乐山市山洪监测预警系统设计与建设

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(四川大学 电子信息学院，成都 610065)

乐山市山洪监测预警系统设计与建设

高姗姗，周新志，雷印杰

(四川大学 电子信息学院，成都 610065)

随着山洪灾害防治县级非工程措施建设规模的扩大，提高省、市、县三级应急联动能力，提升防灾科学管理水平成为重要课题。针对乐山市山洪监测预警系统的建设提出了系统总体设计方案，展示了四级山洪灾害数据共享汇集关系并分析各模块的工作机制;同时,对数据信息采集共享子系统、信息查询及监测子系统、预警响应跟踪子系统、移动工作子系统的数据传输、查询、监控预警等功能以及具体实现进行了重点阐述。所述预警系统体系完整，为市级山洪预警系统的建设提供了借鉴和参考。

乐山市；山洪灾害；预警系统；信息监测；数据共享

1 研究背景

长江流域在我国国民经济发展中占有举足轻重的地位，其上游生态环境的改善以及经济的发展直接影响到中下游地区的长治久安[1-2]。四川省乐山市地处长江上游、青藏高原东麓、高原到盆地的过渡地带，境内更有岷江、青衣江、大渡河3条大江河流过，水域面积大，径流丰富易汇成山洪，诱发更多的突发性山地灾害[3]，近年来“三江”洪水的强度不断增加，仅2010年洪涝灾害受灾人口129 792人,直接经济总损失约15 259万元。如何能够加快建设乐山市县二级防汛指挥调度系统、防洪工程设施管理系统和水情网络系统，提高各级各部门之间的应急联动，提升综合防灾减灾能力，和提高山洪灾害科学管理水平等具有重要的研究意义。乐山全市辖4个区(市中区、五通桥、沙湾、金口河)、1个县级市(峨眉山市)、6个县(犍为、井研、夹江、沐川、峨边、马边)。乐山市内部署的山洪灾害监测预警系统为基于市级平台的防汛指挥预警综合性系统，向上为四川省防汛决策提供服务，向下为基层防汛抢险救灾工作提供指导。山洪灾害防治等各方面信息需汇集于此平台，市级防汛办不仅能够监察各地区的监测信息和预测情况，并且能实时查询县级发布的预报与险情反馈[4]。通过市级平台的建设实现中央至县级监测预警平台四级之间以及与水文、气象和国土之间的互联互通与信息共享，保证山洪灾害调查成果质量，做好数据系统管理和有效利用，提升乐山市防汛部门防灾减灾的综合能力。

2 系统总体设计

2.1 四级山洪灾害数据共享汇集

建设完善的山洪灾害数据共享汇集系统，实现国家、四川省、乐山市级、各县级监测预警平台的互联互通和信息共享，才能有效提升综合防灾减灾能力。数据共享要求全面汇集山洪灾害防治信息[5]，一是实现与三级山洪灾害监测预警平台、水文局、气象局、国土资源厅之间的数据共享汇集；二是实现汇集各地的雨水情数据、山洪灾害防治基础数据、专题数据信息等。图1展示了四级山洪灾害数据共享汇集关系,具体包含如下3个模块。

图1 四级山洪灾害数据共享汇集Fig.1 Four-level sharing and collection of flash flood disaster data

2.1.1 实时雨水情数据共享汇集系统模块

自动监测站发送雨水情信息到县级监测预警平台，同时按照水文遥测信息报送要求共享到省、市级水情中心(分中心)，并由省、市级水情中心(分中心)分发到需要共享信息的其他单位。在省、市级水情中心(分中心)建设实时雨水情数据共享汇集软件，通过专线实现省、市、县信息共享。

2.1.2 山洪灾害防治基础数据共享汇集系统模块

山洪灾害防治基础数据汇集，主要是汇集县山洪灾害监测预警平台中的山洪灾害防治基础信息，包括小流域基本情况、监测站基本情况、河流基本情况等。具体参照《山洪灾害基础及预警数据上报要求》的内容和格式，通过系统模块，在下级平台与上级平台通过IP地址建立山洪灾害防治基础数据发送、接收，导入、导出、审核、日志等共享功能，并提供文件传输服务，系统模块能按时自动提取山洪灾害防治基础数据并形成固定文件格式的山洪灾害防治基础数据打包文件，通过系统将这些数据上传至指定平台并对数据内容进行验证，系统自动解析打包文件并存储到指定IP地址的山洪灾害防治基础数据库。

2.1.3 水文、气象、国土信息共享汇集

建立省防办与省水文部门、气象部门、国土信息部门之间信息共享交换的机制，利用现有的公用互联网固定服务器方式，采用通道在物理层面上实现互联互通，能定时从对应部门的共享数据库服务器上读取和接收数据并按照各自数据库的格式向指定服务器的数据库写入数据。共享的时效上应满足山洪灾害监测预警的需要，实时监测预警信息应在20 min内汇集至市级系统。

