山洪监测声光电一体化预警系统设计及应用

陈明恩，汤杭森，林利通

（杭州定川信息技术有限公司，浙江 杭州 310020）

山洪灾害来势迅猛，成灾快，对山洪的预警预报提出更高的需求，在信息化发展的今天，需要采用先进可靠的手段实现对山洪的监测预警。山区河道受地形地貌及降雨过程影响，洪水具有显著的陡涨、陡落过程，这种短历时陡涨过程极大缩短了沿河居民的有效安全转移时间，给山洪灾害防治带来了极大困难。山洪预警预报是山洪灾害防治非工程措施的重要组成部分，一般分为水位和雨量 2种预警方式。目前山洪监测预警系统具有一定的监测和预警功能，但存在预警精度不高，预见期不足，预警渠道少，信息获取难，监测预警设备适用性不强，预警产品实用性不足等诸多问题。现阶段的山洪监测预警系统由于山区洪水历时短且监测站不足，不能满足防御山洪灾害的实际需求[1]。为解决山洪监测预警能力不足问题，形成方式多样、可靠有效、互联互通的新型山洪灾害预警体系，结合山洪暴发的突发性特点，基于传感、物联网[2]、数据分析算法，设计了一套集实时水位、雨量、图像、音频采集，以及多类别声光报警和数据传输于一体的新型山洪监测声光电一体化预警系统（以下简称一体化预警系统）。

1 系统分析与设计

1.1 系统总体架构

一体化预警系统采用模块化设计思路，采用业界主流的应用技术及设备，集实时雨量水位采集、图像视频监控、声光报警及数据传输于一体。当发生暴雨河道水位急速上涨状况时，能实时监测水位、雨量变化，设定雨量和水位预警指标[3]，实时产生预警，并向山洪预警平台发送警报。可根据山洪预警预设阈值或人工触发预警方式，联动发出声音和灯光预警，多渠道多方式发布预警信息，提醒受山洪影响的群众做好转移，并对可能或正在发生的汛情、工情、险情等情况进行动态图像监视，有效缩减人工观测再到实施预警的流程，确保山洪险情第一时间预警到位，从而实现山洪预警全流程可视化闭环化管理。一体化预警系统总体架构如图1所示。

图1 一体化预警系统总体框架图

一体化预警系统的一体化杆式山洪监测预警站设备包括以下 3种：

1）山洪遥测预警终端。利用 4G 网络传输前端设备采集的实时水位、雨量数据。

2）山洪预警广播终端。采用 4G 网络连接配套广播终端监控平台，通过数据接口接收山洪预警系统下发的预警指令。

3）低功耗球机。采用 4G 网络传输视频图像，通过视频国标协议接入视频监控平台，与山洪预警系统互联互通。

结合实际核心业务，一体化预警系统主要包含雨水情监测、图像监控、预警广播等子系统，传输和存储的数据包括基础、业务、空间、动态等数据。系统前端监测和预警设施结构如图2所示。

图2 一体化杆式山洪监测预警站设施结构图

1.2 雨水情监测子系统

雨水情监测子系统通过在河道监测断面布设水位、雨量监测设备，实时监控监测断面水位高程和雨量状况，通过 4G 通信将水位、雨量数据传输到监测数据平台，从而实时掌握河道水情雨情变化，为科学预警洪涝灾害、提升防汛指挥能力、降低山洪灾害损失提供支撑。

雨水情监测子系统应用遥测、通信和计算机等现代科技，完成对河道水位雨量的实时遥测、传送和处理。雨水情监测由雷达水位计、翻斗式雨量计、山洪遥测预警终端、太阳能供电设备、无线传输网络及配套设施构成。前端遥测站点是水位的采集点，同时具有与数据接收平台的通信能力。数据接收平台主要配置1套数据接收软件，负责数据的校验、显示与入库。雨水情监测子系统结构如图3所示。

图3 雨水情监测子系统结构图

水位测量常用的传感器包括浮子式、气泡式、压力式、雷达等水位计[4]，应根据布设点的地形、环境及量程选用适合的传感器。山洪灾害易发地区的地形往往是高山、陡坡、深谷，河床纵比降大，河道水流速度快，冲击力大，不适合建造水位测井，同时山洪常常携带大量泥沙，易产生淤积，因此设计采用雷达水位计用于水位的实时监测。雷达水位计是非接触式水位计，采用脉冲雷达技术对水位进行测量，可有效避免大流量水流的冲击对设备的影响，且不受温度梯度、水中污染物及沉淀物的影响，因而可以获取较为准确的测量结果，排除水中泥沙及杂物对水位计的影响。

雨量一般采用翻斗式雨量计监测，根据监测预警站年平均降雨量选用不同分辨力的雨量传感器[5]。在一体化杆式山洪监测预警站设置1只翻斗式雨量计，在浙江地区普遍选用分辨力为 0.5 mm 的雨量传感器。翻斗式雨量计工作原理如下：雨水由最上端的承水口进入承水器，落入接水漏斗，经漏斗口流入翻斗，当积水量达到一定高度（如 0.05 mm）时，翻斗失去平衡翻倒，而每一次翻斗倾倒，都使开关接通电路，输送1个脉冲信号，通过山洪遥测预警终端采集记录，并由 4G 网络传输至山洪预警平台。

1.3 图像监控子系统

图像监控子系统可对可能或正在发生的汛情、工情、险情等情况进行动态监视，随时了解现场情况，最大程度地发挥可视化系统辅助指挥决策和调度的作用，减少水灾害损失，保障人民群众生命财产安全。图像监控子系统由以下3个部分组成[6]：

