辽河防汛指挥监测系统设计探讨

李 兵

(辽宁省沈阳水文局，辽宁 沈阳 110043)

1 概述

根据营口辽河防洪自动监测系统的发展现状，建立完整的辽河实时防洪监测系统，利用传感器节点将其分布到辽河监测断面，目的是为实现对辽河水位、水流、坝体湿度、河流图像等的全方位跟踪监测。除实时全程记录辽河水位、流量、坝身湿度、河道图像等数据外，当大坝即将发生渗漏、溃坝等问题时，指挥中心接收实时报警信号，准确定位问题河段并及时处理，这需要快速有效的监控、录像和实时录像并记录。

2 辽河防汛监测设计方案

河流防洪监测可分为4部分：河流水位监测、河流流量监测、河堤土壤水分监测和河流图像监测，关键技术包括无线传感器网络技术、传感器、数据采集终端和GPRS无线传输网络、图像采集与分析、图像传输技术[1]。

在实施过程中，辽河防洪安全监测系统包括水位监测、流量监测、土壤水分监测和河流图像监测，辽河防洪安全监测系统总体设计方案由3部分组成。

2.1 总控制服务器管理端

这是整个辽河防洪安全监测系统的数据管理端，有数据存储服务器，由服务器管理员维护[2]。针对辽河上各种传感器监测的数据，防洪技术人员对其进行分析，找出辽河上是否存在危险，对每个设置了一定安全值的数据，如果数据超过该安全值，将被视为一个危险值，并进行打印和报告。

2.2 图像实时监控系统

针对辽河的整个情况，视频实时监控，图像信息通过GPRS基站传输给主控服务器管理端，从图像信息中可以得到堤防是否完好、水位是否超过堤防、河流波高等信息。

2.3 无线传感器智能监测系统

辽河两岸设置无线传感器网络，并安装水位传感器、水流速度传感器和河岸湿度传感器，传感器测量的数据通过无线传感器采集到无线网关中，无线网关的数据通过GPRS基站传输到主控服务器的管理层[3]。

3 监测内容

3.1 流量监测

流量传感器在水下较深时，在一定时间内自动检测河水流量值，并通过无限通信模块将检测到的数据送回终端设备，终端设备对数据进行过滤，并通过GPRS发送回监控中心，监控中心对数据进行分析、处理、存储和备份。当水流超过某一阈值时，表示河流流量超过安全范围，系统自动发出报警信号。

3.2 水位监测

安装在容器中的水位传感器将感应到的水位信号传送给控制器，控制器中的计算器将测量的水位信号与设定的信号进行比较，得出偏差，然后根据偏差的性质，得到相对水位差，通过数据采集终端将数据传输至防洪中心，对水位数据进行分析，判断水位是否异常。

3.3 湿度监测

水下堤防的湿度监测由多个湿度传感器和一个采集终端组成，传感器由采集终端提供+5V/4mA恒流电源，输出0～4V电压信号[4]，采集终端采集的数字量通过无线通信模块传输至监控中心。

3.4 图像监测

视频监控由多个摄像头和视频采集终端组成，摄像机监控堤坝和坝面的水面。

4 软件设计

整个监控中心软件由通信模块、地理信息系统模块、监控终端模块、数据管理模块和电子地图组成，其总体结构如图1所示。

图1 软件总体方案

4.1 监控中心软件功能

监测中心软件包括地理信息子系统、实时监测子系统、通信子系统、数据管

理子系统和应急管理信息平台，监控中心软件功能图如图2所示。

4.2 GIS地理信息子系统

GIS技术是可视化防洪指挥决策支持的关键技术，为防洪决策支持提供丰富、直观的界面和空间分析工具，基于地理信息系统(GIS)技术的防洪指挥监测系统，将具有较强地理空间感的工程和预报调度结果直观地展示给用户，以数据仓库和数据挖掘技术为手段，以水文、气象、社会经济和空间地理信息为基础，集成数据收集、管理、分析和表达，以及使用数据库技术、算法和计算机网络技术实现了流域洪水预报和水库群调度决策的科学化和自动化[5]。

4.3 实时监控子系统

辽河防洪实时监测是系统功能的核心，通过消息机制与通信子系统连接，然后通过通信子系统向监控系统的控制单元发送控制指令，完成辽河的远程监控功能，实时监测子系统接收辽河的监测状态信息，通过显示相关参数和地理信息系统，实现辽河的实时监测，对于辽河的监测、控制等功能，各环节基本相似。它们都是通过消息设置来激活功能设置，然后设置监控等初始化参数，根据通信协议对参数进行打包，通过通信子系统发送到监控系统。

4.4 通讯子系统

负责监控终端与监控中心的通信，包括将控制子系统的控制信息传输到监控终端，接收监控终端向监控中心传输的地理坐标信息和状态信息等。如图3。

4.5 数据管理子系统

数据管理功能主要实现对河流监测系统信息、人员信息、运行权限和系统日志的管理，终端和人员信息管理主要包括信息的添加、删除、修改和打印功能，用户操作权限和系统日志管理是系统运行安全管理的基础[6]，我们根据人员的功能划分人员的权利，不同的操作人员在系统上有不同的控制功能，当系统管理员向用户分配权限时，系统根据用户登录后的功能权限初始化系统控制界面，对于没有一定功能的用户，不能激活该功能，有效地限制了用户的操作，保证了整个系统的安全。系统日志管理采用数据库管理的形式，记录操作员的关键操作，如登录、监控、控制、退出等信息，对员工进行管理和考核。

