Система автоматизированного формирования прогноза погодных явлений
Владельцы патента RU 2653133:
Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации (RU)
Федеральное государственное бюджетное военное образовательное учреждение высшего образования "Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского" Министерства обороны Российской Федерации (RU)
Изобретение относится к области метеорологии и преимущественно может быть использовано для автоматизированной обработки метеорологической информации, в частности для автоматизированного формирования карт погоды, прогнозирования метеорологических величин и явлений, решения прикладных задач потребителей. Система автоматизированного формирования прогноза погодных явлений содержит объединенные в систему минимум два персональных компьютера, клавиатуру, первый монитор, электронный коммутатор, фильтр, жесткий диск, содержащий пакет географических основ, процессор прогнозирования и адаптации, к которому подключены второй монитор, принтер и жесткий диск соответственно. При этом фильтр и процессор прогнозирования и адаптации связаны с органом управления и контроля, а в процессоре прогнозирования и адаптации происходит выбор метода прогнозирования на основе рекомендаций о предпочтительности метода посредством автоматического анализа невязок между фактической погодой и прогнозируемой. Технический результат - повышение оперативности формирования прогноза и его оправдываемости достигается за счет уменьшения объема обрабатываемого материала посредством учета требований потребителя и автоматического учета особенностей физико-географического района. 2 табл., 2 ил.
Изобретение относится к области метеорологии и преимущественно может быть использовано для автоматизированной обработки метеорологической информации, в частности для автоматизированного формирования карт погоды, прогнозирования метеорологических величин и явлений, решения прикладных задач потребителей метеорологической информации.
Известна система создания трехмерного изображения местности и связанной с ней погоды (патент на изобретение №5379215). С помощью указанной системы представляются особенности местности, такие как холмы, здания, леса, дороги, кварталы, на фоне которых объемно изображаются облака, ливни, грозы, град, метели, сильные ветры, торнадо, а также аварии, пожары, наводнения, заторы на шоссе. Данная система в основном предназначена для телевизионных новостей для простого и понятного доведения информации о погоде для широкого круга лиц.
Известная система включает компьютерную систему, к которой подключаются: источники метеорологической информации (метеостанции, радиолокатор, метеорологический спутник) через соответствующий интерфейс, а также система хранения информации (оперативная и долговременная (для хранения карты местности)), клавиатура. Результирующее объемное изображение снимается с видеовыхода компьютерной системы.
Недостатком известной системы является ограниченный класс решаемых задач, она предназначена только для иллюстрации той информации, которая поступает на ее входы. В частности, система только визуализирует прогноз, например, трассы движения торнадо, но не разрабатывает его.
Общими элементами известной системы и предлагаемого изобретения являются: компьютерная система, входы которой через технические средства приема связаны с источниками метеорологической информации, а также жесткий диск для хранения карты местности, подключенный к компьютерной системе.
Близкой по выполняемым функциям и предназначению является система для отслеживания погоды в реальном времени и прогнозирования движения шторма (патент на изобретение №5717589). Указанная система предназначена для выполнения следующих функций: выбора источников данных о погоде в режиме реального времени для географического местоположения; приема данных о погоде от каждого выбранного источника; сочетания принятых данных для создания интегрированного пакета данных; хранения интегрированного пакета в памяти; создание географического пакета данных; объединения географического пакета с указанным интегрированным пакетом; выбора погодной ячейки; определение ожидаемого дальнейшего движения погодной ячейки с использованием интегрированных погодных пакетов, хранящихся в памяти в течение определенного периода времени; отображение движения погодной ячейки на дисплее. Система, выполняющая указанные функции, содержит компьютерную систему, объединяющую три компьютера, к которой через технические средства приема подключены внешние источники метеорологической информации, пакет географических данных, две клавиатуры, четыре дисплея, оптический манипулятор типа «мышь», переключатель, предназначенный для поочередного подключения клавиатуры и дисплея к разным компьютерам.
