省級(jí)太陽(yáng)輻射模擬可視化查詢平臺(tái)設(shè)計(jì)

陸標(biāo)標(biāo) 劉德剛 陳永鑫 成馳

（1 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢），武漢 430074；2 湖北省氣象服務(wù)中心，武漢 430205）

關(guān)鍵字：太陽(yáng)輻射，模擬分析，可視化查詢，光伏電站

0 引言

為了合理地利用太陽(yáng)能資源，對(duì)太陽(yáng)輻射進(jìn)行可視化分析在光伏電站項(xiàng)目選址、發(fā)電量估計(jì)方面有著重要的意義。2013年底，國(guó)家能源局出臺(tái)了光伏電站暫行管理辦法，其中里面第12條明確規(guī)定，項(xiàng)目開發(fā)前期必須要有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，或者有代表性的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[1]。目前，很多氣象部門已經(jīng)建立了氣象數(shù)據(jù)相關(guān)的查詢平臺(tái)，但是這些平臺(tái)多是用于氣象預(yù)報(bào)、信息查詢等業(yè)務(wù)，在太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)模擬和分析方面的針對(duì)性不強(qiáng)[2-4]。國(guó)內(nèi)具有多年觀測(cè)資料的輻射站點(diǎn)數(shù)量有限，而且觀測(cè)站大多設(shè)在開闊地段，采集到的數(shù)據(jù)覆蓋面較窄。單靠這些站點(diǎn)的實(shí)測(cè)資料分析全省的太陽(yáng)輻射分布，顯然是不充分的[5-6]。鑒于這些原因，利用氣象局提供的歷年氣象、輻射數(shù)據(jù)和MODIS遙感云量數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了省級(jí)太陽(yáng)輻射模擬可視化查詢平臺(tái)。

1 平臺(tái)總體框架

平臺(tái)總體上按照主要功能分為數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)和查詢分析子系統(tǒng)（圖1）。數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)以遙感云量數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，建模計(jì)算出輻射相關(guān)數(shù)據(jù)。查詢分析子系統(tǒng)利用計(jì)算得到的各類數(shù)據(jù)，完成可視化查詢、統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能需求。

數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，直接從本地讀取遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)Andrzej[7]對(duì)比MODIS云量和地面觀測(cè)數(shù)據(jù)的結(jié)果，證明在溫帶的MODIS云量數(shù)據(jù)比其他衛(wèi)星數(shù)據(jù)更接近真實(shí)值。所以，平臺(tái)采用MOD06_L2衛(wèi)星上采集的云量數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)資料[8]，MODIS傳感器的空間分辨率有250 m、500 m和1000 m三種，統(tǒng)一采用1 km×1 km的分辨率為標(biāo)準(zhǔn)。為了得到日照百分率和清晰度的模型系數(shù)，采用省內(nèi)的氣象站實(shí)測(cè)的歷年云量、日照數(shù)據(jù)和輻射站實(shí)測(cè)的歷年輻射數(shù)據(jù)來進(jìn)行反演計(jì)算。通過對(duì)高精度的MODIS云量數(shù)據(jù)和反演系數(shù)建立計(jì)算模型，系統(tǒng)所模擬輻射數(shù)據(jù)的空間分辨率可達(dá)到1 km×1 km。

查詢分析子系統(tǒng)框架采用B/S架構(gòu)，以ArcGIS作為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)多要素?cái)?shù)據(jù)可視化查詢。通過在內(nèi)網(wǎng)中架設(shè)服務(wù)器，系統(tǒng)提供模擬分析、統(tǒng)計(jì)查詢等功能，輔助用戶對(duì)光伏發(fā)電資源進(jìn)行綜合分析，為光伏電站建設(shè)提供依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)使用Qt編程實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)架構(gòu)分為數(shù)據(jù)預(yù)處理層和和數(shù)據(jù)處理層（圖2）。

圖2 數(shù)據(jù)流圖 Fig.2 Data flow

數(shù)據(jù)預(yù)處理層的主要功能有兩個(gè)。一個(gè)功能是對(duì)MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)：MODIS數(shù)據(jù)原始格式為矩陣形式，矩陣大小為408×270。根據(jù)計(jì)算要求，將矩陣形式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成表格格式的離散云量數(shù)據(jù)[9]。另一個(gè)功能是反演模型系數(shù)：通過氣象站和輻射站實(shí)測(cè)得到的大量歷史數(shù)據(jù)，反演出日照模型系數(shù)和清晰度模型系數(shù)，這些系數(shù)將會(huì)作為日照模型和清晰度模型的計(jì)算參數(shù)[10]。

數(shù)據(jù)處理層以離散云量數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，提供了日照百分率和清晰度指數(shù)兩種系數(shù)來計(jì)算水平面輻射。最長(zhǎng)數(shù)據(jù)流經(jīng)過插值計(jì)算、日照模型、清晰度模型、輻射模型四個(gè)步驟，最終得到直射、散射、總輻射、地形修正輻射等多種輻射數(shù)據(jù)。四個(gè)步驟的詳細(xì)過程如下：

