CN112596461B - 分布式带电粒子催化人工降雨雪远程控制系统及操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式带电粒子催化人工降雨雪远程控制系统及操作方法，所述控制系统包括远程终端和多个分布式子系统，远程终端与每个分布式子系统之间均网络设备通讯连接；分布式子系统包括子系统中心主机、供配电系统、高压电源设备、数据采集设备和辅助设备；供配电系统为所述分布式子系统提供电源；子系统中心主机用于连接其他设备以及运行控制软件，高压电源设备用于电离空气，产生带电粒子；数据采集设备用于对环境数据进行采集；辅助设备用于保障系统内其他设备的正常运行；运行控制软件基于CFET控制框架实现。本发明的控制系统集成了对实验中的各个设备的控制和现场环境的监控以及实验数据的采集功能，可以极大的提高外场实验进行的效率。

Description

分布式带电粒子催化人工降雨雪远程控制系统及操作方法

技术领域

本发明涉及人工影响天气技术领域，尤其涉及分布式带电粒子催化人工降雨雪远程控制系统及操作方法。

背景技术

水资源是一个国家生产生活的最重要的资源之一，我国有着丰富的大气水资源，但多年气象统计数据表明，只有16％～18％的水汽能形成自然降水降落地面，大气水资源利用率严重不足，所以通过人工降水的手段来利用大气水资源是非常必要的。

目前国内外已经发展出系统的人工影响天气科学技术，传统人工影响天气的原理主要分为两种：一种是在云中引入催化剂(干冰、碘化银)，使其在目标区域中产生大量冰晶，在一定程度上增加冷云降水的效率，该过程被称为静力催化；另一种原理为改变局部云体的动力状态。在云中引入催化剂(干冰、碘化银)，形成冰晶或水滴，进行这些微物理过程时，会释放出潜热，从而可影响云的上升气流，使云内上升气流加强，云的发展速度加快，水分积累加大，这样可使原来不产生降水的积云产生降水，使本来可能有降水的积云增加降水量，该过程被称为动力催化。

但是传统人工影响天气的方式有其不可避免的缺陷：传统的人工增雨作业条件苛刻，传统的方法称为人工“增雨”，而非人工降雨，因为传统的方法是在自然条件已经开始降雨的条件下作业才有效果，传统的人工增雨方法必须有合适作业条件的云系，且温度窗口较窄，如冷云增雨时只有当云层温度处于-25～-10℃时，增雨作业才有效果。

由于传统的通过向云中播撒碘化银等催化剂催化降雨的技术存在的限制和不足，因此各国都在积极开展新型人工降雨技术的研究，带电粒子催化人工降雨技术就是新型人工降雨技术的一种。该技术使用电效应产生带电粒子，将带电粒子播撒到空气中，使空气中部分气溶胶带电。这些带电气溶胶粒子的静电场对其他中性水分子簇存在极化效应，产生带电气溶胶粒子对被极化的水分子簇团的有非接触的电场凝聚力，促使其凝结速率增加，促进降雨的形成。目前这种技术已经在云室中实现了较好的可控催化降雨雪的效果。为了验证这种技术在实际自然环境中催化降雨雪的效果，仍需要开展一系列的外场实验，实验的主要内容是控制高压电源为架设在降雨实验基站的电极提供电压，进而产生带电粒子进入空气中促进降雨，实验基站中包含多套电源系统，数据采集设备及其他辅助设备，而由于外场实验存在多个实验点，实验人员操作场景也会发生变化，因此，需针对带电粒子催化人工降雨雪外场实验特点及基站受控设备的具体内容设计一个综合控制系统，来提高外场实验进行的效率。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种分布式带电粒子催化人工降雨雪远程控制系统及操作方法，该系统集成了对实验中的各个设备的控制和现场环境的监控以及实验数据的采集功能，可以极大的提高外场实验进行的效率。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

分布式带电粒子催化人工降雨雪远程控制系统，其特征在于：包括远程终端和多个分布式子系统，所述远程终端与每个所述分布式子系统之间均通过网络设备通讯连接；

所述分布式子系统包括子系统中心主机、PLC控制器、供配电系统、高压电源设备、数据采集设备和辅助设备；

所述子系统中心主机上设有PLC控制器，所述供配电系统为所述分布式子系统中的各类设备供电，所述子系统中心主机通过所述PLC控制器控制所述供配电系统中的各种开关，实现实验中各种设备供电的复杂需求；所述子系统中心主机上还部署有运行控制软件；

