宁夏气象局宁夏750002
摘要：雷电预警有多种方式，利用卫星、雷达得到的实际观测资料与闪电定位、地面电场资料相结合，可得出重点区域的雷电活动情况，并可利用已基本完善的雷电预警平台发布预警信息。雷电监测和雷暴预警服务作为气象服务中的新产品，具有广泛的推广和应用价值。因此，雷电监测系统是防雷减灾中的重要组成部分。本文基于云计算的雷电监测预警与防护平台构建进行了分析。
关键词：云计算；雷电监测预警；防护平台
雷电监测预警系统的建立涉及多个领域，其中，通信、计算机网络等多种设施可为雷电监测预警系统提供雷电和雷暴预警专项服务。利用雷电监测预警系统，并根据雷电、雷达和卫星等相关历史资料，可提取与雷电相关的特征数据资料信息，这对研究强对流天气和雷电活动有重要的意义。
一、雷电基础知识
雷电是空气中的分子在外界环境的作用下形成的重力分离或摩擦起电现象，达到一定程度时会发生雷云带电的现象。自然界中的雷电可分为云闪、云地闪、球闪和诱发雷电等。其中，云地雷电是对地面威胁最大的雷电，是电力、航空和森林等领域的重点防御对象。SAFIR雷电监测系统可识别云地雷电，可对地面设备起到预警作用。雷电的整个放电过程持续在1s内，流程为：云层电荷形成电分布→初始击穿→梯级先导→联接过程→第一回击→K过程→J过程→直窜先导→第二回击。其中，回击过程具有电流大、时间短和辐射磁场较强等特点，是造成危害的主要原因。
二、建立雷电监测预警系统的意义
雷电探测技术是雷电科学的重要研究领域。雷电探测的主要内容有测量大气电场、测量闪电发生的时间和位置、测量闪电电流、测量回击峰值电流、测量地面电流。雷电监测预警系统的两大主要功能是实现雷电的监测定位和雷电的预警。
雷电监测定位包括测定雷击点的位置和发生时间，实时探测闪电参数及实时监测闪电活动。从雷电探测的内容看，它可以探测闪电每次回击过程的时间、位置、极性、峰值强度、波形特征参量(陡点时间、峰点时间、波形半周过零点时间等)、陡点值，通过Mawxell方程组还可导出放电电荷量、闪电辐射功率等参数。
雷电监测预警系统在雷电的研究、探测和防护中处于重要的位置。首先，雷电监测预警系统能提供长期的、大范围的、准确的闪电位置、闪电强度等参量，这些闪电参量可用于进一步研究闪电的放电过程和闪电活动的气候规律，从而增加了人们对雷电的认识，促进了雷电科学的发展。雷电监测预警系统通过实时监测闪电的发生发展情况，判断出雷暴的移动方向及速度并发出预警。可以应用于常规气象业务预报，或对一些需要重点防雷的区域进行监测预警，如为森林、航空航天、电力系统、建筑施工、风景区和娱乐场以及矿区提供雷暴的监测和预警，减小雷电所带来的损失。最后，闪电监测定位资料的积累和闪电活动规律的研究，可为合理设计雷电防护工程提供参考。如在对电力、电信、铁路和建筑等设施进行选址和规划时，应该尽量避开闪电活动频繁的地区，或者增强设施的雷电防护等级。
三、基于云计算的雷电监测预警与防护平台构建
1、基础设施层
雷电云基础设施层通过虚拟化技术对现有已部署的物理资源抽象成逻辑资源，并实现资源管理优化和负载均衡，向外提供动态、灵活的基础设施服务，从而提高硬件资源利用率。它由以下3个部分组成。
物理设备。由前期已搭建的服务器、存储设备、网络资源等硬件设施组成。
虚拟化部署。基于开源软件技术实现虚拟化引擎将物理设备整合成虚拟的资源池。
