樂山市山洪監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計與建設(shè)

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(四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，成都 610065)

樂山市山洪監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計與建設(shè)

高姍姍，周新志，雷印杰

(四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，成都 610065)

隨著山洪災(zāi)害防治縣級非工程措施建設(shè)規(guī)模的擴大，提高省、市、縣三級應(yīng)急聯(lián)動能力，提升防災(zāi)科學(xué)管理水平成為重要課題。針對樂山市山洪監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)提出了系統(tǒng)總體設(shè)計方案，展示了四級山洪災(zāi)害數(shù)據(jù)共享匯集關(guān)系并分析各模塊的工作機制;同時,對數(shù)據(jù)信息采集共享子系統(tǒng)、信息查詢及監(jiān)測子系統(tǒng)、預(yù)警響應(yīng)跟蹤子系統(tǒng)、移動工作子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸、查詢、監(jiān)控預(yù)警等功能以及具體實現(xiàn)進行了重點闡述。所述預(yù)警系統(tǒng)體系完整，為市級山洪預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)提供了借鑒和參考。

樂山市；山洪災(zāi)害；預(yù)警系統(tǒng)；信息監(jiān)測；數(shù)據(jù)共享

1 研究背景

長江流域在我國國民經(jīng)濟發(fā)展中占有舉足輕重的地位，其上游生態(tài)環(huán)境的改善以及經(jīng)濟的發(fā)展直接影響到中下游地區(qū)的長治久安[1-2]。四川省樂山市地處長江上游、青藏高原東麓、高原到盆地的過渡地帶，境內(nèi)更有岷江、青衣江、大渡河3條大江河流過，水域面積大，徑流豐富易匯成山洪，誘發(fā)更多的突發(fā)性山地災(zāi)害[3]，近年來“三江”洪水的強度不斷增加，僅2010年洪澇災(zāi)害受災(zāi)人口129 792人,直接經(jīng)濟總損失約15 259萬元。如何能夠加快建設(shè)樂山市縣二級防汛指揮調(diào)度系統(tǒng)、防洪工程設(shè)施管理系統(tǒng)和水情網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，提高各級各部門之間的應(yīng)急聯(lián)動，提升綜合防災(zāi)減災(zāi)能力，和提高山洪災(zāi)害科學(xué)管理水平等具有重要的研究意義。樂山全市轄4個區(qū)(市中區(qū)、五通橋、沙灣、金口河)、1個縣級市(峨眉山市)、6個縣(犍為、井研、夾江、沐川、峨邊、馬邊)。樂山市內(nèi)部署的山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)為基于市級平臺的防汛指揮預(yù)警綜合性系統(tǒng)，向上為四川省防汛決策提供服務(wù)，向下為基層防汛搶險救災(zāi)工作提供指導(dǎo)。山洪災(zāi)害防治等各方面信息需匯集于此平臺，市級防汛辦不僅能夠監(jiān)察各地區(qū)的監(jiān)測信息和預(yù)測情況，并且能實時查詢縣級發(fā)布的預(yù)報與險情反饋[4]。通過市級平臺的建設(shè)實現(xiàn)中央至縣級監(jiān)測預(yù)警平臺四級之間以及與水文、氣象和國土之間的互聯(lián)互通與信息共享，保證山洪災(zāi)害調(diào)查成果質(zhì)量，做好數(shù)據(jù)系統(tǒng)管理和有效利用，提升樂山市防汛部門防災(zāi)減災(zāi)的綜合能力。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 四級山洪災(zāi)害數(shù)據(jù)共享匯集

建設(shè)完善的山洪災(zāi)害數(shù)據(jù)共享匯集系統(tǒng)，實現(xiàn)國家、四川省、樂山市級、各縣級監(jiān)測預(yù)警平臺的互聯(lián)互通和信息共享，才能有效提升綜合防災(zāi)減災(zāi)能力。數(shù)據(jù)共享要求全面匯集山洪災(zāi)害防治信息[5]，一是實現(xiàn)與三級山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警平臺、水文局、氣象局、國土資源廳之間的數(shù)據(jù)共享匯集；二是實現(xiàn)匯集各地的雨水情數(shù)據(jù)、山洪災(zāi)害防治基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)信息等。圖1展示了四級山洪災(zāi)害數(shù)據(jù)共享匯集關(guān)系,具體包含如下3個模塊。

圖1 四級山洪災(zāi)害數(shù)據(jù)共享匯集Fig.1 Four-level sharing and collection of flash flood disaster data

