年預計雷擊頻次GUI計算程序的設計與探討

姚森泉,韋思翾,關卓斌

(1.廣寧縣突發事件預警信息發布中心,廣寧 526300;2.廣東省肇慶市高要區氣象局,高要 526100)

0 引言

雷電是發生在地球大氣中的瞬間強烈放電過程,對自然環境和人們的生命財產安全有重大影響。廣東省地處副熱帶,太陽輻射強,強對流活動頻繁,雷擊事件頻發。隨著雷電科學的發展,人們對雷電的認識逐步加深,為保障人民的生命財產安全,采取積極的雷電防護措施是十分必要的[1]。雷電防護裝置是目前人工防御雷電災害的主要手段。年預計雷擊頻次是對建筑物進行雷擊風險評估的重要參數之一,其數值的大小影響著建筑物防雷類別的劃分和雷電防護措施的選擇。計算建筑物年預計雷擊頻次的方法有公式法和作圖法兩種,公式法適用于外形簡單的建筑物,作圖法適用于外形復雜的建筑物[2]?？紤]到計算流程比較繁瑣,以及實際情況復雜多變,文章開發了年預計雷擊頻次GUI計算程序并在AutoCAD中構建了三維模型,旨在為防雷技術人員的雷電災害防御工作提供技術支撐。

1 GUI計算程序設計

年預計雷擊頻次GUI計算程序的開發基于Python語言,程序代碼分為窗口界面代碼和業務邏輯代碼兩部分。窗口界面代碼的主要功能是實時獲取用戶輸入的參數和顯示業務邏輯代碼運行后的結果;業務邏輯代碼的主要功能是對用戶輸入的參數進行判別和分類,然后執行對應的運算流程。

程序以GB 50057—2010《建筑物防雷設計規范》附錄A以及GB 50343—2012《建筑物電子信息系統防雷技術規范》第4.2條和附錄A中的計算流程作為業務邏輯代碼的標準,窗口界面主要參數的符號、名稱、單位和解釋說明與規范中的表述相一致。利用Qt Designer設計窗口和窗口上的控件,對窗口及窗口控件之間的聯動進行編程,將窗口的設計與對窗口的編程分離開來,將窗口界面代碼和業務邏輯代碼分別儲存到不同的模塊之中,實現窗口和業務的獨立編程,使二者代碼的設計與優化可同步進行。

1.1 窗口界面模塊

程序的窗口界面分為GB 50057(N),GB 50343(N)和GB 50343(Nc&LPL)3個版塊,這3個版塊集成在一個切換卡控件QTabWidget中。切換卡控件是一種容器控件,在每頁卡片中設置標簽控件QLabel、數字輸入控件QDoubleSpinBox和下拉列表框控件QComboBox 3種控件,將這3種控件作為主要控件,用以實現軟件的應用功能;其他控件均用來實現窗口界面的布局和美化功能。

標簽控件QLabel通常用于在窗口界面上顯示提示性信息,主要用于實現參數的符號、數值、單位與說明信息的顯示。

數字輸入控件QDoubleSpinBox是專門用于輸入數值的控件,且輸入的數值為浮點數,主要用于實現參數輸入、限制參數的取值范圍和顯示特殊文本的功能,實現了用戶使用鼠標連續輸入參數并執行運算的功能,用戶亦可以直接使用鍵盤輸入參數。

下拉列表框控件QComboBox是提供一個下拉式選項列表供用戶選擇,主要用于選取預設的條件以篩選特定的參數值。

1.2 業務邏輯模塊

業務邏輯模塊對應窗口界面的3個設計版塊,業務邏輯代碼應有分別對應的主要功能部分,各部分代碼的編寫要點如下:

1)GB 50057(N)部分執行GB 50057-2010《建筑物防雷設計規范》附錄A中的計算標準。需要用戶選擇或輸入的參數有校正系數k及其取值條件、年平均雷暴日Td、與建筑物截收相同雷擊頻次的等效面積Ae及其取值條件、建筑物的長l、寬b、高h和周邊建筑物與所考慮建筑物邊長平行以米為單位的長度總和L。程序窗口界面輸出的參數有建筑物年預計雷擊頻次N、建筑物所處地區雷擊大地的年平均密度Ng和建筑物每邊的擴大寬度D。k的取值有1.0,1.5,1.7和2.0,分別對應“一般情況”“位于土壤電阻率較小處、地下水露頭處、土山頂部、山谷風口等處的建筑物,以及特別潮濕的建筑物”“金屬屋面沒有接地的磚木結構建筑物”和“位于山頂上或曠野的孤立建筑物”4種不同的取值條件。k的數值與取值條件相對固定,且兩者之間的對應關系明確,可將其組合為鍵值對用以創建字典。而4種取值條件可添加至下拉列表框控件QComboBox中供用戶選擇,使用for循環和if語句進行遍歷與索引,從而實現k值的選取。Ng是通過用戶輸入Td的數值并根據公式Ng=0.1Td計算得出的,而Td可通過數字輸入控件QDoubleSpinBox進行輸入,考慮了極端取值后Td的取值范圍可確定為[0,366],微調步長宜設置為0.1。Ae的計算需要確定l,b,h和l的數值及確定建筑物周邊的情況,Ae的計算方式由h的數值和建筑物周邊的情況共同決定。D是通過用戶輸入h的數值并根據公式計算得出的。建筑物周邊的情況有“一般”“周邊在2D范圍內有等高或較低的其他建筑物”“四周在2D范圍內都有等高或較低的其他建筑物”“周邊在2D范圍內有較高的其他建筑物”“四周在2D范圍內都有較高的其他建筑物”和“建筑物各部位的高不同”6種,不同的情況對應不同的計算流程。應當注意的是,“建筑物各部位的高不同”對應的是第A.0.3條第7款中的規定,當用戶選擇該項時,Ae由用戶采用作圖法求得并直接輸入;當用戶選擇其他各項時,Ae均由程序根據公式計算得出結果。

2)GB 50343(N)部分執行GB 50343—2012《建筑物電子信息系統防雷技術規范》附錄A中的計算標準。建筑物及入戶設施年預計雷擊頻次N為建筑物年預計雷擊頻次N1與入戶設施年預計雷擊頻次N2之和。N1的運行代碼與GB 50057(N)不同的是該部分中的Ae忽略了建筑物周邊情況的影響,即Ae計算方式的選擇由建筑物的高h的數值直接決定。入戶設施的截收面積的計算方式由線路類型決定,根據規范表A.1.4將入戶設施分為電源線路和信號線路兩種,電源線路有4種類型,信號線路有3種類型。

3)GB 50343(Nc&LPL)部分執行GB 50343—2012《建筑物電子信息系統防雷技術規范》第4.2條和附錄A中的計算標準。根據公式,可接受的最大年平均雷擊頻次Nc由各類因子之和C決定。影響因子共有6種,其中C1,C2,C3和C6的取值與取值條件之間的對應關系相對固定,且處理方式與校正系數k的功能代碼相類似;C4的數值可通過數字輸入控件QDoubleSpinBox同時實現顯示和輸入兩種功能,當C4的取值條件為“設備在LPZ0B區內”時,C4的取值不是唯一值,應使用setRange方法限制其輸入范圍為[1.5,2.0],當C4的取值條件為其他時,C4的取值是唯一值,也應當使用setRange方法限制其輸入范圍為[value,value];C5的處理方式與C4相類似。REQ表示電子信息系統設備是否需要安裝雷電防護裝置,當N>Nc時,在窗口界面上顯示為“是”,否則顯示為“否”。完成N和Nc大小的比較是計算防雷裝置攔截效率E的先要條件,因為當N≤Nc時,根據計算公式,E的值小于或等于0,無實際意義。

應當注意的是,為監測程序運行的狀態,應在各參數說明的部分,添加中間變量的運行結果。應分析各用戶輸入參數在極端取值的情況下程序運行的狀態,用作判定條件的參數,在邏輯代碼中應覆蓋其整個取值區間。

2 三維建模

在AutoCAD中構建的模型應以mm為單位,按照實際尺寸進行構圖,使其具有實際的幾何意義,通過一定的測量步驟,能獲取該模型各個節點的幾何參數。

2.1 模型組建流程

可按照以下流程構建三維模型:

1)根據模型特性和空間相對位置,進行對象分類。一是外部環境類,如地形地貌、大氣條件等;二是環境承載體類,如人員或動物、建(構)筑物及其附屬設施等。

2)根據對象之間的關聯性確定構圖順序。如構建建(構)筑物防雷裝置的模型,可按照由外部環境到建(構)筑物及其附屬設施、由外部防雷裝置到內部防雷裝置、由基礎到中間層再到天面、由整體到局部的順序進行。

3)根據模型組件的幾何特性選擇操作類型。如在建模過程中,對象捕捉是追蹤幾何模型關鍵節點的重要功能,當多個節點之間的距離較小,而設置的捕捉點類型過多時,容易發生誤操作,故建議根據實際操作需要,盡可能地設置較少的捕捉點類型。

2.2 模型結構層次

三維模型的構建應在各個組件上體現出其結構層次,在AutoCAD中,可通過對圖層特性的管理及對視圖和視覺樣式的選擇達到最佳的視覺效果。

2.2.1 圖層特性的管理

對不同模型組件設置不同的圖層特性,是為了增強模型組件之間的區分度。

圖層開關:模型的組件應按照各自的分類,創建專屬的圖層。圖層開關有兩個作用:一是通過關閉干擾對象的圖層進行精確建模;二是進行對比觀察。

線型方案:在草圖階段用于測量和定位的輔助線可采用點劃線,永久或外露部件可采用實線,臨時或隱蔽部件可采用虛線。

顏色方案:顏色方案的選擇因人而異,以達到較好的視覺效果為目標。在RGB色彩模式下,三維模型采用的配色方案為輔助線(0,124,165),模型參數(0,0,0),建筑物(128,128,128),防雷裝置(255,159,127),接閃器的保護范圍(255,223,127)。

透明度方案:在AutoCAD中,對象透明度的取值區間為[0%,100%],表征對象從不透明到完全透明的連續變化。模型組件的透明度應按照觀察需要進行取值,不同組件之間的透明度差值宜不小于15%。防雷裝置、模型參數和輔助線的透明度可取0%;建筑物的透明度可取50%;接閃器保護范圍的透明度可取60%～75%。

2.2.2 視圖和視覺樣式的選擇

視圖和視覺樣式的選擇適用于確定接閃器的保護范圍是否有效,選取合適的視圖后,將視覺樣式設置為真實時,能直觀地判斷出需保護對象不在接閃器保護范圍內的部分。

視圖:視圖主要用于調整視覺方向。在AutoCAD中,有常規10個方向的視圖,即俯視、仰視、前視、后視、左視、右視、西南等軸測、西北等軸測、東南等軸測和東北等軸測;除此以外,還有動態觀察功能,可以自由調整視覺方向。

視覺樣式:當視覺樣式設置為二維線框時,點線面之間的關系更加清晰明確,適用于模型的編輯。當視覺樣式設置為真實時,模型將顯示為實際的外觀,不同組件的透明度相同時,更靠近屏幕的組件將遮擋住位于其后方的組件,該樣式適用于接閃器保護范圍的判定。當視覺樣式設置為X射線時,模型具有透視效果,適用于隱蔽工程的模型組件。

3 應用實例

肇慶市某區X波段雙極化相控陣天氣雷達的建設形式與移動通信基站類似,在高度為6.73 m的附屬建筑物頂部加裝25.00 m高的雷達塔,4.40 m×4.40 m設備安裝平臺的高度為31.73 m,四周加裝1.20 m高的金屬護欄。當地年平均雷暴日為115 d。

在AutoCAD中通過作圖法求得Ae的數值為18,608,697,534 mm2,換算為以km2作單位,并精確到小數點后6位,與程序計算結果對應一致。

4 結束語

實際的環境狀況是復雜多變的,年預計雷擊頻次GUI計算程序及其三維模型還有很大的優化空間。經理論分析和實踐證明,該計算程序目前能滿足工程精確度的要求,提高了防雷技術人員的工作效率,能為防雷技術人員的日常工作提供有力支持。