基于无线传输的山洪灾害监测预警系统构建

　　课题来源、选题依据和背景情况、课题研究目的或工程应用价值

　　 我国是一个多山国家，山丘区面积约占全国陆地面积三分之二。季节主要位于东亚季风区，暴雨分布范围广；季风气候决定了我国降雨在年内分布不均，汛期高度集中，以强降雨引发的山洪灾害发生最为频繁，危害大。山洪灾害是山丘区在一定强度或持续的降雨下，因特殊的地形地质条件而发生的自然灾害，它具有突发、易发、多发、破坏性大、防治困难的鲜明特点，往往对局部地区造成毁灭性灾害，造成重大的生命财产损失。因此山洪灾害防治监测预警项目建设工作显得尤为迫切。2006年10月，xxxx批复了《全国山洪灾害防治规划》[1-4]，要求“在山洪灾害重点防治区初步建立以监测、通信、预报、预警等非工程措施为主与工程措施相结合的防灾减灾体系，减少群死群伤时间和财产损失”。按照《全国山洪灾害防治规划》提出的要求，结合《山洪灾害防御预案编制大纲》、《山洪灾害监测系统设计方案指导书》和《全国山洪灾害监测预警系统建设技术要求》中的指导方案进行开发和设计基于信息化平台的山洪灾害预警系统，山洪灾害预警系统是一种重要的山洪灾害防治非工程措施，主要围绕监测、预警和响应三个环节，将信息采集、传输、分析为一体的水雨情监测系统与预警、响应体系有机结合，根据预警信息危机程度及山洪可能危害范围的不同，选取适宜的预警程序和方式，实现预警信息及时、准确地上传下达，实施科学指挥、决策、调度以及抢险救灾，从而使得灾害区能够根据山洪灾害防御预案，及时采取预防措施，最大限度地减少人员伤亡和财产损失。

　　基于信息化平台的山洪灾害预警系统能够实现山洪灾害信息的实时监测、灾害预警、应急指挥会商、预警发布以及山洪灾害相关信息的查询、编辑处理等功能。该系统集自动采集、传输、查询和决策为一体，实现了水情测报、防洪调度的自动化和现代化，提高了防汛抗旱调度指挥手段的先进性，防汛部门可根据山洪灾害信息和监测情况，及时发布山洪预报、警报，有效增强地区抗御自然灾害的能力。

　　国内外研究现状、发展动态

　　 近年来，山洪灾害的加剧与发展，已引起世界防灾减灾领域关注。面对越来越严重的山洪灾害，很多国家已经或正在研发有效的山洪监测预警预报系统和洪水管理方法，力求使灾害程度达到最小。例如，X水文研究中心（HRC）研发了山洪预警指南系统（flashfloodguidancesystem，FFGS）[11]，已广泛应用于中美洲、韩国、湄公河流域四国、南非、罗马尼亚等地；X马里兰大学与国家河流预报中心研制了分布式水文模型山洪预报系统（HEC-DHM）[10]；日本国际合作社（JICA）开发了在加勒比海地区以社区为基础的山洪早期警报系统等。世界气象组织（WMO）也在积极推进一体化洪水管理理念，并在南亚地区孟加拉国、印度和尼泊尔三国成功地开展了“社区加盟洪水预警与管理”的示范区项目[10]。为加强洪水管理，欧洲一些国家联合资助开展第六个欧盟研究和技术开发项目，项目名称为FLOODsite，执行时间为2002-2006年。在此项目下，设立了山洪灾害防治流域性示范项目（PilotStudyFlashFloodBasins）[10]，成立山洪灾害防御网络（FFnetwork）[11]，在法国、意大利、西班牙和德国分别选择一个流域，组织水文气象部门、监测服务部门，预测预报中心、研究机构和灾害应急管理机构开展山洪灾害防御技术的研究与示范。

　　目前，国内外山洪预警预报采取的技术途径通常是通过对山洪的危险性预测判别，研究山区山洪灾害威胁程度，划分山洪易发区和危险等级；结合先进的监测和预报技术，实时监视暴雨山洪情况，预测山洪发生的时间和危害程度，从而做出山洪的准确预测预报。

