基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警體系研究

趙智鵬+史蓮梅

摘要：物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)特點和優(yōu)勢與氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的需求完美契合，其技術(shù)將越來多廣泛地應(yīng)用在氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警體系建設(shè)中。通過闡述物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和氣象災(zāi)害的主要類型、影響及特點，分析物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警中的發(fā)展前景和使用價值，同時提出了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警體系建設(shè)中需要解決的問題和需要突破的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；氣象災(zāi)害；監(jiān)測預(yù)警

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）08-0263-03

Abstract： The Internet of things technology features and advantages of meteorological disaster monitoring and early warning of the perfect fit， the technology will be more widely used in the construction of meteorological disaster monitoring and early warning system. The IOT technology development and meteorological disasters of the main types， influence and characteristics are introduced. Analysis of IOT technology in meteorological disaster monitoring and early warning and prospects for the development of and use value， and puts forward the IOT technology in the construction of meteorological disaster monitoring and early warning system to solve the problem and need to break through the key technology.

Key words： Internet of things technology； meteorological disasters； monitoring and early warning

近年來，氣象災(zāi)害及次生災(zāi)害給國民經(jīng)濟造成巨大損失。氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的時效性和準確性對于有效防災(zāi)減災(zāi)起著至關(guān)重要的作用。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用可以大大提高氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的時效性和準確性。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特點是通過大量傳感器及感知技術(shù)的應(yīng)用獲取監(jiān)測信息，通過互聯(lián)網(wǎng)進行實時傳輸，并對數(shù)據(jù)進行快速處理和分析。這些特點對于氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警體系的建立具有重要的應(yīng)用價值。

1 物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)發(fā)展概況

物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵性技術(shù)主要包括無線傳感技術(shù)、無線射頻識別技術(shù)和納米技術(shù)[2]。隨著新技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢得到不斷的提升，其關(guān)鍵技術(shù)也在不斷發(fā)展。

1.1 無線傳感技術(shù)

無線傳感技術(shù)構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是遠程自動獲取信息的先進技術(shù)，其監(jiān)測點的覆蓋范圍不受有線網(wǎng)絡(luò)的限制，具有覆蓋范圍廣的特點。其核心技術(shù)是傳感器節(jié)點的定位技術(shù)，

典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)有以下四種：1基于接收信號強度指示；2基于到達角度；3基于到達時間；4基于到達時間差。

1.2 無線射頻識別技術(shù)

無線射頻識別 （RFID）是一種利用無線射頻識別技術(shù)識別目標對象并獲取對象信息的技術(shù)，該技術(shù)具有穩(wěn)定性強、識別速度快、識別效率高等特點。

無線射頻識別技術(shù)通常由標簽、耦合元件和芯片組成，每個標簽具有唯一的電子編碼，并通過讀取器讀取標簽信息，最終通過天線在標簽和讀取器間傳遞射頻信號。

1.3 納米技術(shù)

納米技術(shù)的特點在于使得體積越來越小的物體能夠在物聯(lián)網(wǎng)中進行交互和連接，該技術(shù)可以擴展物聯(lián)網(wǎng)的使用范圍，增強物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域。對氣象災(zāi)害的精細化監(jiān)測具有一定的使用價值。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在氣象防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)用的必要性

2.1 氣象災(zāi)害的主要類型、影響及特點

氣象災(zāi)害種類多、分布地域廣、發(fā)生頻率高、造成損失重。我國每年由于氣象災(zāi)害所造成的經(jīng)濟損失是3000-4000億人民幣，占GDP的1-3%。隨著全球氣候變化進一步加劇，災(zāi)害性天氣引發(fā)的自然災(zāi)害呈現(xiàn)多發(fā)、頻繁態(tài)勢。各類氣象災(zāi)害及次生災(zāi)害造成的損失和影響不斷加重。

