山洪灾害学校预警系统的设计与实现

刘 超，马 浩，刘怀利，周 密

（1. 安徽省（水利部淮河水利委员会）水利科学研究院，安徽 合肥 233088；2. 河海大学，江苏 南京 210046）

山洪灾害学校预警系统的设计与实现

刘 超1，马 浩1，刘怀利1，周 密2

（1. 安徽省（水利部淮河水利委员会）水利科学研究院，安徽 合肥 233088；2. 河海大学，江苏 南京 210046）

我国山洪预报预警系统的技术研究工作开展较晚，当下山洪、泥石流、滑坡等山地灾害频发，对人民群众的安全和经济的发展都产生了极大的影响。在这样的背景之下，探讨学校山洪预警系统的技术应用问题，分别从系统构成、技术要求和实现功能等方面加以论述，为学校山洪预警系统的建设提供很好的指导。该系统具有自动接收、发布、传递水文气象和地质灾害信息，提供各学校节点实时水文气象数据、山洪预警信息、灾害应急预案、校内在册师生人员资料登记及通知公告等数据信息的发布功能。在实际使用中，性价比高，实用性强，具有较大的社会和经济效益。

山洪灾害；学校预警；应急预案

0 引言

山洪灾害是指因降雨在山丘区引发的洪水及由洪水诱发的泥石流、滑坡等对国民经济人民生命财产造成损失的灾害。近年来，受特殊的自然地理环境、极端灾害性天气及经济社会活动等多种因素的共同影响，各地山丘区洪水、泥石流、滑坡灾害频发，造成的人员伤亡、财产损失和基础设施损毁、生态环境破坏十分严重[1]。我国自 2009年以来，开始实行以自动监测、通信预警、防灾减灾预案为主的非工程措施建设[2]，经过多年的建设，我国的山洪灾害监测预警系统已经初具规模，且在实际应用中发挥了巨大的作用。但是，在已建的山洪灾害监测预警系统中，对山洪易发地区中、小学校等人口聚集区，尚未建设专用的预警设施设备。因此，在 2015年 10 月 30 日，水利部办公厅在《关于下达2016年度山洪灾害防治项目建设任务的通知》中明确提出“在中小学校、旅游景区等人口密集的重点地区配备监测预警设施设备，并开展宣传、培训和演练等”。

对于中、小学校这种以学生群体为主要预警对象的区域，通过传统的预警设施设备很难做到及时有效的预警与转移。本设计提出的新型学校预警系统集预警信息发布、灾害知识宣传、应急预案管理及学校日常应用等多项功能于一体，可以实现学校、防汛部门、监测中心三方快速互动，是针对学生群体全方位、多层次、立体化的防灾减灾非工程措施，更好地解决了山洪灾害防治“最后一公里”预警问题。

1 学校预警系统总体结构

学校预警系统主要由中心管理平台、学校终端用户和学校山洪预警信息终端站的 3 层站点结构。中心管理平台作为山洪灾害学校预警系统正常运行的后台应用支撑，布设在县防汛主管部门。学校终端用户的使用权限由中心管理平台授权，可以为学校的老师，通过平台开放的功能实现学校机构对山洪灾害学校预警系统的日常应用。学校山洪预警信息终端站主要包括终端站 SRCU、终端显示屏等部件。

山洪灾害学校预警系统结构拓扑图如图1所示，运行逻辑示意图如图2所示。

图1 山洪灾害学校预警系统结构拓扑图

图2 山洪灾害学校预警系统运行逻辑示意图

2 学校预警系统功能

2.1 学校预警终端站功能

1）终端站的水文与预警信息显示功能。终端站按照设定的信息刷新周期，通过 GPRS 信道自动向中心管理平台请求和接收与该终端站点关联的最新的今日雨量、水库水位和山洪告警等级指令，并在LED 信息屏上实时刷新显示。

2）终端站的声光告警功能。终端站如果接收到的山洪告警等级达到或超过告警门限，则启动声光警笛告警器发出告警。管理员可以通过终端站控制面板上的按钮或者远程启闭声光告警器。

3）山洪灾害知识宣传功能。在非汛期，终端站信息显示屏的“公共信息发布区”支持中心管理平台推送的山洪灾害知识、避险常识等宣传信息。通过学校预警设备，从娃娃抓起，将学校打造为山洪灾害防治知识宣传的主阵地。

