CN109599852B - 防雷*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种防雷***，该防雷***包括趋势预判模块、实时预警模块以及电磁中和模块；上述模块相互之间通信连接；趋势预判模块利用第一道防线，计算雷电移动趋势，提供第一预设时长内雷电趋势预判，为用户合理安排户外作业以及户外活动时间提供辅助决策；实时预警模块利用第二道防线，实时监测电场值，提供第二预设时长内雷电趋势预报，为用户是否提前结束户外作业及户外活动提供预警参考；电磁中和模块利用第三道防线，对地表面雷云闪电产生的空间磁场进行雷电电磁中和，降低空间电磁场强度；达到了采用多道防线进行雷击防护的目的，降低了雷电所可能带来的危害。

Description

防雷***
技术领域
本发明涉及防雷避雷技术领域，特别涉及一种防雷***。
背景技术
现代防雷保护包括外部防雷保护(建筑物防雷)和内部防雷保护(防雷电电磁脉冲)两部份，外部防雷***主要是为了保护建筑物免受雷击引起火灾事故及人身安全事故，而内部防雷***则是防止雷电和其他形式的过电压侵入设备造成的毁坏，这是外部防雷***无法保证的。为了实现内部避雷，进出各保护区的电缆、金属管道等都需要连接避雷及过电压保护器，并实现等电位连接。
由于传统的防雷措施采用的是一种被动的、盲目的防护方式，因此，虽然投入了大量的资金，做了传统的防雷措施，但雷击事故依然频发；而现有的常用的防雷措施则不能获知雷击点位置，因此无法及时排查安全隐患。
发明内容
本发明提供一种防雷***，用以利用闪电定位进行雷电趋势预判和雷电预警，并采用多道防线进行雷击防护，降低雷电所可能带来的危害。
本发明提供了一种防雷***，所述防雷***包括趋势预判模块、实时预警模块以及电磁中和模块，所述趋势预判模块、实时预警模块以及电磁中和模块之间通信连接；其中：
趋势预判模块利用第一道防线，计算雷电移动趋势，提供第一预设时长内雷电趋势预判，为用户合理安排户外作业以及户外活动时间提供辅助决策；
实时预警模块利用第二道防线，实时监测电场值，提供第二预设时长内雷电趋势预报，为用户是否提前结束户外作业及户外活动提供预警参考；
电磁中和模块利用第三道防线，对地表面雷云闪电产生的空间磁场进行雷电电磁中和，降低空间电磁场强度。
进一步地，所述防雷***还包括在线监测模块；
所述在线监测模块利用第四道防线，针对第三道防线未完全中和的空间磁场中的雷电电磁对地泄放。
进一步地，所述在线监测模块还用于：
利用在线监测功能，获取第一道防线、第二道防线以及第三道防线的防护性能参数以及防护效果，并进行风险分析评估，基于风险分析评估结果，对所述第一道防线、第二道防线以及第三道防线和第四道防线进行升级优化调整。
进一步地，所述第一道防线包括闪电定位仪和监测卫星；
所述趋势预判模块利用闪电定位仪获取定位信息并结合卫星监测数据，进行闪电定位，分析未来12～48小时内的雷云闪电移动趋势，并提供未来48小时内的雷电趋势预判，为用户合理安排户外作业以及户外活动时间提供辅助决策。
进一步地，所述趋势预判模块进行闪电定位时，获取监测站点在球面空间的位置坐标以及所述监测站点距离地表面的高度；
利用闪电在空气中的平均传输速度来获取闪电位置到所述监测站点的直线距离；
根据获取的上述参数，定义极值约束方程式，获取定义的所述极值约束方程式的极小值，得到闪电的位置坐标。
进一步地，所述趋势预判模块获取监测站点在球面空间的位置坐标Si(xi，yi，zi)以及所述监测站点距离地表面的高度Hi；其中，i＝1，2……N；
获取闪电位置P(xp，yp，zp)到所述监测站点的直线距离Dpsi为：
Dpsi＝c(ti-tp)；
其中，c为闪电的平均传播速度，ti为闪电到达所述监测站点Si的时间点，tp为闪电到达所述闪电位置P的时间点；
根据获取的所述直线距离Dpsi，得到：
(xp-xi)2+(yp-yi)2+(zp-zi)2＝c2(ti-tp)2；
定义极值约束方程式：
其中，R为预设的地表面到构建的球面空间的位置坐标系的原点的距离，H为闪电位置距离地表面的高度；
基于定义的所述极值约束方程式，获取其对应的极值：