所述高压电源设备用于提供最高100kV的直流电压用来电离空气，产生带电粒子；

所述数据采集设备用于对环境数据进行采集，所述数据采集设备使用 Zigbee模块与所述子系统中心主机通讯连接；

所述辅助设备用于保障系统内其他设备的正常运行；

所述高压电源设备、数据采集设备、辅助设备均与所述系统中心主机通讯连接。

进一步的，所述网络设备包括4G网络设备或宽带设备。

进一步的，所述高压电源设备包括两种：其中一种为在面板上提供 RJ45接口的远程端口，通过局域网远程操作时需要在电源和控制主机上配置相关网络参数的高压电源设备；另一种为提供通过串口连接的远程端口，直接连接至子系统中心主机的高压电源设备。

进一步的，所述数据采集设备包括雨量计和温湿度传感器。

进一步的，所述Zigbee模块采用星形拓扑形式，子系统中心主机作为协调节点，雨量计和温湿度传感器作为终端节点。

进一步的，所述辅助设备包括网络摄像头、空调和降湿机。

进一步的，所述运行控制软件基于CFET控制框架实现，在所述子系统中心主机上部署一个CFET Host，将所述供配电系统、高压电源设备、数据采集设备和辅助设备分别实现为一个CFET Thing，然后添加到CFET Hub中。

进一步的，所述CFET Host硬件部分采用ATmega2560。

进一步的，分布式带电粒子催化人工降雨雪远程控制系统的操作方法，其特征在于，包括以下步骤，

S1：将远程终端连接到每个子系统中心主机，获取控制系统操作界面；

S2：开启数据采集设备的软件系统，操作高压电源设备的控制软件配置高压电源设备的放电参数以及实验时的控制环境，初始化工作；

S3：在系统中手动的开关高压电源设备或者设置PLC控制器来进行定时的开关高压电源设备进行实验；

S4：实验过程中保持对实验环境进行监测和故障监测与修复；

S5：实验完毕，关闭高压电源系统，下载数据采集设备记录的实验数据进行实验结果分析。

本发明的有益效果是：

1、本发明中的分布式带电粒子催化人工降雨雪远程控制系统能够控制带电粒子降雨雪外场实验中所使用的多台高压电源，实时获取实验应用示范区内气象设备的采集数据，同时调节实验场地中的辅助设备，保证远程实验时对实验场地的实地观测，可以极大的提高外场实验进行的效率；

2、本发明中的分布式带电粒子催化人工降雨雪远程控制系统针对人工催化带电粒子降雨雪的外场实验特点和实验中所需要控制的设备以及功能进行设计，具有分布式的结构，每个实验点都可以作为一个独立的系统，实验人员在只需要一个客户端就能控制每个实验点的设备，同时实验人员不受地点的限制，可以在能接入互联网的任何地点远程控制实验设备；

3、本发明中的分布式带电粒子催化人工降雨雪远程控制系统具有兼容的设备接入接口，针对不同的物理量的测量装置使用不同的接口以及不同的数据传输协议，对各个测量装置进行了抽象，设计了统一的读取测量装置数据的API和统一的测量装置配置方法。新增设备只需要修改配置文件，即可进行添加和统一管理；

4、本发明中的分布式带电粒子催化人工降雨雪远程控制系统采用4G 网络和宽带网络双网络设计，保证在一条线路故障时不会影响远程控制，同时4G网络也保证了在无宽带覆盖地区远程连接的可用性。

附图说明

图1为本发明带电粒子催化人工降雨雪远程监控系统硬件结构连接关系示意图；

图2为本发明分布式子系统控制系统各设备连接关系示意图；

图3为本发明CFET Thing的属性图；

图4为本发明CFET结构示意图；

图5为本发明高压电源设备Thing设计流程图；

图6为本发明数据采集设备结构示意图；

图7为本发明带电粒子催化人工降雨雪远程监控系统界面示意图。

具体实施方式

为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。

如附图1所示，分布式带电粒子催化人工降雨雪远程控制系统，包括远程终端和多个分布式子系统，所述远程终端与每个所述分布式子系统之间均网络设备通讯连接；所述分布式子系统包括子系统中心主机、供配电系统、PLC控制器、高压电源设备、数据采集设备和辅助设备；

