序論：在您撰寫(xiě)防雷裝置在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)，參考他人的優(yōu)秀作品可以開(kāi)闊視野，小編為您整理的1篇范文，希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導(dǎo)您走向新的創(chuàng)作高度。

雷電具有強(qiáng)大的電流、熾熱的高溫、強(qiáng)烈的電磁輻射以及猛烈的沖擊波，具有巨大的破壞作用［１］，是“聯(lián)合國(guó)減災(zāi)十年”公布的影響人類(lèi)活動(dòng)的嚴(yán)重災(zāi)害之一［２］。廣東省各地基本全年均有雷暴發(fā)生［３］，防雷安全需求巨大。雷電防護(hù)裝置（簡(jiǎn)稱“防雷裝置”）人工檢測(cè)人力成本高，且檢測(cè)周期長(zhǎng)，無(wú)法做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)［４］，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)防雷裝置出現(xiàn)的問(wèn)題［５］，已無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的防雷安全要求。隨著科技進(jìn)步，社會(huì)進(jìn)入萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代，防雷裝置在線監(jiān)測(cè)技術(shù)作為智能防雷體系的關(guān)鍵技術(shù)之一［６］，通過(guò)對(duì)防雷裝置系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)、準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，結(jié)合數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析功能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)防雷裝置存在隱患問(wèn)題，促進(jìn)更好地做好防雷安全工作［７］。

１系統(tǒng)設(shè)計(jì)

１．１總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)防雷裝置在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)由監(jiān)測(cè)設(shè)備硬件系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)平臺(tái)軟件系統(tǒng)等組成。硬件系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集設(shè)備、通訊網(wǎng)關(guān)設(shè)備、平臺(tái)運(yùn)行服務(wù)器等；平臺(tái)軟件系統(tǒng)為支持Ｗｅｂ端訪問(wèn)的應(yīng)用程序。各數(shù)據(jù)采集設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)不同參數(shù)的計(jì)算采集，然后將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)設(shè)備傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)平臺(tái)軟件系統(tǒng)。平臺(tái)軟件系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層，數(shù)據(jù)層主要完成數(shù)據(jù)的接收、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)緩存和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；應(yīng)用層主要完成數(shù)據(jù)的可視化展示、對(duì)比統(tǒng)計(jì)分析、告警管理、設(shè)備管理和用戶管理等功能。

１．２在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)１）參數(shù)測(cè)量原理。不同類(lèi)型設(shè)備的數(shù)據(jù)測(cè)量原理各不相同，主要參數(shù)測(cè)量原理如下：

（１）接地電阻測(cè)量。接地電阻的采集基本原理與傳統(tǒng)人工檢測(cè)相同，采用直線三級(jí)法布設(shè)測(cè)量地極，采用恒流源電流測(cè)量法。數(shù)據(jù)采集器在電流極Ｃ和被測(cè)地Ｅ之間加上一個(gè)恒定電流Ａ，測(cè)量被測(cè)地Ｅ和電壓極Ｐ之間的電壓Ｕ，利用歐姆定律計(jì)算得到被測(cè)地Ｅ的接地電阻值。為抑制工頻干擾，通常采用明顯不同于５０Ｈｚ的交流電源進(jìn)行測(cè)量。

（２）ＳＰＤ漏電流測(cè)量。與人工檢測(cè)采用０．７５倍直流參考電壓的測(cè)試方法［８］不同，ＳＰＤ在線監(jiān)測(cè)是對(duì)正常工作狀態(tài)下的ＳＰＤ接地線中的電流進(jìn)行測(cè)量，它能直接反映ＳＰＤ的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。測(cè)量采用零序微安級(jí)電流互感器，穿過(guò)傳感器的磁通量變化會(huì)引起相應(yīng)的電流變化，經(jīng)過(guò)整流及放大電路，將微小的電流信號(hào)線性轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，微控制單元（ＭＣＵ）采集電壓信號(hào)，再換算成微安級(jí)電流。

