李 兵

(遼寧省沈陽(yáng)水文局，遼寧 沈陽(yáng) 110043)

1 概述

根據(jù)營(yíng)口遼河防洪自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，建立完整的遼河實(shí)時(shí)防洪監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用傳感器節(jié)點(diǎn)將其分布到遼河監(jiān)測(cè)斷面，目的是為實(shí)現(xiàn)對(duì)遼河水位、水流、壩體濕度、河流圖像等的全方位跟蹤監(jiān)測(cè)。除實(shí)時(shí)全程記錄遼河水位、流量、壩身濕度、河道圖像等數(shù)據(jù)外，當(dāng)大壩即將發(fā)生滲漏、潰壩等問題時(shí)，指揮中心接收實(shí)時(shí)報(bào)警信號(hào)，準(zhǔn)確定位問題河段并及時(shí)處理，這需要快速有效的監(jiān)控、錄像和實(shí)時(shí)錄像并記錄。

2 遼河防汛監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案

河流防洪監(jiān)測(cè)可分為4部分：河流水位監(jiān)測(cè)、河流流量監(jiān)測(cè)、河堤土壤水分監(jiān)測(cè)和河流圖像監(jiān)測(cè)，關(guān)鍵技術(shù)包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器、數(shù)據(jù)采集終端和GPRS無線傳輸網(wǎng)絡(luò)、圖像采集與分析、圖像傳輸技術(shù)[1]。

在實(shí)施過程中，遼河防洪安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括水位監(jiān)測(cè)、流量監(jiān)測(cè)、土壤水分監(jiān)測(cè)和河流圖像監(jiān)測(cè)，遼河防洪安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案由3部分組成。

2.1 總控制服務(wù)器管理端

這是整個(gè)遼河防洪安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理端，有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器，由服務(wù)器管理員維護(hù)[2]。針對(duì)遼河上各種傳感器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，防洪技術(shù)人員對(duì)其進(jìn)行分析，找出遼河上是否存在危險(xiǎn)，對(duì)每個(gè)設(shè)置了一定安全值的數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)超過該安全值，將被視為一個(gè)危險(xiǎn)值，并進(jìn)行打印和報(bào)告。

2.2 圖像實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

針對(duì)遼河的整個(gè)情況，視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控，圖像信息通過GPRS基站傳輸給主控服務(wù)器管理端，從圖像信息中可以得到堤防是否完好、水位是否超過堤防、河流波高等信息。

2.3 無線傳感器智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

遼河兩岸設(shè)置無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并安裝水位傳感器、水流速度傳感器和河岸濕度傳感器，傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)通過無線傳感器采集到無線網(wǎng)關(guān)中，無線網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)通過GPRS基站傳輸?shù)街骺胤?wù)器的管理層[3]。

3 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

3.1 流量監(jiān)測(cè)

流量傳感器在水下較深時(shí)，在一定時(shí)間內(nèi)自動(dòng)檢測(cè)河水流量值，并通過無限通信模塊將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)送回終端設(shè)備，終端設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，并通過GPRS發(fā)送回監(jiān)控中心，監(jiān)控中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)和備份。當(dāng)水流超過某一閾值時(shí)，表示河流流量超過安全范圍，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

3.2 水位監(jiān)測(cè)

安裝在容器中的水位傳感器將感應(yīng)到的水位信號(hào)傳送給控制器，控制器中的計(jì)算器將測(cè)量的水位信號(hào)與設(shè)定的信號(hào)進(jìn)行比較，得出偏差，然后根據(jù)偏差的性質(zhì)，得到相對(duì)水位差，通過數(shù)據(jù)采集終端將數(shù)據(jù)傳輸至防洪中心，對(duì)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷水位是否異常。

3.3 濕度監(jiān)測(cè)

水下堤防的濕度監(jiān)測(cè)由多個(gè)濕度傳感器和一個(gè)采集終端組成，傳感器由采集終端提供+5V/4mA恒流電源，輸出0～4V電壓信號(hào)[4]，采集終端采集的數(shù)字量通過無線通信模塊傳輸至監(jiān)控中心。

3.4 圖像監(jiān)測(cè)

視頻監(jiān)控由多個(gè)攝像頭和視頻采集終端組成，攝像機(jī)監(jiān)控堤壩和壩面的水面。

4 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)監(jiān)控中心軟件由通信模塊、地理信息系統(tǒng)模塊、監(jiān)控終端模塊、數(shù)據(jù)管理模塊和電子地圖組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軟件總體方案

