大气电场仪功能需求书试行稿.docx
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大气电场仪功能需求书试行稿
天气现象视频智能观测仪
技术要求
（试行）
中国气象局综合观测司
2019年5月
1前言
1.1目的
研究和试验表明，应用计算机视觉和深度学习技术，对视频采集器拍摄的天气现象（或气象要素）实现自动观测识别是一条行之有效的途径，尤其是对于目前尚未实现器测的天气现象（或气象要素）观测项目，更具有重要的发展意义。
为更好地规范基于这一技术的观测装备——天气现象视频智能观测仪的研发生产，特编制本技术要求。
1.2适用范围
本技术要求规定了天气现象视频智能观测仪的组成结构、功能和技术指标，可作为设备设计研制、生产和测试评估的依据。
1.3编写依据
（1）《地面气象观测规范云》（GB/T35222-2017）；
（2）《地面气象观测规范天气现象》（GB/T35224-2017）；
（3）《地面气象观测资料质量控制》（QXT118-2010）；
（4）《地面气象要素编码与数据格式》（GB/T33695-2017）；
（5）《地面观测气象数据字典》（2013）；
（6）《数据字典终端控制命令》（2013）；
（7）《测量、控制和实验室用电气设备的安全要求》（GB4793.1-2007）；
（8）《电磁兼容试验和测量技术》（GB/T17626）；
（9）《气象观测专用技术装备功能规格需求书编写指南（试行）》（中国气象局综合观测司）
（10）《GuidetoMeteorologicalInstrumentsandMethodsofObservation》（WMO-No.8）。
2组成结构
天气现象视频智能观测仪主要由视频采集器和控制处理器组成，安装在同一立杆上。
其中，天气现象（或气象要素）识别软件（以下简称识别软件）运行在控制处理器上。
2.1硬件
2.1.1视频采集器
视频采集器由多个摄像机组成。
根据观测对象特点和需要，一般为1个鱼眼摄像机和2至4个普通摄像机。
2.1.2控制处理器
控制处理器一般由小型运算平台、有线通信模块、无线通信模块和电源模块等组成。
2.1.3辅助设备
辅助设备包括立杆、支架、机箱等安装结构件，以及观测识别所必须的标志物。
2.2软件
软件主要包括识别软件和控制管理软件，分别用于天气现象（或气象要素的）的自动观测识别和对设备进行控制管理。
3功能要求
3.1概述
天气现象视频智能观测仪应包含基于计算机视觉和深度学习技术的识别软件，可通过其获取的视频资料实现天气现象（或气象要素）的实时自动观测识别。
天气现象视频智能观测仪应实现自动观测识别的天气现象（或气象要素）为总云量、云状、地面凝结现象（霜、露、雨凇、雾凇）、结冰、积雪和雪深，并具备扩展至低云量、云高、电线积冰、视程障碍现象（轻雾、雾、霾、浮尘、扬沙、沙尘暴）的自动观测识别能力。
3.2硬件功能
3.2.1视频采集器
视频采集器为各类天气现象（或气象要素）的自动观测识别提供视频，其中鱼眼摄像机对天空方向进行拍摄，普通摄像机对水平方向或地面进行拍摄，并将采集的视频提交控制处理器。
各摄像机视频应支持接入网络视频存储设备。
3.2.2控制处理器
控制处理器中的小型运算平台需承载识别软件和控制管理软件，应为适用于野外的工业级产品，具有基于CPU或GPU或NPU的计算架构，支持Linux或Windows操作系统，具备必要的存储空间，支持接入U盘（或SD卡、TF卡）等外部存储。
通信模块应实现所有摄像机、运算平台和远端网络的互联。
供电模块可实现对本观测仪各组成设备的统一供电。
3.2.3辅助设备
视频采集器、控制处理器等通过支架和机箱安装到同一立杆上。