（３）雷電流測(cè)量。羅氏線圈是雷電流參數(shù)測(cè)量的核心元件，可對(duì)雷電流峰值和能量進(jìn)行還原［９］，測(cè)量原理是法拉第電磁感應(yīng)定律和安培環(huán)路定律，當(dāng)被測(cè)電流通過(guò)羅氏線圈時(shí)，由于線圈互感系數(shù)Ｍ為定值，線圈的輸出電壓與電流變化速率ｄｉ／ｄｔ成正比。雷電流參數(shù)測(cè)量模塊電路由羅氏線圈、電壓比較器、信號(hào)采樣單元、積分放大單元、峰值保持電路、數(shù)字化轉(zhuǎn)換處理單元組成。由于羅氏線圈感應(yīng)出的電壓很小，首先要加一個(gè)反相積分電路進(jìn)行放大，接著要對(duì)感應(yīng)電壓進(jìn)行積分，這是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，一方面通過(guò)積分便于測(cè)量微小的感應(yīng)電壓量；另一方面，電容可以過(guò)濾掉不必要的干擾。通過(guò)對(duì)羅氏線圈感應(yīng)電壓的放大和積分處理，可還原出所測(cè)量的交流電流。電壓比較器的作用是控制采樣時(shí)間，比較器設(shè)置一個(gè)采樣閾值，當(dāng)感應(yīng)電壓值大于該閾值時(shí)，開(kāi)始采樣，感應(yīng)電壓值小于該閾值時(shí)停止采樣。為取得較好采樣效果，采樣時(shí)間間隔應(yīng)該在１～４μｓ之間。雷電流峰值的測(cè)量通過(guò)峰值保持電路（圖３）實(shí)現(xiàn)，可以得到最大值感應(yīng)電壓值，從而計(jì)算得到雷電流的最大值。２）功能模塊設(shè)計(jì)。

（１）設(shè)備管理。設(shè)備管理模塊主要功能是實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理、設(shè)備接入及數(shù)據(jù)解析。①設(shè)備管理。由設(shè)備類(lèi)型管理和設(shè)備實(shí)例管理兩部分功能實(shí)現(xiàn)。設(shè)備類(lèi)型管理功能是實(shí)現(xiàn)設(shè)備功能屬性配置和動(dòng)態(tài)調(diào)整。設(shè)備實(shí)例管理功能是在平臺(tái)中創(chuàng)建實(shí)現(xiàn)與實(shí)際監(jiān)測(cè)設(shè)備一一對(duì)應(yīng)的設(shè)備實(shí)例，可以進(jìn)行停止、啟用等管理。該平臺(tái)將同屬于同一個(gè)防雷裝置系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，歸到同一個(gè)場(chǎng)所管理，因此，在平臺(tái)上展示的是一個(gè)個(gè)雷電防護(hù)綜合系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)。②設(shè)備接入及數(shù)據(jù)解析。設(shè)備接入在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)的關(guān)鍵是根據(jù)設(shè)備的通訊協(xié)議和數(shù)據(jù)格式，通過(guò)在平臺(tái)Ｗｅｂ端的二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備的功能屬性、數(shù)據(jù)解析、登錄協(xié)議、數(shù)據(jù)分包等配置內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)與設(shè)備連接、數(shù)據(jù)解析和交互控制等功能。

