CN112242867A - 一种人工增雨智能化作业平台及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人工增雨智能化作业平台，其包括机载人工增雨作业系统和地面人工增雨作业系统，所述机载人工增雨作业系统包括机载综合显控子系统、机载信息管理子系统和机载专家辅助决策子系统，地面人工增雨作业系统包括地面主站子系统、地面信息管理子系统和地面从站子系统。本发明机载专家辅助决策子系统通过模拟人脑加工信息的方式，依据关键大气物理信息，得出智能计算结果，为机上人员决策播撒时机提供依据；机载综合显控子系统凭借多种传感器实时获取多种作业信息，为后续科研分析提供丰富的数据支持。尤其是图像传感器的引入，开辟了机器视觉在人工增雨领域应用的新方向。

Description

一种人工增雨智能化作业平台及其实现方法

技术领域

本发明属于人工影响天气作业技术领域，涉及一种智能的人工增雨作业平台以及实现该人工增雨智能化作业平台的方法。

背景技术

现阶段人工增雨作业催化方式主要分为地面和空中两类，地面催化效率低、准确性差、精度有限，空中催化主要是利用有人机和无人机搭载催化剂实现云中催化播撒。无人机作为新兴的催化剂运载工具能最大限度的保护作业人员安全，但可靠性低、作业能力有限。相对而言，有人机是云中催化播撒的最佳方式。如何科学地判断作业时机、评估作业效果是有人机增雨作业的关键技术。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是：提供一种人工增雨智能化作业平台及其实现方法，实现作业流程自动化、作业时机判别智能化，为机上作业人员实施播撒、科研人员评估作业效果提供有利依据。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种人工增雨智能化作业平台，其包括机载人工增雨作业系统和地面人工增雨作业系统。其中，所述机载人工增雨作业系统包括机载综合显控子系统、机载信息管理子系统和机载专家辅助决策子系统，地面人工增雨作业系统包括地面主站子系统、地面信息管理子系统和地面从站子系统。

所述机载综合显控子系统用于采集、解析和显示传感器信息，是机载信息管理子系统和机载辅助决策子系统的数据来源，是北斗空地通信的机载端。采集的信息包括高清视频信息、标清视频信息、大气物理信息、北斗定位信息、北斗通信信息和播撒作业信息。

所述机载信息管理子系统对机载综合显控子系统采集的多种数据按飞行架次进行统一管理，是机载人工增雨作业系统的数据库。在飞行过程中，根据数据库的实时信息，自动生成作业云宏观图。飞行结束后，根据数据库的已存储信息，同步回放同一飞行架次的所有信息，为科研人员提供数据分析依据。

所述机载专家辅助决策子系统对机载综合显控子系统提供的实时的大气物理数据进行综合处理、显示和分析，为机上作业人员判断作业时机提供参考依据，是人工增雨智能化作业平台的核心部分。

所述地面主站子系统是北斗空地通信的地面端，是连接机载作业系统和地面作业系统的桥梁。利用北斗短报文与机上通信，实现机上和地面信息同步。

所述地面信息管理子系统是地面人工增雨作业系统的数据库，用于管理地面主站和若干从站，实现主从站切换、授权、信息共享和数据管理等功能。

所述地面从站子系统通过访问地面信息管理子系统数据库的实时数据实现从站与主站信息同步，从而实现机上、地面指挥中心及各地方人影中心多地信息同步。此外，从站可经由主站与机上实现间接通信。

本发明还提供一种人工增雨智能化作业平台的实现方法，其包括如下步骤：

S1：准备阶段，确认硬件设备工作正常，确定本次作业的地面主站和从站，确认软件运行正常；

S2：飞机起飞后，启动机载人工增雨作业系统。主、从站地面工作人员分别以主站身份、从站身份登录地面人工增雨作业系统。

S3：飞行过程中，机上、地面通过北斗短报文保持通信。机上作业人员结合地面指挥中心的指令和机载辅助决策子系统的指数决定如何开展催化作业。

S4：飞机降落后，机上、地面分别进行数据备份，机上硬件设备断电，地面主、从站退出地面人工增雨作业系统。

S5：回放数据，分析评估作业效果。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的人工增雨智能化作业平台及其实现方法，具有以下有益效果：

