遼河防汛指揮監(jiān)測系統(tǒng)設計探討

李 兵

(遼寧省沈陽水文局，遼寧 沈陽 110043)

1 概述

根據(jù)營口遼河防洪自動監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，建立完整的遼河實時防洪監(jiān)測系統(tǒng)，利用傳感器節(jié)點將其分布到遼河監(jiān)測斷面，目的是為實現(xiàn)對遼河水位、水流、壩體濕度、河流圖像等的全方位跟蹤監(jiān)測。除實時全程記錄遼河水位、流量、壩身濕度、河道圖像等數(shù)據(jù)外，當大壩即將發(fā)生滲漏、潰壩等問題時，指揮中心接收實時報警信號，準確定位問題河段并及時處理，這需要快速有效的監(jiān)控、錄像和實時錄像并記錄。

2 遼河防汛監(jiān)測設計方案

河流防洪監(jiān)測可分為4部分：河流水位監(jiān)測、河流流量監(jiān)測、河堤土壤水分監(jiān)測和河流圖像監(jiān)測，關鍵技術包括無線傳感器網(wǎng)絡技術、傳感器、數(shù)據(jù)采集終端和GPRS無線傳輸網(wǎng)絡、圖像采集與分析、圖像傳輸技術[1]。

在實施過程中，遼河防洪安全監(jiān)測系統(tǒng)包括水位監(jiān)測、流量監(jiān)測、土壤水分監(jiān)測和河流圖像監(jiān)測，遼河防洪安全監(jiān)測系統(tǒng)總體設計方案由3部分組成。

2.1 總控制服務器管理端

這是整個遼河防洪安全監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理端，有數(shù)據(jù)存儲服務器，由服務器管理員維護[2]。針對遼河上各種傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)，防洪技術人員對其進行分析，找出遼河上是否存在危險，對每個設置了一定安全值的數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)超過該安全值，將被視為一個危險值，并進行打印和報告。

2.2 圖像實時監(jiān)控系統(tǒng)

針對遼河的整個情況，視頻實時監(jiān)控，圖像信息通過GPRS基站傳輸給主控服務器管理端，從圖像信息中可以得到堤防是否完好、水位是否超過堤防、河流波高等信息。

2.3 無線傳感器智能監(jiān)測系統(tǒng)

遼河兩岸設置無線傳感器網(wǎng)絡，并安裝水位傳感器、水流速度傳感器和河岸濕度傳感器，傳感器測量的數(shù)據(jù)通過無線傳感器采集到無線網(wǎng)關中，無線網(wǎng)關的數(shù)據(jù)通過GPRS基站傳輸?shù)街骺胤掌鞯墓芾韺覽3]。

3 監(jiān)測內(nèi)容

3.1 流量監(jiān)測

流量傳感器在水下較深時，在一定時間內(nèi)自動檢測河水流量值，并通過無限通信模塊將檢測到的數(shù)據(jù)送回終端設備，終端設備對數(shù)據(jù)進行過濾，并通過GPRS發(fā)送回監(jiān)控中心，監(jiān)控中心對數(shù)據(jù)進行分析、處理、存儲和備份。當水流超過某一閾值時，表示河流流量超過安全范圍，系統(tǒng)自動發(fā)出報警信號。

3.2 水位監(jiān)測

安裝在容器中的水位傳感器將感應到的水位信號傳送給控制器，控制器中的計算器將測量的水位信號與設定的信號進行比較，得出偏差，然后根據(jù)偏差的性質(zhì)，得到相對水位差，通過數(shù)據(jù)采集終端將數(shù)據(jù)傳輸至防洪中心，對水位數(shù)據(jù)進行分析，判斷水位是否異常。

3.3 濕度監(jiān)測

水下堤防的濕度監(jiān)測由多個濕度傳感器和一個采集終端組成，傳感器由采集終端提供+5V/4mA恒流電源，輸出0～4V電壓信號[4]，采集終端采集的數(shù)字量通過無線通信模塊傳輸至監(jiān)控中心。

