CN113126183A - 一种基于铁路网的大气三维结构动态信息群观测平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于铁路网的大气三维结构动态信息群观测平台，包括：搭载装置，用于连接铁路列车；测量设备，安装在搭载装置上，用于测量大气数据；缓冲装置，安装在搭载装置与测量设备之间，用于缓冲测量设备与搭载装置之间的作用力；数据处理设备，与测量设备通信连接，用于接收并处理测量设备测量的大气数据。采用本方案提供的观测平台，提高了现有大气三维结构探测系统的时空分辨率，探测系统运行速度快、稳定、数据实时传输和无人值守，可实现青藏高原等中国西部地区的大范围大气三维结构动态探测，获得大范围、高时空分辨率、动态与静态相结合、时空转换的气温、湿度、水汽等观测信息群。本专利具有探测数据时空分辨率高的特点。

Description

一种基于铁路网的大气三维结构动态信息群观测平台

技术领域

本发明涉及气象动态监测技术领域，特别是涉及到是一种基于铁路网的大气三维结构动态信息群观测平台。

背景技术

目前大气三维结构探测资料有限已成为灾害天气预警核心技术—数值预报发展的重要瓶颈之一，利用铁路强国的网络优势，发展一种基于铁路平台的大气三维立体结构动态探测新技术，以获取覆盖全国、可靠的高时空分辨率大气三维立体观测信息群，并将这些新型观测资料同化到灾害天气数值预报模式中，将有效提高灾害天气的预报准确率，为灾害天气预报预警提供精准的监测、预报与服务新型支撑平台。

目前大部分研究采用固定站微波辐射计测量方式进行观测试验和业务应用，该测量方式仅能获取有限观测站周边的大气温湿度和水汽廓线，无法快速有效获取大范围，甚至全国范围的大气三维结构时空变化探测信息。基于铁路平台的移动观测方式可弥补上述不足，移动速度快、火车运行平稳、供电和通讯有一定保障，可实现全国大部分地区，尤其是青藏高原等高空气象观测资料时空密度低的中国西部地区大气三维结构的动态探测，获取大范围、高时空分辨率、动态与静态相结合、时空转换的大气三维精细结构信息，对防范和减少影响铁路安全运行的气象灾害、提高天气预报精度等提供了新的探测方法。

现有的大气环境立体走航观测车，将风廓线雷达、微波辐射计等遥感测量设备应用于移动观测中，可探测某一测量路线上的风温湿垂直分布时空变化特征，此尝试探索了微波辐射计在移动平台应用的可行性，但车载观测平台亦有其局限性：移动速度慢、对供电、减震、通讯等要求高，测量范围有限，尤其在青藏高原等中国西部地区车载观测难度较大。

发明内容

为了解决现有技术中，车载观测平台亦有其局限性：移动速度慢、对供电、减震、通讯等要求高，测量范围有限，尤其在青藏高原等中国西部地区车载观测难度较大的技术问题，本发明提供了一种基于铁路网的大气三维结构动态信息群观测平台，具体技术方案如下：