4.1 監(jiān)控中心軟件功能

監(jiān)測(cè)中心軟件包括地理信息子系統(tǒng)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管

理子系統(tǒng)和應(yīng)急管理信息平臺(tái)，監(jiān)控中心軟件功能圖如圖2所示。

4.2 GIS地理信息子系統(tǒng)

GIS技術(shù)是可視化防洪指揮決策支持的關(guān)鍵技術(shù)，為防洪決策支持提供豐富、直觀的界面和空間分析工具，基于地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)的防洪指揮監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將具有較強(qiáng)地理空間感的工程和預(yù)報(bào)調(diào)度結(jié)果直觀地展示給用戶，以數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)為手段，以水文、氣象、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和空間地理信息為基礎(chǔ)，集成數(shù)據(jù)收集、管理、分析和表達(dá)，以及使用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、算法和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了流域洪水預(yù)報(bào)和水庫(kù)群調(diào)度決策的科學(xué)化和自動(dòng)化[5]。

4.3 實(shí)時(shí)監(jiān)控子系統(tǒng)

遼河防洪實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是系統(tǒng)功能的核心，通過消息機(jī)制與通信子系統(tǒng)連接，然后通過通信子系統(tǒng)向監(jiān)控系統(tǒng)的控制單元發(fā)送控制指令，完成遼河的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)接收遼河的監(jiān)測(cè)狀態(tài)信息，通過顯示相關(guān)參數(shù)和地理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遼河的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)于遼河的監(jiān)測(cè)、控制等功能，各環(huán)節(jié)基本相似。它們都是通過消息設(shè)置來激活功能設(shè)置，然后設(shè)置監(jiān)控等初始化參數(shù)，根據(jù)通信協(xié)議對(duì)參數(shù)進(jìn)行打包，通過通信子系統(tǒng)發(fā)送到監(jiān)控系統(tǒng)。

4.4 通訊子系統(tǒng)

負(fù)責(zé)監(jiān)控終端與監(jiān)控中心的通信，包括將控制子系統(tǒng)的控制信息傳輸?shù)奖O(jiān)控終端，接收監(jiān)控終端向監(jiān)控中心傳輸?shù)牡乩碜鴺?biāo)信息和狀態(tài)信息等。如圖3。

4.5 數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理功能主要實(shí)現(xiàn)對(duì)河流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息、人員信息、運(yùn)行權(quán)限和系統(tǒng)日志的管理，終端和人員信息管理主要包括信息的添加、刪除、修改和打印功能，用戶操作權(quán)限和系統(tǒng)日志管理是系統(tǒng)運(yùn)行安全管理的基礎(chǔ)[6]，我們根據(jù)人員的功能劃分人員的權(quán)利，不同的操作人員在系統(tǒng)上有不同的控制功能，當(dāng)系統(tǒng)管理員向用戶分配權(quán)限時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)用戶登錄后的功能權(quán)限初始化系統(tǒng)控制界面，對(duì)于沒有一定功能的用戶，不能激活該功能，有效地限制了用戶的操作，保證了整個(gè)系統(tǒng)的安全。系統(tǒng)日志管理采用數(shù)據(jù)庫(kù)管理的形式，記錄操作員的關(guān)鍵操作，如登錄、監(jiān)控、控制、退出等信息，對(duì)員工進(jìn)行管理和考核。

圖2 監(jiān)控中心軟件功能圖

圖3 監(jiān)測(cè)終端與監(jiān)測(cè)中心邏輯圖

4.6 應(yīng)急管理信息平臺(tái)

應(yīng)急管理處理突發(fā)性的突發(fā)性干擾，如河涌、河流滲漏、水庫(kù)泄洪、河流洪水等，往往具有連鎖反應(yīng)、處理時(shí)間的及時(shí)性和緊迫性等特點(diǎn)。制定突發(fā)事件應(yīng)急對(duì)策和應(yīng)急預(yù)案，應(yīng)急管理強(qiáng)調(diào)應(yīng)急后的響應(yīng)，而不是應(yīng)急前的預(yù)防。在應(yīng)急管理中，需要在緊急情況發(fā)生前進(jìn)行應(yīng)急響應(yīng)。主要工作是制定應(yīng)急響應(yīng)策略，即應(yīng)急預(yù)案[6]。