本发明中的远程综合控制系统可以直接在分布式子系统的子系统中心主机上进行操作，也能使用远程终端主机通过以太网连接控制子系统中心主机进行远程操作，远程连接软件支持多种操作系统，如Windows、 Android等系统，这让实验开展不受环境的限制。因为外场实验部分选址是在没有有线宽带覆盖的山区，所以在设计系统时，网络设备采用了4G 和宽带双线接入的路由器，在有宽带地区这一设计可以使得网络连接稳定性得到保障，而即使在没有宽带覆盖地区，也可以通过使用4G网络来进行通讯。在控制系统内，为了实现完全的无人值守，还增加了远程开机的硬件设备。该远程开机设备和控制系统主机接入同一个局域网，在接收到远程终端发来的开机指令之后向目标主机发送特殊格式的网络数据包，目标主机接收到数据包之后会自动开机。同时控制系统主机上的远程控制服务软件随主机开机自启动。这样在设备关机或者意外掉电之后也可以通过远程启动，对交通不便的外场实验点来说具有重要意义。

进一步的，如附图2所示，所述子系统中心主机用于连接高压电源设备、数据采集设备和辅助设备，所述子系统中心主机上部署有运行控制软件，因为各种设备的硬件接口不同，所以设备连接到控制系统主机的方式也不尽相同。

所述子系统中心主机上设有PLC控制器，所述供配电系统为所述分布式子系统中的各类设备供电；所述子系统中心主机通过所述PLC控制器控制所述供配电系统中的各种开关，实现实验中各种设备供电的复杂需求，其中PLC控制器最为主要的功能是对高压电源设备的供电进行控制；

所述高压电源设备是实验中最重要的设备之一，用于提供最高100kV 的直流电压用来电离空气，产生带电粒子；所述高压电源设备提供远程操作模式，允许通过计算机远程连接至高压电源设备，使用客户端软件设定电源参数。在实验中，主要有两种规格的高压电源，一种在面板上提供 RJ45接口的远程端口，这种电源通过局域网远程操作，在连接时需要在电源和控制主机上配置相关的网络参数，另一种电源提供通过串口连接的远程端口，可以连接至主机，这种电源不需要配置连接参数即可使用。两种连接方式在附图2中都可以看出，基于网络连接的高压电源，通过交换机和控制系统主机接入同一个局域网，另一种直接通过串口线连接到主机。高压电源的供电由PLC控制器控制，使用PLC控制配电柜中的各种开关可以实现实验中各种设备供电的复杂需求。

所述数据采集设备包括雨量计和温湿度传感器，用于对环境数据进行采集；由于雨量计和温湿度传感器需要布置在实验场地的不同地方，为了更灵活的部署，使用了Zigbee模块实现这些数据采集设备的无线组网通讯。ZigBee是一种无线传感网络技术，其协议是由ZigBee联盟制定的一种基于IEEE802.15.4技术的无线传输标准，ZigBee技术具有低功耗、低成本、网络自组织等特点，现在广泛应用在工业领域数据自动采集等方面 [10,11]。ZigBee有多种组网方式，针对本系统中多个数据采集设备单个控制节点的情况，设计时采用了星形拓扑形式，控制系统主机作为协调节点，数据采集设备作为一系列的终端节点，这种拓扑结构简单高效。

所述辅助设备包括网络摄像头、空调和降湿机；所述网络摄像头用于对试验场地的实时情况进行拍照，针对试验场地可能存在的高湿度和极端气温等情况，在系统中引入了空调、除湿机等辅助设备来保障系统内其他设备的正常运行。所述辅助设备由所述子系统中心主机通过以太网或外接红外控制器控制。

进一步的，本发明中分布式带电粒子催化人工降雨雪远程控制系统的运行控制软件基于CFET(Control system Framework for Experimental Devices Toolkit)控制框架实现。

在CFET中最基本的概念是Thing，是对各种可控制设备的抽象。Thing 具有一些属性，如附图3所示，Status提供这个被控设备的状态，是一个可读的属性；Config是这个Thing的配置属性，可以被修改，而Method 提供了对一个Thing的操作方法，通过这些属性就能访问到一个Thing。