本发明实施例提供了一种基于铁路网的大气三维结构动态信息群观测平台，包括：

搭载装置，用于连接在铁路列车上；

测量设备，安装在所述搭载装置上，用于测量大气数据；

缓冲装置，安装在所述搭载装置与所述测量设备之间，用于缓冲所述测量设备与所述搭载装置之间的作用力；

数据处理设备，与所述测量设备通信连接，用于接收并处理所述测量设备测量的大气数据。

进一步的，所述搭载装置为测量车，在测量车的底部设置有与铁轨匹配的滚轮，所述搭载装置挂接在所述铁路列车上。

进一步的，所述测量设备包括：微波辐射计、风廓线雷达、云雷达、地面微型自动气象站中的至少一种。

进一步的，所述大气数据包括：大气温度、湿度、水汽廓线和云液态水含量、风廓线、云底高度和云厚以及地面气压、气温、湿度、风速、风向中的至少一种。

进一步的，还包括为所述测量设备供电的供电装置，所述供电装置为高能蓄电池组。

进一步的，还包括：安装在所述搭载装置上的旋转云台，所述测量设备安装在所述旋转云台上，以使所述观测设备随所述旋转云台的转动而调整位姿。

进一步的，所述缓冲装置包括：减震平台，所述减震平台设置在所述搭载装置上；在所述减震平台的顶部侧边设置有护栏；所述旋转云台设置在所述减震平台上，在所述旋转云台上设置有设备安装平台，在所述设备安装平台上设置有减震模块，所述观测设备设置在所述减震模块上。

进一步的，所述减震模块包括：一端开口的防护外壳、安装板，所述防护外壳的内底面设置有至少三根支撑杆，所述支撑杆贯穿所述安装板且所述支撑杆与所述安装板滑动连接；

所述安装板与所述防护外壳的底面之间设置有减震弹簧，所述减震弹簧套设在所述支撑杆上，所述减震弹簧的一端固定连接所述防护外壳的底面，另一端固定连接所述安装板的底面；

所述测量设备安装在所述安装板上，在所述测量设备与所述防护外壳的侧壁时间设置有缓冲垫。

进一步的，还包括设备运行监控系统；所述设备运行监控系统包括、客户端；所述监控端与所述客户端无线连接，所述监控端设置在所述搭载装置上，所述监控端包括具有数据处理功能的图像采集装置，所述监控端用于监控搭载装置、测量设备、缓冲装置的工作状态，得到工作状态信息，所述客户端用于接收并展示所述工作状态信息。

进一步的，所述数据处理设备通过数据传输系统接收所述测量设备测量的大气数据；所述数据传输系统包括：4G/5G多网融合模块、卫星通讯传输模块、信号中继处理器；所述4G/5G多网融合模块用于在有公网的区域传输大气数据；所述卫星通讯传输模块用于在设有卫星基站的区域内传输大气数据；所述信号中继处理器用以处理输入信息和生成输出信号进而控制在铁路沿线的高速走航观测过程中的子信道上的信号传输。

本发明实施例提供了一种基于铁路网的大气三维结构动态信息群观测平台，包括：搭载装置，用于连接在铁路列车上；测量设备，安装在所述搭载装置上，用于测量大气数据；缓冲装置，安装在所述搭载装置与所述测量设备之间，用于缓冲所述测量设备与所述搭载装置之间的作用力；数据处理设备，与所述测量设备通信连接，用于接收并处理所述测量设备测量的大气数据。采用本方案提供的观测平台，提高了现有大气三维结构探测系统的时空分辨率，探测系统运行速度快、稳定、数据实时传输和无人值守，可实现青藏高原等中国西部地区的大范围大气三维结构动态探测，获得大范围、高时空分辨率、动态与静态相结合、时空转换的气温、湿度、水汽等的垂直观测信息。本专利具有经济高效、探测数据时空分辨率高、覆盖范围广等特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例提供的基于铁路网的大气三维结构动态信息群观测平台的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的一种减震模块的结构示意图。

附图标记：

1搭载装置、2供电装置、3测量设备、4旋转云台、5减震平台、6护栏、 7设备安装平台、8防护外壳、9支撑杆、10安装板、11减震弹簧、12缓冲垫、 13减震模块、14数据传输系统、15水平仪。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。

本方案的目的在于：目前，高空气象观测资料时空密度低，全国只有128 个探空观测站，而且每天只有08、20时两个时刻的大气三维结构观测资料，无法获取全天其他时刻的天气变化状况，远不能满足数值天气预报发展需求；现有观测系统移动速度慢、供电、减震和通讯等要求高，需要专人值守以及测量范围有限，尤其青藏高原等灾害天气预报上游强信号区探空资料有限，时空分辨率更低，实现移动观测难度大等问题。

