序論：在您撰寫防雷裝置在線監(jiān)測平臺的設(shè)計實現(xiàn)時，參考他人的優(yōu)秀作品可以開闊視野，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，引導您走向新的創(chuàng)作高度。

雷電具有強大的電流、熾熱的高溫、強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)合國減災十年”公布的影響人類活動的嚴重災害之一［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。雷電防護裝置（簡稱“防雷裝置”）人工檢測人力成本高，且檢測周期長，無法做到實時監(jiān)測［４］，不能及時發(fā)現(xiàn)防雷裝置出現(xiàn)的問題［５］，已無法滿足日益增長的防雷安全要求。隨著科技進步，社會進入萬物互聯(lián)的時代，防雷裝置在線監(jiān)測技術(shù)作為智能防雷體系的關(guān)鍵技術(shù)之一［６］，通過對防雷裝置系統(tǒng)進行科學、準確的實時監(jiān)測，結(jié)合數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能，及時發(fā)現(xiàn)防雷裝置存在隱患問題，促進更好地做好防雷安全工作［７］。

１系統(tǒng)設(shè)計

１．１總體結(jié)構(gòu)設(shè)計防雷裝置在線監(jiān)測平臺由監(jiān)測設(shè)備硬件系統(tǒng)和監(jiān)測平臺軟件系統(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、平臺運行服務器等；平臺軟件系統(tǒng)為支持Ｗｅｂ端訪問的應用程序。各數(shù)據(jù)采集設(shè)備實現(xiàn)對不同參數(shù)的計算采集，然后將采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備傳輸?shù)奖O(jiān)測平臺軟件系統(tǒng)。平臺軟件系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)層和應用層，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；應用層主要完成數(shù)據(jù)的可視化展示、對比統(tǒng)計分析、告警管理、設(shè)備管理和用戶管理等功能。

１．２在線監(jiān)測平臺設(shè)計１）參數(shù)測量原理。不同類型設(shè)備的數(shù)據(jù)測量原理各不相同，主要參數(shù)測量原理如下：

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

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

（３）雷電流測量。羅氏線圈是雷電流參數(shù)測量的核心元件，可對雷電流峰值和能量進行還原［９］，測量原理是法拉第電磁感應定律和安培環(huán)路定律，當被測電流通過羅氏線圈時，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)測量模塊電路由羅氏線圈、電壓比較器、信號采樣單元、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。由于羅氏線圈感應出的電壓很小，首先要加一個反相積分電路進行放大，接著要對感應電壓進行積分，這是一個非常重要的環(huán)節(jié)，一方面通過積分便于測量微小的感應電壓量；另一方面，電容可以過濾掉不必要的干擾。通過對羅氏線圈感應電壓的放大和積分處理，可還原出所測量的交流電流。電壓比較器的作用是控制采樣時間，比較器設(shè)置一個采樣閾值，當感應電壓值大于該閾值時，開始采樣，感應電壓值小于該閾值時停止采樣。為取得較好采樣效果，采樣時間間隔應該在１～４μｓ之間。雷電流峰值的測量通過峰值保持電路（圖３）實現(xiàn)，可以得到最大值感應電壓值，從而計算得到雷電流的最大值。２）功能模塊設(shè)計。