2.2 系统总体结构设计

在乐山市级灾害预警防治系统中，考虑到系统涉及到的访问用户面广，机构多的特点，系统总体采用操作简单且有良好扩充性的B/S(浏览器/服务器)体系结构，用户使用浏览器能够完成所有操作；系统的信息汇集与数据处理等子系统则采用维护性好且安全性较高的C/S(客户端/服务器)的结构模式[6]。平台总体结构见图2。

图2 市级山洪灾害监测预警系统总体结构Fig.2 Overall structure of municipal monitoring and warning system for mountain flood disaster

(1) 应用服务层：通过应用服务层最终以门户网站的形式向用户表现，现设有登陆用户管理、信息发布、信息查询、实时监控、预警情况总览等功能，并实现业务流程的集成管理。

(2) 业务处理层：通过逻辑、算法管理组件对山洪预警系统的预警等级进行划分判断，通过对数据的访问、调用、判断，有效支撑应用服务层的各种复杂业务流程，实现对平台的管理。

(3) 数据访问层：在业务处理的过程中，承担着与数据层的联通作用。

(4) 数据资源层：数据资源采用数据库进行统一格式的分类管理，数据资源既可以是文本、XML文档，也可以是图片、视频等媒体文件，还可以是EXCEL,WORD形式的预案列表。通过对数据的解析、汇总，使数据规范统一化，以便于数据在三级平台间有效地进行信息交互和数据共享。

2.3 系统主要性能

乐山市山洪预警监测系统采用GIS地理信息处理技术[7]、RS遥感技术、Microsoft Silverlight Web前端应用程序[8]开发解决方案、以及大容量数据采集、存储等计算机网络通信与数据处理技术，建立一个用户界面友好的、多终端的、可定制的、集数据采集、存储、分析于一体的综合地理信息平台。该系统具有以下主要性能。

(1) 开放性：支持多种硬件平台，采用通用软件开发平台开发，具备良好的可移植性，支持与其它系统的数据交换和共享。

(2) 标准化：所有各项软件开发工具和系统开发平台符合我国国家标准、工业与信息化部部颁标准、水利部相关技术规范和要求。

(3) 安全性：通过用户认证访问控制，支持数据库存储加密，数据传输通道加密，可采用64位DES加密算法，发生安全事件时，能以事件触发的方式通知系统管理员处理。

(4) 速度性能：预警软件查询响应速度符合WEBGIS响应<5 s、复杂报表响应速度<5 s、查询响应速度<3 s。

3 系统主要功能

3.1 数据信息采集共享子系统

传统的实时雨水情信息共享方式是由数据采集终端(翻斗式雨量计、气泡式水位计、图像采集终端等)连接RTU以无线传输(GPRS，BD，GSM)的方式传输至中心服务器采集数据库，再由采集数据库通过不同的数据转发软件将数据分别传输至各县数据库及市数据库。但每次分发方式数据流通量较大，使得系统通讯耗时增加，导致信息不能及时上传，从而影响实时预警监测。本文所设计的乐山市预警平台采用消息中间件[9]ActiveMQ解决了这一问题，达到数据传输的安全可靠，同时为了保证高吞吐率和双工通信，设计消息总线时选择了主题订阅/发布的异步模型，并为每对JMS客户端建立了成对消息队列。采集设备、数据库、无线预警广播设备分别通过设备采集软件、数据采集软件、通讯服务端将采集到的数据发送给消息中间件ActiveMQ,而消息中间件将数据发送到它的代理(Broker)，二者间通过基于HTTP/SOAP协议的WebService技术屏蔽平台差异性，使三级平台之间能通过约定的接口标准进行数据交换。然后通过订阅的方式使得第三方可以获取所需要的数据。

3.2 信息查询及监测子系统

市级山洪灾害预警系统作为水利信息化建设中的重要业务系统，需要达到能够将山洪灾害预警各类信息进行分析和管理的目标[10]。本文中设计的信息查询与监测系统基于乐山市下属11个区县汇总得到的水雨情信息，采用B/S分布式体系结构，结合山洪灾害预警系统的实际需求，提取市水文局水雨情数据并实时同步抽取各县山洪灾害系统数据，同时实现全省水雨情数据监测预警、山洪灾害预警跟踪。通过在市级平台检索日期、站点编号等查询雨量水位站点情况等信息，对历史数据进行分析处理，并对辖区内的山洪多发危险区的险情进行总结预估和预测，从而订制针对这些特殊区域有效的防洪部署和策略。

乐山市山洪灾害监测预警平台要实现对辖区内11个县的预警情况总览和预警处理情况总览2个重要的功能。

3.2.1 各县预警情况总览

(1) 预警信息和状态显示：在预警地图上以不同颜色闪烁的方式展示各县的预警级别等信息[11]；以列表方式显示“发生地、预警级别、预警时间、预警内容、处理状态”等预警信息，并提供影响区域的分析结果。