1）系統(tǒng)是采用從DEM提取出的開闊度和省經(jīng)緯度數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，所以離散云量使用的地理坐標(biāo)系（WGS84）與DEM中的地理坐標(biāo)系（GCS_WGS_1984）不同。為了將云量轉(zhuǎn)換到基準(zhǔn)坐標(biāo)系上，系統(tǒng)從離散云量中取出距離基準(zhǔn)點(diǎn)最近的四個(gè)云量值插值計(jì)算，得到省經(jīng)緯度下的標(biāo)準(zhǔn)云量數(shù)據(jù)。

2）根據(jù)云量與日照百分率良好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，建立日照百分率估算模型，為一元線性擬合。具體公式如下：

其中，SRg為日照百分率；CL為對(duì)應(yīng)經(jīng)緯度下的云量值；a、b為氣象站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)通過預(yù)處理層反演得到的系數(shù)[11]。

3）與日照百分率計(jì)算模型相似，根據(jù)日照百分率與清晰度的負(fù)相關(guān)性，利用反演得到的清晰度模型系數(shù)，進(jìn)一步計(jì)算出清晰度指數(shù)[12]。

4）輻射模型主要用于求解總輻射、直接輻射、散射輻射和地形修正輻射。系統(tǒng)利用太陽(yáng)總輻射氣候?qū)W評(píng)估方法，以日照百分率作為基礎(chǔ)，建立水平面太陽(yáng)總輻射模型[13]。使用日照百分率和清晰度指數(shù)資料，采用成分分解法建立水平面太陽(yáng)直接輻射模型。利用水平面直接輻射、散射輻射與總輻射的閉合關(guān)系，在散射輻射各向異性的情況下，建立太陽(yáng)散射輻射模型[14]。利用開闊度與直接輻射的線性關(guān)系，建立地形修正輻射模型[15]。

圖3給出了2014—2016年3年平均的四川7個(gè)輻射站總輻射模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比。7個(gè)站點(diǎn)依次對(duì)應(yīng)甘孜（31.37°N，100.00°E）、紅原（32.48°N，102.33°E）、綿陽(yáng)（31.27°N，104.45°E）、成都（30.40°N，104.01°E）、峨眉山（29.31°N，103.20°E）、攀枝花（26.35°N，101.43°E）、納溪（28.77°N，105.38°E）。由于站點(diǎn)所處的海拔不同，模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)有一些波動(dòng)，但模擬數(shù)據(jù)依然能夠較為準(zhǔn)確地反映實(shí)際輻射狀況。

圖3 輻射模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比 Fig.3 Comparison of radiation simulation data with actual data

2.2 數(shù)據(jù)成圖與發(fā)布

得到的各類數(shù)據(jù)主要提供給查詢分析系統(tǒng)使用，在給查詢分析系統(tǒng)使用之前，還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化處理。平臺(tái)使用ArcGIS將數(shù)據(jù)制作成地圖影像進(jìn)行可視化，發(fā)布為ArcGIS Server，通過ArcGIS Server提供不同的API給查詢分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化查詢。

得到地圖影像需要將所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)柵格文件到ArcGIS空間數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)文件統(tǒng)一以表格格式存儲(chǔ)（.csv），平臺(tái)先將數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為shapefile文件格式（.shp），然后轉(zhuǎn)換為柵格文件，最后保存文件到工作空間。ArcGIS Server通過ArcGIS Desktop中的ArcCatalog來管理，使用agsadmin組中的賬戶登陸，再發(fā)布工作空間中的影像數(shù)據(jù)。

針對(duì)以上的每一個(gè)操作，ArcGIS都提供了相應(yīng)的Python接口，平臺(tái)使用Python讓這些操作聯(lián)系起來，使得整個(gè)成圖和服務(wù)發(fā)布的流程自動(dòng)化[16]。

3 查詢分析子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 主要功能

查詢分析子系統(tǒng)主要功能如下：

1）模擬分析功能。在地圖上的位置模擬光伏電站，統(tǒng)計(jì)在該位置的各類輻射數(shù)據(jù)。通過計(jì)算不同傾角下的斜面輻射量，分析出光伏電站對(duì)太陽(yáng)能資源的利用情況。

2）站所數(shù)據(jù)管理功能。對(duì)省內(nèi)的輻射站、氣象站、光伏電站的實(shí)測(cè)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，便于用戶對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的查詢和分析。

3）圖層管理功能功能。對(duì)每一個(gè)月的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行分層管理，方便用戶進(jìn)行對(duì)比和分析。

