雨量传感器自动防护系统

赵晓东 杜慧

摘要：该文提出一种国家气象观测站雨量传感器自动防护装置，以雷达回波为提前开启控制信息；以天气现象仪和感雨传感器发生降雨信号为应急开启保障信息；以天气现象仪和感雨传感器为降雨停止信息，并经与雷达回波进行比对确认，关闭雨量传感器。采用图像识别技术、音频信号识别和高阻0.1mm雨量计数技术，实时判断降雨时雨量传感器的工作状态，实现雨量传感器的智能化控制管理。

关键词：雨量传感器；自动防护系统；图像识别

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）10-0178-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

气象观测是气象业务中重要的基础性工作，气象观测数据的代表性、准确性、比较性对开展不同时间尺度的气象预报和有效服务起着十分重要的作用。大多国家气象观测站使用的是双翻斗式雨量传感器，其结构复杂，一次雨量值计数需要通过承水器、漏斗、汇聚漏斗、计量翻斗，各环节任何一处出现落叶、尘土等堵塞，将直接导致雨量数据缺测或数据异常。中国气象局提出发展观测智能、预报精准、服务开放、管理科学的智慧气象，是气象与经济社会融合发展的重要支撑，是转变气象发展方式的重要途径，也是全面推进气象现代化的重要突破，其中雨量传感器堵塞的问题，是观测智能实现的障碍之一。

本文设计的国家气象观测站雨量传感器自动防护装置，实时判断降感雨传感器的工作状态，实现雨量传感器防护的智能化，能够推动智慧气象台站建设和确保雨量数据准确，具有全国国家气象观测站推广应用的价值。

1 信息处理系统

信息处理系统主要包括降水启停控制模块和降雨动态过程显示模块两部分组成，其中降水启停控制模块由降雨开启、雨停关闭及应急启停模块组成；降雨动态过程显示模块由视频动目标、音频识别、0.1mm雨量监控模块组成。

1.1 降水启停控制模块

1.1.1 降雨开启模块

（1）雷达产品的选用

选择反射率因子产品中最常用的19号产品的PPI形式的反射率作为判断雷达回波移动方向、速度及到达自动站的时间，该雷达的特征是径向分辨率为1km，16个数据级，显示范围为230km。

雷达产品数据的主要数据块有：信息头数据、产品说明、产品数据、图像字符数据、字符表。每个数据块也有相应的格式。根据数据格式定义，编程读取雷达产品。

（2）观测站坐标转换

从单仰角获取的是雷达PPI数据，以极坐标的形式表示，而观测站的位置是以经纬度表示的，因此，将经纬度转换为极坐标进行统一。由以下公式[1]可以将经纬度（α，β）换算为极坐标（S，φ）：

1.1.2 雨量传感器防护开启信息

系统自动识别雷达回波的移动方向、速度及到达自动站的时间，在预计雷达回波达到自动站前30分钟时，自动向雨量传感器防护装置发出开启信息，防护装置开启正常后，自动上传开启状态信息。降雨开启控制流程如图1所示：

1.1.3 降雨停止关闭控制模块

天气现象仪、感雨传感器采集的数据，作为雨量传感器防护装置关闭动作的控制信息，为了防止装置误动作造成缺测，在关闭动作启动前，将关闭动作请求信息上传气象局平台，通过与雷达回波比对，确认无降水10分钟后，关闭装置。降雨停止关闭控制流程如图2。

1.1.4 應急启停模块

（1）应急开启

应急开启功能是在观测站天气现象仪和感雨传感器采集到降雨信息，而智能信息处理系统未发出开启信息时，采取的备用应急措施，防止降雨缺测事故的发生，并自动生成日志文件。

（2）应急关闭

如果开启30分钟后，天气现象仪和感雨传感器均未出现降雨现象，自动上传关闭请求信号，再次对雷达回波降雨判断，确定为无降雨时，发出关闭指令，并自动生成日志文件。

1.2 降雨动态过程显示模块

雨量传感器结构模型为动态显示图形，采用Flash工具开发，以PHP技术连接后台数据库，数据库采用MS-SQLServer2000。提取的视频、音频及0.1mm雨量监测数据，动态显示雨量传感器的工作过程。

