遼寧省旱情監(jiān)測與網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)技術(shù)研究與設(shè)計

馬傳波

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110003)

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遼寧省旱情監(jiān)測與網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)技術(shù)研究與設(shè)計

馬傳波

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110003)

以信息采集為基礎(chǔ)，計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為依托，應(yīng)急指揮平臺為保障的旱情監(jiān)測與網(wǎng)絡(luò)傳輸信息化系統(tǒng)的建立，改變了粗放落后的信息處理方式，提高了旱情及災(zāi)情信息采集的準(zhǔn)確性、傳輸?shù)臅r效性、處理的高效性，為抗旱減災(zāi)決策管理提供有力技術(shù)支撐。

旱情監(jiān)測；采集；網(wǎng)絡(luò)傳輸；系統(tǒng)開發(fā)

遼寧省是一個水旱災(zāi)害頻繁發(fā)生和人均水資源量貧乏的省份，全省降水量在年際之間、地區(qū)之間、季節(jié)之間有著顯著差異，歷史上因水旱災(zāi)害而造成的損失十分嚴(yán)重，是影響全省經(jīng)濟和社會持續(xù)發(fā)展的主要因素之一[1]。特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來，在氣候變化和人類活動的影響下，遼寧省旱情呈現(xiàn)出旱災(zāi)交替性、區(qū)域性、季節(jié)性以及連續(xù)性和旱澇并發(fā)性態(tài)勢。其中1999—2002年全省連續(xù)4 a發(fā)生干旱，2006年、2007年、2009年、2013年、2014年均發(fā)生嚴(yán)重干旱。尤其是2014年，發(fā)生了1951年以來最為嚴(yán)重的旱災(zāi)，截止到當(dāng)年8月26日，全省共有34.7萬人、9.4萬頭大牲畜因干旱而臨時飲水困難，作物受旱面積195.23萬hm2(占全省總面積的46%)，其中干枯47.16萬hm2，重旱77.61萬hm2，糧食減產(chǎn)100億t以上特大旱災(zāi)[2]。由此可見，干旱災(zāi)害已嚴(yán)重影響了遼寧省的糧食安全、水資源安全和生態(tài)安全，制約了全省農(nóng)業(yè)、工業(yè)和社會經(jīng)濟的發(fā)展。為了提高抗旱減災(zāi)能力和干旱管理水平，必須準(zhǔn)確、快速的獲取旱情信息，開展旱情監(jiān)測與網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)技術(shù)研究，為全省抗旱減災(zāi)提供重要的技術(shù)支撐十分必要。

1　旱情監(jiān)測現(xiàn)狀及存在的問題

目前，遼寧省在防汛抗旱、山洪災(zāi)害防治等方面完成了各類水文基本監(jiān)測站網(wǎng)初步建立、信息傳輸體系基本建成、水旱情信息自動化處理初步實現(xiàn)，有效規(guī)范了有關(guān)水旱情數(shù)據(jù)庫建設(shè)等工作，取得了一系列成果，但與防洪減災(zāi)工作相比，抗旱減災(zāi)與新時期防汛抗旱以及全面抗旱的要求還有較大差距。特別是作為抗旱減災(zāi)的重要基礎(chǔ)——旱情信息監(jiān)測與網(wǎng)絡(luò)傳輸體系還無法滿足當(dāng)前抗旱減災(zāi)的需要。主要表現(xiàn)在：

(1)旱情監(jiān)測站網(wǎng)不足，特別是土壤墑情監(jiān)測站嚴(yán)重不足，且布局也不盡合理，尚不足以形成站網(wǎng)體系。

(2)現(xiàn)有旱情信息時效性不能滿足要求，信息采集傳輸手段落后，大多仍然采用人工監(jiān)測，以電話、傳真、郵寄等方式報送，應(yīng)急監(jiān)測能力差，自動化程度低。

(3)旱情信息處理技術(shù)相對落后，從縣、地市到省，各級旱情管理機構(gòu)仍然主要靠人工方式處理旱情信息，工作量大，速度慢，處理效率低，差錯率高；很多地方判斷旱情主要還是憑經(jīng)驗，難以對旱情發(fā)展趨勢進(jìn)行全面科學(xué)的分析和預(yù)測；還沒有建立規(guī)范的旱災(zāi)評估體系。