现有的技术方案为：2002年5月13日-6月25日美国阿尔伯塔大学(UA) 和大气研究联盟(UCAR)在国际水汽计划(IHOP，Weckwerth et al.2004) 项目的支持下，采用搭载微波辐射计、风廓线雷达、云高仪、地面气象观测设备等的综合廓线车载移动观测系统(MIPS)在美国中西部4个州进行了移动和固定相结合采样的观测试验，获取了对流系统边界区域的上升速度和最大厚度等信息以及对流边界层顶的弱逆温和显著的风切变特征(Ware etal.,2003； Karan et al,2006)。

近期国内出现了大气环境立体走航观测车，将风廓线雷达、微波辐射计等遥感测量设备3应用于移动观测中，可探测某一测量路线上的风温湿垂直分布时空变化特征，此尝试探索了微波辐射计在移动平台应用的可行性，但车载观测平台亦有其局限性：移动速度慢、对供电、减震、通讯等要求高，测量范围有限，尤其在青藏高原等中国西部地区车载观测难度较大。

实施例1

请参见图1，本发明实施例提供了一种基于铁路网的大气三维结构动态信息群观测平台，包括：

搭载装置1，用于连接在铁路列车上；

测量设备3，安装在所述搭载装置1上，用于测量大气数据；

缓冲装置，安装在所述搭载装置1与所述测量设备3之间，用于缓冲所述测量设备3与所述搭载装置1之间的作用力；

数据处理设备，与所述测量设备3通信连接，用于接收并处理所述测量设备3测量的大气数据。

具体的，在本方案中，搭载装置1可以是测量车，利用常规的列车车厢搭接方式，将本实施例中的搭载装置1挂接到列车的车厢上即可。

上述测量设备3可以是用微波辐射计、风廓线雷达、云雷达、地面微型自动气象站等观测设备，分别测量大气温度、湿度、水汽廓线和云液态水含量、风廓线、云底高度和云厚以及地面气压、气温、湿度、风速、风向；在本实施例中，观测设备可以包括上述设备的全部，也可以包括部分上述设备，具体用户可以根据实际情况选择；在实际安装过程中，当对青藏线沿线气象进行测量时，先将测量设备3固定到测量车上，再将测量车安装在青藏货运列车上，并通过增加固定缓冲装置、供电装置2、水平旋转和垂直旋转云台4、卫星通讯等方式解决减震、供电、指向和数据收集传输处理等技术问题。

具体的，缓冲装置为铁路专用减震平台5装置通过设计专用装置，采用专用耐候性零部件，在水平及垂直方向，减少测量设备3工作时所受的来自搭载装置1的支承结构及由路基传导的低频振动的影响，并能适应野外观测的工作环境，平台具有俯仰自动调平功能，能保证测量设备3在工作状态下始终处于水平，并利用水平仪15进行监测设备安装平台7的水平度。利用水平旋转和垂直旋转云台4，能够保证设备朝北和行驶路段上下坡时调平设备安装平台。

具体的，数据处理设备，在本实施例中，可以建立气象数据观测软件平台，实现实时监测、实时展示、状态监控、数据上传云端和反演同化成果展示的专业三维可视化平台。利用物联网感知、数据无线通讯、数据库、地理信息系统、视频等先进技术，集监测数据采集、传输、处理、预警、三维数据展示与应用为一体。

本方案提供的观测平台，基于铁路平台实现高空气象的实时动态观测，实现全域探测系统运行无人值守，实时获取大范围、高时空分辨率、动态与静态相结合、时空转换的气温、湿度、水汽等的垂直观测信息群。