　　众所周知，我国是一个多山的国家，山丘区面积约占国土面积的三分之二，自然条件复杂，降雨时段集中，极端天气频发。广大山区山高沟深，河谷纵横，地势起伏大，谷坡稳定性差，地表风化物和松散堆积物厚。同时，山丘区人多地少，生产生活空间狭小，不少城镇或居民点就坐落在泥石流沟口、河谷沿岸甚至滑坡体上，加之炸山开矿、削坡修路等活动对山体稳定带来的影响，决定了我国山洪灾害多发、易发、频发、重发的特点。全国29个省、自治区、直辖市，274个地级行政区，1836个县级行政区都有山洪灾害防治任务，防治区面积达到463万平方公里，涉及人口5.6亿，其中重点防治区面积97万平方公里，影响人口1.3亿，7400万人受到直接威胁，防御形势十分严峻、治理任务极为艰巨[1-6]。山洪灾害突发性强，破坏力大，预报预警难，在局部地区引发的灾害经常是毁灭性的，防御非常困难。近几年，我国突发性、局地性极端强降雨引发的山洪灾害频繁发生，造成死亡人数占全国洪涝灾害死亡人数的比例呈递增趋势。已成为我国防洪减灾工作的重点和难点。山洪灾害的防止需坚持“以防为主，防治结合”、“以非工程措施为主，非工程措施与工程措施相结合”的原则。2006年10月，xxxx批复了《全国山洪灾害防治规划》，要求“力争到2010年，在山洪灾害重点防治区初步建立以检查、预报、预警等非工程措施为主与工程措施相结合的防灾减灾体系，减少群死群伤时间和财产损失”。采用非工程措施减少山洪灾害监测预警喜用是及时规避风险，避免或减少山洪灾害导致的人员伤亡和财产损失的重要措施，也是有效防御山洪灾害实施指挥决策以及抢险救灾的保障，在山洪灾害防治中具有举足轻重的地位。

　　1、主要研究内容及关键技术

　　本文主要研究如何建立基于信息化平台的山洪灾害监测预警系统。山洪灾害预警是在各种原始监测数据和历史数据分析对比的基础上，根据数据分析结果来决策预警信息。首先，各监测点数据采集设备对各项水文数据进行实时监测，如水库水位、降雨量、河道水流速等。次之，终端数据采集设备实时或间隔采集完各项数据，并在GPRS无线网络平台的基础上，将采集的数据通过无线通信终端传到预警中心系统，中心系统将所得的各项数据进行综合分析，为预警决策系统提供依据。最后，当预警决策系统得出预警信息后，预警系统采用数据信息或语音的形式向预警终端发出预警信息。山洪灾害监测预警系统平台为县级防洪部门着力打造的专业级山洪灾害预警解决方案，它以预警应用（软件）为核心，集成了数据汇集系统、雨水情监测系统、无线发布预警系统，为县级防洪部门提供全面的信息采集、监视预警和指挥调度应用，提高山洪灾害预警的效率，为防治和降低山洪灾害损失提供了有效的科技手段。

　　采取的关键技术为以GPRS通信为主、GSM短信为辅的数据传输通信方式，无线RTU，通讯协议,WEBGIS，虚拟专用网络、防火墙等技术的运用。

　　2、拟采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析

　　本文根据现阶段国内外山洪灾害防治县级非工程措施监测预警系统的发展现状，深入研究了工业无线通信产品在防洪防灾等领域的应用，设计开发实施山洪灾害监测预警系统，对监测终端与控制中心的链路，控制中心与预警发布终端链路、GPRS/CDMA无线传输功能及无线RTU模拟量采集、数字量采集、开关量输出、继电器输出功能进行研究以及实现。