В отличие от изобретения по патенту 5379215, изобретение по патенту 5717589 позволяет не только визуализировать результаты обработки гидрометеорологической информации, но и прогнозировать движение штормов. Недостатком изобретения по патенту 5717589 является ограниченность выбора методов прогнозирования, которая выражается в том, что прогнозирование основано только на использовании архивных данных и нацелено исключительно на прогнозирование штормов.
Общими элементами известной системы и предлагаемого изобретения являются: компьютерная система, входы которой через технические средства приема связаны с источниками метеорологической информации, пакетом географических данных, клавиатурой и дисплеем.
Наиболее близкой по выполняемым функциям и предназначению является система формирования прогноза погодных явлений в режиме реального времени (патент на изобретение №2347244). Известная система представляет собой компьютерную систему, состоящую, судя по описанию конкретного образца, из 3-х компьютеров, к которой подключены клавиатура и монитор. На компьютерную систему возложено выполнение функций приема гидрометеорологической информации (ГМИ) от внешних источников информации, сортировки, раскодирования, проверки корректности данных, объединения принятой информации с введенной вручную с клавиатуры, формирования слоев глобальной карты погоды, привязки данных к узлам регулярной сетки, совмещения полей метеорологических величин с географической основой, визуализации карты погоды. Общими элементами предлагаемого изобретения и известной системы являются объединенные в систему минимум два персональных компьютера, к одному из которых подключены клавиатура и монитор, причем первый вход системы подключен к внешним источникам информации, а второй и третий входы соединены с потребителем ГМИ (для ввода требований потребителя в части задания района наблюдения и формата представления карты погоды).
Система по патенту на изобретение №2347244 обладает следующими недостатками.
Согласно известному изобретению, система и принимает, и обрабатывает один и тот же максимально возможный входной поток ГМИ независимо от потребности, определяемой конкретным потребителем. Отсутствие обратной связи между потребителем и обрабатываемым входным потоком приводит к тому, что, например, и для формирования документов по гидрометеорологическому обеспечению и для формирования документов по геофизическому обеспечению решения разнородных прикладных задач обрабатывается один и тот же максимальный объем ГМИ глобального масштаба. Очевидно, что обработка избыточной информации приводит к снижению оперативности получения документов по гидрометеорологическому обеспечения конкретного потребителя, поэтому неуправляемость входным обрабатываемым потоком ГМИ является первым недостатком известной системы.
Второй недостаток известной системы заключается в следующем. Система, предназначенная для реализации защищенного тем же патентом способа, должна осуществлять анализ и прогнозирование метеорологических условий. Из анализа схемы системы и формулы изобретения на систему следует, что функция системы заканчивается формированием карты погоды, построенной на основе принятой ГМИ. Следует полагать, что анализ и прогнозирование метеорологических условий осуществляется вручную путем анализа сформированной карты погоды. Этот вывод следует из того, что в состав системы не входит процессор прогнозирования. Иначе говоря, прогнозирование как финальное действие способа, возложенное на компьютерную систему, в части автоматизированного предсказания значения метеорологической величины (метеорологических полей, метеорологического явления) на заданный срок по фактическому значению метеорологической величины (метеорологического поля) в срок наблюдения - не реализуется.
Третьим недостатком известной системы является следующий. Система, которая согласно своему предназначению необходима для формирования прогноза погоды, не учитывает особенности конкретного физико-географического района при прогнозировании, поскольку не наделена функцией выбора метода прогнозирования из множества пригодных, который наилучшим образом подходит для данного района, то есть обладает наибольшей оправдываемостью. Это подтверждается отсутствием в системе процессора адаптации. То есть известная система обладает ограниченными функциональными возможностями по решению основной задачи по предназначению - прогнозированию погоды.