2　總體系統(tǒng)架構(gòu)技術(shù)研究與設(shè)計

在已建工程基礎(chǔ)上，建設(shè)覆蓋全省的旱情信息監(jiān)測與網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，擴大旱情監(jiān)測站(點)的建設(shè)范圍，初步構(gòu)建旱情信息監(jiān)測與網(wǎng)絡(luò)傳輸體系。系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測站點數(shù)量多、分布散的特點，按照監(jiān)測站網(wǎng)層、采集與傳輸層、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)層和服務(wù)層等進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計[2]。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計見圖1。

圖1　系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計拓?fù)鋱D

3　旱情信息監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)研究與設(shè)計

旱情信息監(jiān)測系統(tǒng)是抗旱工作的基礎(chǔ)，主要包括降水、水文、墑情、蒸發(fā)和地下水等監(jiān)測參數(shù)，及其采集、傳輸和分析處理。本文根據(jù)各監(jiān)測站網(wǎng)的特點，進(jìn)行了詳細(xì)的站網(wǎng)規(guī)劃和系統(tǒng)功能研究與設(shè)計。

3.1墑情站網(wǎng)規(guī)劃與功能設(shè)計

3.1.1墑情站網(wǎng)規(guī)劃與設(shè)計

土壤墑情是水循環(huán)規(guī)律、農(nóng)牧業(yè)灌溉、水資源合理利用，以及抗旱救災(zāi)的基本信息，是旱情監(jiān)測系統(tǒng)的核心。截止2014年底，全省現(xiàn)有的土壤墑情人工觀測站92處(其中，55處固定墑情遙測站)，配有17套土壤墑情移動采集系統(tǒng)，但還存在信息監(jiān)測不全面、不及時、欠準(zhǔn)確的狀況。

本次設(shè)計根據(jù)土壤墑情站網(wǎng)布設(shè)綜合考慮水文站網(wǎng)現(xiàn)狀，按照《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》(SL 364-2006)規(guī)定的墑情監(jiān)測站網(wǎng)布設(shè)密度要求進(jìn)行布設(shè)。近期易旱縣布設(shè)墑情監(jiān)測站4處，一般縣2處；遠(yuǎn)期易旱縣布設(shè)墑情監(jiān)測站5處，一般縣3處。土壤墑情站包括固定站、移動站和人工站3種類型。

3.1.2墑情站系統(tǒng)功能設(shè)計

(1)墑情固定監(jiān)測站

墑情固定監(jiān)測站主要對墑情信息進(jìn)行自動采集和發(fā)送，具備自報與遠(yuǎn)程召測功能[3]。固定墑情監(jiān)測站典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

①系統(tǒng)組成，系統(tǒng)主要由墑情固定監(jiān)測站、信息傳輸和信息接收三部分構(gòu)成。其中，信息傳輸是由通信設(shè)備、GPRS/GSM 公網(wǎng)、國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)廣域網(wǎng)(NFCnet)等組成，地市水情分中心、省水情中心負(fù)責(zé)信息接收。

②系統(tǒng)功能，墑情固定監(jiān)測站主要是不同測深土壤含水量的實時監(jiān)測，并實時發(fā)送，同時具備響應(yīng)召測的功能。其遠(yuǎn)程終端(RTU)需為雨量、空氣溫濕度等參數(shù)預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)接口，以便系統(tǒng)擴展。

③系統(tǒng)通訊與體制，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采用GPRS通訊方式進(jìn)行，上報至市級旱情中心或省級旱情中心。工作體制以采用定時自報為主，輔以加報和遠(yuǎn)程召測的功能。除部分地區(qū)冬季凍土期外，土壤墑情采集時段原則上為全年，采用自動采集、傳輸，定點監(jiān)測。

(2)移動土壤墑情測報站

移動土壤墑情測報站是對固定站的補充。

①系統(tǒng)構(gòu)成，移動土壤墑情監(jiān)測站采集包括站點ID、測量時間、土壤含水量、經(jīng)緯度、土壤類型和測量深度，以及相關(guān)信息。主要設(shè)備由移動墑情監(jiān)測設(shè)備、信息傳輸以及信息接收設(shè)備構(gòu)成。其中，移動墑情監(jiān)測設(shè)備主要由土壤水分傳感器、電源、GPS 和挖土設(shè)備等組成；信息傳輸設(shè)備由通信設(shè)備、GPRS/GSM 公網(wǎng)和PDA 等組成。

②系統(tǒng)功能，具備現(xiàn)場實時墑情信息采集、讀數(shù)、存儲、信息發(fā)送和有關(guān)旱情圖片采集、傳輸和現(xiàn)場定位功能。人工操作采集不同深度土壤墑情、經(jīng)緯度位置和土壤深度等信息，通過GPRS/GSM 公網(wǎng)傳輸至地市或省旱情監(jiān)測中心。