　　随着通讯技术的发展，以CDMA、GSM/GPRS为主的移动通信网络发展迅速。目前，中国联通和中国移动网络覆盖广，各基站设备设施先进，对自然环境的抗风险能力较强，因此以CDMA、GSM/GPRS网络为基础形成的数据服务，不受地理环境和天气条件的限制，而组网方便,对应用所需的额外设备要求不高，投资和运行费用低，并且数据传输准确，安全可靠性高，时效性和带宽基本满足大部分业务的信息传输要求，因此在山洪预警系统里GPRS/CDMA无线传输通讯方式是当下最好的选择。在GPRS/CDMADTU上可选择UDP与TCP传输协议。UDP是一个简单的面向数据报的传输层协议，不提供可靠性连接，而TCP提供一种面向连接的、可靠的字节流传输层服务。TCP以增加网络开销的方式提供传输保障。由于考虑到大中城市的通讯网络稳定成熟、监控点较多的情况，系统一般选用UDP的传输协议；在县市乡镇一级的通讯网络中，由于通讯网络的通讯效果不太好和监控点少的现状，系统一般选用TCP传输协议，两种通讯协议能够在一个大型通讯系统中并存，在保证通讯效果的情况下，又减少了网络通讯费用。从采集终端发出数据包到数据中心收到数据包仅需1-2秒钟，实时性满足山洪灾害预警的需要。监测中心（即数据中心）可以分级设在各级防汛指挥部办公室的中心机房内，主服务器采用WindowsServer2008操作系统，数据库采用SQLServer2008。各个监测中心与各个监控点采用GPRS/CDMA通讯系统建立通讯，各个监测中心采用专用光纤同电信的Internet连接，并具有公网IP，防汛网络同Internet的连接通过硬件防火墙进行物理隔离。在具有internet连接的各个监控中心，可以用宏电的GPRS/CDMA无线通讯系统进行点对点、一点对多点的通讯，以备在internet网络不畅的情况下做应急通讯备份。所有来自遥测站的数据包经过网络（CDMA/GPRS和Internet）首先进入具有固定的IP地址的硬件防火墙，硬件防火墙通过端口映射功能将数据包转发到主服务器上，再由数据中心程序(软件)将数据读出并进行分析，最后写入数据库。山洪灾害预警系统除了根据预警条件，按照相应的预警级别自动启动（或会商后人工启动）短信、电话来通知防汛成员单位责任人、有关乡镇、村负责人以及农户外，还需在危险区域的重点防范地方、集中院落设立广播预警系统。广播预警系统由单片机处理单元、语音芯片、无线广播控制主机、接收装置以及警笛和大功率高音喇叭等声光装置组成，广播预警系统同样通过CDMADTU接收数据中心发过来的预警信息。单片机接收到中心预警包后，分析预警级别，再发送预警包给语音芯片，语音芯片通过喇叭发出特定预警语音，告知附近村民采取相应措施。经过现场实际验证，数据中心发送预警包后，3秒钟左右可以发出预警。利用CDMA/GPRS网络，以及所提供的数据服务，借助CDMA/GPRS通讯产品，能够顺利完成各级山洪预警系统中的监测采集站网的汛情信息传输、监测中心的监测信息传送以及预警广播信息的传送，为山洪灾害的及时监测、预警预报，以及决策会商和指挥调度工作提供了畅通、快速、可靠稳定的通信信道。节省了传统询查的人力物力、回避了询查人员的生命安全隐患、为山洪发生地的广大民众抢得宝贵的预警数据资料和应急行动的时间。

　　基于信息化平台的山洪灾害防治监测预警系统建设的过程，对监测终端与控制中心的链路的作用(将前端采集数据发送到控制中心，为供控制中心决策预警提供原始水文数据)进行数据流分析。对控制中心与预警发布终端链路（建立在控制中心经过分析各项数据得出预警信息时，向预警终端发出预警。控制中心可通过三种通信方式向预警终端发出预警信息：GPRS网络数据、语音、短信）进行信息流分析。对RTU的模拟量采集、数字量采集、开关量输出、继电器输出的特点及GPRS/CDMA无线数据传输功能在基于信息化平台的山洪灾害防治监测预警系统中的使用进行了进一步的剖析。依托GIS、数据库信息和大比例尺电子地图，县级山洪灾害监测预警平台，实现了雨水情等基础信息的实时入库、自动分析、动态监测、在线查询、在线监视、在线预警发布等功能。