本发明实施例提供了一种基于铁路网的大气三维结构动态信息群观测平台，包括：搭载装置1，用于连接在铁路列车上；测量设备3，安装在所述搭载装置1上，用于测量大气数据；缓冲装置，安装在所述搭载装置1与所述测量设备3之间，用于缓冲所述测量设备3与所述搭载装置1之间的作用力；数据处理设备，与所述测量设备3通信连接，用于接收并处理所述测量设备3测量的大气数据。采用本方案提供的观测平台，提高了现有大气三维结构探测系统的时空分辨率，探测系统运行速度快、稳定、数据实时传输和无人值守，可实现青藏高原等中国西部地区的大范围大气三维结构动态探测，获得大范围、高时空分辨率、动态与静态相结合、时空转换的气温、湿度、水汽等的垂直观测信息。本专利具有经济高效、探测数据时空分辨率高、覆盖范围广等特点。

在一种具体实施方式中，所述搭载装置1为测量车，在测量车的底部设置有与铁轨匹配的滚轮，所述搭载装置1挂接在所述铁路列车上。

在一种具体实施方式中，所述测量设备3包括：微波辐射计、风廓线雷达、云雷达、地面微型自动气象站中的至少一种。

在一种具体实施方式中，所述大气数据包括：大气温度、湿度、水汽廓线和云液态水含量、风廓线、云底高度和云厚以及地面气压、气温、湿度、风速、风向中的至少一种。

在一种具体实施方式中，还包括为所述测量设备3供电的供电装置2，所述供电装置2为高能蓄电池组。

具体的，在现有的蓄电池成组方式中，为满足负载电流及电压的要求，采用对单体蓄电池进行并联及串联的方式予以组合得到蓄电池组，对多个单体蓄电池或蓄电池模块独立采用电子技术升压达到负载所需的电压指标，对升压后的输出电流予以合并输出达到要求的电流指标的蓄电池组合工作方法，使得各个单体蓄电池或蓄电池模块能够相互隔离及独立工作，能够避免各个单体蓄电池或蓄电池模块在采用串并联方法成组后的相互影响，提高蓄电池组寿命，且具有实施方便、使用安全的特点。蓄电池组包含有多个单体蓄电池或多个蓄电池模块、由多个单体蓄电池或多个蓄电池模块构成的蓄电池组、蓄电池升压成组控制器、负载电容、位移传感器、速度传感器、冲击传感器、震动传感器、负载放电控制器、微处理系统。

在一种具体实施方式中，还包括：安装在所述搭载装置1上的旋转云台4，所述测量设备3安装在所述旋转云台4上，以使所述观测设备随所述旋转云台 4的转动而调整位姿。

在一种具体实施方式中，所述缓冲装置包括：减震平台5，所述减震平台 5设置在所述搭载装置1上；在所述减震平台5的顶部侧边设置有护栏6；所述旋转云台4设置在所述减震平台5上，在所述旋转云台4上设置有设备安装平台7，在所述设备安装平台7上设置有减震模块13，所述观测设备设置在所述减震模块13上。

在一种具体实施方式中，请参见图2，所述减震模块13包括：一端开口的防护外壳8、安装板10，所述防护外壳8的内底面设置有至少三根支撑杆9，所述支撑杆9贯穿所述安装板10且所述支撑杆9与所述安装板10滑动连接；

所述安装板10与所述防护外壳8的底面之间设置有减震弹簧11，所述减震弹簧11套设在所述支撑杆9上，所述减震弹簧11的一端固定连接所述防护外壳8的底面，另一端固定连接所述安装板10的底面；

所述测量设备3安装在所述安装板10上，在所述测量设备3与所述防护外壳8的侧壁时间设置有缓冲垫12。

在一种具体实施方式中，还包括设备运行监控系统；所述设备运行监控系统包括、客户端；所述监控端与所述客户端无线连接，所述监控端设置在所述搭载装置1上，所述监控端包括具有数据处理功能的图像采集装置，所述监控端用于监控搭载装置1、测量设备3、缓冲装置的工作状态，得到工作状态信息，所述客户端用于接收并展示所述工作状态信息。

