每頁(yè)卡片中設(shè)置標(biāo)簽控件QLabel、數(shù)字輸入控件QDoubleSpinBox和下拉列表框控件QComboBox 3種控件,將這3種控件作為主要控件,用以實(shí)現(xiàn)軟件的應(yīng)用功能;其他控件均用來(lái)實(shí)現(xiàn)窗口界面的布局和美化功能。

標(biāo)簽控件QLabel通常用于在窗口界面上顯示提示性信息,主要用于實(shí)現(xiàn)參數(shù)的符號(hào)、數(shù)值、單位與說(shuō)明信息的顯示。

數(shù)字輸入控件QDoubleSpinBox是專門用于輸入數(shù)值的控件,且輸入的數(shù)值為浮點(diǎn)數(shù),主要用于實(shí)現(xiàn)參數(shù)輸入、限制參數(shù)的取值范圍和顯示特殊文本的功能,實(shí)現(xiàn)了用戶使用鼠標(biāo)連續(xù)輸入?yún)?shù)并執(zhí)行運(yùn)算的功能,用戶亦可以直接使用鍵盤輸入?yún)?shù)。

下拉列表框控件QComboBox是提供一個(gè)下拉式選項(xiàng)列表供用戶選擇,主要用于選取預(yù)設(shè)的條件以篩選特定的參數(shù)值。

1.2 業(yè)務(wù)邏輯模塊

業(yè)務(wù)邏輯模塊對(duì)應(yīng)窗口界面的3個(gè)設(shè)計(jì)版塊,業(yè)務(wù)邏輯代碼應(yīng)有分別對(duì)應(yīng)的主要功能部分,各部分代碼的編寫要點(diǎn)如下:

1)GB 50057(N)部分執(zhí)行GB 50057-2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A中的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。需要用戶選擇或輸入的參數(shù)有校正系數(shù)k及其取值條件、年平均雷暴日Td、與建筑物截收相同雷擊頻次的等效面積Ae及其取值條件、建筑物的長(zhǎng)l、寬b、高h(yuǎn)和周邊建筑物與所考慮建筑物邊長(zhǎng)平行以米為單位的長(zhǎng)度總和L。程序窗口界面輸出的參數(shù)有建筑物年預(yù)計(jì)雷擊頻次N、建筑物所處地區(qū)雷擊大地的年平均密度Ng和建筑物每邊的擴(kuò)大寬度D。k的取值有1.0,1.5,1.7和2.0,分別對(duì)應(yīng)“一般情況”“位于土壤電阻率較小處、地下水露頭處、土山頂部、山谷風(fēng)口等處的建筑物,以及特別潮濕的建筑物”“金屬屋面沒有接地的磚木結(jié)構(gòu)建筑物”和“位于山頂上或曠野的孤立建筑物”4種不同的取值條件。k的數(shù)值與取值條件相對(duì)固定,且兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系明確,可將其組合為鍵值對(duì)用以創(chuàng)建字典。而4種取值條件可添加至下拉列表框控件QComboBox中供用戶選擇,使用for循環(huán)和if語(yǔ)句進(jìn)行遍歷與索引,從而實(shí)現(xiàn)k值的選取。Ng是通過用戶輸入Td的數(shù)值并根據(jù)公式Ng=0.1Td計(jì)算得出的,而Td可通過數(shù)字輸入控件QDoubleSpinBox進(jìn)行輸入,考慮了極端取值后Td的取值范圍可確定為[0,366],微調(diào)步長(zhǎng)宜設(shè)置為0.1。Ae的計(jì)算需要確定l,b,h和l的數(shù)值及確定建筑物周邊的情況,Ae的計(jì)算方式由h的數(shù)值和建筑物周邊的情況共同決定。D是通過用戶輸入h的數(shù)值并根據(jù)公式計(jì)算得出的。建筑物周邊的情況有“一般”“周邊在2D范圍內(nèi)有等高或較低的其他建筑物”“四周在2D范圍內(nèi)都有等高或較低的其他建筑物”“周邊在2D范圍內(nèi)有較高的其他建筑物”“四周在2D范圍內(nèi)都有較高的其他建筑物”和“建筑物各部位的高不同”6種,不同的情況對(duì)應(yīng)不同的計(jì)算流程。應(yīng)當(dāng)注意的是,“建筑物各部位的高不同”對(duì)應(yīng)的是第A.0.3條第7款中的規(guī)定,當(dāng)用戶選擇該項(xiàng)時(shí),Ae由用戶采用作圖法求得并直接輸入;當(dāng)用戶選擇其他各項(xiàng)時(shí),Ae均由程序根據(jù)公式計(jì)算得出結(jié)果。