　　3、预期目标

　　系统开发设计的山洪灾害监测预警系统是根据国家《山洪灾害防治县级非工程措施建设实施方案编制大纲》（下简称《编制大纲》）要求进行开发，在国家四部委的联合部署下，山洪灾害监测预警系统向着功能更加全面、技术更加先进、操作更加人性和预警更加准确的方向不断向前发展，基于信息化平台的山洪灾害监测预警系统是山洪防治非工程措施的重要组成部分，以减少人民群众生命财产损失的为核心目标，运用预警系统真正发挥山洪防治非工程措施的重要作用，有效防御山洪灾害，改变山洪灾害日趋严重的局面，减少人员伤亡和财产损失，同时也为全国山洪灾害防治规划项目的全面实施积累经验,能够为做好山洪灾害防治县级非工程措施项目建设和管理以及系统升级补充、数据共享等方面的工作，提高山洪灾害预警的效率，为防治和降低山洪灾害损失提供有效的科技手段。设计基于信息化平台的山洪灾害预警系统要达到以下的目标：

　　泛在感知：应用传感器、定位授时等技术，将自动采集的水位计、雨量计等安装在地形复杂、偏远的地区，通过网络层的无线和有限传输技术，将信息定时采集上来，从而解决了覆盖面广、地形复杂的问题。

　　精准监测：通过感知层的信息感知采集，网络层的数据传输收集，很大程度上减少了人工监测的难度，提高了监测效率和频度，也降低了人工监测带来的错误和误差，很大程度上解决了监测困难的问题。

　　可监可控：借助手持终端、发布系统等设备，可以对工程设施、监测设备等进行远程的控制，也可通过应用服务实现业务的上下级管理和指导。在设备、网络、应用之间，将业务人员和管理人员纳入其中从而为管理提供了丰富、有效的手段。

　　科学决策：应用层根据对感知层、网络层收集数据的处理、分析，以图表、GIS等各种生动、丰富的形式为决策者提供信息和分析结果，同时可以将复杂的水文模型、水利模型、数学模型用计算机模拟实现，快速、便捷地为决策提供数据支持和科学评估。

　　大力加强防洪非工程措施的建设，采用现代通信、网络与信息技术，以提高防汛信息监测预警的实效性、准确性，尽力在暴雨山洪来临之前采取有效预防和撤离避险措施，最大限度地减少山洪灾害导致的人员伤亡和财产损失。同时，继续加强对预警技术指标的研究、地质灾害点的排查以及山洪灾害的评估工作，不断提高山洪灾害防治非工程措施的科学性、合理性、有效性，大幅度提升山洪灾害防治工作的能力和水平。

　　通过对各小流域自然和经济社会基本情况、人口分布、山洪灾害类型、历史山洪灾害、受山洪灾害威胁的人口及主要经济设施分布等方面进行的普查，根据山洪灾害防御工作需要，系统设计遵循相关规程、规范，技术开发，以现行的相关水文监测、通信系统组网、软件开发、数据库构建等方面的规程、规范为依据；充分利用现有气象、水文及地质灾害监测预警网，山洪灾害监测预警系统是国家防汛抗旱指挥系统的补充，数据库结构与国家防汛抗旱指挥系统的数据库结构相统一，技术标准要与国家防汛抗旱指挥系统的标准相衔接。

　　序号 阶段及内容 起讫时间 阶段成果形式

　　1 选题并撰写开题报告 2014.2-2014.3 完成纸质开题报告

　　2 论文背景与材料收集 2014.3-2014.4 完成材料准备

　　3 组织材料并进行体系构建 2014.4-2014.5 形成论文基本框架

　　4 撰写毕业论文 2014.5-2014.7 完成论文的初稿

　　5 修改毕业论文 2014.7-2014.9 完成论文纸质定稿

　　6 毕业论文答辩 2014.10-2014.11 参加毕业论文答辩

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　　[3]王礼先,于志民．山洪及泥石流预报[M]．北京：中国林业出版社，2001．

　　[4]刘洪江．县级泥石流信息系统的建立及其应用[J]．干旱区地理，1997，(4)：22—24．

　　[5]李铁，郭秋胜山洪及泥石流灾害预警技术研究.科学技术与预警2006

　　[6]王屉，朱峰 基于Interenet的水利建设与山洪预警系统开发. 清华大学2002

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　　[8]米勒著邓劝生、薛建新、王涌译.数据通信与网络.清华大学出版社

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　　[10]刘志雨.山洪预警预报技术研究与应用.水利部水文局.北京

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