（１）設(shè)備管理。設(shè)備管理模塊主要功能是實現(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)備類型管理和設(shè)備實例管理兩部分功能實現(xiàn)。設(shè)備類型管理功能是實現(xiàn)設(shè)備功能屬性配置和動態(tài)調(diào)整。設(shè)備實例管理功能是在平臺中創(chuàng)建實現(xiàn)與實際監(jiān)測設(shè)備一一對應的設(shè)備實例，可以進行停止、啟用等管理。該平臺將同屬于同一個防雷裝置系統(tǒng)的在線監(jiān)測設(shè)備，歸到同一個場所管理，因此，在平臺上展示的是一個個雷電防護綜合系統(tǒng)的在線監(jiān)測。②設(shè)備接入及數(shù)據(jù)解析。設(shè)備接入在線監(jiān)測平臺的關(guān)鍵是根據(jù)設(shè)備的通訊協(xié)議和數(shù)據(jù)格式，通過在平臺Ｗｅｂ端的二次開發(fā)實現(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，實現(xiàn)平臺與設(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。防雷裝置的在線監(jiān)測包含外部防雷裝置監(jiān)測和內(nèi)部防雷裝置監(jiān)測，是一個綜合監(jiān)測系統(tǒng)。主要監(jiān)測內(nèi)容有：①接地裝置監(jiān)測。監(jiān)測參數(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電涌保護器（ＳＰＤ）監(jiān)測。ＳＰＤ監(jiān)測的參數(shù)包括：對地漏電流、遙信狀態(tài)、斷路器狀態(tài)、溫度（溫升）、報警輸出、相電壓、環(huán)境參數(shù)等等。其中，對地漏電流參數(shù)是判斷ＳＰＤ劣化損壞的關(guān)鍵指標。通過對漏電流大小可以初步判斷ＳＰＤ是否正常運行，通過漏電流平均值的趨勢變化可以進行ＳＰＤ的劣化預警?？諝忾_關(guān)或斷路器狀態(tài)，可以判斷ＳＰＤ是否接入電路進而起到保護作用；由于ＳＰＤ的劣化和損壞大部分都會出現(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。主要監(jiān)測參數(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)測參數(shù)包括雷電流極性、峰值、能量、波頭時間、半峰時間等，這對雷電防護研究、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。①基于ＧＩＳ的數(shù)據(jù)展示。該平臺以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)在地圖上的進行直觀展示，并可通過點擊跳轉(zhuǎn)到相應數(shù)據(jù)表格或曲線圖等展示界面。②查詢與統(tǒng)計。該平臺除了常規(guī)的條件查詢，還對監(jiān)測數(shù)據(jù)、告警信息進行多維度數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，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)計內(nèi)容有地電壓非零次數(shù)、接地電阻的年平均值和波動幅度、雷電流峰值平均值、雷擊次數(shù)、空氣開關(guān)斷開次數(shù)、接地狀態(tài)異常等。（４）告警管理。告警管理功能通過設(shè)置告警規(guī)則，當監(jiān)測設(shè)備或監(jiān)測平臺出現(xiàn)異常情況時自動發(fā)出告警信息。通過監(jiān)測登錄信息、終端實時數(shù)據(jù)上報信息、心跳包信息等內(nèi)容監(jiān)測設(shè)備及平臺的異常狀態(tài)；通過設(shè)置防雷裝置監(jiān)測數(shù)據(jù)的告警閾值，可以實現(xiàn)對防雷裝置異常狀態(tài)的監(jiān)測告警。

２關(guān)鍵技術(shù)

２．１開發(fā)工具為保證可移植性和可擴展性，平臺嚴格按照Ｊ２ＥＥ規(guī)范進行純ＪＡＶＡ語言開發(fā)。前端開發(fā)工具采用ＶｉｓｕａｌｓｔｕｄｉｏＣｏｄｅ，具有插件豐富、簡潔高效的特點。后端開發(fā)工具使用ＩｎｔｅｌｌｉＪＩＤＥＡ，其主要優(yōu)點有３個：（１）對Ｇｉｔ、Ｍａｖｅｎ、Ｓｐｒｉｎｇ具有良好的支持整合，其中Ｍａｖｅｎ用來構(gòu)建項目，Ｇｉｔ用來管理項目代碼，并采用分模塊的方式基于ＳｐｒｉｎｇＢｏｏｔ框架進行技術(shù)整合；（２）調(diào)試功能快捷強大；（３）前端使用簡潔高效；這些特點都大大提高項目管理和開發(fā)效率。