(2) 预警反馈：显示各县未关闭预警的反馈情况。

3.2.2 各县预警处理情况总览

(1) 响应地图：在响应地图上以不同颜色闪烁的方式展示各县的响应情况。

(2) 响应列表：显示各县所有关联内部预警和预警发布的应急响应状态信息列表，包括“预警级别、预警时间、预警发布级别、预警发布时间、响应级别、响应启动时问、响应结束时间”等信息，提供历史响应的查询功能[12]。

(3) 响应措施：以图表的方式显示响应措施的种类并可查看各个状态下的响应措施。

(4) 响应反馈：列表显示各县响应反馈信息，以便实时跟踪响应进展情况。

3.2.3 重点防汛地区监控

对于重点防汛地区采用视频监控，视频监视站点包括：站号、站名、站址(所在乡镇、村)、经纬度、设立日期、所属小流域、所在区域、关联乡村、联系人员及联系方式等。选取重点区域，如大渡河大桥、沙河水文站、五通岷江等30余处灾害易发地点进行视频监控，并可实现以下功能。

(1) 实时视频查询:基于电子地图，通过地级平台的视频服务器对11个实施县所含视频监视点信息实现实时全面的地图标注，可以从面上直观了解最近时段的视频监视情况，并通过点击标注位置，对实时视频进行同步查询观看、回看。

(2) 视频保存:在实时查看、回看过程中，对需要保存的视频可一键保存至本地，方便日后随时调取。

3.3 预警响应跟踪子系统

预警响应跟踪子系统主要包括预警信息的获取、根据获取信息进行判断响应、预警信息的发出以及预警处理的跟踪。图3为预警响应跟踪系统结构。预警信息的获取主要通过乐山市下属各县区建立的山洪监测预警平台汇集信息以及群测群防2种途径。

图3 预警响应跟踪系统结构Fig.3 Structure of early warning response tracking system

一般按照正常预警流程，当在平台上获取的水雨情信息超过预设的预警阀值[13]，系统将在GIS平台的专题地图上在灾害影响范围内进行相应等级的不同颜色闪烁并伴随报警声响，同时平台系统软件按预先编制的预警信息内容通过群发短信的方式发送至该区域负责人的手机。系统监控值班人员发现预警，可根据灾情等级电话通知各县区防洪救灾指挥中心领导进行会商研判，通过系统的短信平台将研判结果批量发至各级防汛相关人员手机上。

紧急情况下，通信网络无法收到防汛信息或村内监测发现险情，可采用乡镇配置的卫星电话、村屯之间的超短波电台，户与户之间的高音喇叭、鸣锣、手摇报警器等进行通知。预警解除后，可以将整个预警方案生成日志，成为该地区日后的防汛工作的参照指导。

3.4 移动工作子系统

山洪灾害监测预警移动应用平台的开发可以有效弥补PC终端预警应用平台的局限性，通过智能手机(PDA)移动终端不仅可以有效准确地掌握境内实时雨水情防汛数据，还可以利用3G/4G网络[14]及时发布预警并以图片和视频的方式上传现场情况，有助于防洪减灾的决策制定，有效减少灾害带来的损失和伤亡。

移动平台客户端采用PDA或其他支持3G/4G通信的移动终端设备，通过安装客户端应用软件在网络连接的状态下即可连接到移动预警应用服务器，移动预警应用服务器通过以太网与预警应用服务器、GIS地图服务器以及预警数据库服务器等相连，以此来实现与PC终端数据的共享。移动终端应用系统包含实时雨水情查询、预警信息采集、预警发布、信息统计与发送四大应用服务，由于移动终端数据可与PC终端数据共享，在移动平台上可以随时随地通过站点编号或地图上的站点图标查询该站点的水雨情；现场信息可以通过手机摄像头以图片和视频的方式采集，图片压缩编码和视频压缩编码分别采用适合3G网络传输的JPG 2000压缩格式与H.264压缩编码方式发送至预警数据库服务器；通过GIS定位，若当前巡查位置出现险情，可以及时在移动终端发布险情并共享至PC端以待处理；若巡查人员发现特殊情况需要将报警信息发布给相关责任人时，可以同手机通讯录内人员进行信息联络。

4 结 语

建设一个易于操作、针对性强、便于监测管理、应急速度快的综合性市级山洪灾害监测预警系统是非常有必要的。本文设计的乐山市山洪监测预警系统可有效对其下属的11个县区的防灾预警情况进行管理和监测，并能够通过跨部门数据的共享对灾害进行有效的预测和统计，加强了四川省到乐山市到各县对山洪灾害防治的应急联动和指挥调度，最大限度减少人员伤亡和财产损失。

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(编辑：陈 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

国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2013CB328903);国家自然科学基金项目(61403265)

高姗姗(1991-)，女，四川成都人，硕士研究生，主要从事智能控制方向的研究，(电话)13981778124(电子信箱)Gaoshanshanchn@163.com。

周新志(1966-)，男，四川德阳人，教授，博士,主要从事智能控制方向的研究,(电话)15184462990(电子信箱)735670296@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160527

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

TV877

：A

：1001-5485(2017)09-0150-04