4）学校日常应用功能。在非汛期，支持学校管理员通过手机短信向终端站信息屏的“公共信息发布区”发送学校通知等信息。终端站 SRCU 会对发送的信息进行分析，过滤非法信息后将信息推送至终端站显示屏显示。此项功能仅限在非汛期使用，且优先级低于中心管理平台发送过来的数据信息。

5）远程读屏功能。远程读屏功能是为了监视学校预警终端显示屏幕信息是否实时刷新，是否被断电，是否有坏斑，以便及时维修。当中心平台发出召测命令时，需在 3 min 内向中心平台返回现场显示大屏的实时图片信息。

6）远程故障诊断功能。终端站自动诊断运行状态，可以监测站点供电电压、设备运行电压、远程通信状态、LED 信息屏工作状态等信息，将终端站的工作状态定时上传中心平台。支持上一级预警平台自动巡检。

7）软件远程升级功能。在上一级预警中心可以通过 GPRS 无线方式远程升级终端站的应用软件，升级后终端站能自启动恢复运行。

8）学校信息管理功能。支持学生班级、学生数量、姓名及家长联系方式等信息数据库功能。每年汛期前，由学校将有关信息编辑更新终端站数据库，或按指定格式存储进 U 盘导入终端站数据库，并上传中心平台。

9）学校山洪应急预案上报功能。汛期前学校负责人按指定文件格式通过 U 盘将本校应急预案上报上一级预警平台。

10）卫星定位功能。支持人工测试、录入经纬度，将本校位置通过 GPRS 自动发送到上一级平预警台，在 GIS 上准确标识学校位置。

11）终端站支持应急告警信息短信定向发送和群发功能。

2.2 中心管理平台

中心管理平台利用各县前期已建县级山洪灾害监测预警平台相关硬件设备，开发相应软件实现，主要设计功能包括：

1）为学校山洪预警信息终端站提供管理和信息服务的固定 IP 地址。

2）与省级山洪中心平台数据库联网，获得水文气象实时和预报信息，建立本系统的专业数据库[3]。

3）运行学校山洪灾害预警信息系统服务器应用软件，自动进行数据分析计算、通过 GPRS 网为已注册和在线的终端站提供本地区的雨量、水位气象实时数据、预报信息、山洪告警状态信息查询服务[4-5]。

4）通过实时在线的 GPRS 网络或 GSM-SMS 方式，手动操作向全省内的任意区域站点集合或独立站点发送山洪灾害警报文字及宣传信息，以及通过远程中控单元 SRCU 控制启闭警报状态[6]。

5）管理辖区内的终端站 GPRS 网在线和遥测设备运行状态，做最新 180 d 的终端站设备状态和告警发布事件日志记录，用于设备故障和山洪灾害过程事件追忆分析。

2.3 学校终端用户

考虑到建成后系统的运行维护及学校通知公告等数据信息的发布，为每个学校配置学校终端用户，学校终端用户通过手机等移动设备控制学校山洪预警信息终端站部分功能的实现，主要设计功能有：

1）通过中心管理平台授权的手机向终端站发送短信更新终端站显示信息的功能[7]。

2）通过与终端站以太网或 Wi-Fi 联网的本地计算机及控制软件，或者终端站的便携式键鼠和监视器操作界面，对终端站设备进行参数配置操作。

3）通过与终端站以太网或 Wi-Fi 联网的本地计算机及控制软件，或者终端站的便携式键鼠和监视器操作界面，编辑和发送信息文本，更新终端站显示信息的功能。

4）通过与终端站以太网或 Wi-Fi 联网的本地计算机及控制软件，或者终端站的便携式键鼠和监视器操作界面，在终端站中录入和维护学校基本属性数据库数据，建立领导、教师、班级、学生、家长、联系方式、联系地址、学校 GPS 坐标、额定人数统计、出勤人数统计等信息，便于应急管理。

5）通过与终端站以太网或 Wi-Fi 联网的本地计算机及控制软件，或者终端站的便携式键鼠和监视器操作界面，支持终端站应急告警信息定向和短信群发功能。

3 远程中控单元 SRCU

本文设计的山洪预警信息终端站远程中控单元SRCU 共分为 3 种类型的工作流程：

1）实时监听接收数据。终端站实时监听接收来自中心站、分中心站的 GPRS，SMS 远程终端用户以及现场 RS-232、以太网、Wi-Fi 等本地终端用户多种通讯信道源的数据，成功解析后，自动识别数据操作指令种类并予以响应，完成相应的数据操作指令后对通讯信道发送源头做出应答回复。

