王建江,姚能彬

(浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310058)

0 引 言

我國(guó)是自然災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家,隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高,災(zāi)害造成的損失也越來(lái)越嚴(yán)重,僅洪澇災(zāi)害在最近幾年造成的損失每年就高達(dá)2000億元左右.洪災(zāi)是一種突發(fā)性自然災(zāi)害,在全球的所有災(zāi)害中,洪災(zāi)造成的經(jīng)濟(jì)損失居首位.我國(guó)的洪災(zāi)發(fā)生頻率高,分布區(qū)域廣,全國(guó)約有70%以上的大城市、半數(shù)以上的人口和75%以上的工農(nóng)業(yè)產(chǎn)值分布在洪災(zāi)災(zāi)害威脅區(qū)域.20世紀(jì)以來(lái),長(zhǎng)江流域發(fā)生了多次較大或特大洪水,給人民生命財(cái)產(chǎn)安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的發(fā)展都帶來(lái)了嚴(yán)重的危害.近期廣東、福建、江西等地的特大洪水,給地方、國(guó)家?guī)?lái)了巨大的損失.如何利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其他IT技術(shù),進(jìn)行流域水文、工況等水利信息的采集、傳輸、管理,為流域洪水的科學(xué)預(yù)報(bào)及時(shí)提供有效地信息,為預(yù)報(bào)模型的率定提供足夠的數(shù)據(jù),為流域水利安全,提供信息化服務(wù),以達(dá)到避免或減少經(jīng)濟(jì)損失、釀造良好的社會(huì)安全,成為我國(guó)政府和機(jī)構(gòu)關(guān)心的重要課題[1].

目前,許多流域,特別是小流域的信息采集系統(tǒng)不完善,流域內(nèi)氣象、水文、地質(zhì)、工況監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)設(shè)施無(wú)法滿足洪水預(yù)報(bào)的需求.已建成的測(cè)報(bào)系統(tǒng)大多存在技術(shù)設(shè)備落后、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、信息傳輸不穩(wěn)定,且設(shè)施陳舊,通訊鏈路可靠性低,管理不到位,預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)結(jié)果不能及時(shí)傳到?jīng)Q策機(jī)關(guān),影響防洪調(diào)度、搶險(xiǎn)決策等.

由于洪水災(zāi)害的形成和發(fā)展受到眾多不確定性因素的作用和干擾,使得防洪情勢(shì)具有明顯的實(shí)時(shí)性、隨機(jī)性、模糊性、未知性及突發(fā)性,這些特性同時(shí)也使得決策者們?cè)诒姸嗟拇_定和不確定的信息面前難以快速地做出科學(xué)、正確的決策.在這種情況下,建立一套具有先進(jìn)的流域水利信息采集系統(tǒng),增強(qiáng)決策部門(mén)在抗洪搶險(xiǎn)中的快速反應(yīng)能力,為決策人員提供實(shí)時(shí)的準(zhǔn)確、詳細(xì)的工況、歷史資料、水雨情信息、洪水狀態(tài)、斷面的危險(xiǎn)程度等信息以及科學(xué)的防洪減災(zāi)予案,顯得尤為重要.

本文引入物聯(lián)網(wǎng)解決數(shù)據(jù)的采集,通過(guò)Internet傳輸數(shù)據(jù),應(yīng)用WEB服務(wù)器處理數(shù)據(jù)接受、規(guī)則處理、發(fā)布等,數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及運(yùn)算.解決了Internet對(duì)前端數(shù)據(jù)處理不夠敏捷等問(wèn)題,并能將數(shù)據(jù)直接與采集端集成處理.

1 流域物聯(lián)網(wǎng)的體系設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)是在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上,利用RFID、無(wú)線數(shù)據(jù)通信等技術(shù),構(gòu)造一個(gè)覆蓋流域水利信息的網(wǎng)絡(luò).在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中,水利信息能夠彼此進(jìn)行”交流”,而無(wú)需人的干預(yù).其實(shí)質(zhì)是利用射頻自動(dòng)識(shí)別(RFID)技術(shù)[2-3]、傳感器、自動(dòng)測(cè)量?jī)x等組成數(shù)據(jù)采集的前端系統(tǒng),通過(guò)計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)流域水利特征點(diǎn)信息的自動(dòng)識(shí)別和信息的互聯(lián)與共享,總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1.

圖1 流域物聯(lián)網(wǎng)的體系設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)采集的信息主要分為3類(lèi).