Целью изобретения является повышение оперативности формирования прогноза за счет уменьшения объема обрабатываемого материала посредством учета требований потребителя и повышение оправдываемости прогноза за счет автоматического учета особенностей физико-географического района.
Поставленная цель достигается тем, что внешние источники гидрометеорологической информации подключены к первому входу первого персонального компьютера через последовательно соединенные электронный коммутатор и фильтр, второй вход которого соединен с первым выходом органа управления и контроля, выход второго персонального компьютера соединен с первым входом процессора прогнозирования и адаптации, второй вход которого подключен к второму выходу органа управления и контроля, третий вход соединен с вторым выходом первого персонального компьютера, четвертый вход подключен к выходу жесткого диска, вход которого соединен с клавиатурой и третьим выходом блока управления и контроля, а первый и второй выходы процессора прогнозирования и адаптации соединены с вторым монитором и принтером соответственно.
На фиг. 1 показана схема предлагаемого изобретения. На схеме для примера показаны внешние источники информации (представленный перечень в общем случае не ограничивается приведенным списком): абонентский пункт приема метеорологической информации по каналам спутниковой связи 1, центр коммутации сообщений UNIMAS 2, центр коммутации сообщений TRANSMET 3, автоматизированный пункт приема спутниковой информации 4. Предлагаемая система содержит электронный коммутатор 5, фильтр 6, первый 7 и второй 8 компьютеры, клавиатуру 9, мониторы 10, 11, процессор прогнозирования и адаптации 12, принтер 13, жесткий диск 14, орган управления и контроля (ОУК) 15. В качестве органа управления и контроля может рассматриваться или потребитель ГМИ, или оператор компьютерной системы, или техническое устройство, отслеживающее выполнение задания на обработку.
На фиг. 2 представлен алгоритм работы процессора прогнозирования и адаптации.
Система работает следующим образом.
Гидрометеорологическая информация (измеренные значения метеорологических величин, принятые из метеорологических центров прогностические поля метеорологических величин, спутниковые изображения) в актуальных кодах (например, BUFR, GRIB, КН-01, КН-02, и т.д.) от внешних источников информации, например абонентского пункта приема метеорологической информации по каналам спутниковой связи 1, центров коммутации сообщений UNIMAS 2, TRANSMET 3, автоматизированного пункта приема спутниковой информации 4, поступает на вход технического средства приема, представляющего собой электронный коммутатор 5, с выхода которого поступает на первый вход фильтра 6, предварительно настроенного органом управления и контроля 15 по второму входу таким образом, чтобы для дальнейшей обработки оставить только ту информацию, которая необходима для формирования необходимой потребителю документации. С выхода фильтра 6 поток, подлежащий обработке, поступает на первый вход первого компьютера 7 для первичной обработки информации, а именно для семантического контроля, сортировки, раскодирования и отбраковки аномальных значений. С помощью клавиатуры 9, подключенной к первому компьютеру 7, при необходимости, производится ввод (коррекция) ГМИ с клавиатуры, а с помощью монитора 10, подключенного к первому компьютеру 7, осуществляется визуальный контроль за процессом первичной обработки ГМИ.
После первичной обработки с выхода первого компьютера 7 данные поступают на вход второго компьютера 8, в котором производится вторичная обработка ГМИ, а именно контроль данных на непротиворечивость физическим закономерностям, интерполяция значений метеорологических величин в узлы регулярной сетки, построение изолиний гидрометеорологических полей, анализ синоптических процессов. С выхода второго компьютера 8 данные о фактической погоде поступают на первый вход процессора прогнозирования и адаптации 12, на второй вход которого поступает задание на прогнозирование от органа управления и контроля 15, в котором указывается, на какой срок, для какого района, какая метеорологическая величина (явление) прогнозируется и в каком формализованном виде должен быть выдан прогноз. В случае необходимости на третий вход процессора прогнозирования и адаптации 12 данные могут поступать с второго выхода первого компьютера 7 сразу после первичной обработки гидрометеорологической информации. В соответствии с заданием в процессоре прогнозирования и адаптации 12 производится выбор наилучшего метода прогнозирования и его реализация с выдачей результатов на экран монитора 11 или на принтер 13, подключенных к первому и второму выходам процессора 12 соответственно, в виде формализованного документа. При этом формирование карты погоды производится посредством совмещения полей метеорологических величин с выбранной органом управления и контроля 15 географической основой из пакета географических основ, хранящихся на жестком диске 14.