（２）防雷裝置綜合監(jiān)測(cè)。防雷裝置的在線監(jiān)測(cè)包含外部防雷裝置監(jiān)測(cè)和內(nèi)部防雷裝置監(jiān)測(cè)，是一個(gè)綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容有：①接地裝置監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)參數(shù)包括接地裝置的接地電阻、地電壓等。接地電阻的大小能反映泄放雷電流的快慢程度；地電壓能有效監(jiān)測(cè)地網(wǎng)存在漏電流情況，有助于發(fā)現(xiàn)雷擊和漏電情況。②電涌保護(hù)器（ＳＰＤ）監(jiān)測(cè)。ＳＰＤ監(jiān)測(cè)的參數(shù)包括：對(duì)地漏電流、遙信狀態(tài)、斷路器狀態(tài)、溫度（溫升）、報(bào)警輸出、相電壓、環(huán)境參數(shù)等等。其中，對(duì)地漏電流參數(shù)是判斷ＳＰＤ劣化損壞的關(guān)鍵指標(biāo)。通過(guò)對(duì)漏電流大小可以初步判斷ＳＰＤ是否正常運(yùn)行，通過(guò)漏電流平均值的趨勢(shì)變化可以進(jìn)行ＳＰＤ的劣化預(yù)警?？諝忾_(kāi)關(guān)或斷路器狀態(tài)，可以判斷ＳＰＤ是否接入電路進(jìn)而起到保護(hù)作用；由于ＳＰＤ的劣化和損壞大部分都會(huì)出現(xiàn)溫度升高的情況，因此關(guān)注ＳＰＤ的溫度變化有助于提前發(fā)現(xiàn)ＳＰＤ的異常狀態(tài)。③接閃器監(jiān)測(cè)。主要監(jiān)測(cè)參數(shù)有接地電阻、雷電流參數(shù)。接閃器的接地電阻能夠表征從接閃器到引下線再到接地裝置的電氣貫連通情況和泄放電流能力。雷電流監(jiān)測(cè)參數(shù)包括雷電流極性、峰值、能量、波頭時(shí)間、半峰時(shí)間等，這對(duì)雷電防護(hù)研究、雷擊事故分析有一定幫助［１０］。

（３）數(shù)據(jù)展示與查詢統(tǒng)計(jì)。①基于ＧＩＳ的數(shù)據(jù)展示。該平臺(tái)以ＧＩＳ地圖作為可視化依托，根據(jù)設(shè)備經(jīng)緯度信息將設(shè)備和數(shù)據(jù)在地圖上的進(jìn)行直觀展示，并可通過(guò)點(diǎn)擊跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)數(shù)據(jù)表格或曲線圖等展示界面。②查詢與統(tǒng)計(jì)。該平臺(tái)除了常規(guī)的條件查詢，還對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、告警信息進(jìn)行多維度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，結(jié)合柱狀圖、餅狀圖、數(shù)據(jù)表格等多種方式展現(xiàn)。統(tǒng)計(jì)內(nèi)容有地電壓非零次數(shù)、接地電阻的年平均值和波動(dòng)幅度、雷電流峰值平均值、雷擊次數(shù)、空氣開(kāi)關(guān)斷開(kāi)次數(shù)、接地狀態(tài)異常等。（４）告警管理。告警管理功能通過(guò)設(shè)置告警規(guī)則，當(dāng)監(jiān)測(cè)設(shè)備或監(jiān)測(cè)平臺(tái)出現(xiàn)異常情況時(shí)自動(dòng)發(fā)出告警信息。通過(guò)監(jiān)測(cè)登錄信息、終端實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上報(bào)信息、心跳包信息等內(nèi)容監(jiān)測(cè)設(shè)備及平臺(tái)的異常狀態(tài)；通過(guò)設(shè)置防雷裝置監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的告警閾值，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)防雷裝置異常狀態(tài)的監(jiān)測(cè)告警。

２關(guān)鍵技術(shù)

２．１開(kāi)發(fā)工具為保證可移植性和可擴(kuò)展性，平臺(tái)嚴(yán)格按照Ｊ２ＥＥ規(guī)范進(jìn)行純ＪＡＶＡ語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。前端開(kāi)發(fā)工具采用ＶｉｓｕａｌｓｔｕｄｉｏＣｏｄｅ，具有插件豐富、簡(jiǎn)潔高效的特點(diǎn)。后端開(kāi)發(fā)工具使用ＩｎｔｅｌｌｉＪＩＤＥＡ，其主要優(yōu)點(diǎn)有３個(gè)：（１）對(duì)Ｇｉｔ、Ｍａｖｅｎ、Ｓｐｒｉｎｇ具有良好的支持整合，其中Ｍａｖｅｎ用來(lái)構(gòu)建項(xiàng)目，Ｇｉｔ用來(lái)管理項(xiàng)目代碼，并采用分模塊的方式基于ＳｐｒｉｎｇＢｏｏｔ框架進(jìn)行技術(shù)整合；（２）調(diào)試功能快捷強(qiáng)大；（３）前端使用簡(jiǎn)潔高效；這些特點(diǎn)都大大提高項(xiàng)目管理和開(kāi)發(fā)效率。