1、与传统的依据经验或者某几个气象数据决策播撒时机相比，机载专家辅助决策子系统通过模拟人脑加工信息的方式，依据关键大气物理信息，得出智能计算结果，为机上人员决策播撒时机提供依据。

2、与单一传感器相比，机载综合显控子系统凭借多种传感器实时获取多种作业信息，为后续科研分析提供丰富的数据支持。尤其是图像传感器的引入，开辟了机器视觉在人工增雨领域应用的新方向。

3、与传统的手工记录方式相比，机载信息管理子系统自动记录关键信息、生成作业云宏观图等产品，一名作业人员就能同时完成观测、记录和播撒等多种任务，极大地节省了人力资源。

4、与原有的每个地面站配备一台北斗指挥机相比，地面人工增雨作业系统仅利用一台北斗指挥机和局域网就实现了多地信息同步、数据共享，极大地节省了硬件资源。

附图说明

图1是人工增雨智能化作业平台层次结构图。

图2是人工增雨智能化作业平台各子系统之间的关系图。

图3是机载人工增雨作业系统各模块之间的关系图。

图4是地面人工增雨作业系统各模块之间的关系图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

如图1所示，本发明人工增雨智能化作业平台包括机载人工增雨作业系统和地面人工增雨作业系统，所述机载人工增雨作业系统包括机载综合显控子系统、机载信息管理子系统和机载专家辅助决策子系统，地面人工增雨作业系统包括地面主站子系统、地面信息管理子系统和地面从站子系统。

如图2所示，飞行过程中，机载综合显控子系统将实时大气物理信息按每秒一次的频率推送至机载专家辅助决策子系统，机载专家辅助决策子系统根据已设置的单项要素和计算准则进行智能计算，并将计算结果反馈至机载综合显控子系统，提示机上作业人员是否开始播撒作业。同步地，机载综合显控子系统将实时气象信息、飞机位置信息和作业信息按每秒一次的频率推送至机载信息管理子系统，机载信息管理子系统按飞行架次分类存储各类信息，根据最新的数据库信息更新作业云宏观图。与此同时，机载综合显控子系统利用北斗短报文与地面主站子系统进行通信，周期短文的通信频率为每分钟一次，期间可穿插常规短文通信。

地面主站子系统将解析周期短文获取的气象信息、飞机位置信息和作业信息推送至地面信息管理子系统，地面信息管理子系统按飞行架次分类存储各类信息。与此同时，地面主站、从站子系统每分钟访问一次地面信息管理子系统，获取气象信息、飞机位置信息和作业信息。当从站需要和机上进行通信时，地面从站子系统会发起申请，经地面信息管理子系统授权后，通过地面主站的北斗短文实现与机上的间接通信。

如图3所示，机载综合显控子系统涉及的硬件包括高清相机、标清相机、大气组合探头、北斗端机、播撒控制盒和机载工控机。其中，高清相机用于采集飞行过程视频，标清相机用于采集播撒作业视频，大气组合探头用于采集大气物理信息，北斗端机含RNSS(卫星无线电导航业务)和RDSS(卫星无线电测定业务)两个硬件模块，分别用于实现定位和空地通信，播撒控制盒控制播撒作业，机载工控机提供软件运行环境。涉及的软件模块包括电源控制、视频管理、气象数据、北斗定位、北斗通信、地理信息和播撒显控。其中，电源控制模块为硬件上下电，视频管理模块用于显示、存储和管理飞行过程中的高清和标清视频。气象数据模块用于解析、显示大气组合探头获取的气象数据。北斗定位模块用于获取飞机当前位置信息，北斗通信模块利用北斗短报文实现空地通信，短报文分为常规短报文和周期短报文两类，常规短报文用于与地面进行日常消息通信，周期短报文用于定时下传部分气象信息、位置信息和作业信息。地理信息模块利用飞机位置信息绘制飞行轨迹，轨迹上叠加显示与航迹点对应的气象数据。播撒显控模块用于控制播撒时机、数量和显示焰条燃烧情况。

