山洪灾害监测预警系统的原理和功能

    一、国家政策

   2021年水利部印发了《全国山洪灾害防治项目实施方案（2021-2023年）》，提出“到2023年，山洪灾害防治体系健全，监测预警能力提升，努力补齐山洪灾害防治当前存在的明显短板”的建设目标。

    二、系统介绍

   山洪灾害监测预警系统由水位站、雨量站、无线预警广播与入户报警器通过无线连接和视频会商系统组成。设置有黄色、橙色、红色三个预警级别，当水位（雨量）上升到水位（雨量）站传感器设定报警水位（雨量）时会及时产生报警信号，无线预警广播和入户报警器接收信号并进行报警，雨量和水位信息也会通过GPRS/4G 传送到系统平台，可以通过视频系统观察具体信息。

    三、系统原理

    1、水雨情系统

   河湖、涝区的水位和降雨对山洪灾害直接产生影响。而水位的高低很大原因受降雨量的大小而决定的。水雨情监测拟选择一体化水雨情监测站，对水位和雨量进行监测，具有雨量和水位数据智能采集，长期固态存储和远距离传输功能。监测数据可通过GPRS/4G/5G，没运营商信号的时候可采用北斗卫星通信方式传输到中心预警平台。仪器主要结构、功能及工作原理如下：

    仪器结构

   一体化水位监测站由太阳能电池板、置电池、遥测终端机、雷达水位计、雨量计、风速风向传感器、充放电控制器及一体化安装支架组成，提供多种电源管理模式，可实现低功耗工作模式下的双向通信，并具有出色的防雷特性。

    主要功能

   具有大容量FLASH存储，数据可以存储5年以上。采用太阳能供电方式，极低功耗控制，在无日照情况下，能正常工作30天。具有GPRS/北斗通信，支持多中心工作模式，遥测站可向多达4个中心站发送数据，每个中心可拥有二种通信信道且互为备份。

   支持自报、自报—确认、应答三种数据通信方式，三种通信方式可混合组网。支持掉电、休眠、yongjiu在线三种电源管理模式。支持远程唤醒，响应中心命令。在监测站休眠状态下，中心可以随时唤醒终端机进行数据采集、读取任意时段自记数据或修改监测站配置信息等工作。

    工作原理

   翻斗式雨量传感器是一个机械双稳态结构，当一斗室接水时，另一斗室处于等待状态，当所接雨水容积达到预定值时，由于重力作用自己翻倒，处于等待状态。

   雷达水位计传感器是24G高频雷达式水位测量仪表，测量Zui大距离可达70米。天线被优化处理，新型的快速的微处理器可以进行更高速率的信号分析处理，使得仪表可以用于非常复杂的测量条件。

   高频微波脉冲发射较窄的微波脉冲，经天线向下传输，微波接触到被测介质表面后被反射回来，被天线系统接收并将其传输给电子线路部分自动转换成水位信号。(因为微波传播速度极快，微波到达目标并经反射返问接收器这一来问所用的时间几乎是瞬间的)。

   由数据采集遥测终端机接收信号，通过GPRS、CDMA或北斗卫星duanxin等将其传输到监控中心的数据服务器，从而实时记录水库水位和雨量的数据，通过监测软件来实现对水库水位和雨量实时的监测。

    2、无线预警广播系统

   无线预警广播系统是在各种原始监测数据和历史数据分析对比的基础上，根据数据分析结果来决策预警信息，将预警信息及时准确地发送到现场进行广播预警。

   预警信息通过指挥中心发布。通过麦克风等本地预警或电话、duanxinqunfa、GPRS等远程预警方式向需要预警区域的预警广播发布预警信息，预警广播实时将接收到的预警信息进行广播预警,有关单位，根据防御预案组织实施。在主控中心平台上，可对所有设备进行灵活地、随时地分组管理，分组、分区域、分时段预警，及时准确地将预警信息发布到相应区域。

   在通信畅通时，预警信息发布单位或责任人还可利用语音电话、手机、手机duanxin等及时向下发布预警信息，各级根据接收的预警信息，按照预案采取相应的措施。

   在无通信网络（或通信网络中断）时，根据当地预警设置配置的情况和河流洪灾的危险情况，按照预案中事先确定的报警信号，利用麦克风喊话、预置预警信息等本地预警方式，或使用手摇报警器、鸣锣、启动报警器等方式，向灾害可能威胁区域发送警报。

   若现场网络较差，也可采用卫星、无线电台的方式进行通信，实现预警通知。可拓展主从站，采用调频广播的方式扩大预警范围，由主站通过调频方式把预警信息发送到各个从站进行，通过广播喇叭通知。