取极小值，得到闪电位置P(xp，yp，zp)。
进一步地，所述第二道防线包括电场仪；
所述实时预警模块根据导体在电场中产生感应电荷的原理，利用所述电场仪实时读取对应的电场值，并基于读取的电场值，分析获取局部地区在未来0.5～2小时内可能潜在的雷暴活动及静电电击的危险等级，为用户是否提前结束户外作业及户外活动提供预警参考。
进一步地，所述第三道防线包括电磁中和器；
当所述电磁中和器上感应的电荷量达到预设阈值时，所述电磁中和模块利用所述电磁中和器将感应的电荷对地泄放，对地表面产生的空间磁场进行雷电电磁中和，降低空间电磁场强度。
进一步地，所述防雷***还包括数据处理模块；
所述数据处理模块采集并存储整个防护过程中的数据信息，生成数据报表并实时上报至预设终端，供技术人员对实时防雷数据和历史防护状态进行查询。
进一步地，所述数据处理模块还具备打印功能，将生成的数据报表进行打印输出，供技术人员对实时防雷数据和历史防护状态进行查看。
本发明一种防雷***可以达到如下有益效果：
通过趋势预判模块利用第一道防线，计算雷电移动趋势，提供第一预设时长内雷电趋势预判，为用户合理安排户外作业以及户外活动时间提供辅助决策；实时预警模块利用第二道防线，实时监测电场值，提供第二预设时长内雷电趋势预报，为用户是否提前结束户外作业及户外活动提供预警参考；电磁中和模块利用第三道防线，对地表面雷云闪电产生的空间磁场进行雷电电磁中和，降低空间电磁场强度；达到了采用多道防线进行雷击防护的目的，降低了雷电所可能带来的危害。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所指出的内容来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明一种防雷***的一种实施方式的流程示意图；
图2是本发明一种防雷***的另一种实施方式的流程示意图；
图3是本发明一种防雷***进行闪电定位的一种实施方式的定位原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种防雷***，用以利用闪电定位进行雷电趋势预判和雷电预警，并采用多道防线进行雷击防护，降低雷电所可能带来的危害。
如图1所示，图1是本发明一种防雷***的一种实施方式的流程示意图；本发明一种防雷***在图1所述的实施方式中，包括趋势预判模块100、实时预警模块200以及电磁中和模块300；上述这个模块在所述防雷***内相互通信连接，共同执行防雷***对应的雷电预警和雷击防护的操作事件。
在一个实施例中，趋势预判模块100利用第一道防线，计算雷电移动趋势，提供第一预设时长内雷电趋势预判，为用户合理安排户外作业以及户外活动时间提供辅助决策；比如，趋势预判模块100利用第一道防线计算并预判雷电可能的移动趋势，提供48小时内雷电趋势预判，从而为用户合理安排户外作业以及户外活动时间提供辅助决策和重要参考。
实时预警模块200利用第二道防线，实时监测电场值，提供第二预设时长内雷电趋势预报，为用户是否提前结束户外作业及户外活动提供预警参考；比如，实时预警模块200利用第二道防线，基于导体在电场中产生感应电荷的原理，利用电场数据处理设备即可实时读取出当时的电场值，并将读取的电场值进行数据处理后，传输至计算机由专用软件分析处理，即可对局部地区潜在的雷暴活动以及静电点击的危险性做出预报，例如在雷电发生前半小时至两小时内发出预警，为用户是否提前结束户外作业以及户外活动提供预警参考。
电磁中和模块300利用第三道防线，对地表面雷云闪电产生的空间磁场进行雷电电磁中和，降低空间电磁场强度。由于雷电发生前后，80％以上的电子设备损坏均来自于电磁波的辐射，因此中和空间磁场强度、破坏雷电闪击通道的形成，才是预防直击雷和雷电电磁辐射危害的关键手段。电磁中和模块300利用第三道防线进行雷电电磁中和，即可降低空间电磁场强度，预防直击雷和雷电电磁辐射的危害。