在该框架中，每个被控设备都是一个具体的Thing，由CFET Host管理。附图4所示为CFET的结构，CFET Hub中的Thing都有一个URI(统一资源标志符，Uniform ResourceIdentifier)，是表示一个Thing的唯一地址。当一个Thing被添加到Hub中之后，可以通过这个Thing的URI对该资源进行操作，也就是对前述一个Thing各个属性执行Get、Set或者Invoke 操作。

针对本发明中的分布式带电粒子催化人工降雨雪远程综合控制系统来说，就是在控制系统主机上部署一个CFET Host，而对于所要控制的设备来说，将设备添加到控制系统中实际就是将这个设备实现为一个CFET Thing，然后添加到CFET Hub中，在这之后这个设备就可以通过通讯模块中提供的Server服务使用web控制，其他拥有该设备URI的Thing也可以操作这个设备，这使得设备之间想要相互操作也很容易实现。

具体的，由于本发明中的远程控制系统中存在多种类型的高压电源，但是不同类型电源的软件接口是不同的，因此，在实验中，当需要多种类型的电源一起工作时，必须在控制系统中抽象出统一的接口以集成对高压电源的控制，这样，可以同时实现多种电源的组合控制。

高压电源的Thing设计如附图5所示，首先从配置文件中读取各个电源的配置，如电源远程连接的串口地址或者IP地址等。然后连接到高压电源，之后就可以通过CFET Host调用这个Thing的Method如设置电源参数，控制电源开关等操作多台电源。

在电源控制中，设计了多种电源操作模式，如定时开关电源的输出，设置不同波形的输出，按一定速率逐渐提升电压等，另外也可以配置多台电源组合使用时的开关先后顺序。在这期间，实时更新电源的电压电流等信息到Status，这样可以通过web实时显示电源的状态，也可以用于保存电源在实验过程中的参数。

进一步的，因为雨量计、温湿度传感器设备的数据传输方式较为低级且格式不同，直接在控制系统里实现和各种传感器的通讯违背了低耦合的原则，同时直接接入控制系统会让扩展和维护变得更复杂。因此这里采用了一个Host来管理这些传感器，然后Host通过内部的通讯模块和控制系统通讯。在控制系统主机端，与采集设备通讯的模块被实现为一个Thing，通过该Thing与数据采集设备进行交互。

数据采集设备结构和连接如附图6所示，各个传感器直接连接在Host 上，Host上实现了各种传感器的驱动并对上层控制系统隐藏这些传感器的区别，控制系统只要通过通道地址就能访问到不同传感器的数据。

Host硬件部分基于ATmega2560实现，Host在启动的时候读取相应配置文件，获得各个传感器的配置信息，然后初始化这些传感器。待初始化完成之后开始数据采集工作。在收到控制系统的指令后，执行相应指令并将执行结果封装后返回给控制系统。

结合上述远程综合控制系统的硬件连接和软件实现方式，最终得出的远程综合控制系统的界面如附图7所示。通过该远程综合控制系统，可对实验站点内各实验设备的进行实时监控，保障实验的安全进行，从而实现降雨基站的远程无人值守。同时，系统可完成对实验应用示范区内各气象监测节点的实时在线观测和历史数据查询。此外，系统还引入了实验频道来记录人为观测和人为增雨的情况。

进一步的，分布式带电粒子催化人工降雨雪远程控制系统的操作方法，包括以下步骤，

S1：将远程终端连接到每个子系统中心主机，获取控制系统操作界面；

S2：开启数据采集设备的软件系统，操作高压电源设备的控制软件配置高压电源设备的放电参数以及实验时的控制环境，初始化工作；

S3：在系统中手动的开关高压电源设备或者设置PLC控制器来进行定时的开关高压电源设备进行实验；

S4：实验过程中保持对实验环境进行监测和故障监测与修复；

S5：实验完毕，关闭高压电源系统，下载数据采集设备记录的实验数据进行实验结果分析。

实施例：

本发明中的控制系统已经在甘肃乌鞘岭实验基站和宁夏回族自治区六盘山实验基站部署测试并投入使用。乌鞘岭实验区装置和控制系统于 2020年6月下旬完成检修与调试。位于武汉的科研人员通过该系统的远程控制进行实验。自2020年7月1日起正式开展实验，截止2020年10月1 日，乌鞘岭实验区单电极装置按持续时间统计共进行了15场次的实验，其中，从2020年7月1日至2020年8月15日按随机实验的原则进行，以一天为周期，固定电源开启时间为早9点，电源关闭时间为次日早9点。 2020年8月15日后保持装置开启，进行连续监测。通过该系统的数据采集子系统采集到的降水量数据，计算得到各次实验的电催化产水量、日均相对电能损耗、电催化水率，部分结果如表1所示。在整个实验过程中，系统稳定运行，完全实现了带电离子催化人工降雨雪外场实验对控制系统的各项需求。