机载信息管理子系统涉及的硬件设备为机载工控机，为软件提供运行环境。涉及的软件模块包括机载数据库、作业云宏观图和回放。其中，机载数据库模块实时存储机载综合显控子系统周期推送过来的气象信息、位置信息和作业信息，并按飞行架次进行管理。作业云宏观图模块周期访问机载数据库信息，实时显示、记录人工增雨作业过程中关键点(入云、出云、作业开始、作业结束、催化剂类型、颠簸和闪电等)的相关信息(温度、湿度、经度、纬度、风速等)。回放模块可按飞行架次同步回放机载数据库中存储的所有信息，主要用于科研分析与作业效果评估。

机载专家辅助决策子系统涉及的硬件设备为机载工控机，为软件提供运行环境。涉及的软件模块包括配置编辑、智能计算和数据显示。配置编辑模块用于配置需要特殊显示的大气物理量、设置参与智能计算的单项要素和编辑智能计算公式。智能计算模块利用已设置的单项要素和计算准则得出播撒指数，为机上作业人员提供作业时机判别依据。数据显示模块用于显示大气物理量随时间的变化曲线，可按需选择显示方式，如：双坐标显示、指数显示和分屏显示等。

如图4所示，地面主站子系统涉及的硬件为北斗指挥机和地面主工作站。其中，北斗指挥机与机载RDSS进行通信，地面主工作站为软件提供运行环境。涉及的软件模块包括身份鉴别、北斗通信、地理信息、气象数据和作业云宏观图。其中，身份鉴别模块用于确定主站身份。北斗通信模块用于实现常规短报文通信和周期短报文解析，常规短报文用于与机上进行日常消息通信，周期短报文用于处理机上周期下传的信息，解析后的气象信息、位置信息和作业信息直接推送至地面信息管理子系统的数据库模块。地理信息模块、气象数据模块和作业云宏观模块每分钟访问一次地面数据库。地理信息模块利用获取的飞机位置在底图上绘制飞行航迹，底图由地图与雷达云图叠加而成。气象数据模块利用获取的气象信息更新显示数据。作业云宏观图模块利用获取的位置、气象和作业信息更新作业云宏观图。

地面信息管理子系统涉及的硬件设备是地面站服务器，为软件提供运行环境。涉及的软件模块包括登录、授权、数据库和回放。登录模块用于管理员对数据库进行日常维护，授权模块可根据用户名和密码授予地面站的主从身份，还可以批准从站经由主站与机上间接通信的权限。数据库模块按飞行架次存储机上下传的关键信息。回放模块可用于回放机载、地面数据库中存储的所有信息。

地面从站子系统涉及硬件设备是地面从工作站，为软件提供运行环境。涉及的软件模块包括身份鉴别、地理信息、气象数据、作业云宏观图和主从通信。其中，身份鉴别模块用于确定从站身份。主从通信模块用于实现从站通过主站与机上的间接通信，当从站需要与机上通信时，该模块向地面信息管理子系统的授权模块发起申请，申请通过后，消息会发往主站，主站利用北斗短报文将消息上传至机上。同理，当机上需要与从站通信时，机上会利用北斗短报文将消息发送至地面主站，经过授权后，消息再发往从站。其它模块功能与地面主站子系统一致，不再赘述。

本发明人工增雨智能化作业平台的实现方法包括以下步骤：

1.准备阶段

地面主站工作人员进行身份确认，运行地面主站子系统。地面从站工作人员进行身份确认，运行地面从站子系统。确保地面服务器处于工作状态。

机上作业人员开启机载工控机，进入机载人工增雨作业系统。如需修改智能计算方法，那么，需要重新设置参与智能计算的单项要素并编辑智能计算公式。

依次为高清相机、标清相机、大气组合探头、北斗端机和播撒控制盒加电，确保高清视频、标清视频清晰流畅，确保大气组合探头数据无异常，确保播撒控制盒状态正常，确保北斗定位信息准确，确保空地通信畅通。

确认硬件设备工作正常后，为各硬件设备断电，退出机载人工增雨作业系统，关闭机载工控机，等待起飞。

2.观测阶段

飞机起飞并进入稳定阶段后，启动机载人工增雨作业系统。机上作业人员通过机载人工增雨作业系统同时观测视频、气象数据、飞行轨迹并记录作业云宏观图，特别需要关注的是通过智能计算得出的播撒指数。