(1)由安裝在流域和水庫(kù)內(nèi)的攝像頭提供的視覺(jué)信息;(2)由布置在流域和工程各處的傳感器返回的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù);(3)第三類(lèi)信息是由市民提供的報(bào)警信息.第一類(lèi)和第二類(lèi)即物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng);攝像頭返回實(shí)時(shí)的監(jiān)控圖像,為決策人員提供直觀的水雨情等情況;傳感器包括應(yīng)力傳感器、應(yīng)變傳感器等,可以提供水雨情數(shù)據(jù)、水位變化圖和堤壩應(yīng)力應(yīng)變等數(shù)據(jù),能夠幫助工作人員精確地計(jì)算并預(yù)測(cè)洪水的發(fā)展趨勢(shì)和堤壩的工作情況,并據(jù)此做出防洪調(diào)度的決策.第三類(lèi)信息的獲得是基于和市民一起的雙方向信息基礎(chǔ)設(shè)施,包括雙方向的水利信息平臺(tái)、緊急通報(bào)系統(tǒng)和地質(zhì)災(zāi)害雙向通報(bào)系統(tǒng).通過(guò)這一平臺(tái),市民可以及時(shí)的把他們所見(jiàn)到的緊急防洪情況通知給防洪決策小組,相反的,防洪決策小組也可以在第一時(shí)間把洪水信息通知給市民,要他們及早做好防洪準(zhǔn)備.

構(gòu)造好模型后,我們就可以利用這個(gè)模型來(lái)預(yù)測(cè)洪水的可能發(fā)展趨勢(shì)了.我們只需將某次洪水的前期數(shù)據(jù)按一定的格式輸入這個(gè)軟件,同時(shí)對(duì)照歷史上某次發(fā)展過(guò)程相近的洪水,就可以按照某一種設(shè)定好的算法來(lái)預(yù)測(cè)洪水的發(fā)展趨勢(shì)[4-5].要是預(yù)測(cè)的洪水發(fā)展趨勢(shì)和接下去一段時(shí)間的實(shí)際洪水發(fā)展不符,則可以相應(yīng)的對(duì)這次模型計(jì)算進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整,以保證之后的洪水預(yù)測(cè)能夠和實(shí)際洪水發(fā)展接近.

預(yù)測(cè)模型的計(jì)算結(jié)構(gòu),見(jiàn)圖2.

圖2 預(yù)測(cè)模型計(jì)算結(jié)構(gòu)圖

2 流域物聯(lián)網(wǎng)在洪水預(yù)報(bào)中作用

“物聯(lián)網(wǎng)”概念的引入水利業(yè),打破了之前的傳統(tǒng)工程管理思維.過(guò)去的思路一直是將工程設(shè)施和IT設(shè)施分開(kāi)：一方面是大壩、河流、水閘、天氣等實(shí)體,而另一方面是數(shù)據(jù)中心、個(gè)人電腦、寬帶等IT設(shè)施.而在“物聯(lián)網(wǎng)”時(shí)代;鋼筋混凝土、電纜將與芯片、寬帶整合為統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施,在此意義上,工程設(shè)施的建設(shè)更像是一塊新的地球工地;水利世界的運(yùn)轉(zhuǎn)就在這些基礎(chǔ)設(shè)施上面進(jìn)行,其中包括經(jīng)濟(jì)管理、生產(chǎn)運(yùn)行、社會(huì)管理、安全預(yù)測(cè)、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)檢測(cè)、專(zhuān)家、領(lǐng)導(dǎo)的會(huì)商、決策、仿真乃至個(gè)人活動(dòng)等,見(jiàn)圖3.

通過(guò)流域物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè),提高防災(zāi)管理機(jī)關(guān)間的信息共享,提升區(qū)域防災(zāi)能力;和市民一起的雙向信息交互的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),為打造民生水利,提供了信息平臺(tái);為水利設(shè)施的高效管理提供了條件;綜合共享各種信息化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),提供防災(zāi)避難誘導(dǎo)的優(yōu)化方案,為打造安全水利,提供決策平臺(tái).

圖3 型流域物聯(lián)網(wǎng)在洪水預(yù)報(bào)作用的關(guān)系網(wǎng)圖

3 結(jié) 語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)是繼Internet后的一種網(wǎng)絡(luò)化信息處理模型,解決信息的直接網(wǎng)絡(luò)化處理,網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)更前端化,信息反饋更硬件化,是將自動(dòng)化信息基礎(chǔ)設(shè)施與Internet集成,形成了一種直接、高效、透明的網(wǎng)絡(luò)模式.水利業(yè)信息,不但要采集大量數(shù)據(jù),更要高效地處理、反饋;使信息預(yù)警報(bào)技術(shù)更及時(shí)、精準(zhǔn).

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[3]宋合營(yíng),趙會(huì)群.物聯(lián)網(wǎng)分布式識(shí)讀器數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].北方工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,20(1)：22-26.

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