２．２開(kāi)發(fā)技術(shù)為保證在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)的兼容性和系統(tǒng)性能，采用多種先進(jìn)的開(kāi)發(fā)技術(shù)與設(shè)計(jì)方法，關(guān)鍵開(kāi)發(fā)技術(shù)有５個(gè)方面。１）多線程Ｒｅａｃｔｏｒ設(shè)計(jì)模式（Ｒｅａｔｏｒ＋Ｅｐｏｌｌ的設(shè)計(jì)模式）。ＴＣＰ服務(wù)器采用多線程Ｒｅａｃｔｏｒ模式設(shè)計(jì)。它是基于非阻塞ＩＯ和ＩＯ多路復(fù)用的處理模式，是一種典型的事件驅(qū)動(dòng)的編程模型。Ｒｅａｃｔｏｒ逆置了程序處理的流程，其基本的思想將對(duì)于ＩＯ的處理轉(zhuǎn)化為對(duì)事件的處理。事件分發(fā)器捕獲ＩＯ就緒事件，然后將就緒事件分發(fā)到對(duì)應(yīng)的事件處理器，由處理器完成實(shí)際的ＩＯ操作。Ｅｐｏｌｌ函數(shù)通過(guò)一個(gè)事件表直接管理用戶感興趣的事件，采用回調(diào)的方式檢測(cè)就緒的事件，ｅｐｏｌｌ＿ｗａｉｔ函數(shù)的的參數(shù)ｅｖｅｎｔ用來(lái)反饋就緒的事件。通過(guò)ＩＯ復(fù)用引入ｅｐｏｌｌ函數(shù)對(duì)忙監(jiān)聽(tīng)客戶端的接入，不需要主程序阻塞著去監(jiān)聽(tīng)事件，大大提高ＣＰＵ的使用率。２）ＩｏＴＳｅｒｖｅｒ重定向技術(shù)。ＩｏＴＳｅｒｖｅｒ是物聯(lián)網(wǎng)通信的后端，用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備端和服務(wù)器之間的連接。平臺(tái)使設(shè)備端服務(wù)與Ｗｅｂ端服務(wù)程序分離，以實(shí)現(xiàn)“高內(nèi)聚、低耦合”的設(shè)計(jì)，確保ＩｏＴＳｅｒｖｅｒ高效處理數(shù)據(jù)上傳。同時(shí)，通過(guò)ＩｏＴＳｅｒｖｅｒ采用Ｒｅａｃｔｏｒ設(shè)計(jì)模式，利用代理轉(zhuǎn)發(fā)功能進(jìn)行負(fù)載均衡，通過(guò)配置ｆａｉｒ策略，可以智能地根據(jù)后端服務(wù)器的響應(yīng)時(shí)間來(lái)分配請(qǐng)求，以實(shí)現(xiàn)多個(gè)服務(wù)器之間負(fù)載均衡。３）數(shù)據(jù)緩存技術(shù)。（１）為滿足頻繁訪問(wèn)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，采用一級(jí)緩存和二級(jí)緩存的策略，對(duì)上一次的訪問(wèn)結(jié)果進(jìn)行緩存，同時(shí)對(duì)緩存設(shè)定有效期，避免出現(xiàn)緩存數(shù)據(jù)過(guò)多的問(wèn)題；（２）對(duì)于實(shí)時(shí)性非常高的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)，采用ｒｅｄｉｓ內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)做數(shù)據(jù)緩存，將當(dāng)前的登錄信息、設(shè)備影子數(shù)據(jù)等熱點(diǎn)數(shù)據(jù)保存在ｒｅｄｉｓ中，由此，Ｗｅｂ端不需要經(jīng)常直接訪問(wèn)ＭｙＳＱＬ數(shù)據(jù)庫(kù)，大大提高數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)運(yùn)行效率。４）系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)擴(kuò)展。該平臺(tái)支持二次開(kāi)發(fā)，使用ＪａｖａＳｃｒｉｐｔ語(yǔ)言，支持ＥＣＭＡＳｃｒｉｐｔ５．１規(guī)范，通過(guò)編寫(xiě)ＪＳ腳本，將設(shè)備登錄、實(shí)時(shí)上報(bào)數(shù)據(jù)解析出檢測(cè)數(shù)據(jù)值，并按平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)格式存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中?？梢詫?shí)現(xiàn)將不同廠商、不同類(lèi)型的設(shè)備接入到本平臺(tái)中，大大提高了平臺(tái)對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的兼容性，也使平臺(tái)對(duì)硬件的升級(jí)可快速調(diào)整，提高系統(tǒng)的可用性。５）其他技術(shù)。安全性方面，該平臺(tái)從應(yīng)用安全、數(shù)據(jù)安全、主機(jī)安全和網(wǎng)絡(luò)安全４個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用身份鑒別、訪問(wèn)控制、安全審計(jì)、剩余信息保護(hù)、通信完整性、通信保密性、抗抵賴、軟件容錯(cuò)、資源控制、數(shù)據(jù)備份和回復(fù)、代碼安全等多種安全技術(shù)，保證了平臺(tái)的安全性。高性能方面，平臺(tái)采用差異化硬件配置、服務(wù)器分級(jí)策略、數(shù)據(jù)緩存技術(shù)、索引技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)分表分庫(kù)、前后端分離技術(shù)、分布式架構(gòu)等先進(jìn)技術(shù)，多方面保證平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定高效。