3.4 圖像監(jiān)測

視頻監(jiān)控由多個攝像頭和視頻采集終端組成，攝像機監(jiān)控堤壩和壩面的水面。

4 軟件設計

整個監(jiān)控中心軟件由通信模塊、地理信息系統(tǒng)模塊、監(jiān)控終端模塊、數(shù)據(jù)管理模塊和電子地圖組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軟件總體方案

4.1 監(jiān)控中心軟件功能

監(jiān)測中心軟件包括地理信息子系統(tǒng)、實時監(jiān)測子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管

理子系統(tǒng)和應急管理信息平臺，監(jiān)控中心軟件功能圖如圖2所示。

4.2 GIS地理信息子系統(tǒng)

GIS技術是可視化防洪指揮決策支持的關鍵技術，為防洪決策支持提供豐富、直觀的界面和空間分析工具，基于地理信息系統(tǒng)(GIS)技術的防洪指揮監(jiān)測系統(tǒng)，將具有較強地理空間感的工程和預報調(diào)度結(jié)果直觀地展示給用戶，以數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘技術為手段，以水文、氣象、社會經(jīng)濟和空間地理信息為基礎，集成數(shù)據(jù)收集、管理、分析和表達，以及使用數(shù)據(jù)庫技術、算法和計算機網(wǎng)絡技術實現(xiàn)了流域洪水預報和水庫群調(diào)度決策的科學化和自動化[5]。

4.3 實時監(jiān)控子系統(tǒng)

遼河防洪實時監(jiān)測是系統(tǒng)功能的核心，通過消息機制與通信子系統(tǒng)連接，然后通過通信子系統(tǒng)向監(jiān)控系統(tǒng)的控制單元發(fā)送控制指令，完成遼河的遠程監(jiān)控功能，實時監(jiān)測子系統(tǒng)接收遼河的監(jiān)測狀態(tài)信息，通過顯示相關參數(shù)和地理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)遼河的實時監(jiān)測，對于遼河的監(jiān)測、控制等功能，各環(huán)節(jié)基本相似。它們都是通過消息設置來激活功能設置，然后設置監(jiān)控等初始化參數(shù)，根據(jù)通信協(xié)議對參數(shù)進行打包，通過通信子系統(tǒng)發(fā)送到監(jiān)控系統(tǒng)。

4.4 通訊子系統(tǒng)

負責監(jiān)控終端與監(jiān)控中心的通信，包括將控制子系統(tǒng)的控制信息傳輸?shù)奖O(jiān)控終端，接收監(jiān)控終端向監(jiān)控中心傳輸?shù)牡乩碜鴺诵畔⒑蜖顟B(tài)信息等。如圖3。

4.5 數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理功能主要實現(xiàn)對河流監(jiān)測系統(tǒng)信息、人員信息、運行權限和系統(tǒng)日志的管理，終端和人員信息管理主要包括信息的添加、刪除、修改和打印功能，用戶操作權限和系統(tǒng)日志管理是系統(tǒng)運行安全管理的基礎[6]，我們根據(jù)人員的功能劃分人員的權利，不同的操作人員在系統(tǒng)上有不同的控制功能，當系統(tǒng)管理員向用戶分配權限時，系統(tǒng)根據(jù)用戶登錄后的功能權限初始化系統(tǒng)控制界面，對于沒有一定功能的用戶，不能激活該功能，有效地限制了用戶的操作，保證了整個系統(tǒng)的安全。系統(tǒng)日志管理采用數(shù)據(jù)庫管理的形式，記錄操作員的關鍵操作，如登錄、監(jiān)控、控制、退出等信息，對員工進行管理和考核。