(3)人工土壤墑情測報站

人工土壤墑情測報站主要是人工取土采用烘干法測量土壤含水量以獲取墑情信息的方法，數(shù)據(jù)上報采用人工上報方式。主要設(shè)備由電子天平、烘干箱、干燥器、環(huán)刀、鋁盒和取土鉆等組成。

3.2降水站網(wǎng)規(guī)劃與功能設(shè)計

降水是衡量旱情的一個重要參數(shù)。目前，全省現(xiàn)有降水量觀測站1754處，基本能控制降水量和暴雨特征值在全省范圍內(nèi)的分布。但已建降水站以防洪報汛為主，未全面考慮防旱抗旱的需要，全省枯季只有223處進(jìn)行報汛，無法滿足非汛期旱情分析的需求；且枯季是人工報汛，手段落后，時效性差。因此從2015年開始，逐年將部分現(xiàn)有雨量站改建為冬季可自動融雪的雨量站，以實現(xiàn)全年逐日報汛報旱的功能，至2020年，使全省常年報汛站密度達(dá)50 km2/每站。

根據(jù)站點分散的特點，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸采用GPRS通訊方式進(jìn)行，將降水站的降水(雨、雪)信息按規(guī)范要求上報至市級旱情中心或省級旱情中心；通訊體制采用自報式——應(yīng)答混合方式的工作體制。系統(tǒng)主要由遙測終端RTU、融雪型雨雪量計、GSM/GPRS通訊模塊、太陽能供電系統(tǒng)等組成。

3.3地下水站規(guī)劃與功能設(shè)計

(1)站網(wǎng)規(guī)劃

目前，全省現(xiàn)有地下水自動監(jiān)測站326個，其中可用于抗旱監(jiān)測的有82個。現(xiàn)有監(jiān)測站布設(shè)以平原區(qū)為主，監(jiān)測密度較大。山丘區(qū)主要為區(qū)域控制井，監(jiān)測密度不夠；干旱和半干旱地區(qū)監(jiān)測井稀少，真正干旱的山丘區(qū)坡地及坡角等地分布更少。因此，地下水存在站網(wǎng)分布不勻、測站應(yīng)急抗旱代表性不夠、監(jiān)測頻次及數(shù)據(jù)傳輸途徑無法滿足抗旱需求等問題。本次規(guī)劃共339個監(jiān)測站。其中，在現(xiàn)有地下水自動監(jiān)測站中選取82個站，其余257個地下水站為原有監(jiān)測站改建或新建。

(2)系統(tǒng)組成與功能

系統(tǒng)組成：主要由遙測終端RTU、水位傳感器、GSM/GPRS通訊模塊、信號防雷器和電源避雷器等設(shè)備組成，采用12 V 38 AH蓄電池供電，20 W單晶硅太陽能板浮充的運行方式。地下水位測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

系統(tǒng)功能：實現(xiàn)對地下水位/水溫實時連續(xù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸與存儲和地下水資源分析與預(yù)警等功能，數(shù)據(jù)傳輸通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)經(jīng)CDMA/GPRS通訊模塊將數(shù)據(jù)傳輸至市旱情中心。

3.4水文站規(guī)劃與設(shè)計

本部分在原水文站網(wǎng)報汛的基礎(chǔ)上，報汛通訊網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)報送流程和監(jiān)測指標(biāo)不變情況下，增加非汛期報汛，延長報汛時長，本系統(tǒng)中不增加或者改造設(shè)備。

3.5蒸發(fā)站規(guī)劃與設(shè)計

截止2014年，全省現(xiàn)有水面蒸發(fā)站40處。資料的連續(xù)系列較長、代表性較好。現(xiàn)在蒸發(fā)站監(jiān)測儀以人工為主，手段落后，時效性差。本次設(shè)計主要是對人工為主的原站改建自動監(jiān)測，同時新建10個自動監(jiān)測站。

蒸發(fā)站以蒸發(fā)計、雨量計、溢流桶為基本觀測工具，實現(xiàn)自動采集、處理、顯示蒸發(fā)和降水，及溢流過程等信息。同時，可自動控制蒸發(fā)桶、溢流桶補、排水過程。利用系統(tǒng)配套的應(yīng)用軟件可以實現(xiàn)水面蒸發(fā)過程信息的遠(yuǎn)程監(jiān)測及資料整編入庫，同時，通過公網(wǎng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

圖3　地下水位測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4　信息網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)技術(shù)研究與設(shè)計