2.1.1 實時雨水情數(shù)據(jù)共享匯集系統(tǒng)模塊

自動監(jiān)測站發(fā)送雨水情信息到縣級監(jiān)測預(yù)警平臺，同時按照水文遙測信息報送要求共享到省、市級水情中心(分中心)，并由省、市級水情中心(分中心)分發(fā)到需要共享信息的其他單位。在省、市級水情中心(分中心)建設(shè)實時雨水情數(shù)據(jù)共享匯集軟件，通過專線實現(xiàn)省、市、縣信息共享。

2.1.2 山洪災(zāi)害防治基礎(chǔ)數(shù)據(jù)共享匯集系統(tǒng)模塊

山洪災(zāi)害防治基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匯集，主要是匯集縣山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警平臺中的山洪災(zāi)害防治基礎(chǔ)信息，包括小流域基本情況、監(jiān)測站基本情況、河流基本情況等。具體參照《山洪災(zāi)害基礎(chǔ)及預(yù)警數(shù)據(jù)上報要求》的內(nèi)容和格式，通過系統(tǒng)模塊，在下級平臺與上級平臺通過IP地址建立山洪災(zāi)害防治基礎(chǔ)數(shù)據(jù)發(fā)送、接收，導(dǎo)入、導(dǎo)出、審核、日志等共享功能，并提供文件傳輸服務(wù)，系統(tǒng)模塊能按時自動提取山洪災(zāi)害防治基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并形成固定文件格式的山洪災(zāi)害防治基礎(chǔ)數(shù)據(jù)打包文件，通過系統(tǒng)將這些數(shù)據(jù)上傳至指定平臺并對數(shù)據(jù)內(nèi)容進行驗證，系統(tǒng)自動解析打包文件并存儲到指定IP地址的山洪災(zāi)害防治基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

2.1.3 水文、氣象、國土信息共享匯集

建立省防辦與省水文部門、氣象部門、國土信息部門之間信息共享交換的機制，利用現(xiàn)有的公用互聯(lián)網(wǎng)固定服務(wù)器方式，采用通道在物理層面上實現(xiàn)互聯(lián)互通，能定時從對應(yīng)部門的共享數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上讀取和接收數(shù)據(jù)并按照各自數(shù)據(jù)庫的格式向指定服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫寫入數(shù)據(jù)。共享的時效上應(yīng)滿足山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的需要，實時監(jiān)測預(yù)警信息應(yīng)在20 min內(nèi)匯集至市級系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

在樂山市級災(zāi)害預(yù)警防治系統(tǒng)中，考慮到系統(tǒng)涉及到的訪問用戶面廣，機構(gòu)多的特點，系統(tǒng)總體采用操作簡單且有良好擴充性的B/S(瀏覽器/服務(wù)器)體系結(jié)構(gòu)，用戶使用瀏覽器能夠完成所有操作；系統(tǒng)的信息匯集與數(shù)據(jù)處理等子系統(tǒng)則采用維護性好且安全性較高的C/S(客戶端/服務(wù)器)的結(jié)構(gòu)模式[6]。平臺總體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 市級山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall structure of municipal monitoring and warning system for mountain flood disaster

(1) 應(yīng)用服務(wù)層：通過應(yīng)用服務(wù)層最終以門戶網(wǎng)站的形式向用戶表現(xiàn)，現(xiàn)設(shè)有登陸用戶管理、信息發(fā)布、信息查詢、實時監(jiān)控、預(yù)警情況總覽等功能，并實現(xiàn)業(yè)務(wù)流程的集成管理。

(2) 業(yè)務(wù)處理層：通過邏輯、算法管理組件對山洪預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警等級進行劃分判斷，通過對數(shù)據(jù)的訪問、調(diào)用、判斷，有效支撐應(yīng)用服務(wù)層的各種復(fù)雜業(yè)務(wù)流程，實現(xiàn)對平臺的管理。

(3) 數(shù)據(jù)訪問層：在業(yè)務(wù)處理的過程中，承擔(dān)著與數(shù)據(jù)層的聯(lián)通作用。

(4) 數(shù)據(jù)資源層：數(shù)據(jù)資源采用數(shù)據(jù)庫進行統(tǒng)一格式的分類管理，數(shù)據(jù)資源既可以是文本、XML文檔，也可以是圖片、視頻等媒體文件，還可以是EXCEL,WORD形式的預(yù)案列表。通過對數(shù)據(jù)的解析、匯總，使數(shù)據(jù)規(guī)范統(tǒng)一化，以便于數(shù)據(jù)在三級平臺間有效地進行信息交互和數(shù)據(jù)共享。