圖2 監(jiān)控中心軟件功能圖

圖3 監(jiān)測終端與監(jiān)測中心邏輯圖

4.6 應急管理信息平臺

應急管理處理突發(fā)性的突發(fā)性干擾，如河涌、河流滲漏、水庫泄洪、河流洪水等，往往具有連鎖反應、處理時間的及時性和緊迫性等特點。制定突發(fā)事件應急對策和應急預案，應急管理強調(diào)應急后的響應，而不是應急前的預防。在應急管理中，需要在緊急情況發(fā)生前進行應急響應。主要工作是制定應急響應策略，即應急預案[6]。

《遼河防洪監(jiān)測應急預案》是在突發(fā)事件發(fā)生前應對突發(fā)事件的預案[7]。在突發(fā)事件發(fā)生時，采用應急預案處理突發(fā)事件，減少突發(fā)事件對監(jiān)測點的影響，減少河道的影響。在監(jiān)測水源的過程中，當發(fā)生(或可能發(fā)生)情況(事故)時，應對情況(事故)的嚴重性進行評價和分析，確定其等級，并通知監(jiān)測中心啟動預先制定的應急預案，立即采取應急救援行動，包括事故預警和通知、人員緊急疏散、急救和醫(yī)療、消防和救援。

應急管理信息平臺以資源為基礎，以數(shù)學模型為支撐，以事件為線索，以計劃為導向，它集成了信息集成、預警建模、計劃數(shù)字化、決策智能化和處置可視化。

4.6.1應急預警系統(tǒng)

模型應急預警系統(tǒng)是整個應急系統(tǒng)的啟動基礎，它在正常時間內(nèi)密切監(jiān)控與項目有關的所有資源，通過預先設定的數(shù)據(jù)預警模型，實現(xiàn)對整個項目的全面預警和監(jiān)控，當應急事件達到相應的啟動水平時，由應急管理值班人員和相關負責人判斷啟動應急響應系統(tǒng)[7]。

4.6.2應急過程指揮系統(tǒng)

應急過程指揮系統(tǒng)是一個以數(shù)字應急預案為依托的全過程處理系統(tǒng)，當應急預警系統(tǒng)中的事故經(jīng)應急管理部門確認為緊急事件時，啟動運行并實施應急指揮。

4.6.3以智能化決策分析構(gòu)建應急資源支持系統(tǒng)

應急資源支持系統(tǒng)(ERSS)用于快速獲取應急過程中應急響應所需的資源[8]，主要功能包括：快速資源查詢系統(tǒng)、重要信息支持系統(tǒng)、計劃支持系統(tǒng)、歷史應急態(tài)勢支持系統(tǒng)。

4.6.4應急保障系統(tǒng)

應急管理系統(tǒng)的信息必須通過日常數(shù)據(jù)進行維護，以確保發(fā)生緊急事件時系統(tǒng)信息的準確運行，因此，對于應急管理系統(tǒng)中的各種系統(tǒng)信息，包括領導組織系統(tǒng)、專家支持系統(tǒng)、人員支持系統(tǒng)、物資支持系統(tǒng)等，系統(tǒng)提供了強大的數(shù)據(jù)維護功能。

4.6.5公共信息發(fā)布系統(tǒng)

為確保應急過程中與政府及相關媒體的溝通，確保信息發(fā)布口徑的一致性，并記錄所有發(fā)布內(nèi)容供參考，在應急信息平臺上建立了相關的公共信息發(fā)布模塊，包括應急情況通知、對外情況通知等。

4.6.6善后恢復系統(tǒng)

應急事件結(jié)束后，需要對整個應急管理過程進行分析和總結(jié)，形成相應的應急預案，具體內(nèi)容包括：人員工作量分析及設備使用、應急物資使用總結(jié)及補充方案、應急技術分析、應急總結(jié)事件、應急預案改進等。

4.6.7應急管理系統(tǒng)功能

(1)實現(xiàn)緊急情況的收集、顯示和報告功能，即在監(jiān)控指揮中心，通過無線通信系統(tǒng)實時接收、顯示和報告應急場景的文本和語言信息，通過終端服務器和顯示屏隨時訪問應急子系統(tǒng)的文本信息。