图2 监控中心软件功能图

图3 监测终端与监测中心逻辑图

4.6 应急管理信息平台

应急管理处理突发性的突发性干扰，如河涌、河流渗漏、水库泄洪、河流洪水等，往往具有连锁反应、处理时间的及时性和紧迫性等特点。制定突发事件应急对策和应急预案，应急管理强调应急后的响应，而不是应急前的预防。在应急管理中，需要在紧急情况发生前进行应急响应。主要工作是制定应急响应策略，即应急预案[6]。

《辽河防洪监测应急预案》是在突发事件发生前应对突发事件的预案[7]。在突发事件发生时，采用应急预案处理突发事件，减少突发事件对监测点的影响，减少河道的影响。在监测水源的过程中，当发生(或可能发生)情况(事故)时，应对情况(事故)的严重性进行评价和分析，确定其等级，并通知监测中心启动预先制定的应急预案，立即采取应急救援行动，包括事故预警和通知、人员紧急疏散、急救和医疗、消防和救援。

应急管理信息平台以资源为基础，以数学模型为支撑，以事件为线索，以计划为导向，它集成了信息集成、预警建模、计划数字化、决策智能化和处置可视化。

4.6.1应急预警系统

模型应急预警系统是整个应急系统的启动基础，它在正常时间内密切监控与项目有关的所有资源，通过预先设定的数据预警模型，实现对整个项目的全面预警和监控，当应急事件达到相应的启动水平时，由应急管理值班人员和相关负责人判断启动应急响应系统[7]。

4.6.2应急过程指挥系统

应急过程指挥系统是一个以数字应急预案为依托的全过程处理系统，当应急预警系统中的事故经应急管理部门确认为紧急事件时，启动运行并实施应急指挥。

4.6.3以智能化决策分析构建应急资源支持系统

应急资源支持系统(ERSS)用于快速获取应急过程中应急响应所需的资源[8]，主要功能包括：快速资源查询系统、重要信息支持系统、计划支持系统、历史应急态势支持系统。

4.6.4应急保障系统

应急管理系统的信息必须通过日常数据进行维护，以确保发生紧急事件时系统信息的准确运行，因此，对于应急管理系统中的各种系统信息，包括领导组织系统、专家支持系统、人员支持系统、物资支持系统等，系统提供了强大的数据维护功能。

4.6.5公共信息发布系统

为确保应急过程中与政府及相关媒体的沟通，确保信息发布口径的一致性，并记录所有发布内容供参考，在应急信息平台上建立了相关的公共信息发布模块，包括应急情况通知、对外情况通知等。

4.6.6善后恢复系统

应急事件结束后，需要对整个应急管理过程进行分析和总结，形成相应的应急预案，具体内容包括：人员工作量分析及设备使用、应急物资使用总结及补充方案、应急技术分析、应急总结事件、应急预案改进等。

4.6.7应急管理系统功能

(1)实现紧急情况的收集、显示和报告功能，即在监控指挥中心，通过无线通信系统实时接收、显示和报告应急场景的文本和语言信息，通过终端服务器和显示屏随时访问应急子系统的文本信息。

(2)实现远程命令功能，在执行非预期任务的过程中，通过网络和语言文本信息，可以快速实现各子系统和站点的实时远程命令。

(3)实现应急管理的辅助决策功能，通过地理信息系统、电子地图等相关软件，可以快速查询和显示人力配置情况，为制定处置方案提供可靠的参考数据。

4.7 应急管理体系特点

(1)立体互动。通过呼叫中心建立事故现场、指挥中心、抢修单位之间的三维联系与互动，在事故预警信息的基础上，组织应急信息和地理信息、设备信息、人员信息等，以确定事故级别和制定应急预案，使领导和专家组能够迅速做出判断和决定，并迅速向紧急情况传达到维修单位和现场指挥部。

(2)动态实时。通过应急管理平台，对应急事件的发展和处理进行实时监控，对事故现场设备参数/状态进行动态跟踪；对抢修人员进行动态显示和储备部署；对应急储备物资消耗进行动态跟踪，实时做出决策。

(3)反应迅速。在事故准备计划的指导下，迅速建立覆盖各应急区域的指挥系统和专家支持系统；迅速建立应急修理人员的应急修理计划；迅速形成科学的物资调度计划，并做出相应的反应。同时外联协调系统在共享现场资源的前提下，迅速与政府和上级部门建立专门的渠道，确保相关社会资源的调动和及时响应[8]。

(4)安全可靠。通过建立应急系统所涉及的主机/网络/系统的备份机制和安全机制，保证指挥系统不因大规模停电等故障而无法运行，保证应急管理系统在各种条件下安全可靠运行。

应急管理系统在综合现有通信、网络、应用和信息的基础上，通过提供应用集成、业务集成和数据集成，建立了一个三维互动、动态、实时、快速响应、安全可靠的全过程管理应急管理系统。应急管理系统是众多参与者和社会资源的整合，通过信息平台的支持，建立了领导组织体系、外联协调体系、人事保障体系、物资保障体系、预案保障体系、安全恢复体系六大体系。应急管理系统可以实现对突发事件的预警、预防、处置和恢复的全过程管理[9]。

应急指挥系统结构如图4所示。应急指挥决策需要在空间信息数据库、地理编码数据库等空间信息基础设施的基础上，构建水电建设项目应急指挥决策支持平台，为应急指挥决策提供辅助平台和工具，如数据显示、分析决策、对策仿真、方案评价等[10]，它由应急指挥通信网络和信息系统组成，传输交换网络平台负责连接。

图4 应急指挥系统结构图

5 结语

实时跟踪和记录辽河水位、水流、大坝湿度、河流图像等数据，不仅有利于辽河汛期水情进行24小时不间断的监测，而且解放了大部分劳动力投入到更合适的位置。通过统一的技术平台，防洪监督管理部门能够及时、准确地定位辽河建设违法行为，并提供充分、详细的依据；同时对突发事件进行全过程管理。