2.3 系統(tǒng)主要性能

樂山市山洪預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)采用GIS地理信息處理技術(shù)[7]、RS遙感技術(shù)、Microsoft Silverlight Web前端應(yīng)用程序[8]開發(fā)解決方案、以及大容量數(shù)據(jù)采集、存儲等計算機網(wǎng)絡(luò)通信與數(shù)據(jù)處理技術(shù)，建立一個用戶界面友好的、多終端的、可定制的、集數(shù)據(jù)采集、存儲、分析于一體的綜合地理信息平臺。該系統(tǒng)具有以下主要性能。

(1) 開放性：支持多種硬件平臺，采用通用軟件開發(fā)平臺開發(fā)，具備良好的可移植性，支持與其它系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和共享。

(2) 標(biāo)準(zhǔn)化：所有各項軟件開發(fā)工具和系統(tǒng)開發(fā)平臺符合我國國家標(biāo)準(zhǔn)、工業(yè)與信息化部部頒標(biāo)準(zhǔn)、水利部相關(guān)技術(shù)規(guī)范和要求。

(3) 安全性：通過用戶認(rèn)證訪問控制，支持?jǐn)?shù)據(jù)庫存儲加密，數(shù)據(jù)傳輸通道加密，可采用64位DES加密算法，發(fā)生安全事件時，能以事件觸發(fā)的方式通知系統(tǒng)管理員處理。

(4) 速度性能：預(yù)警軟件查詢響應(yīng)速度符合WEBGIS響應(yīng)<5 s、復(fù)雜報表響應(yīng)速度<5 s、查詢響應(yīng)速度<3 s。

3 系統(tǒng)主要功能

3.1 數(shù)據(jù)信息采集共享子系統(tǒng)

傳統(tǒng)的實時雨水情信息共享方式是由數(shù)據(jù)采集終端(翻斗式雨量計、氣泡式水位計、圖像采集終端等)連接RTU以無線傳輸(GPRS，BD，GSM)的方式傳輸至中心服務(wù)器采集數(shù)據(jù)庫，再由采集數(shù)據(jù)庫通過不同的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)軟件將數(shù)據(jù)分別傳輸至各縣數(shù)據(jù)庫及市數(shù)據(jù)庫。但每次分發(fā)方式數(shù)據(jù)流通量較大，使得系統(tǒng)通訊耗時增加，導(dǎo)致信息不能及時上傳，從而影響實時預(yù)警監(jiān)測。本文所設(shè)計的樂山市預(yù)警平臺采用消息中間件[9]ActiveMQ解決了這一問題，達到數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩煽?，同時為了保證高吞吐率和雙工通信，設(shè)計消息總線時選擇了主題訂閱/發(fā)布的異步模型，并為每對JMS客戶端建立了成對消息隊列。采集設(shè)備、數(shù)據(jù)庫、無線預(yù)警廣播設(shè)備分別通過設(shè)備采集軟件、數(shù)據(jù)采集軟件、通訊服務(wù)端將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給消息中間件ActiveMQ,而消息中間件將數(shù)據(jù)發(fā)送到它的代理(Broker)，二者間通過基于HTTP/SOAP協(xié)議的WebService技術(shù)屏蔽平臺差異性，使三級平臺之間能通過約定的接口標(biāo)準(zhǔn)進行數(shù)據(jù)交換。然后通過訂閱的方式使得第三方可以獲取所需要的數(shù)據(jù)。

3.2 信息查詢及監(jiān)測子系統(tǒng)

市級山洪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)作為水利信息化建設(shè)中的重要業(yè)務(wù)系統(tǒng)，需要達到能夠?qū)⑸胶闉?zāi)害預(yù)警各類信息進行分析和管理的目標(biāo)[10]。本文中設(shè)計的信息查詢與監(jiān)測系統(tǒng)基于樂山市下屬11個區(qū)縣匯總得到的水雨情信息，采用B/S分布式體系結(jié)構(gòu)，結(jié)合山洪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的實際需求，提取市水文局水雨情數(shù)據(jù)并實時同步抽取各縣山洪災(zāi)害系統(tǒng)數(shù)據(jù)，同時實現(xiàn)全省水雨情數(shù)據(jù)監(jiān)測預(yù)警、山洪災(zāi)害預(yù)警跟蹤。通過在市級平臺檢索日期、站點編號等查詢雨量水位站點情況等信息，對歷史數(shù)據(jù)進行分析處理，并對轄區(qū)內(nèi)的山洪多發(fā)危險區(qū)的險情進行總結(jié)預(yù)估和預(yù)測，從而訂制針對這些特殊區(qū)域有效的防洪部署和策略。