(2)實現(xiàn)遠程命令功能，在執(zhí)行非預期任務的過程中，通過網(wǎng)絡和語言文本信息，可以快速實現(xiàn)各子系統(tǒng)和站點的實時遠程命令。

(3)實現(xiàn)應急管理的輔助決策功能，通過地理信息系統(tǒng)、電子地圖等相關軟件，可以快速查詢和顯示人力配置情況，為制定處置方案提供可靠的參考數(shù)據(jù)。

4.7 應急管理體系特點

(1)立體互動。通過呼叫中心建立事故現(xiàn)場、指揮中心、搶修單位之間的三維聯(lián)系與互動，在事故預警信息的基礎上，組織應急信息和地理信息、設備信息、人員信息等，以確定事故級別和制定應急預案，使領導和專家組能夠迅速做出判斷和決定，并迅速向緊急情況傳達到維修單位和現(xiàn)場指揮部。

(2)動態(tài)實時。通過應急管理平臺，對應急事件的發(fā)展和處理進行實時監(jiān)控，對事故現(xiàn)場設備參數(shù)/狀態(tài)進行動態(tài)跟蹤；對搶修人員進行動態(tài)顯示和儲備部署；對應急儲備物資消耗進行動態(tài)跟蹤，實時做出決策。

(3)反應迅速。在事故準備計劃的指導下，迅速建立覆蓋各應急區(qū)域的指揮系統(tǒng)和專家支持系統(tǒng)；迅速建立應急修理人員的應急修理計劃；迅速形成科學的物資調(diào)度計劃，并做出相應的反應。同時外聯(lián)協(xié)調(diào)系統(tǒng)在共享現(xiàn)場資源的前提下，迅速與政府和上級部門建立專門的渠道，確保相關社會資源的調(diào)動和及時響應[8]。

(4)安全可靠。通過建立應急系統(tǒng)所涉及的主機/網(wǎng)絡/系統(tǒng)的備份機制和安全機制，保證指揮系統(tǒng)不因大規(guī)模停電等故障而無法運行，保證應急管理系統(tǒng)在各種條件下安全可靠運行。

應急管理系統(tǒng)在綜合現(xiàn)有通信、網(wǎng)絡、應用和信息的基礎上，通過提供應用集成、業(yè)務集成和數(shù)據(jù)集成，建立了一個三維互動、動態(tài)、實時、快速響應、安全可靠的全過程管理應急管理系統(tǒng)。應急管理系統(tǒng)是眾多參與者和社會資源的整合，通過信息平臺的支持，建立了領導組織體系、外聯(lián)協(xié)調(diào)體系、人事保障體系、物資保障體系、預案保障體系、安全恢復體系六大體系。應急管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)對突發(fā)事件的預警、預防、處置和恢復的全過程管理[9]。

應急指揮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。應急指揮決策需要在空間信息數(shù)據(jù)庫、地理編碼數(shù)據(jù)庫等空間信息基礎設施的基礎上，構(gòu)建水電建設項目應急指揮決策支持平臺，為應急指揮決策提供輔助平臺和工具，如數(shù)據(jù)顯示、分析決策、對策仿真、方案評價等[10]，它由應急指揮通信網(wǎng)絡和信息系統(tǒng)組成，傳輸交換網(wǎng)絡平臺負責連接。

圖4 應急指揮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)語

實時跟蹤和記錄遼河水位、水流、大壩濕度、河流圖像等數(shù)據(jù)，不僅有利于遼河汛期水情進行24小時不間斷的監(jiān)測，而且解放了大部分勞動力投入到更合適的位置。通過統(tǒng)一的技術平臺，防洪監(jiān)督管理部門能夠及時、準確地定位遼河建設違法行為，并提供充分、詳細的依據(jù)；同時對突發(fā)事件進行全過程管理。