CN105204092A - 蜂窝状布局的雷电预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蜂窝状布局的雷电预警系统，主要解决现有技术中预报精度的问题。本发明通过采用一种蜂窝状布局的雷电预警系统，将单点雷电预警装置按蜂窝状布局组网进行数据集成，包括至少3个单点雷电预警装置、后台服务器、客户终端，所述单点雷电预警装置带有可监测一定区域范围内大气电场值大小、方向、变化率物理参量及可监测雷电闪击发生时的光、电、磁和声音物理参量的传感器，并具有无线和有线通信功能模块的技术方案较好地解决了上述问题，可用于雷电预警中。

Description

蜂窝状布局的雷电预警系统

技术领域

本发明涉及一种蜂窝状布局的雷电预警系统。

背景技术

多年来，气象系统根据气象多普勒雷达和卫星信息，只能对大范围，大时段雷电进行预报。而在较小的局部，对于来得快、突发性强、危害大的雷电，还没有较好的预报方法。新发展起来的根据雷电电场数值分析进行的雷电预报，是解决小局部范围雷电预警的有效方法。而对于能够在小局部范围(方圆直径5千米)、时间段在1小时内进行雷电预警还没有有效方法。对短时雷暴在相对准确的地点和时间发生进行准确预报更是一个空白。而这种局部雷暴对石化企业、油库、加油站、旅游景点、高尔夫球场等诸多场所具有很大的危害，特别是易燃易爆场所更是十分危险。目前的局部雷暴预警是由大气电场强度探测仪进行单点预报-即独立雷电预警装置。以装置为中心构成的测量半径，测量雷暴云的电场强度信号，能够给出本地测量半径内是否发生雷电、雷暴预警，但不能给出雷暴将发生在测量半径内的具体位置以及雷暴云的走向，预报精度和准确性受到限制，也极易出现误报和漏报。

本发明有针对性的解决了该问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中预报精度较差的问题，提供一种新的蜂窝状布局的雷电预警系统。该系统用于雷电预警中，具有预报精度较好的优点。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：一种蜂窝状布局的雷电预警系统，将单点雷电预警装置按蜂窝状布局组网进行数据集成，包括至少3个单点雷电预警装置、后台服务器、客户终端，所述单点雷电预警装置带有可监测一定区域范围内大气电场值大小、方向、变化率物理参量及可监测雷电闪击发生时的光、电、磁和声音物理参量的传感器，并具有无线和有线通信功能模块；单点雷电预警装置通过无线或有线通信模块将实时监测到的雷电预警数据发送至后后台数据服务器或云服务器，后台数据服务器或云服务器及时存储单点雷电预警装置发送的数据，后台数据服务器的应用软件对实时接收并存储的数据进行分析和运算处理，得出单点雷电预警装置所安装区域的雷云生成和雷云运动轨迹情况；单点雷电预警装置所安装区域如有雷电闪击发生，后台数据服务器的应用软件通过雷电闪击发生时的声光及电磁监测数据分析计算出单点雷电预警装置所安装区域范围内雷电闪击发生的具体时间和位置；后台数据服务器的应用软件可根据分析计算出单点雷电预警装置所安装区域范围内雷电闪击发生的具体时间和位置进一步修正和优化后台数据服务器的应用软件中雷电预警预报算法，以提高雷电预警预报的准确性和可靠性，降低漏报率和误报率；获得授权的客户终端可实时访问后台数据服务器，查询获取单点雷电预警装置所安装区域范围内雷云形成、运动轨迹情况以及雷电闪击发生的相关数据；后台数据服务器或云服务器也可实时将雷电预警数据信息传输给相关授权客户终端；客户终端接收获取到相关的雷电预警数据信息提醒后，做出相应措施，以确保安全生产和降低应雷电造成的直接或间接灾害。