2)GB 50343(N)部分執(zhí)行GB 50343—2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》附錄A中的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。建筑物及入戶設(shè)施年預(yù)計(jì)雷擊頻次N為建筑物年預(yù)計(jì)雷擊頻次N1與入戶設(shè)施年預(yù)計(jì)雷擊頻次N2之和。N1的運(yùn)行代碼與GB 50057(N)不同的是該部分中的Ae忽略了建筑物周邊情況的影響,即Ae計(jì)算方式的選擇由建筑物的高h(yuǎn)的數(shù)值直接決定。入戶設(shè)施的截收面積的計(jì)算方式由線路類型決定,根據(jù)規(guī)范表A.1.4將入戶設(shè)施分為電源線路和信號(hào)線路兩種,電源線路有4種類型,信號(hào)線路有3種類型。

3)GB 50343(Nc&LPL)部分執(zhí)行GB 50343—2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》第4.2條和附錄A中的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)公式,可接受的最大年平均雷擊頻次Nc由各類因子之和C決定。影響因子共有6種,其中C1,C2,C3和C6的取值與取值條件之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系相對(duì)固定,且處理方式與校正系數(shù)k的功能代碼相類似;C4的數(shù)值可通過數(shù)字輸入控件QDoubleSpinBox同時(shí)實(shí)現(xiàn)顯示和輸入兩種功能,當(dāng)C4的取值條件為“設(shè)備在LPZ0B區(qū)內(nèi)”時(shí),C4的取值不是唯一值,應(yīng)使用setRange方法限制其輸入范圍為[1.5,2.0],當(dāng)C4的取值條件為其他時(shí),C4的取值是唯一值,也應(yīng)當(dāng)使用setRange方法限制其輸入范圍為[value,value];C5的處理方式與C4相類似。REQ表示電子信息系統(tǒng)設(shè)備是否需要安裝雷電防護(hù)裝置,當(dāng)N>Nc時(shí),在窗口界面上顯示為“是”,否則顯示為“否”。完成N和Nc大小的比較是計(jì)算防雷裝置攔截效率E的先要條件,因?yàn)楫?dāng)N≤Nc時(shí),根據(jù)計(jì)算公式,E的值小于或等于0,無(wú)實(shí)際意義。

應(yīng)當(dāng)注意的是,為監(jiān)測(cè)程序運(yùn)行的狀態(tài),應(yīng)在各參數(shù)說(shuō)明的部分,添加中間變量的運(yùn)行結(jié)果。應(yīng)分析各用戶輸入?yún)?shù)在極端取值的情況下程序運(yùn)行的狀態(tài),用作判定條件的參數(shù),在邏輯代碼中應(yīng)覆蓋其整個(gè)取值區(qū)間。

2 三維建模

在AutoCAD中構(gòu)建的模型應(yīng)以mm為單位,按照實(shí)際尺寸進(jìn)行構(gòu)圖,使其具有實(shí)際的幾何意義,通過一定的測(cè)量步驟,能獲取該模型各個(gè)節(jié)點(diǎn)的幾何參數(shù)。

2.1 模型組建流程

可按照以下流程構(gòu)建三維模型:

1)根據(jù)模型特性和空間相對(duì)位置,進(jìn)行對(duì)象分類。一是外部環(huán)境類,如地形地貌、大氣條件等;二是環(huán)境承載體類,如人員或動(dòng)物、建(構(gòu))筑物及其附屬設(shè)施等。

2)根據(jù)對(duì)象之間的關(guān)聯(lián)性確定構(gòu)圖順序。如構(gòu)建建(構(gòu))筑物防雷裝置的模型,可按照由外部環(huán)境到建(構(gòu))筑物及其附屬設(shè)施、由外部防雷裝置到內(nèi)部防雷裝置、由基礎(chǔ)到中間層再到天面、由整體到局部的順序進(jìn)行。

3)根據(jù)模型組件的幾何特性選擇操作類型。如在建模過程中,對(duì)象捕捉是追蹤幾何模型關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的重要功能,當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離較小,而設(shè)置的捕捉點(diǎn)類型過多時(shí),容易發(fā)生誤操作,故建議根據(jù)實(shí)際操作需要,盡可能地設(shè)置較少的捕捉點(diǎn)類型。