机箱应具有良好的密封性并兼顾散热，防护等级要求达到IP65，具有安全防盗、防辐射等性能。
各类天气现象（或气象要素）识别应尽可能不改变现有环境，其中电线积冰、雨凇和雾凇观测识别宜使用电线积冰架；结冰观测识别宜使用小型蒸发皿，置于自动雪深观测仪西侧；雪深观测识别可定制专用雪深标尺，最小刻度为1cm，长度为1m~2m，直径不大于3cm，宜置于自动雪深观测仪西侧。
3.3软件功能
3.3.1识别软件
识别软件对视频采集器所拍摄视频中所包含的天气现象（或气象要素）实时自动观测识别，是天气现象视频智能观测仪的核心，观测识别天气现象（或气象要素）同3.1。
识别软件应基于成熟的深度学习平台，方便训练迭代和支持远程升级；识别软件识别间隔（时间分辨率）可依据业务要求设置，最高可支持1次/分钟；识别软件具备质量控制功能，可进行界限值检查和内部一致性检查（按《地面气象观测资料质量控制》（QXT118-2010）执行）。
3.3.2控制管理软件
控制管理模块包括初始化、参数设置、运行状态信息、数据存储、数据传输、远程升级和时钟同步等功能。
（1）初始化：
设备自检（包括控制处理器和各摄像机），做好视频采集、识别处理和通信连接准备。
（2）参数设置：
可通过终端软件或网络对天气现象视频智能观测仪进行参数设置。
（3）运行状态信息：
具备输出设备运行状态信息的功能，主要包括控制处理器的工作状态和通信状态，各摄像机的工作状态、加热状态、通讯状态、镜头污染状态等。
（4）数据存储：
支持识别结果、状态信息以及图片（jpg格式，图片存储命名规则见附录A）的存储。
采用循环式存储，即最新数据覆盖旧数据。
（5）数据传输：
支持主动传输和被动传输两种传输模式，数据格式与命令详见附录B。
（6）远程升级：
支持对软件远程升级。
（7）时钟同步：
支持通过终端软件发送命令，对天气现象视频智能观测仪统一校时。
支持设置时间同步服务器实现统一校时。
4技术指标要求
4.1硬件性能指标
4.1.1视频采集器
鱼眼摄像机应至少达到以下指标要求：
（1）光学成像系统视场角达180°，天空视频无缺失；
（2）圆形成像直径有效分辨率均达1700像素以上；
（3）支持ONVIF协议、GB28181协议；
（4）24小时全天候工作，无需太阳遮挡装置；
（5）具备日夜自动切换模式，夜间支持长时间曝光；
（6）具备镜头加热除冰功能；
（7）具备防鸟停留功能（可外置）；
（8）满足IP65以上外壳防护等级。
普通摄像机可为固定焦距或自动变焦，应至少达到以下指标要求：
（1）分辨率400万像素（2560×1440）以上；
（2）最低照度：
彩色0.01Lux，黑白0.001Lux；
（3）支持ONVIF协议、GB28181协议；
（4）具备可调节补光（或可外置补光）；
（5）具备加热功能（可外置）；
（6）满足IP65以上外壳防护等级。
4.1.2控制处理器
对视频采集器采集到的视频识别处理，至少应达到以下指标要求：
（1）应为工业级设备；
（2）全部拍摄视频全分辨率接入；
（3）承载3.1中所有天气现象（或气象要素）识别软件的实时运行；
（4）单次智能识别时间小于30s（含扩展项）；
（5）存储1年的分钟识别结果和状态信息，以及1个月的图片（各摄像机每10分钟1张，原始分辨率）；
（6）具备USB、RS232等扩展接口。
（7）供电应具有二级防雷，能满足所有硬件正常工作；
（8）能实现所有设备间互联，速度不低于100Mbps；
（9）支持光纤传输，传输距离不少于200m；
（10）支持无线通讯功能。
4.2识别指标
天气现象视频智能观测仪实现自动观测识别的天气现象（或气象要素）应达到以下要求：
（1）总云量：
总云量按照云所占天空的百分比输出，误差不超过±10%。
能在日出后至日落前观测识别。
（2）云状：