《遼河防洪監(jiān)測(cè)應(yīng)急預(yù)案》是在突發(fā)事件發(fā)生前應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的預(yù)案[7]。在突發(fā)事件發(fā)生時(shí)，采用應(yīng)急預(yù)案處理突發(fā)事件，減少突發(fā)事件對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的影響，減少河道的影響。在監(jiān)測(cè)水源的過程中，當(dāng)發(fā)生(或可能發(fā)生)情況(事故)時(shí)，應(yīng)對(duì)情況(事故)的嚴(yán)重性進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析，確定其等級(jí)，并通知監(jiān)測(cè)中心啟動(dòng)預(yù)先制定的應(yīng)急預(yù)案，立即采取應(yīng)急救援行動(dòng)，包括事故預(yù)警和通知、人員緊急疏散、急救和醫(yī)療、消防和救援。

應(yīng)急管理信息平臺(tái)以資源為基礎(chǔ)，以數(shù)學(xué)模型為支撐，以事件為線索，以計(jì)劃為導(dǎo)向，它集成了信息集成、預(yù)警建模、計(jì)劃數(shù)字化、決策智能化和處置可視化。

4.6.1應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)

模型應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)是整個(gè)應(yīng)急系統(tǒng)的啟動(dòng)基礎(chǔ)，它在正常時(shí)間內(nèi)密切監(jiān)控與項(xiàng)目有關(guān)的所有資源，通過預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的全面預(yù)警和監(jiān)控，當(dāng)應(yīng)急事件達(dá)到相應(yīng)的啟動(dòng)水平時(shí)，由應(yīng)急管理值班人員和相關(guān)負(fù)責(zé)人判斷啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)[7]。

4.6.2應(yīng)急過程指揮系統(tǒng)

應(yīng)急過程指揮系統(tǒng)是一個(gè)以數(shù)字應(yīng)急預(yù)案為依托的全過程處理系統(tǒng)，當(dāng)應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)中的事故經(jīng)應(yīng)急管理部門確認(rèn)為緊急事件時(shí)，啟動(dòng)運(yùn)行并實(shí)施應(yīng)急指揮。

4.6.3以智能化決策分析構(gòu)建應(yīng)急資源支持系統(tǒng)

應(yīng)急資源支持系統(tǒng)(ERSS)用于快速獲取應(yīng)急過程中應(yīng)急響應(yīng)所需的資源[8]，主要功能包括：快速資源查詢系統(tǒng)、重要信息支持系統(tǒng)、計(jì)劃支持系統(tǒng)、歷史應(yīng)急態(tài)勢(shì)支持系統(tǒng)。

4.6.4應(yīng)急保障系統(tǒng)

應(yīng)急管理系統(tǒng)的信息必須通過日常數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)，以確保發(fā)生緊急事件時(shí)系統(tǒng)信息的準(zhǔn)確運(yùn)行，因此，對(duì)于應(yīng)急管理系統(tǒng)中的各種系統(tǒng)信息，包括領(lǐng)導(dǎo)組織系統(tǒng)、專家支持系統(tǒng)、人員支持系統(tǒng)、物資支持系統(tǒng)等，系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)維護(hù)功能。

4.6.5公共信息發(fā)布系統(tǒng)

為確保應(yīng)急過程中與政府及相關(guān)媒體的溝通，確保信息發(fā)布口徑的一致性，并記錄所有發(fā)布內(nèi)容供參考，在應(yīng)急信息平臺(tái)上建立了相關(guān)的公共信息發(fā)布模塊，包括應(yīng)急情況通知、對(duì)外情況通知等。

4.6.6善后恢復(fù)系統(tǒng)

應(yīng)急事件結(jié)束后，需要對(duì)整個(gè)應(yīng)急管理過程進(jìn)行分析和總結(jié)，形成相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，具體內(nèi)容包括：人員工作量分析及設(shè)備使用、應(yīng)急物資使用總結(jié)及補(bǔ)充方案、應(yīng)急技術(shù)分析、應(yīng)急總結(jié)事件、應(yīng)急預(yù)案改進(jìn)等。

4.6.7應(yīng)急管理系統(tǒng)功能

(1)實(shí)現(xiàn)緊急情況的收集、顯示和報(bào)告功能，即在監(jiān)控指揮中心，通過無線通信系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收、顯示和報(bào)告應(yīng)急場(chǎng)景的文本和語言信息，通過終端服務(wù)器和顯示屏隨時(shí)訪問應(yīng)急子系統(tǒng)的文本信息。

(2)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程命令功能，在執(zhí)行非預(yù)期任務(wù)的過程中，通過網(wǎng)絡(luò)和語言文本信息，可以快速實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)和站點(diǎn)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程命令。