表1部分实验结果数据表

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.分布式带电粒子催化人工降雨雪远程控制系统，其特征在于：包括远程终端和多个分布式子系统，所述远程终端与每个所述分布式子系统之间均通过网络设备通讯连接；

所述分布式子系统包括子系统中心主机、PLC控制器、供配电系统、高压电源设备、数据采集设备和辅助设备；

所述子系统中心主机上设有PLC控制器，所述供配电系统为所述分布式子系统中的各类设备供电，所述子系统中心主机通过所述PLC控制器控制所述供配电系统中的各种开关，实现实验中各种设备供电的复杂需求；所述子系统中心主机上还部署有运行控制软件；所述运行控制软件基于实验设备控制系统框架实现，在所述子系统中心主机上部署一个实验设备控制系统框架主机，将所述供配电系统、高压电源设备、数据采集设备和辅助设备分别实现为一个实验设备控制系统组件，然后添加到实验设备控制系统数据汇集模块中；实验设备控制系统数据汇集模块中的组件都有一个统一资源标志符，是表示一个组件的位移地址，当一个组件被添加到数据汇集模块中之后，可以通过这个组件的统一资源标志符对该资源进行操作，也就是对前述一个组件各个属性执行获取、配置或者调用操作；

所述高压电源设备用于提供最高100kV的直流电压用来电离空气，产生带电粒子；所述高压电源设备包括两种：其中一种为在面板上提供RJ45接口的远程端口，通过局域网远程操作时需要在电源和控制主机上配置相关网络参数的高压电源设备；另一种为提供通过串口连接的远程端口，直接连接至子系统中心主机的高压电源设备；所述高压电源的组件首先从配置文件中读取各个电源的配置，然后连接到高压电源，之后通过实验设备控制系统框架主机调用这个组件的对外暴露接口，控制电源开关操作多台电源；

所述数据采集设备用于对环境数据进行采集，所述数据采集设备使用Zigbee模块与所述子系统中心主机通讯连接；所述数据采集设备包括雨量计和温湿度传感器；所述Zigbee模块采用星形拓扑形式，子系统中心主机作为协调节点，雨量计和温湿度传感器作为终端节点；雨量计和温湿度传感器采用一个主机来管理，然后主机通过内部的通讯模块和所述分布式子系统通讯；在子系统中心主机端，与数据采集设备通讯的模块被实现为一个组件，通过该组件与数据采集设备进行交互；

所述辅助设备用于保障系统内其他设备的正常运行；

所述高压电源设备、数据采集设备、辅助设备均与所述系统中心主机通讯连接。

2.根据权利要求1所述的分布式带电粒子催化人工降雨雪远程控制系统，其特征在于：所述网络设备包括4G网络设备或宽带设备。

3.根据权利要求1所述的分布式带电粒子催化人工降雨雪远程控制系统，其特征在于：所述辅助设备包括网络摄像头、空调和降湿机。

4.根据权利要求1所述的分布式带电粒子催化人工降雨雪远程控制系统，其特征在于：所述实验设备控制系统框架主机硬件部分采用基于ATmega2560芯片的微控制器实现。

5.如权利要求1-4任一项所述的分布式带电粒子催化人工降雨雪远程控制系统的操作方法，其特征在于，包括以下步骤，

S1：将远程终端连接到每个子系统中心主机，获取控制系统操作界面；

S2：开启数据采集设备的软件系统，操作高压电源设备的控制软件配置高压电源设备的放电参数以及实验时的控制环境，初始化工作；

S3：在系统中手动的开关高压电源设备或者设置PLC控制器来进行定时的开关高压电源设备进行实验；

S4：实验过程中保持对实验环境进行监测和故障监测与修复；

S5：实验完毕，关闭高压电源系统，下载数据采集设备记录的实验数据进行实验结果分析。

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