本发明一种防雷***通过趋势预判模块利用第一道防线，计算雷电移动趋势，提供第一预设时长内雷电趋势预判，为用户合理安排户外作业以及户外活动时间提供辅助决策；实时预警模块利用第二道防线，实时监测电场值，提供第二预设时长内雷电趋势预报，为用户是否提前结束户外作业及户外活动提供预警参考；电磁中和模块利用第三道防线，对地表面雷云闪电产生的空间磁场进行雷电电磁中和，降低空间电磁场强度；达到了采用多道防线进行雷击防护的目的，降低了雷电所可能带来的危害。
如图2所示，图2是本发明一种防雷***的另一种实施方式的流程示意图；本发明一种防雷***在图2所述的实施例中，还包括在线监测模块400；所述在线监测模块400利用第四道防线，针对第三道防线未完全中和的空间磁场中的雷电电磁对地泄放。
比如，在一个具体的应用场景中，该在线监测模块400上设置对应的避雷针，针对电磁中和模块300使用第三道防线尚未完全进行电磁中和的电荷，避雷针与电磁中和模块300中设置的对应的电磁中和器相配合，避雷针通过向上放电和雷电云团的下行电荷行形成放电通道，以泄放雷电云团中由所述电磁中和模块300中电磁中和器进行电荷中和作用后剩余的电荷。
进一步地，在线监测模块400还利用在线监测功能，获取上述第一道防线、第二道防线以及第三道防线的防护性能参数以及防护效果，并进行风险分析评估，基于风险分析评估结果，对所述第一道防线、第二道防线以及第三道防线和第四道防线进行升级优化调整。
比如，在线监测模块400监测到防雷***中设置的防雷装置损坏或者接地电阻超标时，所述在线监测模块400能够及时发出报警信息，并显示故障状态、故障位置和故障类型，提示工作人员进行及时维护。或者，当在线监测模块400监测到防雷***中设置的防雷装置脱离该防雷***时，在线监测模块400在对应的用户操作界面上显示脱离防雷***的防雷装置的唯一编号和所在位置，并提示工作人员该防雷装置未处于保护状态，需采取相应措施。该在线监测模块400还可以对防雷装置的劣化程度进行检测分析，当对应的防雷装置的劣化程度达到预设劣化等级时，该在线监测模块400进行在线预警，及时提醒工作人员进行对应器件的更换，从而避免因器件劣化所可能导致的雷电防护失效的问题。在一具体的应用场景中，比如在线监测模块400监测到浪涌保护器出现对应的故障时，该在线监测模块400可以给绑定的工作人员的手机上发送即时短信，提示工作人员及时进行维护等。在不同的应用场景中，该在线监测模块400可以被赋予不同的功能和职能以及具体的实现方式，本发明实施例对在线监测模块400的具体功能和执行方式不进行一一穷举和赘述。
针对图1和图2所述的防雷***，在一优选的实施例中，所述第一道防线包括闪电定位仪和监测卫星；所述趋势预判模块100利用闪电定位仪获取定位信息并结合卫星监测数据，进行闪电定位，分析未来12～48小时内的雷云闪电移动趋势，并提供未来48小时内的雷电趋势预判，为用户合理安排户外作业以及户外活动时间提供辅助决策。
进一步地，所述趋势预判模块100进行闪电定位时，获取监测站点在球面空间的位置坐标以及所述监测站点距离地表面的高度；利用闪电在空气中的平均传输速度来获取闪电位置到所述监测站点的直线距离；根据获取的上述参数，定义极值约束方程式，获取定义的所述极值约束方程式的极小值，得到闪电的位置坐标。
例如，在如图3所示的一个具体的应用场景中，所述趋势预判模块100获取监测站点在球面空间的位置坐标Si(xi，yi，zi)以及所述监测站点距离地表面的高度Hi；其中，i＝1，2……N；
获取闪电位置P(xp，yp，zp)到所述监测站点的直线距离Dpsi为：
Dpsi＝c(ti-tp)；
其中，c为闪电的平均传播速度，ti为闪电到达所述监测站点Si的时间点，tp为闪电到达所述闪电位置P的时间点；
根据获取的所述直线距离Dpsi，得到：
(xp-xi)2+(yp-yi)2+(zp-zi)2＝c2(ti-tp)2；
定义极值约束方程式：
其中，R为预设的地表面到构建的球面空间的位置坐标系的原点的距离，H为闪电位置距离地表面的高度；
基于定义的所述极值约束方程式，获取其对应的极值：
取极小值，即可得到闪电位置P(xp，yp，zp)。
在一优选的实施例中，所述第二道防线包括电场仪；所述实时预警模块200根据导体在电场中产生感应电荷的原理，利用所述电场仪实时读取对应的电场值，并基于读取的电场值，分析获取局部地区在未来0.5～2小时内可能潜在的雷暴活动及静电电击的危险等级，为用户是否提前结束户外作业及户外活动提供预警参考。