(3)實(shí)現(xiàn)應(yīng)急管理的輔助決策功能，通過地理信息系統(tǒng)、電子地圖等相關(guān)軟件，可以快速查詢和顯示人力配置情況，為制定處置方案提供可靠的參考數(shù)據(jù)。

4.7 應(yīng)急管理體系特點(diǎn)

(1)立體互動(dòng)。通過呼叫中心建立事故現(xiàn)場(chǎng)、指揮中心、搶修單位之間的三維聯(lián)系與互動(dòng)，在事故預(yù)警信息的基礎(chǔ)上，組織應(yīng)急信息和地理信息、設(shè)備信息、人員信息等，以確定事故級(jí)別和制定應(yīng)急預(yù)案，使領(lǐng)導(dǎo)和專家組能夠迅速做出判斷和決定，并迅速向緊急情況傳達(dá)到維修單位和現(xiàn)場(chǎng)指揮部。

(2)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)。通過應(yīng)急管理平臺(tái)，對(duì)應(yīng)急事件的發(fā)展和處理進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備參數(shù)/狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤；對(duì)搶修人員進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示和儲(chǔ)備部署；對(duì)應(yīng)急儲(chǔ)備物資消耗進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤，實(shí)時(shí)做出決策。

(3)反應(yīng)迅速。在事故準(zhǔn)備計(jì)劃的指導(dǎo)下，迅速建立覆蓋各應(yīng)急區(qū)域的指揮系統(tǒng)和專家支持系統(tǒng)；迅速建立應(yīng)急修理人員的應(yīng)急修理計(jì)劃；迅速形成科學(xué)的物資調(diào)度計(jì)劃，并做出相應(yīng)的反應(yīng)。同時(shí)外聯(lián)協(xié)調(diào)系統(tǒng)在共享現(xiàn)場(chǎng)資源的前提下，迅速與政府和上級(jí)部門建立專門的渠道，確保相關(guān)社會(huì)資源的調(diào)動(dòng)和及時(shí)響應(yīng)[8]。

(4)安全可靠。通過建立應(yīng)急系統(tǒng)所涉及的主機(jī)/網(wǎng)絡(luò)/系統(tǒng)的備份機(jī)制和安全機(jī)制，保證指揮系統(tǒng)不因大規(guī)模停電等故障而無法運(yùn)行，保證應(yīng)急管理系統(tǒng)在各種條件下安全可靠運(yùn)行。

應(yīng)急管理系統(tǒng)在綜合現(xiàn)有通信、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用和信息的基礎(chǔ)上，通過提供應(yīng)用集成、業(yè)務(wù)集成和數(shù)據(jù)集成，建立了一個(gè)三維互動(dòng)、動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、快速響應(yīng)、安全可靠的全過程管理應(yīng)急管理系統(tǒng)。應(yīng)急管理系統(tǒng)是眾多參與者和社會(huì)資源的整合，通過信息平臺(tái)的支持，建立了領(lǐng)導(dǎo)組織體系、外聯(lián)協(xié)調(diào)體系、人事保障體系、物資保障體系、預(yù)案保障體系、安全恢復(fù)體系六大體系。應(yīng)急管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)突發(fā)事件的預(yù)警、預(yù)防、處置和恢復(fù)的全過程管理[9]。

應(yīng)急指揮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。應(yīng)急指揮決策需要在空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)、地理編碼數(shù)據(jù)庫(kù)等空間信息基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)上，構(gòu)建水電建設(shè)項(xiàng)目應(yīng)急指揮決策支持平臺(tái)，為應(yīng)急指揮決策提供輔助平臺(tái)和工具，如數(shù)據(jù)顯示、分析決策、對(duì)策仿真、方案評(píng)價(jià)等[10]，它由應(yīng)急指揮通信網(wǎng)絡(luò)和信息系統(tǒng)組成，傳輸交換網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)負(fù)責(zé)連接。

圖4 應(yīng)急指揮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)語

實(shí)時(shí)跟蹤和記錄遼河水位、水流、大壩濕度、河流圖像等數(shù)據(jù)，不僅有利于遼河汛期水情進(jìn)行24小時(shí)不間斷的監(jiān)測(cè)，而且解放了大部分勞動(dòng)力投入到更合適的位置。通過統(tǒng)一的技術(shù)平臺(tái)，防洪監(jiān)督管理部門能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地定位遼河建設(shè)違法行為，并提供充分、詳細(xì)的依據(jù)；同時(shí)對(duì)突發(fā)事件進(jìn)行全過程管理。