2）定时请求刷新数据。终端站定时向中心站服务器发出数据请求，获取并动态显示刷新终端站所属地区的实时水文气象数据、预报信息、山洪预警等级状态信息内容，根据山洪预警等级高低，自动启／闭声光告警器。

3）定时采集自报数据。终端站定时采集现场RCU 的供电电压、运行温度、通讯网络信号强度及工作状态等自检信息，并以自报方式向中心站服务器发送信息。

具体工作流程框图如图3所示。

图3 学校预警系统远程中控单元 SRCU 工作流程设计图

4 山洪预警信息终端站外观

学校山洪预警终端站主控单元 SRCU 外观设计如图4所示，通过设置透明机箱外门可以看到数据传输状态、联网状态、无线信号强度、供电选择及告警状态等信息。

图4 山洪学校预警信息终端站主控单元SRCU 外观设计示意图

学校山洪预警终端站电子显示屏外观通过定制实现水文气象、地质灾害、山洪灾害宣传等信息的发布，主要由远程中控单元 SRCU 提供驱动接口和软件进行实现。支持学校自行选配的任意显示类型、屏幕尺寸和安装方式的 LED 信息屏，使得学校可以同时获得山洪预警和学校信息发布的差异性专属应用功能，如图5所示。

图5 山洪学校预警信息终端站外观设计示意图

5 结语

目前，市场上尚无山洪灾害学校预警方面的专用产品，山洪灾害防治学校预警系统作为一种新型的山洪灾害预警手段，既能实现在线预警，又能通过管理平台做到群测群防。对山洪灾害防治在学校领域提供快速、全面、准确的预报预警及指挥调度，起到重要的作用，社会需求量大，社会和经济效益显著。

[1] 邱瑞田，黄先龙，张大伟，等. 我国山洪灾害防治非工程措施建设实践[J]. 中国防汛抗旱，2012，22 (1): 31-33.

[2] 王文川，和吉，邱林. 我国山洪灾害防治技术研究综述[J]. 中国水利，2011，13 (56): 35-37.

[3] 马建明，刘昌东，程先云，等. 山洪灾害监测预警系统标准化综述[J]. 中国防汛抗旱，2014，24 (6): 9-11.

[4] 张李荪. 基于WebGIS 的山洪灾害预警信息系统设计[J].人民长江，2009，40 (17): 84-85，93.

[5] 刘志雨. 山洪预警预报技术研究与应用[J]. 中国防汛抗旱，2012，22 (2): 41-45.

[6] 郭良，唐学哲，孔凡哲. 基于分布式水文模型的山洪灾害预警预报系统研究及应用[J]. 中国水利，2007 (14): 38-41.

[7] 李昌志，孙东亚. 山洪灾害预警指标确定方法[J]. 中国水利，2012 (9): 54-56.

Design and Implementation of School Early Warning in Mountain Torrent Disaster

LIU Chao1, MA Hao1, LIU Huaili1, ZHOU Mi2
(1. Hydraulic Research Institute of Anhui Province and Huaihe River Commission, the Ministry of Water Resources, Hefei 233088, China；2. Hohai University, Nanjing 210046, China)

The researches on mountain torrent forecasting and early warning system are carried out later in our country, and currently mountain torrent, mudslides, landslides and other mountain disasters occur frequently, which have had a tremendous impact on security of the people and economic development. Based on this background, this paper discusses the application of school mountain torrents early warning systems, in which the system structure, achieve functional and technical requirements are to be addressed respectively, and it also provides a good guide for the construction of school mountain torrents warning system. The system has the functions of automatically receive, distribute, transfer hydro meteorological and geological hazard information, and provides the functions of schools node real-time hydrological and meteorological data, mountain torrent early warning information, disaster contingency plans, the school teachers and students registration information, the public of announcement and other messgaes. In actual, it is cost-effective, practical, and has great social and economic benefits.

mountain torrent disasters； school early warning； contingency plans

P426.616

A

1674-9405(2016)06-0037-04

10.19364/j.1674-9405.2016.06.008

2016-07-11

刘 超（1986-），男，安徽灵璧人，工程师，研究方向为水利信息化设计、咨询。