与此同时，地面主、从站工作人员重点关注地理信息界面，地理信息界面的底图由地图和雷达云图叠加组成，当飞机位置处于适于作业的区域时，各站点工作人员可通过北斗常规短文将信息上传至机上，供机上作业人员参考。

3.作业阶段

机上作业人员结合机载专家辅助决策子系统提供的播撒指数和地面上传的播撒指令，决定是否进行播撒作业。

决定作业后，机上作业人员手动点击播撒显控界面控制播撒数量。

4.备份阶段

飞机降落后，如果不需要立即回放数据，可以退出机载人工增雨作业系统。

拷贝机载飞行数据，供后期评估分析作业效果使用。

关闭机载工控机。

5.评估分析阶段

利用地面人工增雨作业系统回放机载原始数据，结合其它气象产品综合评估本次作业效果。

根据本次分析结果，调整需要参与智能计算的单项要素和计算公式，为下次作业做准备。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种人工增雨智能化作业平台，其特征在于，包括机载人工增雨作业系统和地面人工增雨作业系统，所述机载人工增雨作业系统包括机载综合显控子系统、机载信息管理子系统和机载专家辅助决策子系统，地面人工增雨作业系统包括地面主站子系统、地面信息管理子系统和地面从站子系统；

飞行过程中，机载综合显控子系统将实时大气物理信息按每秒一次的频率推送至机载专家辅助决策子系统，机载专家辅助决策子系统根据已设置的单项要素和计算准则进行智能计算，并将计算结果反馈至机载综合显控子系统，提示机上作业人员是否开始播撒作业；同步地，机载综合显控子系统将实时气象信息、飞机位置信息和作业信息按每秒一次的频率推送至机载信息管理子系统，机载信息管理子系统按飞行架次分类存储各类信息，根据最新的数据库信息更新作业云宏观图；与此同时，机载综合显控子系统利用北斗短报文与地面主站子系统进行通信，周期短文的通信频率为每分钟一次，期间可穿插常规短文通信；

地面主站子系统将解析周期短文获取的气象信息、飞机位置信息和作业信息推送至地面信息管理子系统，地面信息管理子系统按飞行架次分类存储各类信息；与此同时，地面主站、从站子系统每分钟访问一次地面信息管理子系统，获取气象信息、飞机位置信息和作业信息；当从站需要和机上进行通信时，地面从站子系统会发起申请，经地面信息管理子系统授权后，通过地面主站的北斗短文实现与机上的间接通信。

2.如权利要求1所述的人工增雨智能化作业平台，其特征在于，所述机载综合显控子系统包括高清相机、标清相机、大气组合探头、北斗端机、播撒控制盒和机载工控机；其中，高清相机用于采集飞行过程视频，标清相机用于采集播撒作业视频，大气组合探头用于采集大气物理信息，北斗端机含RNSS模块和RDSS模块，分别用于实现定位和空地通信，播撒控制盒控制播撒作业，机载工控机提供软件运行环境。

3.如权利要求2所述的人工增雨智能化作业平台，其特征在于，所述机载综合显控子系统还包括：电源控制模块、视频管理模块、气象数据模块、北斗定位模块、北斗通信模块、地理信息模块和播撒显控模块；其中，电源控制模块为硬件上下电，视频管理模块用于显示、存储和管理飞行过程中的高清和标清视频，气象数据模块用于解析、显示大气组合探头获取的气象数据，北斗定位模块用于获取飞机当前位置信息，北斗通信模块利用北斗短报文实现空地通信，短报文分为常规短报文和周期短报文两类，常规短报文用于与地面进行日常消息通信，周期短报文用于定时下传部分气象信息、位置信息和作业信息，地理信息模块利用飞机位置信息绘制飞行轨迹，轨迹上叠加显示与航迹点对应的气象数据，播撒显控模块用于控制播撒时机、数量和显示焰条燃烧情况。

4.如权利要求3所述的人工增雨智能化作业平台，其特征在于，所述机载信息管理子系统包括机载工控机、机载数据库、作业云宏观图模块和回放模块；其中，机载数据库模块实时存储机载综合显控子系统周期推送过来的气象信息、位置信息和作业信息，并按飞行架次进行管理；作业云宏观图模块周期访问机载数据库信息，实时显示、记录人工增雨作业过程中入云、出云、作业开始、作业结束、催化剂类型、颠簸和闪电的温度、湿度、经度、纬度、风速信息；回放模块按飞行架次同步回放机载数据库中存储的所有信息，用于科研分析与作业效果评估。