樂山市山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警平臺要實現(xiàn)對轄區(qū)內(nèi)11個縣的預(yù)警情況總覽和預(yù)警處理情況總覽2個重要的功能。

3.2.1 各縣預(yù)警情況總覽

(1) 預(yù)警信息和狀態(tài)顯示：在預(yù)警地圖上以不同顏色閃爍的方式展示各縣的預(yù)警級別等信息[11]；以列表方式顯示“發(fā)生地、預(yù)警級別、預(yù)警時間、預(yù)警內(nèi)容、處理狀態(tài)”等預(yù)警信息，并提供影響區(qū)域的分析結(jié)果。

(2) 預(yù)警反饋：顯示各縣未關(guān)閉預(yù)警的反饋情況。

3.2.2 各縣預(yù)警處理情況總覽

(1) 響應(yīng)地圖：在響應(yīng)地圖上以不同顏色閃爍的方式展示各縣的響應(yīng)情況。

(2) 響應(yīng)列表：顯示各縣所有關(guān)聯(lián)內(nèi)部預(yù)警和預(yù)警發(fā)布的應(yīng)急響應(yīng)狀態(tài)信息列表，包括“預(yù)警級別、預(yù)警時間、預(yù)警發(fā)布級別、預(yù)警發(fā)布時間、響應(yīng)級別、響應(yīng)啟動時問、響應(yīng)結(jié)束時間”等信息，提供歷史響應(yīng)的查詢功能[12]。

(3) 響應(yīng)措施：以圖表的方式顯示響應(yīng)措施的種類并可查看各個狀態(tài)下的響應(yīng)措施。

(4) 響應(yīng)反饋：列表顯示各縣響應(yīng)反饋信息，以便實時跟蹤響應(yīng)進展情況。

3.2.3 重點防汛地區(qū)監(jiān)控

對于重點防汛地區(qū)采用視頻監(jiān)控，視頻監(jiān)視站點包括：站號、站名、站址(所在鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村)、經(jīng)緯度、設(shè)立日期、所屬小流域、所在區(qū)域、關(guān)聯(lián)鄉(xiāng)村、聯(lián)系人員及聯(lián)系方式等。選取重點區(qū)域，如大渡河大橋、沙河水文站、五通岷江等30余處災(zāi)害易發(fā)地點進行視頻監(jiān)控，并可實現(xiàn)以下功能。

(1) 實時視頻查詢:基于電子地圖，通過地級平臺的視頻服務(wù)器對11個實施縣所含視頻監(jiān)視點信息實現(xiàn)實時全面的地圖標(biāo)注，可以從面上直觀了解最近時段的視頻監(jiān)視情況，并通過點擊標(biāo)注位置，對實時視頻進行同步查詢觀看、回看。

(2) 視頻保存:在實時查看、回看過程中，對需要保存的視頻可一鍵保存至本地，方便日后隨時調(diào)取。

3.3 預(yù)警響應(yīng)跟蹤子系統(tǒng)

預(yù)警響應(yīng)跟蹤子系統(tǒng)主要包括預(yù)警信息的獲取、根據(jù)獲取信息進行判斷響應(yīng)、預(yù)警信息的發(fā)出以及預(yù)警處理的跟蹤。圖3為預(yù)警響應(yīng)跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。預(yù)警信息的獲取主要通過樂山市下屬各縣區(qū)建立的山洪監(jiān)測預(yù)警平臺匯集信息以及群測群防2種途徑。

圖3 預(yù)警響應(yīng)跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of early warning response tracking system

一般按照正常預(yù)警流程，當(dāng)在平臺上獲取的水雨情信息超過預(yù)設(shè)的預(yù)警閥值[13]，系統(tǒng)將在GIS平臺的專題地圖上在災(zāi)害影響范圍內(nèi)進行相應(yīng)等級的不同顏色閃爍并伴隨報警聲響，同時平臺系統(tǒng)軟件按預(yù)先編制的預(yù)警信息內(nèi)容通過群發(fā)短信的方式發(fā)送至該區(qū)域負責(zé)人的手機。系統(tǒng)監(jiān)控值班人員發(fā)現(xiàn)預(yù)警，可根據(jù)災(zāi)情等級電話通知各縣區(qū)防洪救災(zāi)指揮中心領(lǐng)導(dǎo)進行會商研判，通過系統(tǒng)的短信平臺將研判結(jié)果批量發(fā)至各級防汛相關(guān)人員手機上。

