年预计雷击频次GUI计算程序的设计与探讨

姚森泉,韦思翾,关卓斌

(1.广宁县突发事件预警信息发布中心,广宁 526300;2.广东省肇庆市高要区气象局,高要 526100)

0 引言

雷电是发生在地球大气中的瞬间强烈放电过程,对自然环境和人们的生命财产安全有重大影响。广东省地处副热带,太阳辐射强,强对流活动频繁,雷击事件频发。随着雷电科学的发展,人们对雷电的认识逐步加深,为保障人民的生命财产安全,采取积极的雷电防护措施是十分必要的[1]。雷电防护装置是目前人工防御雷电灾害的主要手段。年预计雷击频次是对建筑物进行雷击风险评估的重要参数之一,其数值的大小影响着建筑物防雷类别的划分和雷电防护措施的选择。计算建筑物年预计雷击频次的方法有公式法和作图法两种,公式法适用于外形简单的建筑物,作图法适用于外形复杂的建筑物[2]。考虑到计算流程比较繁琐,以及实际情况复杂多变,文章开发了年预计雷击频次GUI计算程序并在AutoCAD中构建了三维模型,旨在为防雷技术人员的雷电灾害防御工作提供技术支撑。

1 GUI计算程序设计

年预计雷击频次GUI计算程序的开发基于Python语言,程序代码分为窗口界面代码和业务逻辑代码两部分。窗口界面代码的主要功能是实时获取用户输入的参数和显示业务逻辑代码运行后的结果;业务逻辑代码的主要功能是对用户输入的参数进行判别和分类,然后执行对应的运算流程。

程序以GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》附录A以及GB 50343—2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》第4.2条和附录A中的计算流程作为业务逻辑代码的标准,窗口界面主要参数的符号、名称、单位和解释说明与规范中的表述相一致。利用Qt Designer设计窗口和窗口上的控件,对窗口及窗口控件之间的联动进行编程,将窗口的设计与对窗口的编程分离开来,将窗口界面代码和业务逻辑代码分别储存到不同的模块之中,实现窗口和业务的独立编程,使二者代码的设计与优化可同步进行。

1.1 窗口界面模块

程序的窗口界面分为GB 50057(N),GB 50343(N)和GB 50343(Nc&LPL)3个版块,这3个版块集成在一个切换卡控件QTabWidget中。切换卡控件是一种容器控件,在每页卡片中设置标签控件QLabel、数字输入控件QDoubleSpinBox和下拉列表框控件QComboBox 3种控件,将这3种控件作为主要控件,用以实现软件的应用功能;其他控件均用来实现窗口界面的布局和美化功能。

标签控件QLabel通常用于在窗口界面上显示提示性信息,主要用于实现参数的符号、数值、单位与说明信息的显示。

数字输入控件QDoubleSpinBox是专门用于输入数值的控件,且输入的数值为浮点数,主要用于实现参数输入、限制参数的取值范围和显示特殊文本的功能,实现了用户使用鼠标连续输入参数并执行运算的功能,用户亦可以直接使用键盘输入参数。

下拉列表框控件QComboBox是提供一个下拉式选项列表供用户选择,主要用于选取预设的条件以筛选特定的参数值。

1.2 业务逻辑模块

业务逻辑模块对应窗口界面的3个设计版块,业务逻辑代码应有分别对应的主要功能部分,各部分代码的编写要点如下:

1)GB 50057(N)部分执行GB 50057-2010《建筑物防雷设计规范》附录A中的计算标准。需要用户选择或输入的参数有校正系数k及其取值条件、年平均雷暴日Td、与建筑物截收相同雷击频次的等效面积Ae及其取值条件、建筑物的长l、宽b、高h和周边建筑物与所考虑建筑物边长平行以米为单位的长度总和L。程序窗口界面输出的参数有建筑物年预计雷击频次N、建筑物所处地区雷击大地的年平均密度Ng和建筑物每边的扩大宽度D。k的取值有1.0,1.5,1.7和2.0,分别对应“一般情况”“位于土壤电阻率较小处、地下水露头处、土山顶部、山谷风口等处的建筑物,以及特别潮湿的建筑物”“金属屋面没有接地的砖木结构建筑物”和“位于山顶上或旷野的孤立建筑物”4种不同的取值条件。k的数值与取值条件相对固定,且两者之间的对应关系明确,可将其组合为键值对用以创建字典。而4种取值条件可添加至下拉列表框控件QComboBox中供用户选择,使用for循环和if语句进行遍历与索引,从而实现k值的选取。Ng是通过用户输入Td的数值并根据公式Ng=0.1Td计算得出的,而Td可通过数字输入控件QDoubleSpinBox进行输入,考虑了极端取值后Td的取值范围可确定为[0,366],微调步长宜设置为0.1。Ae的计算需要确定l,b,h和l的数值及确定建筑物周边的情况,Ae的计算方式由h的数值和建筑物周边的情况共同决定。D是通过用户输入h的数值并根据公式计算得出的。建筑物周边的情况有“一般”“周边在2D范围内有等高或较低的其他建筑物”“四周在2D范围内都有等高或较低的其他建筑物”“周边在2D范围内有较高的其他建筑物”“四周在2D范围内都有较高的其他建筑物”和“建筑物各部位的高不同”6种,不同的情况对应不同的计算流程。应当注意的是,“建筑物各部位的高不同”对应的是第A.0.3条第7款中的规定,当用户选择该项时,Ae由用户采用作图法求得并直接输入;当用户选择其他各项时,Ae均由程序根据公式计算得出结果。