在一优选的实施例中，所述第三道防线包括电磁中和器；当所述电磁中和器上感应的电荷量达到预设阈值时，所述电磁中和模块300利用所述电磁中和器将感应的电荷对地泄放，对地表面产生的空间磁场进行雷电电磁中和，降低空间电磁场强度。
在本发明一优选的实施例中，由于雷电产生的不确定性，有可能在某些应用场景布置了大量的电磁中和器，但是其产生雷电的概率极低，势必会造成极大的资源浪费；相应的，在某些应用场景布置的电磁中和器的数量较少或者一般，但是由于其产生雷电的概率很高，可能并不能达到防护目的，防护目标有被雷击的风险，因此合理的布置电磁中和器显得尤为关键。
本发明采用神经网络算法对雷电进行预测，并为防护目标设置与该防护目标相匹配的电磁中和器，该实施过程可以按照如下描述的方式执行：
采集可能导致雷电产生的因素指标和雷电产生前的环境数据，并对采集的所述因素指标和环境数据对应的每一个雷电数据组以及所述雷电数据组的相关指标进行编号；
利用所述雷电数据组及其编号后的相关指标，设计神经网络算法；
随机将所述雷电数据组分成两组，利用其中的一组数据对设计的所述神经网络进行训练，利用另一组数据对设计的所述神经网络进行模拟预测，训练得出最优的阈值和权值后，重复上述操作至预设次数，取最终拟合的最优的参数；
利用得到的所述最优的参数，根据所述神经网络算法，计算得到雷电产生的概率P；
根据雷电产生概率P和防护目标对应的防护等级，按照预设算法为所述防护目标设置相匹配的电磁中和器。
在一个具体的应用场景中，首先采集一定数量的产生雷电的数据，以及雷电产生所在地区的潜在性能度指数、对流性稳定指数、雷电发生概率等可能导致雷电产生的因素指标。对每一个雷电数据及其相关指标进行编号，设为Li，Li表示每个雷电数据组，包括雷电产出前的环境数据，其中i＝(1，2，…，n)，i表示每个雷电数据组的序号，则对于雷电产生的概率P有：
其中，hj的计算公式为：
其中：H表示神经元个数，j表示神经元的序号，α和β为神经网络的权值与阈值，α0的取值范围为[0.5，1]，可根据拟合效果进行调整，f为logistic函数，f0的值为0.5，其具体计算公式为：
其中z为logistic函数的变量，此处z的计算公式为：
为了对该神经网络进行训练，随机对采集的数据分成两组，一组进行训练，一组进行模拟预测，训练得出最优的阈值和权值后，再重复上述操作至预设次数，比如共进行20次随机分组训练，取最终拟合的最优的参数。
根据神经网络算法计算得出的雷电产生的概率P，利用雷电产生概率P以及防护目标的等级，按如下公式为所述防护目标设置与该防护目标相匹配的电磁中和器：
其中：P为雷电产生的概率，M为电磁中和器的数量，取计算结果的整数值；G为防护目标的等级，不同场所防护等级不同，最高为5级，最低为1级，G的取值为1、2、3、4、5。
根据计算得出的电磁中和器的数量M，为该防护目标配置M个电磁中和器。
基于图1和图2所述的防雷***，在一优选的实施例中，所述防雷***还包括数据处理模块；所述数据处理模块采集并存储整个防护过程中的数据信息，生成数据报表并实时上报至预设终端，供技术人员对实时防雷数据和历史防护状态进行查询。比如，所述数据处理模块对遭受雷击所涉及的所有相关信息进行实时采集，并将采集的数据进行记录和存储；按照预先设定的周期，根据采集的数据生成对应的数据报表，并将生成的数据报表发送至预设终端，供技术人员针对实时防雷数据和该防雷***的历史防护状态进行查询，以便根据查询的上述实时防雷数据和历史防护状态，更好地更新或者改进该防雷***，从而达到更好的防雷效果且利用更低的成本或者采取更便捷的防雷手段，即可达到相同甚至更优的防护效果。
在一优选的实施例中，所述数据处理模块还具备打印功能，所述数据处理模块将生成的数据报表进行打印输出，供技术人员对实时防雷数据和历史防护状态进行查看。另外，该数据处理模块还具备显示的功能，比如，对防雷***的实时工作状态以及故障报警时对应的防护状态进行即时显示和记录，以便技术人员快速便捷地掌握该防雷***对应的工作状态和防护状态。