  （1）、中心预警方式

   当预警中心系统发布预警信息的时候，可以以数据转语音、手机或duanxin方式将预警信息发送到各个终端设备。具体实现方式如下：

    GPRS中心系统预警

   GPRS方式预警是指由安装于预警现场的预警终端设备连接架设于中心控制机房的预警中心系统平台，由中心系统对预警终端设备进行远程的无线分组管理及预警发布等。可实现对预警终端设备的分组管理，分组预警，及时准确地将预警信息发布到预警区域。预警广播终端接收到预警中心系统的预警信息后，通过TTS模块将文字转为语音的形式并通过高音喇叭播放出去，达到预警的目的。

   还具有白名单设置，可实现紧急手机、电话的远程实时人工喊话预警，将预警信息及时传达到需要预警的区域。

   由于单独的GPRS方式预警可能存在的问题，如：服务器故障、网络故障等原因导致信息无法及时发布，很可能会造成人民群众的生命及财产损失。为了确保预警信息能及时、准确地发布到需要预警的区域，我们需要多种远程预警方式来做备份，即duanxin预警方式。

    duanxin平台预警

   duanxin平台方式是指在主控中心架设一个duanxin平台，duanxin平台可以与预警中心平台联动或独立，由预警中心平台产生预警信息或者由duanxin平台编辑预警信息，并通过duanxin猫进行duanxinqunfa预警，这种方式可以作为GPRS方式的备份通道，可安装于备份服务器上，以实现两种通道相互备份。

    通过以上两种组网方式，可以很好地实现预警信号及时覆盖全区域，及时准确发布预警信息。

  （2）、调频广播主从站方式预警

   由于现场可能没有覆盖运营商信号，而提出调频广播方式预警，通过调频广播的形式把预警信号覆盖到运营商信号达到不了的地方。传输距离受实际现场影响，若无遮挡可达6-7公里，有树林等遮挡的话一般2-3公里。

   这种预警方式是主从站方式，由主站设备发出预警信息，通过车载台或FM调频发射机将预警信息以无线电的方式发送到远端的预警广播从站，从站接收主站发送来的预警信息并进行广播。可以实现多级预警、范围预警，还可连接预警中心平台实现GPRS远程预警。这种方式与车载台方式类似，只是发射频率不同，可根据现场情况来决定使用哪种方式。

  （3）、本地预警

    预警广播一体站

    预警广播一体站是一款集手机语言、3G/4G/5G/NB-IOT 通信、duanxin、LoRa/蓝牙通信、有线网络和大功率扩音广播为一体的预警设备，具有远程即时电话语音广播扩音、网络流媒体语音合成告警、duanxin转语音 广播扩音、远程数据转语音告警、LoRa网络数据告警、预置信息转语音 告警、预置 MP3 音频告警、感知采集阈值联动告警、远程数据通信管理、蓝牙配置和广播扩音等功能，该产品主要应用于野外扩音预警。

    通过该本地预警广播，可在本地实现广播和声光报警提醒，提醒居民远离受灾地。

    3、视频监控系统

   视频站点可配合其他站点使用或者单独使用，用来监测现场的实景情况，满足可视化的监测需求。采用监控视频探头进行监测，可进行抓拍或移动物体监测，视频或图片通过设备传输到数据中心，可接8路视频。视频可定制联动预警广播，一旦进行广播预警可触发监控视频开启，平时处于休眠状态。

   站点建设在河道旁边或一些需要重点监控的场地，选点以能看到要监测的点为准。根据需求选择视频监控头——若无需实时监测，又需低功耗，则采用串口摄像机即可；若需实时监测查看，则采用球机、枪机摄像机。

   站点组成：包括一体式立杆、防水箱、太阳能充电板、蓄电池、充放电控制器、串口摄像头/枪机/球机、通讯遥测终端、避雷装置及其他辅材、基座等。

    四、系统功能

    1、实时水雨情、工情信息综合查询统计分析;

    2、多调度预案对比分析计算，并提供三维防洪调度仿真和推演;

    3、内嵌各种防洪调度专业计算模型可供选配;

    4、结合洪水风险图、防洪概化图进行GIS展现和分析;

    5、系统支持流域洪水联合调度模型、支持水库和蓄滞洪区等；

    6、水利工程的运用和调度模型，支持溃坝、溃堤等水利工程运用的实时调度计算和场景模拟;

    7、多层次水雨情监测分析;

    8、灵活的监测预警方式，完整的应急响应预案;

    9、基于GIS的可视化内容丰富多样、响应速度快、系统稳定;

    10、提供可定制的预警评估模型;

    11、提供并预留其他业务支撑系统的服务接口，可扩展定制。