本发明是在单点雷电预警装置基础上进行二次组网开发，研究开发有线或无线传输蜂窝布局探测器的雷电预警系统，将独立探测器按照蜂窝形式进行布局，通过有线或无线传输技术，构成多点蜂窝状预警系统，对局部雷暴云预期走向、雷暴可能发生的时间进行预报，对监测区域内雷电闪击发生的时间、地点进行监测。本发明具有积极的效果：(1)将单点雷电预警装置按蜂窝状布局组网进行数据集成的雷电预警系统具有的优点：可对局部雷暴云预期走向、雷暴可能发生的时间进行准确的预报，可有效降低误报率及漏报率，通过对监测区域内雷电闪击发生的时间、地点进行监测，可进一步校对和修正预警系统后台服务器软件计算算法的算法因子，可不断完善和提高雷电预警预报的准确性。(2)将单点电预警装置按蜂窝状布局组网进行数据集成的雷电预警系统，可提供给不同的客户终端如PC电脑、智能手机或其它智能终端实时有效的雷电预警信息，做到提前预防并采取及时有效防护措施，可有效地降低雷电自然灾害以及因雷电产生的次生灾害。(3)将单点雷电预警装置按蜂窝状布局组网进行数据集成的雷电预警系统，还可与其它数据服务中心进行数据互联共享，可结合各省市气象部门或其它相关部门单位的大范围大区域内的雷电观测数据，进一步优化本系统的软件计算算法，取得了较好的技术效果。

附图说明

图1为单点雷电预警装置的电路框图；

图2为实施例1中的将单点雷电预警装置按蜂窝状布局组网进行数据集成的雷电预警系统组网框图；

图3为实施例1中的探测器布点图；

图4为实施例1中的雷云应分布进入示意图；

图5为实施例1中的雷云应分布进入示意图；

图6为实施例1中的雷云应分布进入示意图；

图7为实施例1中的雷云应分布进入示意图；

图8为实施例1中的坐标建立示意图；

图9为实施例1中的蜂窝状布局雷电预警系统示意图；

图10为实施例1中的蜂窝状布局雷电预警系统示意图。

下面通过实施例对本发明作进一步的阐述，但不仅限于本实施例。

具体实施方式

【实施例1】

图1是本实施例用于蜂窝状布局组网进行数据集成的雷电预警系统的单点雷电预警装置，包括：具有智能处理单元的单点雷电预警装置主机1、可监测大气电场大小和方向以及电场变化率的大气电场监测探头2、可监测雷电发生时产生的声波和光波的雷电声光监测传感器3、可监测雷电闪击发生时产生的电磁波的雷电电磁监测传感器4、无线通信模块5、GPS模块6和有线通信模块7。

图2是本实施例用于将单点雷电预警装置按蜂窝状布局组网进行数据集成的雷电预警系统，包括：具有海量数据存储、数据分析运算处理和数据通信功能的后台数据服务器或云服务器1、具有图1所示功能模块电路框图的单点雷电预警装置2、具有图1所示功能模块电路框图的单点雷电预警装置3、具有图1所示功能模块电路框图的单点雷电预警装置4、客户终端5。注：图2中所示的客户终端5的数量可根据后台数据服务器或云服务器容量和网络通信带宽进行扩展；蜂窝状雷电预警系统至少需要单点雷电预警装置2、单点雷电预警装置3、单点雷电预警装置4共3台进行组网，还可根据实际工程项目情况进行数量扩展，也可将多个工程项目的蜂窝布局进行二次组网扩展。

所述用于将单点雷电预警装置按蜂窝状布局组网进行数据集成的雷电预警系统的工作方法包括如下步骤：

(a)单点雷电预警装置2、单点雷电预警装置3和单点雷电预警装置4通过其自身配备的无线通信模块将实时监测到的雷电预警数据发送至后后台数据服务器或云服务器1。发送的预警数据包括单点雷电预警装置安装位置区域的大气电场值、雷电闪击发生时的声光及电磁监测数据；