云状按照29类云、视程障碍现象引起的云状无法辨明和无云31类输出，当同时存在多种云状时，按照占比大小输出云状，能在日出后至日落前观测识别。
（3）地面凝结现象：
霜、露、雨凇、雾凇4类现象各自按照有无输出，能全天观测识别。
（4）结冰和积雪：
结冰和积雪各自按照有无输出，能全天观测识别。
（5）雪深：
可借助雪深标尺，输出结果以cm为单位，取整数，误差不超过±1cm，能全天观测识别。
（6）扩展要素：
低云量按照低云所占天空的百分比输出，能在日出后至日落前观测识别。
云高有云时输出，以米为单位，取整数，能在日出后至日落前观测识别。
电线积冰为识别垂直摄像机视线方向上电线积冰平均直径，输出结果以mm为单位，取整数，能全天观测识别。
视程障碍现象（轻雾、雾、霾、浮尘、扬沙、沙尘暴）各自按照有无输出，能在日出后至日落前观测识别。
4.3环境适应性指标
4.3.1气候条件
设备在以下环境应正常工作：
（1）环境温度:
-45C～50C；
（2）相对湿度:
0﹪～100﹪；
（3）大气压力:
450hPa～1100hPa；
（4）最大抗阵风能力：
60m/s。
4.3.2机械条件
（1）在非工作包装状态下，应能通过如下等级的正弦振动试验：
正弦稳态振动：
位移1.5mm
加速度5m/s2
频率2～9Hz、9～200Hz
（2）在非工作包装状态下，应能通过如下等级的冲击试验：
脉冲波形：
半正弦波
峰值加速度：
50m/s2
脉冲持续时间：
30ms
冲击次数：
3个互相垂直的每一方向连续施加3次冲击，共18次。
4.3.3生物条件
应采取适当的防霉菌措施。
除非使用在特殊的环境条件或使用方有要求时，否则不必通过长霉试验来鉴定其抗霉菌能力。
应采取适当措施防止动物损坏，如鼠咬、蚁噬等。
4.3.4化学条件
正常大气条件下，应在材料、表面涂覆和工艺上采取相应的措施，使其具有一定的抗化学活性物质危害的能力，在产品寿命期内不致因腐蚀而引起产品的失效。
盐雾试验时间应不少于48小时，其他试验条件符合国家有关标准和行业标准的要求。
4.3.5电磁兼容
电磁抗扰度应满足表4.1试验内容和严酷度等级要求。
表4.1电磁抗扰度试验内容和严酷度等级
内容
试验条件
参考标准
交流电源端口
直流电源端口
控制和信号端口
浪涌（冲击）抗扰度
线对线：
±1KV
线对地：
±2KV
线对线：
±1KV
线对地：
±2KV
线对地：
±2KV
GB/T17626.5-2008
电快速瞬变脉冲群抗扰度
±2KV5KHz
±1KV5KHz
±1KV5KHz
GB/T17626.4-2008
射频电磁场辐射抗扰度
80MHz～1000MHz，3V/m，80﹪AM（1KHz）
GB/T17626.3-2006
静电放电抗扰度
接触放电：
±4KV，空气放电：
±8KV
GB/T17626.2-2006
4.4可靠性指标
应进行可靠性设计、试验和验证工作。
平均无故障工作时间（MTBF）大于5000h。
4.5可维护性指标
整个系统易于扩展和维修。
各部件的结构设计应充分考虑维修方便性、快捷性和不易误操作性。
接线标志清晰不易混淆，应采取充分的措施保证即使非专业人员操作也不易产生误操作。
平均维修时间（MTTR）要求：
≤40min。
4.6设备寿命
在正常的使用环境和维修维护的条件下，天气现象视频智能观测仪设计寿命应不小于10年。
5结构及材料要求
5.1外观要求
天气现象视频智能观测仪外观应整洁，无损伤和形变，表面涂层无气泡、开裂、脱落等现象。
铭牌、标识和标志应字迹清晰、完整、醒目。
5.2机械结构要求
结构应便于装配、调试、检验、包装、运输、安装及维护等。
各零部件应安装正确、牢固，无机械变形、断裂、弯曲等，操作部分不应有迟滞、卡死、松脱等。