虚拟化集成管理。对虚拟化的计算、存储和网络硬件资源池进行管理，提供资源监控、负载均衡和虚拟管理等动态服务雷电云基础设施层实现计算、存储和网络资源的智能化管理。计算服务提供动态定制处理器数量和内存容量，可在虚拟化硬件上运行雷电计算和应用程序。存储为建立雷电云大数据中心、容灾备份中心提供数据存储空间。网络实现基础设施节点互联互通，为基础设施服务集群和负载均衡管理以及应用访问提供网络资源。雷电云基础设施面向开发者提供可快速部署、按需分配、弹性扩展的计算、存储和网络资源服务，为雷电云平台支撑层提供基础设施硬件支撑。
2、平台支撑层
雷电云平台支撑层实现数据的采集、存储、计算和服务化的核心技术研发，以软件资源为中心为开发者搭建通用的开发环境和易用的研发平台，最终为雷电云应用软件提供技术支撑服务，也可为电力系统在线监测其他软件研发提供敏捷开发服务，使技术人员从复杂细琐的底层硬件逻辑、网络协议和软件架构中解放出来。为了使平台具备通用性、易用性和安全性，构建的雷电云平台支撑层主要由以下模块组成。
资源层。以操作系统、数据库为基础，提供开源框架和中间件技术为软件开发创建环境，搭建通用性和可复用性的软件资源集合。
采集层。雷电云平台的核心资源是数据，全国各类雷电监测装置每天产生数亿条原始监测数据，电网相关设备每天新增数万条台账信息。雷电云平台基于TCP/IP、UDP/IP协议栈的开源网络通信MINA框架实现雷电探测站、大气电场仪、气象雷达等传感站的数据采集服务，采用Web服务技术实现电网设施基础参数及设备故障信息的自动同步接入。
存储层。存储结构化数据、非结构化数据，提供mysql、oracle等传统关系型数据存储服务和分布式文件系统（hadoopdistributedfilesystem，HDFS）对非结构化数据的存储服务，实现雷电云平台的海量数据存储，并具备容灾备份、恢复迁移等数据支撑能力。
计算层。雷电具有短时、突发、高密度等特性，单次雷暴就会产生数以万计的监测数据，雷电数据的实时、准确和快速计算分析是雷电云平台的核心支撑。
服务层。对雷电数据和目标设备数据结合行业防雷业务逻辑实现雷电应用功能的预处理并以RestWeb服务的方式对外发布，组建分布式服务总线为服务提供者注册服务和服务消费者调用服务，并行支持上层Web端和移动端应用软件的服务调用。
应用层。为雷电云平台应用软件提供技术支撑，可根据实际业务需求调取相应的服务接口。雷电云平台支撑层基于互联网开源框架开发，将核心通用技术资源整合成为一个面向服务的平台，从而为雷电应用软件开发提供可快速上线的基础，使得软件开发复杂的环境搭建、部署维护能以按需即用、随需应变的方式获取，以专业化协同分工的形式实现雷电云应用软件的开发和扩展敏捷化。
3、应用软件层
雷电云应用软件层是基于基础设施和平台支撑技术通过整合传统电网防雷业务研发出面向用户使用的集雷电预警预报、雷电实况监测、雷击事故诊断、雷害风险评估、雷害综合治理、雷电防护装备和防雷咨询服务等功能于一体的综合性云应用软件，采用面向服务的体系结构实现防雷业务逻辑的抽象分离以支持浏览器和移动终端的访问方式，从而向全社会开放电力系统长期积累的雷电数据和防雷应用服务。同时，在运营模式上，提供用户以租用的形式按需获取防雷应用服务，能够合理降低防雷应用成本。
结语：
综上所述，与现有雷电定位系统相比，雷电云平台将大幅提升海量雷电数据的计算处理、安全存储、开放共享能力和应用系统的并发访问水平，并依托互联网向全社会共享电力系统长期积累的雷电数据和防雷技术。
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