(b)后台数据服务器或云服务器1及时存储单点雷电预警装置2、单点雷电预警装置3和单点雷电预警装置4发送的数据；

(c)后台数据服务器1的应用软件对实时接收并存储的数据进行分析和运算处理，得出单点雷电预警装置2、单点雷电预警装置3和单点雷电预警装置4所安装区域的雷云生成和雷云运动大致轨迹情况；

(d)单点雷电预警装置2、单点雷电预警装置3和单点雷电预警装置4所安装区域如有雷电闪击发生，后台数据服务器1的应用软件还可通过雷电闪击发生时的声光及电磁监测数据分析计算出单点雷电预警装置2、单点雷电预警装置3和单点雷电预警装置4所安装区域范围内雷电闪击发生的具体时间和位置；

(e)后台数据服务器1的应用软件可根据分析计算出单点雷电预警装置2、单点雷电预警装置3和单点雷电预警装置4所安装区域范围内雷电闪击发生的具体时间和位置进一步修正和优化后台数据服务器1的应用软件中雷电预警预报算法，以提高雷电预警预报的准确性和可靠性，降低漏报率和误报率；

(f)获得授权的客户终端5可实时访问后台数据服务器1，查询获取单点雷电预警装置2、单点雷电预警装置3和单点雷电预警装置4所安装区域范围内雷云形成、运动轨迹情况以及雷电闪击发生的相关数据。同样，后台数据服务器或云服务器1也可实时将雷电预警数据信息传输给相关授权客户终端5；

(g)客户终端5接收获取到相关的雷电预警数据信息提醒后，可作出如停止部分对雷电敏感的现场作业、撤离相关地区人员等相应措施，已确保安全生产和降低应雷电造成的直接或间接灾害。

以下根据位置图进一步描述工作原理。

假定某区域已布局如图3所示n＝a*b个探测器布点，相邻布点探测器的横向纵向距离均为R，R等于探测器探测半径。探测器矩阵中第i行第j列探测器探测电场值为Eij(其中1≤i≤a,1≤j≤b,)，初始化软件分析计算步骤如下：

1)从探测器矩阵电场值序列E11～Eab中列举出达到预警阀值判定条件的Exx数列，并获取满足判定条件的数列长度N；

2)根据Exx数列及数列长度N判别子数列Ekxx个数及每个子数列的长度Nk。子数列列举组合识别方法为矩阵相邻行列法，即子数列中的每个数列项至少有另一个数列项与之相邻，例如数列项Ekij与数列项Ek(i-1)j、Ek(i+1)j、Eki(j-1)、Eki(j+1)相邻。

3)采用冒泡法将每个子数列Ekxx进行从大到小排序；

4)采用以探测点为圆心探测范围半径R探测区域进行交集、并集运算处理估测雷云分布范围，子数列Ekxx中最大值应对应于雷云中心点。

5)系统雷电预警开始探测到雷云时针对子数列长度Nk进行以下逻辑判定并进行雷云分布预测：

a)若Nk＝1，则列举出的Ekij为唯一有探测到预警信号的探测器，当i≠1、i≠a、j≠1且j≠b均满足成立条件，可判定为探测器预警误报；

当i＝1、i＝a、j＝1、j＝b至少有一项满足成立条件时，可判定为探测器预警正常；

当Nk＝1且判定预警正常时，雷云应分布进入到图4或图5所示a区域和b区域。

b)若Nk≥2,Exx序列中至少应有一个数列项满足a)条件，否则可判定预警异常。

当Nk＝3时且判定预警正常时，雷云应分布进入到图6所示a、b、c、d、e区域。

当Nk＝4时且判定预警正常时，雷云应分布进入到图7所示a、b、c、d、e、f、s区域。

以上预警布局点雷云区域预测示意图仅列举出雷云预警识别预测的几种可能情况，还有其它多种分布示意图未全部列举。

6)系统雷电预警探测到雷云已进入布局探测区域后，重复1)～4)步骤，软件运算处理实时动态显示雷云分布函数矢量f(t)。

7)以正北方向为纵坐标正向，正东方向为横坐标正向建立坐标系，选取蜂窝预警系统布局中心位置为坐标原点。如图8所示。

结合不同时间段雷云矢量分布位置函数可根据雷云中心点位置变化计算分析出雷云移动速度简化算法可得其中T＝t₂-t₁，为T时间内雷云位置移动距离，α表示雷云移动方向，S_x(T)S_y(T)分别表示雷云东西方向和南北方向移动距离。