安装支架结构坚固、造型美观，便于摄像机安装和维护，摄像机安装后无晃动，能满足天气现象视频智能观测仪观测需求。
5.3机械强度要求
各部件应有足够的机械强度和防腐蚀能力，确保在产品寿命期内，不因外界环境的影响和材料本身原因导致机械强度下降而引起危险。
5.4电缆连接要求
应选用合格电缆，并应有防水、防腐、抗磨和抗拉等特殊防护要求。
5.5材料与涂敷要求
应选用耐老化、抗腐蚀、具有良好的电气绝缘性能的材料，禁止使用不符合国家有关标准或行业标准的劣质材料。
各零部件表面应有涂、敷、镀等工艺措施，以保证其耐潮、防霉、防盐雾。
5.6安全要求
5.6.1电气安全
各硬件单元应有保护接地措施。
5.6.2安全标识
标记符合GB4793.1-2007《测量、控制和实验室用电气设备的安全要求》关于“设备用图形符号”的要求：
（1）交流电源接入端口设“当心电击危险”安全标记。
（2）低压直流电源接入端口以红色“＋”和黑色“－”标出极性，并标明额定电压值。
（3）电源开关标明电源“通”、“断”位置。
（4）标明电源熔断器额定电流值。
6供电要求
6.1主电源供电要求
交流供电AC220V（﹢10%～﹣15％）。
6.2备选电源供电要求
当安装地点没有交流电源或电源不理想时，可选择太阳能供电。
7防雷要求
天气现象视频智能观测仪应具备防直接雷击和雷击电磁脉冲的措施，防雷安全要求和设计应符合行业标准《气象台（站）防雷技术规范》（QX4-2015）和《气象信息系统雷击电磁脉冲防护规范》（QX3-2000）的要求。
8包装运输和安装要求
8.1包装运输要求
应存放在包装箱内，在运输和存储中不需要特殊处理即可空运或陆运。
包装箱应牢固，内有防潮、防振措施，并用充填物充填空隙，以保证在正常的储运、装卸条件下不因包装不善而引起产品的损坏、散失、锈蚀、长霉和精度降低等。
8.2安装要求
天气现象视频智能观测仪用于国家气象观测站时，应安装在观测场内西北角，观测场内无法安装时，可安装在观测场外开阔区域。
附录A天气现象视频智能观测仪输出图片命名规则
天气现象视频智能观测仪图片文件命名格式为：
Z_WLPD_I_IIiii_yyyyMMddHHmmss_O_RN-ZZ.jpg
天气现象视频智能观测仪图片文件存储路径为：
IIiii/RN/yyyyMMdd/
说明：
Z:
固定代码，表示文件为国内交换的资料。
WLPD：
固定代码，表示气象实况图片资料。
I：
固定代码，指示其后字段代码为测站区站号。
IIiii：
区站号。
yyyyMMddHHmmss：
文件生成的时间（国际时），年月日时分秒全编，位数不足补零。
O（大写字母）：
固定代码，表示文件为观测类资料。
RN：
固定数字编码（2位），表示摄像机编号。
按顺序编号，不足2位时，前面补“0”。
具体见下表。
摄像机编号
摄像机类型
10~19
鱼眼摄像机
20~59
普通摄像机
00~09，60~99
预留位
ZZ：
固定编码，表示固定目标代码，使用同一摄像机进行多种现象观测的，只按照较小目标代码输出和存储。
具体见下表。
目标代码
拍摄点位
01
云观测
02
雨凇、雾凇、电线积冰观测
03
露、霜、结冰、雪深观测
04
视程障碍现象观测
05
周边环境观测
06~99
预留位
jpg：
固定代码，表示为JPEG格式图片文件。
附录B天气现象视频智能观测仪输出数据格式
1数据传输
1.1握手机制
天气现象视频智能观测仪与观测业务终端计算机之间使用Socket进行通讯，天气现象视频智能观测仪作为Socket客户端，观测业务终端计算机作为Socket服务端进行连接。
天气现象视频智能观测仪数据传输握手机制同时具备主动发送和被动读取两种方式，默认为被动读取方式。
被动读取的方法为:
由终端计算机发送读取数据命令（READDATA），读取存储器中距当前时刻最近的数据，如果最近时刻数据与当前时刻时间差超过一帧则返回错误信息；主动发送的方法为：
由设备端按照帧标识类型主动向终端计算机发送数据。
1.2数据获取命令
1.2.1实时读取数据（READDATA）
功能：
读取最近一次的识别数据。
命令符：
READDATA
参数：
帧标识。
读取最近一次的对应帧标识数据，帧标识定义见2.1.2，当帧标识为001实时分钟帧标识时，必须缺省帧标识参数。
1.2.1历史数据下载（DOWN）
命令符：
DOWN
参数：
开始日期，开始时间，结束日期，结束时间[,帧标识]。
下载指定时间范围内对应帧类型的观测记录数据。
开始/结束日期的格式：
yyyy-MM-dd；开始结束/时间的格式：
HH:
mm:
ss。
1.3参数设置
天气现象视频智能观测仪各类参数不要求通过Socket通讯设置，但需提供友好界面方式进行设置。
2数据格式
2.1数据帧格式
数据帧格式参照《地面气象要素编码与数据格式》（GB/T33695-2017）。
一个完整数据帧包括5部分信息，分别为起始标识、数据包头、数据主体、校验码和结束标识。
其中起始标识、数据包头、校验码、结束标识部分数据定长；数据主体部分数据不定长，包含观测要素信息、观测数据质量控制信息和状态要素信息三部分。
数据帧传输采用ASCII字符（8Bit）；数据帧各信息段由一个或多个字段表示，字段间以英文半角字符‘,’分割。
一个完整的数据帧如下表所示。
起始标识
BG
数据包头
区站号
服务类型
设备标识位
设备ID
观测时间
帧标识
观测要素变量数
设备状态变量数
5位字符
2位数字
4位字母
3位数字
14位数字
3位数字
3位数字
2位数字
数据主体
观测数据和质量控制
状态信息
观测要素变量名1
观测要素变量值1
观测要素变量名m
观测要素变量值m
质量控制位
状态变量名1
状态变量值1
状态变量名n
状态变量值n
校验码
4位数字
结束标识
ED
在观测台站端，天气现象视频智能观测仪作为一个设备，所有识别算法融合后统一输出结果。
2.1.1起始标识
固定长度，2个字母，以“BG”表示。
2.1.2数据包头
区站号（5位字符），采用现有气象台站区站号不变，有新的气象台站号发布时不断更新。
服务类型（2位数字），00基准站，01基本站，02一般站，03区域气象站，04交通气象站，05电力气象站，06农业气象站，07旅游气象站，08海洋气象站，09风能气象站，10太阳能气象站，11生态气象站，12气象辐射站，13便携站，14自动气候站，15大气本底站，16大气成分站，17沙尘暴站，18环境气象站。
设备标识位（4位字母），天气现象视频智能观测仪使用“YWTQ”。
设备ID（3位数字），用于区分同一个区站号台站中的同类设备。
设备ID从000开始顺序编号。
观测时间（14位数字），采用北京时，年月日时分秒，yyyyMMddHHmmss，如20190315132500。
帧标识（3位数字），用于区分数据类型和观测时间间隔，由两部分组成：
D，T。
D为1位数字，用于区数据类型：
0代表实时数据，1代表定时数据。
T表示一个2位十进制数值，代表观测时间间隔：
00代表秒，01～59依次代表1～59分钟间隔，60～83依次代表1～24小时间隔。
如：
5分钟实时数据用005表示，整点定时数据用160表示。
观测要素变量数（3位数字），取值000～999，表示观测要素数量。
设备状态变量数（2位数字），取值01～99，表示状态变量数量。
2.1.3起始标识
不定长，包含观测数据、观测数据质量控制和状态数据三部分。
观测数据，由一系列观测要素数据对组成，数据对中观测要素变量名与变量值一一对应。
观测要素名按字母先后顺序输出。