5.如权利要求4所述的人工增雨智能化作业平台，其特征在于，所述机载专家辅助决策子系统包括配置编辑模块、智能计算模块和数据显示模块；配置编辑模块用于配置需要特殊显示的大气物理量、设置参与智能计算的单项要素和编辑智能计算公式；智能计算模块利用已设置的单项要素和计算准则得出播撒指数，为机上作业人员提供作业时机判别依据；数据显示模块用于显示大气物理量随时间的变化曲线。

6.如权利要求5所述的人工增雨智能化作业平台，其特征在于，所述地面主站子系统包括北斗指挥机、地面主工作站和身份鉴别模块、北斗通信模块、地理信息模块、气象数据模块和作业云宏观图模块；其中，北斗指挥机与机载RDSS模块进行通信，地面主工作站为各模块提供运行环境；身份鉴别模块用于确定主站身份，北斗通信模块用于实现常规短报文通信和周期短报文解析，常规短报文用于与机上进行日常消息通信，周期短报文用于处理机上周期下传的信息，解析后的气象信息、位置信息和作业信息直接推送至地面信息管理子系统的数据库模块；地理信息模块、气象数据模块和作业云宏观模块每分钟访问一次地面数据库，地理信息模块利用获取的飞机位置在底图上绘制飞行航迹，底图由地图与雷达云图叠加而成；气象数据模块利用获取的气象信息更新显示数据，作业云宏观图模块利用获取的位置、气象和作业信息更新作业云宏观图。

7.如权利要求6所述的人工增雨智能化作业平台，其特征在于，所述地面信息管理子系统包括登录模块、授权模块、数据库、回放模块以及提供运行环境的地面站服务器；登录模块用于管理员对数据库进行日常维护；授权模块根据用户名和密码授予地面站的主从身份，批准从站经由主站与机上间接通信的权限；数据库模块按飞行架次存储机上下传的关键信息；回放模块用于回放机载、地面数据库中存储的所有信息。

8.如权利要求7所述的人工增雨智能化作业平台，其特征在于，所述地面从站子系统包括身份鉴别模块、地理信息模块、气象数据模块、作业云宏观图模块、主从通信模块以及提供运行环境的地面从工作站；身份鉴别模块用于确定从站身份，主从通信模块用于实现从站通过主站与机上的间接通信，当从站需要与机上通信时，该模块向地面信息管理子系统的授权模块发起申请，申请通过后，消息发往主站，主站利用北斗短报文将消息上传至机上，当机上需要与从站通信时，机上利用北斗短报文将消息发送至地面主站，经过授权后，消息再发往从站。

9.一种人工增雨智能化作业平台的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：准备阶段，确认硬件设备工作正常，确定本次作业的地面主站和从站，确认软件运行正常；

S2：飞机起飞后，启动机载人工增雨作业系统；主、从站地面工作人员分别以主站身份、从站身份登录地面人工增雨作业系统；

S3：飞行过程中，机上、地面通过北斗短报文保持通信；机上作业人员结合地面指挥中心的指令和机载辅助决策子系统的指数决定如何开展催化作业；

S4：飞机降落后，机上、地面分别进行数据备份，机上硬件设备断电，地面主、从站退出地面人工增雨作业系统；

S5：回放数据，分析评估作业效果。

10.如权利要求9所述的人工增雨智能化作业平台的实现方法，其特征在于，所述步骤S1中，对地面主站工作人员进行身份确认，运行地面主站子系统，对地面从站工作人员进行身份确认，运行地面从站子系统，确保地面服务器处于工作状态；

所述步骤S2中，机上作业人员通过机载人工增雨作业系统同时观测视频、气象数据、飞行轨迹并记录作业云宏观图；与此同时，地面主、从站工作人员关注地理信息界面，地理信息界面的底图由地图和雷达云图叠加组成，当飞机位置处于适于作业的区域时，各站点工作人员通过北斗常规短文将信息上传至机上，供机上作业人员参考；

所述步骤S3中，决定作业后，机上作业人员手动点击播撒显控界面控制播撒数量。

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