具体的，移动监控系统是指可以远程监控的程序，本专利主要通过数据传输系统14与远程客户端进行连接。目的是通过本地计算机利用网络系统、摄像机及其他辅助设备(云台、镜头等)来监控远端情况，并把受监控场内的全部或部分图像和声音记录下来，为日后处理事件提供方便条件和重要的依据。远程监控终端子系统用户可以用普通计算机、笔记本电脑和手机访问或对各监控子系统采集到的音视频进行浏览、回访，并发送控制指令。它不受地理位置的限制，只要能连接Internet，就能访问各子系统。远程用户登录远程监控中心子系统，进行服务认证，根据监控中心的授权，系统自动分配视频资源以及操作权限。主要优点：移动监控系统是以数据传输系统14为传输介质、网络视频服务器核心。综合全面的使用数字视频处理技术、自动控制、网络传输技术和人工智能等技术并结合快速视频处理能力、数字信息抗干扰能力、更快速查询记录等，结构清晰简单、管理应用简便、强大的操作功能、监控查看简便、极高的安全能力。

在一种具体实施方式中，所述数据处理设备通过数据传输系统14接收所述测量设备3测量的大气数据；所述数据传输系统14包括：4G/5G多网融合模块、卫星通讯传输模块、信号中继处理器；所述4G/5G多网融合模块用于在有公网的区域传输大气数据；所述卫星通讯传输模块用于在设有卫星基站的区域内传输大气数据；所述信号中继处理器用以处理输入信息和生成输出信号进而控制在铁路沿线的高速走航观测过程中的子信道上的信号传输。

以青藏线为例，鉴于青藏高原等中国西部地区通讯信号弱的特点，数据传输系统14技术方案采用4G/5G多网融合、卫星通讯传输和信号中继处理等多技术结合。在有公网区域采用4G/5G多网融合系统，无公网信号区域采用卫星通讯传输系统。卫星通讯利用人造卫星实现二进制编码字母、数字、符号以及数字化声音、图像信息的远距离传输、交换和处理，具有传输距离远、通信容量大、质量好、可靠性高、灵活机动等特点。它不受地理和气候条件限制,只要在卫星天线波束覆盖区内设站,即可进行数据传输。卫星数据通信通常以计算机为中心，通过卫星线路与远程终端直接相连形成联机系统。远程终端所产生的数据能及时地传输到中央处理机处理。信号中继处理器配置用以处理输入信息和生成输出信号以便控制在铁路沿线的高速走航观测试验中的子信道上的信号传输、弥补在试验过程中信号中断造成数据传输丢失。

考虑到青藏高原等中国西部地区复杂的地形和气候影响，本专利拟采用信号选择切换模块实现数据的稳定传输，当出现受到外界的干扰或其他原因致使数据传输质量下降时就会自动发出一个请求转换信道的信号通知数据传输中心请求转换到另一种传输方式上去，以保证数据传输的正常及时进行。信号选择切换模块可以分为三个阶段:无线测量、网络判决和系统执行。

另外所有监测设备数据，在进行网络传输的同时，也进行监测移动平台本地的存储，实现双重保障。

本发明实施例提供了一种基于铁路网的大气三维结构动态信息群观测平台，包括：搭载装置1，用于连接在铁路列车上；测量设备3，安装在所述搭载装置1上，用于测量大气数据；缓冲装置，安装在所述搭载装置1与所述测量设备3之间，用于缓冲所述测量设备3与所述搭载装置1之间的作用力；数据处理设备，与所述测量设备3通信连接，用于接收并处理所述测量设备3测量的大气数据。采用本方案提供的观测平台，提高了现有大气三维结构探测系统的时空分辨率，探测系统运行速度快、稳定、数据实时传输和无人值守，可实现青藏高原等中国西部地区的大范围大气三维结构动态探测，获得大范围、高时空分辨率、动态与静态相结合、时空转换的气温、湿度、水汽等的垂直观测信息。本专利具有经济高效、探测数据时空分辨率高、覆盖范围广等特点。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于铁路网的大气三维结构动态信息群观测平台，其特征在于，包括：