Алгоритм работы процессора прогнозирования и адаптации представлен на фиг. 2. Особенностью работы процессора прогнозирования, как видно на фиг. 2, является выбор метода прогнозирования. После выбора метода прогнозирования осуществляется прогнозирование. Сформированный прогноз поступает в базу данных процессора адаптации и используется на этапе оценивания качества метода прогнозирования для расчета невязки между фактическим значением и прогнозируемым. Полученная невязка используется для коррекции параметров метода прогнозирования. В результате постоянного отслеживания невязок и коррекций параметров метода прогнозирования формируются рекомендации о предпочтительности метода прогнозирования.
В приложении 1 в качестве примера представлен перечень методов прогнозирования, которые реализуются процессором прогнозирования.
В приложении 2 представлен пример применения одного из методов адаптации, а именно метода коррекции результатов прогнозирования, демонстрирующий положительный эффект от его применения.
Приложение 1.
Приложение 2
Метод автоматической коррекции результатов прогнозирования
Сущность данного метода состоит в вычислении корректирующей поправки δ, которая добавляется к спрогнозированному неадаптированным методом значению Вп метеорологической величины.
где Впа - значение метеорологической величины, полученное с учетом адаптации.
Поправка δ связана с разностью (Δ) между реализовавшимся фактическим значением Вф метеорологической величины и прогнозируемым значением Вп метеорологической величины.
Перерасчет корректирующей поправки осуществляется после каждого применения метода прогнозирования по следующей формуле:
где n - число применений метода прогнозирования;
δн - уточненное значение корректирующей поправки;
δ - значение корректирующей поправки, полученное на предыдущем шаге адаптации.
Пример. Результат применения метода коррекции результатов прогнозирования при наличии систематической ошибки в прогнозе.
Пусть i - номер применения метода прогнозирования,
Тогда уточненное значение корректирующей поправки будет вычисляться по следующей формуле:
где Δi - невязка между фактическим и прогностическим значениями метеорологической величины при i-ом применении метода:
Пусть систематическая ошибка прогноза в каждом из 4-х применений метода равна 1, (Δi=1, i=1, …, 4).
Рассчитаем корректирующие поправки δi, i=1, …, 4 по формуле (4) при начальном значении δ0=0.
С учетом вычисленных корректирующих поправок получаем следующий окончательный результат:
Очевидно, что процедура адаптации улучшает прогноз, приближая значение прогнозируемой метеорологической величины к фактическому значению.
Система автоматизированного формирования прогноза погодных явлений, содержащая объединенные в систему минимум два персональных компьютера, к первому из которых подключены клавиатура и первый монитор, а его первый вход соединен с внешними источниками гидрометеорологической информации, отличающаяся тем, что, с целью повышения оперативности формирования прогноза и его оправдываемости, внешние источники гидрометеорологической информации подключены к первому входу первого персонального компьютера через последовательно соединенные электронный коммутатор и фильтр, второй вход которого соединен с первым выходом органа управления и контроля, выход второго персонального компьютера соединен с первым входом процессора прогнозирования и адаптации, второй вход которого подключен к второму выходу органа управления и контроля, третий вход соединен с вторым выходом первого персонального компьютера, четвертый вход подключен к выходу жесткого диска, вход которого соединен с клавиатурой и третьим выходом блока управления и контроля, а первый и второй выходы процессора прогнозирования и адаптации соединены со вторым монитором и принтером соответственно.