2.2 模型結(jié)構(gòu)層次

三維模型的構(gòu)建應(yīng)在各個(gè)組件上體現(xiàn)出其結(jié)構(gòu)層次,在AutoCAD中,可通過對(duì)圖層特性的管理及對(duì)視圖和視覺樣式的選擇達(dá)到最佳的視覺效果。

2.2.1 圖層特性的管理

對(duì)不同模型組件設(shè)置不同的圖層特性,是為了增強(qiáng)模型組件之間的區(qū)分度。

圖層開關(guān):模型的組件應(yīng)按照各自的分類,創(chuàng)建專屬的圖層。圖層開關(guān)有兩個(gè)作用:一是通過關(guān)閉干擾對(duì)象的圖層進(jìn)行精確建模;二是進(jìn)行對(duì)比觀察。

線型方案:在草圖階段用于測(cè)量和定位的輔助線可采用點(diǎn)劃線,永久或外露部件可采用實(shí)線,臨時(shí)或隱蔽部件可采用虛線。

顏色方案:顏色方案的選擇因人而異,以達(dá)到較好的視覺效果為目標(biāo)。在RGB色彩模式下,三維模型采用的配色方案為輔助線(0,124,165),模型參數(shù)(0,0,0),建筑物(128,128,128),防雷裝置(255,159,127),接閃器的保護(hù)范圍(255,223,127)。

透明度方案:在AutoCAD中,對(duì)象透明度的取值區(qū)間為[0%,100%],表征對(duì)象從不透明到完全透明的連續(xù)變化。模型組件的透明度應(yīng)按照觀察需要進(jìn)行取值,不同組件之間的透明度差值宜不小于15%。防雷裝置、模型參數(shù)和輔助線的透明度可取0%;建筑物的透明度可取50%;接閃器保護(hù)范圍的透明度可取60%～75%。

2.2.2 視圖和視覺樣式的選擇

視圖和視覺樣式的選擇適用于確定接閃器的保護(hù)范圍是否有效,選取合適的視圖后,將視覺樣式設(shè)置為真實(shí)時(shí),能直觀地判斷出需保護(hù)對(duì)象不在接閃器保護(hù)范圍內(nèi)的部分。

視圖:視圖主要用于調(diào)整視覺方向。在AutoCAD中,有常規(guī)10個(gè)方向的視圖,即俯視、仰視、前視、后視、左視、右視、西南等軸測(cè)、西北等軸測(cè)、東南等軸測(cè)和東北等軸測(cè);除此以外,還有動(dòng)態(tài)觀察功能,可以自由調(diào)整視覺方向。

視覺樣式:當(dāng)視覺樣式設(shè)置為二維線框時(shí),點(diǎn)線面之間的關(guān)系更加清晰明確,適用于模型的編輯。當(dāng)視覺樣式設(shè)置為真實(shí)時(shí),模型將顯示為實(shí)際的外觀,不同組件的透明度相同時(shí),更靠近屏幕的組件將遮擋住位于其后方的組件,該樣式適用于接閃器保護(hù)范圍的判定。當(dāng)視覺樣式設(shè)置為X射線時(shí),模型具有透視效果,適用于隱蔽工程的模型組件。

3 應(yīng)用實(shí)例

肇慶市某區(qū)X波段雙極化相控陣天氣雷達(dá)的建設(shè)形式與移動(dòng)通信基站類似,在高度為6.73 m的附屬建筑物頂部加裝25.00 m高的雷達(dá)塔,4.40 m×4.40 m設(shè)備安裝平臺(tái)的高度為31.73 m,四周加裝1.20 m高的金屬護(hù)欄。當(dāng)?shù)啬昶骄妆┤諡?15 d。

在AutoCAD中通過作圖法求得Ae的數(shù)值為18,608,697,534 mm2,換算為以km2作單位,并精確到小數(shù)點(diǎn)后6位,與程序計(jì)算結(jié)果對(duì)應(yīng)一致。

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)際的環(huán)境狀況是復(fù)雜多變的,年預(yù)計(jì)雷擊頻次GUI計(jì)算程序及其三維模型還有很大的優(yōu)化空間。經(jīng)理論分析和實(shí)踐證明,該計(jì)算程序目前能滿足工程精確度的要求,提高了防雷技術(shù)人員的工作效率,能為防雷技術(shù)人員的日常工作提供有力支持。