天气现象视频智能观测仪.docx

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天气现象视频智能观测仪

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