３系統(tǒng)使用效果

３．１系統(tǒng)運(yùn)行效果該平臺(tái)自２０２０年８月在韶關(guān)新豐、河源紫金、惠州龍門(mén)的氣象觀測(cè)場(chǎng)安裝防雷裝置在線監(jiān)測(cè)設(shè)備并在平臺(tái)上線以來(lái)，平臺(tái)運(yùn)行流暢、安全、穩(wěn)定。

３．２系統(tǒng)應(yīng)用效果防雷裝置在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)上線以來(lái)，取得良好應(yīng)用效果。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（１）為更好做好防雷安全工作提供的技術(shù)保障。平臺(tái)已經(jīng)為部分普通建筑物、氣象觀測(cè)場(chǎng)、通信鐵塔等場(chǎng)所提供在線監(jiān)測(cè)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)防雷裝置運(yùn)行狀態(tài)和主要性能參數(shù)的３６５×２４ｈ實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，多次及時(shí)發(fā)現(xiàn)空氣開(kāi)關(guān)斷開(kāi)、設(shè)備斷電等異常狀態(tài)，為防雷安全工作提供技術(shù)保障。（２）已經(jīng)有多家設(shè)備廠商設(shè)備接入該平臺(tái)，共同推動(dòng)防雷裝置在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的健康高質(zhì)量發(fā)展。（３）平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的分鐘級(jí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，已嘗試應(yīng)用于雷電科學(xué)研究。該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)防雷裝置系統(tǒng)的綜合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)具備設(shè)備管理、告警管理、統(tǒng)計(jì)分析等重要功能，在防雷裝置在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。其設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)策略和開(kāi)發(fā)技術(shù)，為防雷裝置在線監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展乃至智能防雷技術(shù)發(fā)展提供了有價(jià)值的參考。

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作者:周文生 戴巍 陳紹東 許銳文 劉三梅 葉澤文 陳子君 單位:廣東省氣候中心 中國(guó)氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所