1）前端监控设备。主要由高清摄像机对汛情、工情、险情等信息进行采集，编码，存储，上传。

2）传输网络。用于前端监控设备与视频监控平台之间的互联互通，保证视频信息及时、安全、准确传输。

3）视频监控平台。实现前端视频综合管控、集中管理、信息共享、互联互通等功能，满足山洪预警可视化管理的需求。图像监控子系统结构如图4所示。

图4 图像监控、预警广播子系统结构图

根据山洪灾害现场情况，在无市电和有线网络的环境中，图像监控子系统选用低功耗 4G 球机，支持 4G 无线网络传输视频图像，支持定时、时段、触发 3种休眠模式[7]。考虑在太阳能供电情况下，低功耗球机实时运行的功耗问题，设定低功耗球机运行模式为远程触发唤醒模式，即运行人员需要查看现场视频图像时，通过功能下发指令，球机运行拍摄视频并上传，平时处于休眠状态。

1.4 预警广播子系统

预警广播子系统在各种原始监测和历史数据分析对比的基础上，形成经上级部门审定批准的山洪预警阈值，决策形成预警信息，将该预警信息及时准确地发送到山洪预警现场，进行广播预警，并结合光报警设备同步发出高亮度闪光，通过声光结合的方式警示周边群众及时预防或者撤离，极大限度地增加预警的覆盖范围。

预警广播子系统由山洪预警广播终端、号角广播喇叭、传输网络、配套接收平台等部分组成（见图4）。预警广播子系统具备多种预警信号发布功能，可接收本地自组网[8]、电话、短信等报警信息，并支持多站联动报警，以及管理平台、麦克风现地、预存录音等播报。具有将接收的文字信息转化为语音的功能，并能实现短信语音的重复播放，可通过手机单发、群发报警信息。

2 软件平台设计

2.1 软件平台架构

软件平台充分考虑一体化预警系统的可扩展性、兼容性、易用性和美观性，打造符合并满足实际业务需求的技术路线。软件平台架构设计的出发点是帮助用户使用某种技术手段完成业务流程，其本质是业务流程，而不是一个计算机系统或应用。在这一原则下，软件的设计是围绕着业务流程展开的，整个业务功能的设计和实现采用 SOA（面向服务的体系架构），充分保证系统功能和流程实现的灵活性和扩展性。可扩展的以服务为核心的软件架构如图5所示。

图5 软件平台架构图

2.2 软件平台功能

软件平台主要实现以下功能：

1）综合信息管理。在电子地图上对站点位置和预警状态进行展示，图标分为水位和雨量，点击图标可查看当前站点的实时水位和雨量监测信息。预警信息以绿、黄、红 3种颜色代表站点目前预警状态，绿灯常亮表示监测值在警戒值以下，黄灯闪烁表示监测值在警戒值与超限值之间，红灯闪烁表示监测值在超限值以上。

2）预警规则定制。该功能模块提供监测站点雨量、水位预警规则的设定功能。

3）监测信息查询。该功能模块以列表方式查看站点所监测的雨水情实时数据、历史数据和预警记录，支持通过搜索站点名称查询。

4）预警状态设置。可以手动设置站点的预警和复位状态。

5）设备参数查询。以列表方式查看站点的设备参数，包括设备编码、系统电压、信号强度、拾音反馈等级、温度，电压低于电量限值则报警显示。

6）预警信息发布。该功能模块可编辑需要通过站点语音播报的预警信息，制作成预警信息模板，当一体化杆式山洪监测预警站监测到雨量或水位超警，系统可自动调用相对应的预警信息模板下发给一体化杆式山洪监测预警站，通过自带的文字转语音功能进行语音播报。

7）站点信息管理。通过该功能模块可增加、删除监测站点设备，对已建设备可统一添加管理。

3 系统应用

一体化预警系统在浙江省乐清市山洪灾害平台中主要有以下 2种应用：

1）声光电监测。声光电监测主要包括综合信息管理，监测信息、设备参数查询，站点信息管理，在地图上实现监测站位置、水位雨量实时数据及预警状态的显示，实现历史数据、设备参数查询及站点信息管理等功能。

2）预警管理。预警管理主要包括雨量、水位、报警等预警规则定制，以及预警状态设置、信息发布，可以远程设置水位雨量的警戒值、超限值，频率、时长等预警规则，也可远程控制声光预警设备和信息发布。

乐清市已建的一体化预警系统监测数据的准确率由 96% 提高至 99%，水位传感器分辨力由 ±5 mm提升至 ±2 mm，雨量传感器分辨力由 ±1.0 mm 提升至 ±0.5 mm，预见期由提前10min 增加至提前30min 。预警设备适用于沟渠、河道等多种场景，具有实时监测数据准确、预警精度高、预见期足够、预警设备适用性强等优点。监测和预警方式多样、可靠有效、互联互通的新型山洪灾害预警体系，较大提升了山洪监测与预警能力。

4 结语

山洪监测声光电预警一体化系统是集水位雨量采集、预警预报于一体的新型山洪灾害预警系统，配合软件平台可实现智能快速预警。一体化预警系统根据山洪灾害防治特点专业设计，具有安装简便、地域限制性小、使用便捷等优点，可有效提升山洪灾害预警的时效性和精确性，提高群众防灾减灾的参与度。

一体化预警系统自 2021年起已在浙江省宁波市、温州市、台州市、金华市、丽水市多个县市区试点应用，系统运行稳定可靠，预警效果较好，适合在浙江全省乃至全国山洪灾害预警体系建设中推广使用。本系统提到的数据分析算法和多站联动预警未展开研究，后续可针对这两方面内容作深入研究，进一步提升山洪灾害的监测预警能力。