基于流域物联网架构的洪水预报系统的研究

王建江,姚能彬

(浙江大学建筑工程学院,浙江 杭州 310058)

0 引 言

我国是自然灾害频发的国家,随着国民经济的发展和人民生活水平的提高,灾害造成的损失也越来越严重,仅洪涝灾害在最近几年造成的损失每年就高达2000亿元左右.洪灾是一种突发性自然灾害,在全球的所有灾害中,洪灾造成的经济损失居首位.我国的洪灾发生频率高,分布区域广,全国约有70%以上的大城市、半数以上的人口和75%以上的工农业产值分布在洪灾灾害威胁区域.20世纪以来,长江流域发生了多次较大或特大洪水,给人民生命财产安全和国民经济与社会的发展都带来了严重的危害.近期广东、福建、江西等地的特大洪水,给地方、国家带来了巨大的损失.如何利用现有的网络技术及其他IT技术,进行流域水文、工况等水利信息的采集、传输、管理,为流域洪水的科学预报及时提供有效地信息,为预报模型的率定提供足够的数据,为流域水利安全,提供信息化服务,以达到避免或减少经济损失、酿造良好的社会安全,成为我国政府和机构关心的重要课题[1].

目前,许多流域,特别是小流域的信息采集系统不完善,流域内气象、水文、地质、工况监测预报设施无法满足洪水预报的需求.已建成的测报系统大多存在技术设备落后、标准不统一、信息传输不稳定,且设施陈旧,通讯链路可靠性低,管理不到位,预测、预报结果不能及时传到决策机关,影响防洪调度、抢险决策等.

由于洪水灾害的形成和发展受到众多不确定性因素的作用和干扰,使得防洪情势具有明显的实时性、随机性、模糊性、未知性及突发性,这些特性同时也使得决策者们在众多的确定和不确定的信息面前难以快速地做出科学、正确的决策.在这种情况下,建立一套具有先进的流域水利信息采集系统,增强决策部门在抗洪抢险中的快速反应能力,为决策人员提供实时的准确、详细的工况、历史资料、水雨情信息、洪水状态、断面的危险程度等信息以及科学的防洪减灾予案,显得尤为重要.

本文引入物联网解决数据的采集,通过Internet传输数据,应用WEB服务器处理数据接受、规则处理、发布等,数据库服务器负责数据存储及运算.解决了Internet对前端数据处理不够敏捷等问题,并能将数据直接与采集端集成处理.

1 流域物联网的体系设计

物联网是在计算机互联网的基础上,利用RFID、无线数据通信等技术,构造一个覆盖流域水利信息的网络.在这个网络中,水利信息能够彼此进行”交流”,而无需人的干预.其实质是利用射频自动识别(RFID)技术[2-3]、传感器、自动测量仪等组成数据采集的前端系统,通过计算机互联网实现流域水利特征点信息的自动识别和信息的互联与共享,总体结构见图1.

图1 流域物联网的体系设计总体结构图

本系统采集的信息主要分为3类.

(1)由安装在流域和水库内的摄像头提供的视觉信息;(2)由布置在流域和工程各处的传感器返回的实时数据;(3)第三类信息是由市民提供的报警信息.第一类和第二类即物联网系统;摄像头返回实时的监控图像,为决策人员提供直观的水雨情等情况;传感器包括应力传感器、应变传感器等,可以提供水雨情数据、水位变化图和堤坝应力应变等数据,能够帮助工作人员精确地计算并预测洪水的发展趋势和堤坝的工作情况,并据此做出防洪调度的决策.第三类信息的获得是基于和市民一起的双方向信息基础设施,包括双方向的水利信息平台、紧急通报系统和地质灾害双向通报系统.通过这一平台,市民可以及时的把他们所见到的紧急防洪情况通知给防洪决策小组,相反的,防洪决策小组也可以在第一时间把洪水信息通知给市民,要他们及早做好防洪准备.

构造好模型后,我们就可以利用这个模型来预测洪水的可能发展趋势了.我们只需将某次洪水的前期数据按一定的格式输入这个软件,同时对照历史上某次发展过程相近的洪水,就可以按照某一种设定好的算法来预测洪水的发展趋势[4-5].要是预测的洪水发展趋势和接下去一段时间的实际洪水发展不符,则可以相应的对这次模型计算进行动态调整,以保证之后的洪水预测能够和实际洪水发展接近.

预测模型的计算结构,见图2.

图2 预测模型计算结构图

2 流域物联网在洪水预报中作用

“物联网”概念的引入水利业,打破了之前的传统工程管理思维.过去的思路一直是将工程设施和IT设施分开：一方面是大坝、河流、水闸、天气等实体,而另一方面是数据中心、个人电脑、宽带等IT设施.而在“物联网”时代;钢筋混凝土、电缆将与芯片、宽带整合为统一的基础设施,在此意义上,工程设施的建设更像是一块新的地球工地;水利世界的运转就在这些基础设施上面进行,其中包括经济管理、生产运行、社会管理、安全预测、自动报警、自动检测、专家、领导的会商、决策、仿真乃至个人活动等,见图3.

通过流域物联网的建设,提高防灾管理机关间的信息共享,提升区域防灾能力;和市民一起的双向信息交互的基础设施建设,为打造民生水利,提供了信息平台;为水利设施的高效管理提供了条件;综合共享各种信息化网络平台,提供防灾避难诱导的优化方案,为打造安全水利,提供决策平台.

图3 型流域物联网在洪水预报作用的关系网图

3 结 语

物联网是继Internet后的一种网络化信息处理模型,解决信息的直接网络化处理,网络体系结构更前端化,信息反馈更硬件化,是将自动化信息基础设施与Internet集成,形成了一种直接、高效、透明的网络模式.水利业信息,不但要采集大量数据,更要高效地处理、反馈;使信息预警报技术更及时、精准.

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[2]张选民,文 强,邹希云,等.数字逻辑理论及其在气象预报集成中的应用[J].气象,2002,28(6)：8-10,31.

[3]宋合营,赵会群.物联网分布式识读器数据采集方案设计与实现[J].北方工业大学学报,2008,20(1)：22-26.

[4]胡江林,涂松柏,冯光柳.基于人工神经网络的暴雨预报方法探讨[J].热带气象学报,2003,19(4)：422-428.

[5]刘 权,任祖春,杨 明.GIS支持下辉发河流域遥感洪水监测与预报系统研究[J].东北师大学报：自然科学版,2001,33(4)：99-104.