搭载装置，用于连接在铁路列车上；

测量设备，安装在所述搭载装置上，用于测量大气数据；

缓冲装置，安装在所述搭载装置与所述测量设备之间，用于缓冲所述测量设备与所述搭载装置之间的作用力；

数据处理设备，与所述测量设备通信连接，用于接收并处理所述测量设备测量的大气数据。

2.根据权利要求1所述的基于铁路网的大气三维结构动态信息群观测平台，其特征在于，所述搭载装置为测量车，在测量车的底部设置有与铁轨匹配的滚轮，所述搭载装置挂接在所述铁路列车上。

3.根据权利要求1所述的基于铁路网的大气三维结构动态信息群观测平台，其特征在于，所述测量设备包括：微波辐射计、风廓线雷达、云雷达、地面微型自动气象站中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的基于铁路网的大气三维结构动态信息群观测平台，其特征在于，所述大气数据包括：大气温度、湿度、水汽廓线和云液态水含量、风廓线、云底高度和云厚以及地面气压、气温、湿度、风速、风向中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的基于铁路网的大气三维结构动态信息群观测平台，其特征在于，还包括为所述测量设备供电的供电装置，所述供电装置为高能蓄电池组。

6.根据权利要求1所述的基于铁路网的大气三维结构动态信息群观测平台，其特征在于，还包括：安装在所述搭载装置上的旋转云台，所述测量设备安装在所述旋转云台上，以使所述观测设备随所述旋转云台的转动而调整位姿。

7.根据权利要求6所述的基于铁路网的大气三维结构动态信息群观测平台，其特征在于，所述缓冲装置包括：减震平台，所述减震平台设置在所述搭载装置上；在所述减震平台的顶部侧边设置有护栏；所述旋转云台设置在所述减震平台上，在所述旋转云台上设置有设备安装平台，在所述设备安装平台上设置有减震模块，所述观测设备设置在所述减震模块上。

8.根据权利要求7所述的基于铁路网的大气三维结构动态信息群观测平台，其特征在于，所述减震模块包括：一端开口的防护外壳、安装板，所述防护外壳的内底面设置有至少三根支撑杆，所述支撑杆贯穿所述安装板且所述支撑杆与所述安装板滑动连接；

所述安装板与所述防护外壳的底面之间设置有减震弹簧，所述减震弹簧套设在所述支撑杆上，所述减震弹簧的一端固定连接所述防护外壳的底面，另一端固定连接所述安装板的底面；

所述测量设备安装在所述安装板上，在所述测量设备与所述防护外壳的侧壁时间设置有缓冲垫。

9.根据权利要求1所述的基于铁路网的大气三维结构动态信息群观测平台，其特征在于，还包括设备运行监控系统；所述设备运行监控系统包括、客户端；所述监控端与所述客户端无线连接，所述监控端设置在所述搭载装置上，所述监控端包括具有数据处理功能的图像采集装置，所述监控端用于监控搭载装置、测量设备、缓冲装置的工作状态，得到工作状态信息，所述客户端用于接收并展示所述工作状态信息。

10.根据权利要求1所述的基于铁路网的大气三维结构动态信息群观测平台，其特征在于，所述数据处理设备通过数据传输系统接收所述测量设备测量的大气数据；所述数据传输系统包括：4G/5G多网融合模块、卫星通讯传输模块、信号中继处理器；所述4G/5G多网融合模块用于在有公网的区域传输大气数据；所述卫星通讯传输模块用于在设有卫星基站的区域内传输大气数据；所述信号中继处理器用以处理输入信息和生成输出信号进而控制在铁路沿线的高速走航观测过程中的子信道上的信号传输。

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