观测数据质量控制，由一系列质量控制码组成，字符数量与观测要素变量数一致，一个字符代表一个数据的质量控制码，按顺序与观测数据中的数据对一一对应。
质量控制码定义与气象行业标准（QX/T118-2010）中地面气象观测资料质量控制一致。
状态数据，由一系列设备状态要素数据对组成，数据对中状态要素变量名与状态值一一对应。
设备状态变量名在设备状态编码表中定义说明，第一个状态变量名必须为设备自检状态，其他状态变量输出顺序不做明确要求。
状态值采用一个数字编码表示，状态值含义如下表所示。
状态码
状态描述
0
“正常”，设备状态节点检测且判断正常
1
“异常”，设备状态节点能工作，但检测值判断超出正常范围
2
“故障”，设备状态节点处于故障状态
3
“偏高”，设备状态节点检测值超出正常范围
4
“偏低”，设备状态节点检测值低于正常范围
5
“停止”，设备节点工作处于停止状态
6
“轻微”或“交流”，设备污染判断为轻微；或设备供电为交流方式
7
“一般”或“直流”，设备污染判断为一般；或设备供电为直流方式
8
“重度”或“未接外部电源”，设备污染判断为重度；或设备供电未接外部电源
2.1.4校验码
校验码，定长，4位数字。
采用校验和方式，对“BG”开始一直到校验段前、包括分隔符‘,’在内的全部字符以ASCII码全部累加。
累加值以10进制无符号编码，高位溢出，取低四位。
2.1.5结束标识
固定长度，2个字母，以“ED”表示。
2.2观测要素编码
2.2.1编码规则
观测要素名称对应的变量值是将原值乘以10的n次幂（n为比例因子，取值大于等于0）变为整数并以ASCII字符显示的数字字符串。
观测要素名称
单位名称
单位符号
扩大倍数
比例因子
云高
米
m
1
0
云量
百分数
%
10
1
雪深
厘米
cm
1（四舍五入取整）
0
最大积冰直径
毫米
mm
10
1
2.2.2变量名命名规则
观测要素名称对应的变量名编码由观测类、观测码和后缀三部分组成。
采用ASCII字符中的英文大小写字母、数字和下划线组合表示编码，区分大小写字母。
小写字母表示观测要素的特定含义数据。
天气现象视频智能观测仪观测要素观测类编码表如下。
编码
观测类名称
AH
降水（雪深）
AL
云
AN
天气现象
AP
电线积冰
观测码用大写字母和数字表示，用于表示观测要素类下相关气象要素名称。
具体如下表。
观测要素
编码
观测要素名称
单位
比例
因子
字节
长度
备注
AH：
降水类
AHH
雪深
cm
1
4
保留1位小数
ALA：
云高
ALA
云高
m
0
5
整数
ALC：
云量
ALC0
全天空总云量
%
1
4
保留1位小数
ALC1
低云云量
%
1
4
保留1位小数
ALE：
云类
ALE0
淡积云
0
1
1~9:
占比顺序
ALE1
碎积云
0
1
1~9:
占比顺序
ALE2
浓积云
0
1
1~9:
占比顺序
ALE3
秃积雨云
0
1
1~9:
占比顺序
ALE4
鬃积雨云
0
1
1~9:
占比顺序
ALE5
透光层积云
0
1
1~9:
占比顺序
ALE6
蔽光层积云
0
1
1~9:
占比顺序
ALE7
积云性层积云
0
1
1~9:
占比顺序
ALE8
堡状层积云
0
1
1~9:
占比顺序
ALE9
荚状层积云
0
1
1~9:
占比顺序
ALE10
层云
0
1
1~9:
占比顺序
ALE11
碎层云
0
1
1~9:
占比顺序
ALE12
雨层云
0
1
1~9:
占比顺序
ALE13
碎雨云
0
1
1~9:
占比顺序
ALE14
透光高层云
0
1
1~9:
占比顺序
ALE15
蔽光高层云
0
1
1~9:
占比顺序
ALE16
透光高积云
0
1
1~9:
占比顺序
ALE17
升级会员 