4）管理用戶信息功能。對(duì)系統(tǒng)管理提供了管理用戶、導(dǎo)出平臺(tái)數(shù)據(jù)等功能。

此外，還有一些常用的地理信息系統(tǒng)功能，比如放大、縮小、面積量算等操作，以及指定行政區(qū)、地名、顯示背景地圖等簡(jiǎn)單功能。

3.2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

查詢分析子系統(tǒng)總體上分為數(shù)據(jù)層、邏輯層、應(yīng)用層等三層架構(gòu)（圖4）。

圖4 查詢分析系統(tǒng)架構(gòu) Fig.4 Architecture of the query analysis subsystem

在數(shù)據(jù)層中，通過輻射信息數(shù)據(jù)庫(kù)和ArcGIS空間數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。輻射信息數(shù)據(jù)庫(kù)使用MySQL存儲(chǔ)觀測(cè)站歷年數(shù)據(jù)、處理后的輻射相關(guān)數(shù)據(jù)和用戶信息；ArcGIS空間數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)ArcGIS工作空間中的柵格影像數(shù)據(jù)。

邏輯層分包含兩條業(yè)務(wù)流，一條業(yè)務(wù)流使用ASP.NET MVC框架，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、用戶管理等業(yè)務(wù)邏輯。在ASP.NET MVC架構(gòu)中，使用EF（Entity Framework）對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行訪問，經(jīng)過Repository邏輯處理提供服務(wù)。另一條業(yè)務(wù)流使用ArcGIS Server，完成GIS相關(guān)的交互邏輯。邏輯層的兩個(gè)服務(wù)，分別提供不同的restful API給應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用層的交互。

應(yīng)用層負(fù)責(zé)界面交互，根據(jù)用戶的操作，調(diào)用不同的Restful API。要在保證界面美觀、簡(jiǎn)潔的同時(shí)，還要讓平臺(tái)具備較好的兼容性。

4 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)需要三年及以上的數(shù)據(jù)量作為基礎(chǔ)，以確保數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。按照程序正常計(jì)算速度，完成這個(gè)數(shù)據(jù)量的處理，至少需要3天時(shí)間。平臺(tái)進(jìn)一步采用Qt多線程解決這一問題，讓一個(gè)程序同時(shí)處理多個(gè)文件，極大地縮短了數(shù)據(jù)處理時(shí)間。在實(shí)際插值計(jì)算時(shí)，使用了三年云量數(shù)據(jù)，一天的存儲(chǔ)量約60萬條。正常速度下，計(jì)算一個(gè)月的平均云量需要6 h，處理完成所有數(shù)據(jù)則需要72 h。使用Qt多線程之后，將一臺(tái)機(jī)器設(shè)置6個(gè)線程，處理完成所有的數(shù)據(jù)只需要12 h，將數(shù)據(jù)處理時(shí)間縮短了6倍。

在數(shù)據(jù)查詢分析子系統(tǒng)中，前端采用Dojo Toolkit做開發(fā)，Dojo使開發(fā)HTML和JavaScript Web應(yīng)用變得更為容易，解決了很多Web 應(yīng)用普遍存在的跨瀏覽器不兼容的矛盾。更為重要的是，ArcGIS提供的Web開發(fā)庫(kù)ArcGIS API for JavaScript是基于Dojo的。后端使用了C#開發(fā)，采用語(yǔ)言集成查詢（Language Integrated Query）方法訪問MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。

ArcGIS Server和MVC服務(wù)通過Windows 的IIS發(fā)布，訪問服務(wù)地址即可進(jìn)入平臺(tái)。圖5a～5c 的太陽(yáng)能板圖標(biāo)模擬了新增的光伏電站，模擬的電站會(huì)給出一年內(nèi)的各類輻射數(shù)據(jù)的變化情況，提供表格和柱狀圖等多種展示方式（圖6）。其還給出了理論最佳傾角作為參考，提供不同傾角下的輻射數(shù)據(jù)計(jì)算工具。通過計(jì)算結(jié)果，幫助用戶分析光伏電站的太陽(yáng)能資源豐富程度，評(píng)估出光伏電站建設(shè)完成后的發(fā)電效率。

圖5 云量圖層（a）、水平面總輻射圖層（b）和地形修正輻射圖層（c） Fig.5 Cloud amount layer (a), total radiation layer of the horizontal plane (b), and terrain correction radiation layer (c)

5 結(jié)論

平臺(tái)是輔助省級(jí)光伏數(shù)據(jù)分析的專業(yè)系統(tǒng)，采用MODIS遙感數(shù)據(jù)、氣象站和輻射站數(shù)據(jù)等，以較高精度模擬出了全省的太陽(yáng)輻射分布情況。具備輻射相關(guān)數(shù)據(jù)的管理能力，實(shí)現(xiàn)了輻射相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)、分析、可視化等功能。

目前，平臺(tái)采用了四川省7個(gè)輻射站從1994年至今的觀測(cè)數(shù)據(jù)、157個(gè)氣象站建站以來的氣象數(shù)據(jù)、2014—2016年MODIS云量數(shù)據(jù)，在四川省建成并投入業(yè)務(wù)運(yùn)行一年多的時(shí)間。各個(gè)部分的功能模塊運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，平臺(tái)的計(jì)算結(jié)果得到了四川省電力系統(tǒng)評(píng)審的認(rèn)可，取得了良好的應(yīng)用效果。