2)GB 50343(N)部分执行GB 50343—2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》附录A中的计算标准。建筑物及入户设施年预计雷击频次N为建筑物年预计雷击频次N1与入户设施年预计雷击频次N2之和。N1的运行代码与GB 50057(N)不同的是该部分中的Ae忽略了建筑物周边情况的影响,即Ae计算方式的选择由建筑物的高h的数值直接决定。入户设施的截收面积的计算方式由线路类型决定,根据规范表A.1.4将入户设施分为电源线路和信号线路两种,电源线路有4种类型,信号线路有3种类型。

3)GB 50343(Nc&LPL)部分执行GB 50343—2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》第4.2条和附录A中的计算标准。根据公式,可接受的最大年平均雷击频次Nc由各类因子之和C决定。影响因子共有6种,其中C1,C2,C3和C6的取值与取值条件之间的对应关系相对固定,且处理方式与校正系数k的功能代码相类似;C4的数值可通过数字输入控件QDoubleSpinBox同时实现显示和输入两种功能,当C4的取值条件为“设备在LPZ0B区内”时,C4的取值不是唯一值,应使用setRange方法限制其输入范围为[1.5,2.0],当C4的取值条件为其他时,C4的取值是唯一值,也应当使用setRange方法限制其输入范围为[value,value];C5的处理方式与C4相类似。REQ表示电子信息系统设备是否需要安装雷电防护装置,当N>Nc时,在窗口界面上显示为“是”,否则显示为“否”。完成N和Nc大小的比较是计算防雷装置拦截效率E的先要条件,因为当N≤Nc时,根据计算公式,E的值小于或等于0,无实际意义。

应当注意的是,为监测程序运行的状态,应在各参数说明的部分,添加中间变量的运行结果。应分析各用户输入参数在极端取值的情况下程序运行的状态,用作判定条件的参数,在逻辑代码中应覆盖其整个取值区间。

2 三维建模

在AutoCAD中构建的模型应以mm为单位,按照实际尺寸进行构图,使其具有实际的几何意义,通过一定的测量步骤,能获取该模型各个节点的几何参数。

2.1 模型组建流程

可按照以下流程构建三维模型:

1)根据模型特性和空间相对位置,进行对象分类。一是外部环境类,如地形地貌、大气条件等;二是环境承载体类,如人员或动物、建(构)筑物及其附属设施等。

2)根据对象之间的关联性确定构图顺序。如构建建(构)筑物防雷装置的模型,可按照由外部环境到建(构)筑物及其附属设施、由外部防雷装置到内部防雷装置、由基础到中间层再到天面、由整体到局部的顺序进行。

3)根据模型组件的几何特性选择操作类型。如在建模过程中,对象捕捉是追踪几何模型关键节点的重要功能,当多个节点之间的距离较小,而设置的捕捉点类型过多时,容易发生误操作,故建议根据实际操作需要,尽可能地设置较少的捕捉点类型。

2.2 模型结构层次

三维模型的构建应在各个组件上体现出其结构层次,在AutoCAD中,可通过对图层特性的管理及对视图和视觉样式的选择达到最佳的视觉效果。

2.2.1 图层特性的管理

对不同模型组件设置不同的图层特性,是为了增强模型组件之间的区分度。

图层开关:模型的组件应按照各自的分类,创建专属的图层。图层开关有两个作用:一是通过关闭干扰对象的图层进行精确建模;二是进行对比观察。

线型方案:在草图阶段用于测量和定位的辅助线可采用点划线,永久或外露部件可采用实线,临时或隐蔽部件可采用虚线。

颜色方案:颜色方案的选择因人而异,以达到较好的视觉效果为目标。在RGB色彩模式下,三维模型采用的配色方案为辅助线(0,124,165),模型参数(0,0,0),建筑物(128,128,128),防雷装置(255,159,127),接闪器的保护范围(255,223,127)。

透明度方案:在AutoCAD中,对象透明度的取值区间为[0%,100%],表征对象从不透明到完全透明的连续变化。模型组件的透明度应按照观察需要进行取值,不同组件之间的透明度差值宜不小于15%。防雷装置、模型参数和辅助线的透明度可取0%;建筑物的透明度可取50%;接闪器保护范围的透明度可取60%～75%。

2.2.2 视图和视觉样式的选择

视图和视觉样式的选择适用于确定接闪器的保护范围是否有效,选取合适的视图后,将视觉样式设置为真实时,能直观地判断出需保护对象不在接闪器保护范围内的部分。

视图:视图主要用于调整视觉方向。在AutoCAD中,有常规10个方向的视图,即俯视、仰视、前视、后视、左视、右视、西南等轴测、西北等轴测、东南等轴测和东北等轴测;除此以外,还有动态观察功能,可以自由调整视觉方向。

视觉样式:当视觉样式设置为二维线框时,点线面之间的关系更加清晰明确,适用于模型的编辑。当视觉样式设置为真实时,模型将显示为实际的外观,不同组件的透明度相同时,更靠近屏幕的组件将遮挡住位于其后方的组件,该样式适用于接闪器保护范围的判定。当视觉样式设置为X射线时,模型具有透视效果,适用于隐蔽工程的模型组件。

3 应用实例

肇庆市某区X波段双极化相控阵天气雷达的建设形式与移动通信基站类似,在高度为6.73 m的附属建筑物顶部加装25.00 m高的雷达塔,4.40 m×4.40 m设备安装平台的高度为31.73 m,四周加装1.20 m高的金属护栏。当地年平均雷暴日为115 d。

在AutoCAD中通过作图法求得Ae的数值为18,608,697,534 mm2,换算为以km2作单位,并精确到小数点后6位,与程序计算结果对应一致。

4 结束语

实际的环境状况是复杂多变的,年预计雷击频次GUI计算程序及其三维模型还有很大的优化空间。经理论分析和实践证明,该计算程序目前能满足工程精确度的要求,提高了防雷技术人员的工作效率,能为防雷技术人员的日常工作提供有力支持。