4.1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)由1個省級中心，14個市級分中心，監(jiān)測站所在縣級中心、所屬鄉(xiāng)鎮(zhèn)水利站及信息采集子系統(tǒng)組成，并通過GPRS/GSM移動通信網(wǎng)絡(luò)，借助物聯(lián)網(wǎng)和云計算等先進(jìn)信息化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建旱情監(jiān)測與網(wǎng)絡(luò)傳輸、分析、發(fā)布平臺，如圖2所示。

4.2數(shù)據(jù)流向設(shè)計

數(shù)據(jù)流向設(shè)計主要包括旱情信息的上報體制和傳輸途徑設(shè)計，流向設(shè)計模式有集中式、分散式與集中分散結(jié)合式3種模式[4]，系統(tǒng)采用集中分散結(jié)合模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

4.2.1集中式數(shù)據(jù)流向設(shè)計

旱情自動監(jiān)測信息通過云網(wǎng)絡(luò)直接傳輸至省級旱情監(jiān)測中心數(shù)據(jù)庫中，人工統(tǒng)計信息通過遠(yuǎn)程登錄填報或本地編輯遠(yuǎn)程傳輸?shù)姆绞綀笏偷绞〖?，并集中存儲在省級?shù)據(jù)庫中；市級旱情統(tǒng)計單位(市防辦)通過遠(yuǎn)程登錄對所屬各縣統(tǒng)計單位進(jìn)行匯總、審核，以填報或本地編輯報送到省級中心；省級匯總、審核或修改全省上報的數(shù)據(jù)，并通過公網(wǎng)報送到水利部。市級、縣級中心和鄉(xiāng)鎮(zhèn)水利站通過網(wǎng)絡(luò)登錄系統(tǒng)平臺訪問所屬區(qū)域的旱情監(jiān)測情況，同時具備對所屬旱情監(jiān)測站進(jìn)行人工數(shù)據(jù)上報責(zé)任。

4.2.2分散式數(shù)據(jù)流向設(shè)計

旱情自動監(jiān)測信息通過云網(wǎng)絡(luò)直接傳輸至省、市、縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)各級旱情監(jiān)測中心，人工統(tǒng)計信息通過遠(yuǎn)程登錄填報或本地編輯遠(yuǎn)程傳輸?shù)姆绞綀笏偷绞〖墸?級中心間沒有直接的數(shù)據(jù)流程關(guān)系。

4.2.3集中分散結(jié)合式數(shù)據(jù)流向設(shè)計

旱情自動監(jiān)測信息通過云網(wǎng)絡(luò)可直接傳輸至省級旱情監(jiān)測中心和市級旱情中心。省、市級中心具有同時接收和遠(yuǎn)程遙測現(xiàn)場自動監(jiān)測站的功能；人工統(tǒng)計信息通過遠(yuǎn)程登錄填報或本地編輯遠(yuǎn)程傳輸?shù)姆绞綀笏偷绞〖墸⒓写鎯υ谒鶎俚氖屑壓登橹行臄?shù)據(jù)庫中。市級、縣級中心和鄉(xiāng)鎮(zhèn)水利站通過網(wǎng)絡(luò)登錄系統(tǒng)平臺訪問所屬區(qū)域的旱情監(jiān)測情況。同時，市級旱情統(tǒng)計單位(市防辦)具有對所屬區(qū)域旱情信息匯總、審核和報送到省級中心的任務(wù)；鄉(xiāng)鎮(zhèn)水利站具有對所屬旱情監(jiān)測站進(jìn)行人工數(shù)據(jù)上報的責(zé)任。省級匯總、審核或修改全省上報的數(shù)據(jù)，并通過公網(wǎng)報送到水利部。數(shù)據(jù)流向示意圖如圖2所示。

4.3旱情中心設(shè)計

4.3.1省級旱情中心設(shè)計

省級旱情中心由計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、旱情管理信息系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)接收各市分中心轉(zhuǎn)發(fā)的旱情監(jiān)測數(shù)據(jù)，并進(jìn)行解析、檢錯、分類入庫、異地數(shù)據(jù)同步等處理；指導(dǎo)分中心對旱情監(jiān)測進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控管理；綜合分析土壤墑情、河道水情、降水、水庫蓄水等綜合指標(biāo)，提出旱情分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，預(yù)測旱情發(fā)展態(tài)勢；向水利部門及政府機構(gòu)提供旱情信息[5]。