本发明防雷***通过在线监测功能和数据处理模块的信息采集功能、显示和打印功能等功能的配置，使得防雷***的工作状态变得可视化，提高了防雷的便捷性和智能性，更进一步地提高了防雷工作的可靠性和可控性。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种防雷***，其特征在于，所述防雷***包括趋势预判模块、实时预警模块以及电磁中和模块，所述趋势预判模块、实时预警模块以及电磁中和模块之间通信连接；其中：
趋势预判模块利用第一道防线，计算雷电移动趋势，提供第一预设时长内雷电趋势预判，为用户合理安排户外作业以及户外活动时间提供辅助决策；
实时预警模块利用第二道防线，实时监测电场值，提供第二预设时长内雷电趋势预报，为用户是否提前结束户外作业及户外活动提供预警参考；
电磁中和模块利用第三道防线，对地表面雷云闪电产生的空间磁场进行雷电电磁中和，降低空间电磁场强度；
所述趋势预判模块进行闪电定位时，获取监测站点在球面空间的位置坐标以及所述监测站点距离地表面的高度；
利用闪电在空气中的平均传输速度来获取闪电位置到所述监测站点的直线距离；
根据获取的上述参数，定义极值约束方程式，获取定义的所述极值约束方程式的极小值，得到闪电的位置坐标。
2.如权利要求1所述的防雷***，其特征在于，所述防雷***还包括在线监测模块；
所述在线监测模块利用第四道防线，针对第三道防线未完全中和的空间磁场中的雷电电磁对地泄放。
3.如权利要求2所述的防雷***，其特征在于，所述在线监测模块还用于：
利用在线监测功能，获取第一道防线、第二道防线以及第三道防线的防护性能参数以及防护效果，并进行风险分析评估，基于风险分析评估结果，对所述第一道防线、第二道防线以及第三道防线和第四道防线进行升级优化调整。
4.如权利要求1所述的防雷***，其特征在于，所述第一道防线包括闪电定位仪和监测卫星；
所述趋势预判模块利用闪电定位仪获取定位信息并结合卫星监测数据，进行闪电定位，分析未来12～48小时内的雷云闪电移动趋势，并提供未来48小时内的雷电趋势预判，为用户合理安排户外作业以及户外活动时间提供辅助决策。
5.如权利要求1所述的防雷***，其特征在于，所述趋势预判模块获取监测站点在球面空间的位置坐标Si(xi，yi，zi)以及所述监测站点距离地表面的高度Hi；其中，i＝1，2……N；
获取闪电位置P(xp，yp，zp)到所述监测站点的直线距离Dpsi为：
Dpsi＝c(ti-tp)；
其中，c为闪电的平均传播速度，ti为闪电到达所述监测站点Si的时间点，tp为闪电到达所述闪电位置P的时间点；
根据获取的所述直线距离Dpsi，得到：
(xp-xi)2+(yp-yi)2+(zp-zi)2＝c2(ti-tp)2；
定义极值约束方程式：
其中，R为预设的地表面到构建的球面空间的位置坐标系的原点的距离，H为闪电位置距离地表面的高度；
基于定义的所述极值约束方程式，获取其对应的极值：
取极小值，得到闪电位置P(xp，yp，zp)。
6.如权利要求1所述的防雷***，其特征在于，所述第二道防线包括电场仪；
所述实时预警模块根据导体在电场中产生感应电荷的原理，利用所述电场仪实时读取对应的电场值，并基于读取的电场值，分析获取局部地区在未来0.5～2小时内可能潜在的雷暴活动及静电电击的危险等级，为用户是否提前结束户外作业及户外活动提供预警参考。
7.如权利要求1所述的防雷***，其特征在于，所述第三道防线包括电磁中和器；
当所述电磁中和器上感应的电荷量达到预设阈值时，所述电磁中和模块利用所述电磁中和器将感应的电荷对地泄放，对地表面产生的空间磁场进行雷电电磁中和，降低空间电磁场强度。
8.如权利要求1至7任一项所述的防雷***，其特征在于，所述防雷***还包括数据处理模块；
所述数据处理模块采集并存储整个防护过程中的数据信息，生成数据报表并实时上报至预设终端，供技术人员对实时防雷数据和历史防护状态进行查询。
9.如权利要求8所述的防雷***，其特征在于，所述数据处理模块还具备打印功能，将生成的数据报表进行打印输出，供技术人员对实时防雷数据和历史防护状态进行查看。
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