$\stackrel{\·}{S}\left(T\right)=\stackrel{\·}{f}\left(t_1\right)-\stackrel{\·}{f}\left(t_2\right)$

$S_x\left(T\right)=\stackrel{\·}{S}\left(T\right)\sin a$

$S_y\left(T\right)=\stackrel{\·}{S}\left(T\right)\cos a$

$V_x\left(T\right)=\stackrel{\·}{V}\left(T\right)\sin a$

$V_y\left(T\right)=\stackrel{\·}{V}\left(T\right)\cos a$

8)第7)的软件运算结果α雷云移动方向可与系统气象探测器之风向测试参数对比判断软件运算准确性与可靠性。

9)综合第7)的软件运算结果与系统气象探测器之风力测试参数，建立雷云移动速度与风力对应函数关系。

根据以上发明建立的蜂窝状雷电预警系统示意图见图9、图10。

【实施例2】

相对于实施例1，本实施例的用于将单点雷电预警装置按蜂窝状布局组网进行数据集成的雷电预警系统具有如下变形：

见图2，本实施例的用于将单点雷电预警装置按蜂窝状布局组网进行数据集成的雷电预警系统，单点雷电预警装置2、单点雷电预警装置3和单点雷电预警装置4通过其自身配备的有线通信模块将实时将监测到的雷电预警数据发送至后后台数据服务器或云服务器1。

在其他实施方式中，可以将实施例1和2的单点雷电预警装置2、单点雷电预警装置3和单点雷电预警装置4的无线通信方式与有线通信方式相结合，既采用无线通信方式，又采用有线通信方式，从而丰富该系统的应用场合。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (1)

1.一种蜂窝状布局的雷电预警系统，将单点雷电预警装置按蜂窝状布局组网进行数据集成，包括至少3个单点雷电预警装置、后台服务器、客户终端，所述单点雷电预警装置带有可监测一定区域范围内大气电场值大小、方向、变化率物理参量及可监测雷电闪击发生时的光、电、磁和声音物理参量的传感器，并具有无线和有线通信功能模块；单点雷电预警装置通过无线或有线通信模块将实时监测到的雷电预警数据发送至后后台数据服务器或云服务器，后台数据服务器或云服务器及时存储单点雷电预警装置发送的数据，后台数据服务器的应用软件对实时接收并存储的数据进行分析和运算处理，得出单点雷电预警装置所安装区域的雷云生成和雷云运动轨迹情况；单点雷电预警装置所安装区域如有雷电闪击发生，后台数据服务器的应用软件通过雷电闪击发生时的声光及电磁监测数据分析计算出单点雷电预警装置所安装区域范围内雷电闪击发生的具体时间和位置；后台数据服务器的应用软件可根据分析计算出单点雷电预警装置所安装区域范围内雷电闪击发生的具体时间和位置进一步修正和优化后台数据服务器的应用软件中雷电预警预报算法，以提高雷电预警预报的准确性和可靠性，降低漏报率和误报率；获得授权的客户终端可实时访问后台数据服务器，查询获取单点雷电预警装置所安装区域范围内雷云形成、运动轨迹情况以及雷电闪击发生的相关数据；后台数据服务器或云服务器也可实时将雷电预警数据信息传输给相关授权客户终端；客户终端接收获取到相关的雷电预警数据信息提醒后，采取相应措施，以确保安全生产和降低应雷电造成的直接或间接灾害。