緊急情況下，通信網(wǎng)絡(luò)無法收到防汛信息或村內(nèi)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)險情，可采用鄉(xiāng)鎮(zhèn)配置的衛(wèi)星電話、村屯之間的超短波電臺，戶與戶之間的高音喇叭、鳴鑼、手搖報警器等進行通知。預(yù)警解除后，可以將整個預(yù)警方案生成日志，成為該地區(qū)日后的防汛工作的參照指導(dǎo)。

3.4 移動工作子系統(tǒng)

山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警移動應(yīng)用平臺的開發(fā)可以有效彌補PC終端預(yù)警應(yīng)用平臺的局限性，通過智能手機(PDA)移動終端不僅可以有效準(zhǔn)確地掌握境內(nèi)實時雨水情防汛數(shù)據(jù)，還可以利用3G/4G網(wǎng)絡(luò)[14]及時發(fā)布預(yù)警并以圖片和視頻的方式上傳現(xiàn)場情況，有助于防洪減災(zāi)的決策制定，有效減少災(zāi)害帶來的損失和傷亡。

移動平臺客戶端采用PDA或其他支持3G/4G通信的移動終端設(shè)備，通過安裝客戶端應(yīng)用軟件在網(wǎng)絡(luò)連接的狀態(tài)下即可連接到移動預(yù)警應(yīng)用服務(wù)器，移動預(yù)警應(yīng)用服務(wù)器通過以太網(wǎng)與預(yù)警應(yīng)用服務(wù)器、GIS地圖服務(wù)器以及預(yù)警數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等相連，以此來實現(xiàn)與PC終端數(shù)據(jù)的共享。移動終端應(yīng)用系統(tǒng)包含實時雨水情查詢、預(yù)警信息采集、預(yù)警發(fā)布、信息統(tǒng)計與發(fā)送四大應(yīng)用服務(wù)，由于移動終端數(shù)據(jù)可與PC終端數(shù)據(jù)共享，在移動平臺上可以隨時隨地通過站點編號或地圖上的站點圖標(biāo)查詢該站點的水雨情；現(xiàn)場信息可以通過手機攝像頭以圖片和視頻的方式采集，圖片壓縮編碼和視頻壓縮編碼分別采用適合3G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腏PG 2000壓縮格式與H.264壓縮編碼方式發(fā)送至預(yù)警數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；通過GIS定位，若當(dāng)前巡查位置出現(xiàn)險情，可以及時在移動終端發(fā)布險情并共享至PC端以待處理；若巡查人員發(fā)現(xiàn)特殊情況需要將報警信息發(fā)布給相關(guān)責(zé)任人時，可以同手機通訊錄內(nèi)人員進行信息聯(lián)絡(luò)。

4 結(jié) 語

建設(shè)一個易于操作、針對性強、便于監(jiān)測管理、應(yīng)急速度快的綜合性市級山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)是非常有必要的。本文設(shè)計的樂山市山洪監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)可有效對其下屬的11個縣區(qū)的防災(zāi)預(yù)警情況進行管理和監(jiān)測，并能夠通過跨部門數(shù)據(jù)的共享對災(zāi)害進行有效的預(yù)測和統(tǒng)計，加強了四川省到樂山市到各縣對山洪災(zāi)害防治的應(yīng)急聯(lián)動和指揮調(diào)度，最大限度減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。

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(編輯：陳 敏)

Design and Construction of Monitoring and Early Warning Systemfor Mountain Flood in Leshan City

GAO Shan-shan，ZHOU Xin-zhi，LEI Yin-jie
(College of Electronics and Information Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

As non-engineering measures for mountain flood prevention in county scale expand, important issues have raised concerning strengthening the collaboration among prevention projects, improving the emergency response coordination among provincial, municipal, and county level, and enhancing the disaster prevention and management ability. In this article, the overall design scheme of monitoring and early-warning system for mountain flood disasters in Leshan city is presented. The data sharing and collection among four levels are described, and the functions of system modules are expounded. The system involves data sharing and information acquisition subsystem, information query subsystem, monitoring and warning response tracking subsystem, and subsystem of mobile data transmission, query, monitoring and early warning. The complete system could offer reference for the construction of municipal-level flood warning system.

Leshan city; mountain flood disaster; early warning system; information monitoring; data-sharing

2016-05-26；

：2016-06-14

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2013CB328903);國家自然科學(xué)基金項目(61403265)

高姍姍(1991-)，女，四川成都人，碩士研究生，主要從事智能控制方向的研究，(電話)13981778124(電子信箱)Gaoshanshanchn@163.com。

周新志(1966-)，男，四川德陽人，教授，博士,主要從事智能控制方向的研究,(電話)15184462990(電子信箱)735670296@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160527

2017,34(9):150-153,158

TV877

：A

：1001-5485(2017)09-0150-04