1.2.1 视频动目标识别模块

降雨开始，启动上传1分钟视频，将各左右翻斗作为运动目标，视频流运动目标识别系统中主要包含运动目标检测、阴影去除和目标识别等模块。

运动目标检测模块采用三帧差分法，主要实现将视频序列中的运动目标准确并完整地检测出来；阴影去除模块主要实现去除连同运动目标一起被检测出来的阴影区域，由于运动目标检测是采用两帧间的灰度差值变化进行的，检测过程中不可避免由于光照产生的阴影；目标识别模块采用改进的Hausdorff距离法进行目标识别，主要完成识别左右计数翻斗的运动情况，判断其工作是否正常。

1.2.2 音频识别模块

应用雨量传感器内置音频传感器，采集上下翻斗和计数翻斗工作时的声音信息，以上下翻斗和计数翻斗3个音频信息为一个上传文件，通过声音识别判断各翻斗的工作状态。

1.2.3 0.1mm雨量监控模块

以0.1mm雨量值为一个上传文件，实时记录降雨过程，采集到0.1mm雨量值，说明雨量传感器工作正常。

2 雨量传感器防护装置

在无降雨时，承水器口处于加盖状态，防止落叶、尘土或昆虫侵入，实现自动防护功能；降雨前，根据雷达回波判定开启时间，以天气现象仪及感雨传感器感雨数据为现场应急备开启控制信息，确保雨量传感器正常工作；降雨停止后，防护盖关闭。

2.1 防护机构的设计

雨量传感器防护装置由升降机构、旋转机构、防护盖、感雨器、定位开关、控制模块等组成，其工作原理是无降水时，防护盖处于工作位置，在开启信息触发下，防护盖抬升，脱离雨量传感器，防护盖旋转180°下降到停止位置；降水停止后，防护盖抬升高于雨量传感器，旋转180°到达雨量传感器上方，防护盖做下降运动至工作位置，完成开启关闭工作过程。

防护盖开启信息是利用雷达回波提前开启，根据回波的强度、移动方向、移动速度，判断回波达到观测场时间，自动生成雨量传感器开启命令，而且还利用了现场天气现象仪和感雨器信息应急开启，通过多信息确保防护盖及时开启。

2.2 控制电路的设计

雨量传感器防护控制模块是防护机构的控制核心，由单片机、D/A升降和旋转机构控制、I/O开关状态输入等组成，模块在启停信息的控制下，完成雨量传感器的防护任务。

2.3 控制软件的编程

控制软件完成降雨防护装置的启停的功能，正常启停的控制流程如图2、图3所示。应急启停控制有两个功能：应急开启功能是在观测站天气现象仪和感雨传感器采集到降雨信息，而未接收到智能信息处理系统发出的开启信息时，采取的备用应急措施，防止降雨缺测事故的发生；应急关闭如果30分钟后，天气现象仪和感雨传感器均未出现降雨现象，自动上传关闭请求信号，再次对雷达回波降雨判断，无降雨发出关闭指令。

3 降雨动态过程监视电路设计

3.1 降雨动态过程监视传感器的布设

雨量传感器过程监视摄像机和MIC音频传感器，安装在漏斗支架上。摄像机安装在漏斗支架上，可以监视上翻斗、汇聚漏斗、计数翻斗及水平泡等的工作运行状态。摄像机配置LED灯，确保获得清晰图像資料；MIC音频传感器可以采集各翻斗动作的音频信息。

3.2 降雨动态过程采集电路设计

将视频、音频及0.1mm雨量信息的采集为集成一体，视频信息采集采用微型摄像机并配置LED灯照明；音频采集模块由麦克和音频编解码构成，声音传感器（麦克）选用 WM62A 进行采集，对声音信号进行数字化处理。选择 Philips 的 UDA1380单芯片立体声音频编/解码器模块，通过数据处理获得上下翻斗和计数翻斗的工作音频信息，利用音频信息自动判断雨量传感器的工作状态；0.1mm雨量在雨量传感器接线柱并接高阻匹配电路，防止影响传感器的采集精度。

4 结论

系统综合运用了运动目标图像识别技术、音频识别技术及0.1mm雨量值采集技术，动态监测雨量传感器的工作过程，传感器异常自动生成报警信息；采用雷达回波、天气现象仪、感雨传感器三种信息，控制雨量传感器防护装置的开启及关闭；采用机电技术结合，对雨量传感器的防护进行创新提升，使雨量传感器防护智能化，实现了雨量筒的自动防护。

参考文献：

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[5] 赵旭，张洪杰.雨量自动传感器的故障诊断与维护[J].黑龙江科技信息，2011（22）：10.

[6] 张国莉，尚晓立，赵苗稳.ZQZ-CⅡ型自动站雨量器故障的排除技巧和维护方法[J].硅谷，2010（14）：78-79.

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