WP1A型天氣現象智能觀測系統組成與維護

李 力，聶 成，甘少明，劉 雯

(1.湖北省氣象信息與技術保障中心，武漢 430074；2.襄陽市氣象局，襄陽 441021)

0 引言

隨著地面觀測業務的深入開展和不斷完善，綜合氣象觀測網中覆蓋最密集的地面觀測設備包括新型自動氣象站、土壤水分站、日照時長觀測儀、天氣現象觀測儀等[1]。

地面氣象觀測自動化業務的正式運行代替了臺站人工定時觀測和日常值守任務，相比人工觀測，自動化氣象觀測的能力提升顯著，但同時也對自動觀測設備的常規維護與技術保障提出了更高的目標要求[2-4]。

天氣現象智能觀測儀通過不同角度的多個高清攝像機采集圖像和視頻數據，利用圖像識別、深度學習和數據融合等技術，實現天氣現象等氣象要素的智能觀測，主要應用于國家級地面氣象觀測站，解決目前以人工觀測為主的部分天氣現象自動化觀測問題[5-7]。

1 系統結構

WP1A型天氣現象智能觀測儀是一種通過圖像識別技術進行天氣現象自動觀測識別的氣象儀器，該儀器可對總云量、云狀、地面凝結現象(霜、露、雨凇、霧凇)、結冰、積雪和雪深等天氣現象(或氣象要素)進行自動觀測識別，并具備擴展電線積冰、視程障礙現象(輕霧、霧、霾、浮塵、揚沙、沙塵暴)的自動觀測識別能力。

天氣現象智能觀測儀由圖像采集單元、圖像處理單元、通信單元和供電單元等主要部件組成(圖1)。

圖1 天氣現象智能觀測儀主要部件圖

2 系統組成單元

2.1 圖像采集單元

圖像采集單元由多個攝像機組成，根據觀測對象的特點和需要，一般由1個魚眼鏡頭和2～5個定焦或變焦鏡頭的高清攝像機組成。WP1A 型天氣現象智能觀測儀圖像采集單元的組合方式為分離式圖像采集單元組，由1個獨立的魚眼鏡頭、1個長焦鏡頭和1個短焦鏡頭3部高清攝像機組成。

2.1.1 魚眼攝像機

WP1A型天氣現象智能觀測儀圖像采集單元中含有1部魚眼攝像機VC1A，又稱魚眼鏡頭，可實現水平180°觀測，使用時垂直向上安裝，用于觀測云量與云狀。

2.1.2 長焦攝像機

WP1A 型天氣現象智能觀測儀圖像采集單元中的長焦鏡頭高清攝像機VC2A，使用時對準水盆與草地，用于觀測水面結冰、霜、露、是否積雪等現象。

2.1.3 短焦攝像機

WP1A 型天氣現象智能觀測儀圖像采集單元中的短焦高清攝像機VC3A，使用時對準雪尺與電線，用于觀測雪深、雨凇和霧凇。

2.2 圖像處理單元

圖像處理單元由控制處理器和存儲單元組成。控制處理器是CPU，GPU和內存等部件組成的嵌入式AI計算機，處理器內置了嵌入式識別軟件和控制管理軟件，用于天氣現象(氣象要素)的自動觀測識別和設備控制管理，負責處理采集的視頻和圖片等信息，同時進行數據的質量控制、運算處理和記錄存儲[8]。

2.2.1 MC1A型主控制器

基于圖像采集、算法運算和業務邏輯軟件作為整體的圖像識別采集器是以TX2為核心的邊緣計算設備，可根據需求進行外圍硬件、軟件配置，用于多種觀測場景的圖像識別，例如雪深、云、天氣現象等。TX2是針對AI計算能力研發的自帶GPU嵌入式電路板，架構采用ARM+GPU，對外接口包括1個調試串口、1個SD卡接口、3個通用串口、2個USB接口、1個RJ45網口、1個Micro HDMI接口和1個4 G模塊接口。

2.2.2 主控制器指示燈狀態

MC1A型主控制器有4個狀態指示燈，分別表示為：外部電壓為12 V電源輸入后，“電源”指示紅燈為常亮；正常工作時，“控制”指示紅燈為常亮，“工作”指示綠燈也為常亮；RS-232-1或RS-232-2有數據輸出時，“通信”指示綠燈為常亮[9]。

2.3 通信單元

WP1A型天氣現象智能觀測儀共有3種通信方式，分別為串口通信、光纖—網線通信和可擴展無線4 G通信。通信單元可實現數據發送、接收以及通信方式轉換等功能，采用RS-232串口通信和光纖通信。識別結果通過RS-232串口通信經綜合集成硬件控制器與ISOS軟件聯通，視頻和圖片數據采用光纖通信方式傳輸至室內通信終端，再通過業務內網上傳至省級數據中心和臺站，通信流程如圖2所示[10-12]。

圖2 通信流程

2.4 供電單元

供電單元主要由交直流轉換器、浪涌保護器和空氣開關等部件組成，將220 V交流電壓轉換為直流電壓，為天氣現象智能觀測儀供電，其組成結構如圖3所示。

圖3 供電單元組成結構示意圖

3 系統維護

為了保障WP1A型天氣現象智能觀測系統持續穩定運行，臺站還需要按照以下要求開展天氣現象智能觀測儀的日常維護工作：

1)若發現觀測數據錯誤或異常，及時開展設備維修維護。

2)每周需要檢查攝像機鏡頭的遮擋和污染情況。若存在遮擋或污染應及時處理，選擇在日出前或日落后進行清理。清潔攝像機鏡頭時，護罩式鏡頭應用柔軟不掉毛的棉布或脫脂棉蘸無水乙醇直接擦試鏡頭玻璃，魚眼鏡頭可先用清水沖洗表面浮塵和沙粒，再用柔軟的棉布或脫脂棉蘸無水乙醇擦試鏡頭。注意：不要劃傷玻璃表面，如果窗口加熱功能良好，表面將很快干燥，不建議用其他物品清潔；可根據設備附近的環境情況，延長或縮短維護周期，如出現沙塵、降雪等惡劣天氣影響觀測時，應及時清潔鏡頭。

3)每月需定期檢查攝像機的水平、方位和傾角，以及立柱是否穩固，出現問題及時校正，避免因振動等外界因素對攝像機產生的不良影響。

4)每月定期檢查地面集中觀測區自然下墊面和露、霜等目標物的草地狀況，需保持平整。

5)每月定期檢查供電設施，保證供電系統的安全和穩定。

6)每年春季應檢驗系統的防雷設施，復測接地電阻。

7)結冰容器盡量從當地自然水體(江、河、湖泊)取水，水量不足時需及時添加；專用雪尺保持豎直，零刻度線應與地面集中觀測區自然下墊面齊平。

8)定期更換設備易損件，出現損壞或腐蝕需及時更換處理，尤其是在自然條件惡劣的區域。

9)系統需定期進行檢查、維護、維修和校準，對自動觀測數據有影響的操作應詳細記錄。

4 結束語

全國地面觀測業務已經進入無人值守的自動觀測階段，觀測模式也更加新穎、先進、全面，天氣現象智能觀測儀通過先進的圖像處理和模式識別技術使天氣現象觀測具備了自動識別能力，為天氣現象的無人觀測提供綜合保障和技術支持。