Немецкие исследователи разработали систему мониторинга осадков, которая превращает обычные солнечные панели в метеорологические датчики. Технология анализирует вибрации от ударов дождевых капель с помощью искусственного интеллекта и позволяет оценивать интенсивность осадков с погрешностью менее 2 мм/ч.
Обычная солнечная панель может оказаться полезной не только для производства электроэнергии. Учёные из Германии нашли способ использовать фотоэлектрические модули для измерения количества выпадающих осадков. Для этого достаточно установить на их поверхность специальные акустические датчики и подключить систему машинного обучения.
Разработка может стать недорогим дополнением к традиционным метеорологическим станциям и помочь создавать более подробные карты распределения осадков, особенно в районах, где существующая сеть наблюдений недостаточно плотная.
Проект получил название lokalRAIN. Над ним работали специалисты немецкого Института цифровых медиатехнологий Фраунгофера (Fraunhofer IDMT) совместно с компанией Pan Acoustics GmbH.
Как солнечные панели превращаются в датчики дождя?
Принцип работы системы основан на довольно простом физическом явлении: каждая капля дождя, ударяясь о поверхность солнечной панели, вызывает едва заметные механические колебания.
Человеческое ухо практически не способно различить эти микровибрации, однако специальные датчики структурного звука (structure-borne sound sensors) могут регистрировать их с высокой чувствительностью.
Характер колебаний зависит от нескольких факторов, включая размер дождевых капель и интенсивность осадков. В результате формируется своеобразная акустическая картина, по которой можно определить, насколько сильный дождь идёт в данный момент.
Полученные сигналы обрабатывает алгоритм машинного обучения. Причём для этого не требуется передавать весь массив данных на удалённый сервер: вычисления выполняются непосредственно на месте с помощью энергоэффективного микроконтроллера.
Такой подход имеет два преимущества. Во-первых, он снижает энергопотребление системы. Во-вторых, значительно сокращает объём информации, которую необходимо передавать по беспроводной сети. На сервер отправляются уже готовые результаты измерений, а не исходные акустические записи.
Насколько точны измерения?
Разработчики проверили технологию сначала в лабораторных условиях, а затем в ходе полевых испытаний.
На первом этапе исследователи использовали специальную установку для имитации дождя. Они экспериментировали с каплями разного размера, различной интенсивностью осадков, типами фотоэлектрических модулей и расположением датчиков.
Затем три измерительных комплекса установили на открытом воздухе:
- в Институте Фраунгофера в Ильменау;
- на площадке компании Pan Acoustics в Вольфенбюттеле;
- на метеорологической площадке Технического университета Ильменау.
Собранные показания сравнивали с результатами традиционных измерителей осадков. Эти данные использовали для обучения и проверки алгоритмов машинного обучения.
Наиболее показательные результаты система продемонстрировала при интенсивности дождя от 2 до 5 мм/ч. Средняя погрешность измерений составила 1,88 мм/ч. По заявлению разработчиков, это соответствует требованиям класса C Всемирной метеорологической организации (ВМО) для измерений осадков небольшой интенсивности.
Пока речь идёт именно о подтверждении работоспособности технологии при слабом и умеренном дожде. Для повышения точности во время сильных ливней исследователям предстоит собрать дополнительные данные.
Передача данных на расстояние до 35 километров
Ещё одна важная особенность проекта — возможность объединять множество датчиков в единую беспроводную сеть.
Аппаратную часть и программное обеспечение для организации связи разработала компания Pan Acoustics. Во время испытаний дальность передачи данных составляла около 4 км в городской среде и превышала 35 км в сельской местности при отсутствии препятствий на линии прямой видимости.
Информация от нескольких измерительных узлов поступает в централизованную систему, где объединяется в локализованные карты осадков.
Это особенно важно, поскольку дождь распределяется по территории крайне неравномерно. Одна часть города может оставаться практически сухой, тогда как в нескольких километрах от неё уже идёт сильный ливень. Обычная метеостанция, расположенная в одной точке, не всегда способна отразить подобные различия.
Где пригодится новая технология?
Разработчики подчёркивают, что их система не должна заменять профессиональные дождемеры, используемые на метеорологических станциях. Её основное назначение — дополнить существующую инфраструктуру и увеличить количество точек наблюдения.
Потенциальных сфер применения довольно много.
Прогнозирование погоды и предупреждение о наводнениях. Более плотная сеть датчиков позволит оперативнее обнаруживать локальные ливни и отслеживать перемещение зон интенсивных осадков. Это особенно полезно для городских служб, которым необходимо заранее оценивать угрозу подтоплений.
Управление городской инфраструктурой. Данные об осадках можно интегрировать в так называемые цифровые двойники городов — виртуальные модели, которые позволяют анализировать состояние инфраструктуры и прогнозировать последствия различных событий. Такая информация поможет эффективнее планировать работу ливневой канализации и водоотводных систем.
Сельское хозяйство. Ещё одно перспективное направление — точное земледелие. Fraunhofer IDMT изучает возможность интеграции датчиков в агровольтаические установки, где солнечные панели размещаются непосредственно над сельскохозяйственными угодьями или между ними.
Это позволит фермерам получать локальные данные об осадках и точнее определять потребность растений в поливе.
Кроме того, информация может использоваться страховыми компаниями для оценки погодных рисков и уточнения моделей прогнозирования ущерба.
Что дальше?
Несмотря на успешные испытания, до полноценного коммерческого внедрения технологии ещё предстоит пройти несколько этапов.
Исследователи планируют расширить программу полевых испытаний, уделив особое внимание сильным дождям, которые пока недостаточно представлены в обучающих данных. Также необходимо усовершенствовать корпуса датчиков, электронные компоненты и процедуры контроля качества, чтобы подготовить систему к серийному производству.
По словам научного руководителя проекта Якоба Бергнера (Jakob Bergner), команда уже подтвердила работоспособность метода при небольших осадках. Теперь задача заключается в том, чтобы собрать больше информации о редких, но значительно более интенсивных дождевых явлениях и адаптировать алгоритмы к различным условиям эксплуатации.
В настоящее время разработчики ищут промышленных партнёров для проведения дополнительных пилотных испытаний.
Если технология оправдает ожидания, метеорологические наблюдения можно будет сделать значительно более распределёнными, используя уже существующую инфраструктуру солнечной энергетики. Вполне возможно, что в будущем солнечные панели станут не только источником электричества, но и частью глобальной системы наблюдения за погодой.