２．２開發(fā)技術(shù)為保證在線監(jiān)測平臺的兼容性和系統(tǒng)性能，采用多種先進的開發(fā)技術(shù)與設(shè)計方法，關(guān)鍵開發(fā)技術(shù)有５個方面。１）多線程Ｒｅａｃｔｏｒ設(shè)計模式（Ｒｅａｔｏｒ＋Ｅｐｏｌｌ的設(shè)計模式）。ＴＣＰ服務器采用多線程Ｒｅａｃｔｏｒ模式設(shè)計。它是基于非阻塞ＩＯ和ＩＯ多路復用的處理模式，是一種典型的事件驅(qū)動的編程模型。Ｒｅａｃｔｏｒ逆置了程序處理的流程，其基本的思想將對于ＩＯ的處理轉(zhuǎn)化為對事件的處理。事件分發(fā)器捕獲ＩＯ就緒事件，然后將就緒事件分發(fā)到對應的事件處理器，由處理器完成實際的ＩＯ操作。Ｅｐｏｌｌ函數(shù)通過一個事件表直接管理用戶感興趣的事件，采用回調(diào)的方式檢測就緒的事件，ｅｐｏｌｌ＿ｗａｉｔ函數(shù)的的參數(shù)ｅｖｅｎｔ用來反饋就緒的事件。通過ＩＯ復用引入ｅｐｏｌｌ函數(shù)對忙監(jiān)聽客戶端的接入，不需要主程序阻塞著去監(jiān)聽事件，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，用于實現(xiàn)設(shè)備端和服務器之間的連接。平臺使設(shè)備端服務與Ｗｅｂ端服務程序分離，以實現(xiàn)“高內(nèi)聚、低耦合”的設(shè)計，確保ＩｏＴＳｅｒｖｅｒ高效處理數(shù)據(jù)上傳。同時，通過ＩｏＴＳｅｒｖｅｒ采用Ｒｅａｃｔｏｒ設(shè)計模式，利用代理轉(zhuǎn)發(fā)功能進行負載均衡，通過配置ｆａｉｒ策略，可以智能地根據(jù)后端服務器的響應時間來分配請求，以實現(xiàn)多個服務器之間負載均衡。３）數(shù)據(jù)緩存技術(shù)。（１）為滿足頻繁訪問的業(yè)務數(shù)據(jù)，采用一級緩存和二級緩存的策略，對上一次的訪問結(jié)果進行緩存，同時對緩存設(shè)定有效期，避免出現(xiàn)緩存數(shù)據(jù)過多的問題；（２）對于實時性非常高的熱點數(shù)據(jù)，采用ｒｅｄｉｓ內(nèi)存數(shù)據(jù)庫做數(shù)據(jù)緩存，將當前的登錄信息、設(shè)備影子數(shù)據(jù)等熱點數(shù)據(jù)保存在ｒｅｄｉｓ中，由此，Ｗｅｂ端不需要經(jīng)常直接訪問ＭｙＳＱＬ數(shù)據(jù)庫，大大提高數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)運行效率。４）系統(tǒng)二次開發(fā)擴展。該平臺支持二次開發(fā)，使用ＪａｖａＳｃｒｉｐｔ語言，支持ＥＣＭＡＳｃｒｉｐｔ５．１規(guī)范，通過編寫ＪＳ腳本，將設(shè)備登錄、實時上報數(shù)據(jù)解析出檢測數(shù)據(jù)值，并按平臺的標準格式存儲到數(shù)據(jù)庫中?？梢詫崿F(xiàn)將不同廠商、不同類型的設(shè)備接入到本平臺中，大大提高了平臺對監(jiān)測設(shè)備的兼容性，也使平臺對硬件的升級可快速調(diào)整，提高系統(tǒng)的可用性。５）其他技術(shù)。安全性方面，該平臺從應用安全、數(shù)據(jù)安全、主機安全和網(wǎng)絡安全４個方面進行設(shè)計，采用身份鑒別、訪問控制、安全審計、剩余信息保護、通信完整性、通信保密性、抗抵賴、軟件容錯、資源控制、數(shù)據(jù)備份和回復、代碼安全等多種安全技術(shù)，保證了平臺的安全性。高性能方面，平臺采用差異化硬件配置、服務器分級策略、數(shù)據(jù)緩存技術(shù)、索引技術(shù)、數(shù)據(jù)庫分表分庫、前后端分離技術(shù)、分布式架構(gòu)等先進技術(shù)，多方面保證平臺運行穩(wěn)定高效。

３系統(tǒng)使用效果

３．１系統(tǒng)運行效果該平臺自２０２０年８月在韶關(guān)新豐、河源紫金、惠州龍門的氣象觀測場安裝防雷裝置在線監(jiān)測設(shè)備并在平臺上線以來，平臺運行流暢、安全、穩(wěn)定。

３．２系統(tǒng)應用效果防雷裝置在線監(jiān)測平臺上線以來，取得良好應用效果。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（１）為更好做好防雷安全工作提供的技術(shù)保障。平臺已經(jīng)為部分普通建筑物、氣象觀測場、通信鐵塔等場所提供在線監(jiān)測服務，實現(xiàn)防雷裝置運行狀態(tài)和主要性能參數(shù)的３６５×２４ｈ實時監(jiān)測，多次及時發(fā)現(xiàn)空氣開關(guān)斷開、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，共同推動防雷裝置在線監(jiān)測技術(shù)的健康高質(zhì)量發(fā)展。（３）平臺實現(xiàn)的分鐘級監(jiān)測數(shù)據(jù)，已嘗試應用于雷電科學研究。該平臺實現(xiàn)了對防雷裝置系統(tǒng)的綜合實時監(jiān)測，同時具備設(shè)備管理、告警管理、統(tǒng)計分析等重要功能，在防雷裝置在線監(jiān)測領(lǐng)域處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。其設(shè)計理念、設(shè)計策略和開發(fā)技術(shù)，為防雷裝置在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展乃至智能防雷技術(shù)發(fā)展提供了有價值的參考。

參考文獻：

［１］陳紹東，陳綠文，杜賽，等．廣東省中部地區(qū)雷暴團特征的初步分析［Ｊ］．廣東氣象，２０２１，４３（５）：２８－３１．

［２］劉世宇，高攀亮．新型雷電防護在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應用［Ｊ］．儀器儀表用戶，２０１９（２６）：２７－３２．

［３］毛慧琴，宋麗莉，劉愛君，等．廣東省雷暴天氣氣候特征分析［Ｊ］．廣東氣象，２００５，２７（２）：７－９．

［４］羅志勇，于明洋，許暉．電源ＳＰＤ在線接地狀態(tài)監(jiān)測路徑與方法的研究［Ｊ］．價值工程，２０１９，３８（１７）：１９５－１９８．

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 中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所