4.3.2市級旱情中心設(shè)計

市級旱情信息中心(共14個市)接收旱情采集點自動傳輸?shù)暮登樾畔?，收集、整理和統(tǒng)計錄入旱情信息，并上報旱情分中心。旱情信息站實現(xiàn)各地所有采集點在全部時段內(nèi)所測旱情信息的存儲、統(tǒng)計、分析、顯示和上報。主要功能包括：所有采集點屬性數(shù)據(jù)和墑情數(shù)據(jù)的存儲、查詢和顯示；召測、巡測墑情采集點的墑情數(shù)據(jù)；接收并響應(yīng)旱情中心、分中心的指令；負(fù)責(zé)收集與抗旱相關(guān)的各類信息。

4.3.3縣級旱情中心設(shè)計

縣級旱情中心負(fù)責(zé)本縣所屬旱情測報站(含人工站)的設(shè)備維護(hù)和信息校核、上報的任務(wù)，縣級中心通過水利信息專網(wǎng)與市級旱情中心間通訊。

4.3.4鄉(xiāng)鎮(zhèn)水利站設(shè)計

鄉(xiāng)鎮(zhèn)水利站負(fù)責(zé)本鄉(xiāng)鎮(zhèn)所屬旱情測報站(含人工站)的設(shè)備維護(hù)和信息校核、旱情信息人工采集和上報的任務(wù)，鄉(xiāng)鎮(zhèn)水利站通過手機平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)上報和所屬區(qū)域旱情信息瀏覽。

5　旱情監(jiān)測數(shù)據(jù)匯集平臺設(shè)計

數(shù)據(jù)匯集平臺運行在防汛抗旱專網(wǎng)也就是水利信息骨干網(wǎng)上，實現(xiàn)整個防汛抗旱指揮系統(tǒng)從下到上的實時采集數(shù)據(jù)的自動接收與交換、統(tǒng)計數(shù)據(jù)的在線填報與匯總、管理文檔材料等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的實時交換與管理。將數(shù)據(jù)匯集平臺按照結(jié)構(gòu)分層的原則分為數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)接入、業(yè)務(wù)接口、配置管理、監(jiān)視統(tǒng)計6個層次進(jìn)行設(shè)計，詳見圖4。

圖4　數(shù)據(jù)匯集平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

6　結(jié)　論

以信息采集為基礎(chǔ)、計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為依托、應(yīng)急指揮平臺為保障的旱情監(jiān)測與網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)的建立，將逐漸改變原來簡單、粗放、落后的信息處理方式，大大提高旱情及災(zāi)情信息采集的準(zhǔn)確性、傳輸?shù)臅r效性、處理的高效性、決策的智能性，對其發(fā)展趨勢做出及時、準(zhǔn)確地預(yù)測與預(yù)報，為抗旱管理部門制定調(diào)度方案提供依據(jù)，進(jìn)而提高抗旱管理的決策水平，為保障人民群眾生命財產(chǎn)安全和社會經(jīng)濟發(fā)展，構(gòu)建和諧社會發(fā)揮積極作用，對有效減少旱災(zāi)損失、保障人民生命財產(chǎn)安全具有重大的意義。

[1]遼寧省水利水電科學(xué)研究院.遼寧省旱情監(jiān)測與服務(wù)系統(tǒng)實施方案[R].沈陽：遼寧省水利水電科學(xué)研究院，2014.

[2]遼寧省防汛抗旱指揮部辦公室.遼寧省旱情監(jiān)測“十一五”規(guī)劃[R].沈陽：遼寧省水利廳，2007.

[3]張莉莉.淺談河北省旱情監(jiān)測系統(tǒng)分析[J].城市建設(shè)理論研究(電子版)，2014(27).

[4]吳冬平.黑龍江省旱情信息采集系統(tǒng)設(shè)計方案[J].黑龍江水利科技，2014(10):28-30.

[5]王玉海.安徽省旱情監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用[J].安徽農(nóng)學(xué)通報，2009，15(17)：126.

Research and design of drought monitoring and network transmission system in Liaoning Province

MA Chuanbo

(ResearchInstituteofWaterResourcesandHydropower,Shenyang110003,China)

The drought monitoring and network transmission system was founded on some technologies, which mainly contained information collection, network system and emergency command platform. This changed the way of information processing and improved the accuracy of information collection for drought and disaster. Meanwhile the timeliness of information transfer and the processing efficiency were enhanced. All of these can contribute to drought relief decision-making management.

drought monitoring; acquisition;network transmission; system development

馬傳波(1978-)，男，高級工程師，從事水利自動化與信息化方面的工作。

S423

A

2096-0506(2016)03-0041-06