氣象災(zāi)害一般包括暴雨、暴雪、雷暴、冰雹、干旱、洪澇等因素造成的災(zāi)害，以及由于暴雨、暴雪引起的山體滑坡、泥石流等次生災(zāi)害。這些災(zāi)害都可以借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，提前預(yù)報和預(yù)警，并在災(zāi)害發(fā)生時為指導救災(zāi)和轉(zhuǎn)移人民群眾提供準確及時地信息[3]。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特點及優(yōu)勢

隨著氣象災(zāi)害發(fā)生的頻率越來越高，發(fā)生的范圍越來越廣，造成的損失越來越大，原有的氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警方式暴露出諸多弊端，物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢恰恰可以彌補這些弊端。 構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的氣象災(zāi)害動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，具有實時性強和遠程監(jiān)控能力，并且極大地降低了人力成本，同時大幅度提高監(jiān)測信息的準確性[4] 。這些優(yōu)勢給有關(guān)部門科學應(yīng)對氣象災(zāi)害提供可靠的依據(jù)，同時為防災(zāi)減災(zāi)節(jié)省的寶貴的時間，盡可能地降低氣象災(zāi)害造成的損失[5]。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警中的發(fā)展前景

2.3.1 利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立智能氣象災(zāi)害監(jiān)測網(wǎng)

目前有一種叫ZigBee的無線通信技術(shù)，其特點和優(yōu)勢對于建立智能氣象觀測網(wǎng)具有很強的現(xiàn)實意義。特點如下：

1）低功耗： ZigBee設(shè)備非常省電，僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持6個月到2年左右的使用時間，而目前使用的其它無線通信設(shè)備功耗都要遠高于ZigBee設(shè)備。如此低的功耗對于氣象災(zāi)害監(jiān)測點往往建在極端惡劣且沒有供電設(shè)施的地區(qū)顯得尤為重要。

2）時延短： ZigBee設(shè)備的通信時延是30ms，休眠激活的時延是15ms。如此短的時延即提高了通信的實時性，又提高了通信的可靠性。這非常符合智能氣象觀測網(wǎng)的技術(shù)要求。 為大幅提高智能氣象觀測網(wǎng)的通信質(zhì)量提供了基礎(chǔ)。

3）網(wǎng)絡(luò)容量大：一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100個ZigBee網(wǎng)絡(luò)， 而一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納255個設(shè)備。如此大的網(wǎng)絡(luò)容量可以增強氣象災(zāi)害監(jiān)測點的密度，為災(zāi)害監(jiān)測的精細化奠定了基礎(chǔ)。

4）低成本： ZigBee模塊的初始成本在50元人民幣左右，估計隨著ZigBee技術(shù)的不斷成熟，其成本還有很大的降幅空間。

5）安全可靠： ZigBee技術(shù)采用了雙向確認的數(shù)據(jù)傳輸模式， 每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中接受方?jīng)]有確認，發(fā)送方將啟動重新發(fā)送，直至發(fā)送成功。同時支持鑒權(quán)和認證， 采用了AES-128的加密算法。

綜合以上技術(shù)優(yōu)勢和特點，構(gòu)建基于ZigBee技術(shù)的智能氣象災(zāi)害監(jiān)測網(wǎng)將成為目前的最佳選擇[6]。氣象災(zāi)害監(jiān)測站點分布地域廣、密度大、大部分地區(qū)屬于沒有供電設(shè)施的無人區(qū)或者電力設(shè)施落后的鄉(xiāng)村和山區(qū)，并且氣象觀測數(shù)據(jù)形成的報文比較小，易于傳輸。因此，ZigBee無線通信技術(shù)完全符合智能氣象災(zāi)害監(jiān)測網(wǎng)的要求。

智能氣象災(zāi)害監(jiān)測網(wǎng)點由一個主控制器和若干個傳感功能節(jié)點，主控制器和傳感功能節(jié)點的距離在10米至100米之間。傳感功能節(jié)點（RFD）包括溫度傳感器、氣壓傳感器、雨量傳感器等。智能氣象災(zāi)害監(jiān)測網(wǎng)拓撲圖如圖1。

每次觀測采集數(shù)據(jù)時，由主控制器呼叫傳感設(shè)備建立連接，傳感設(shè)備將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至主控制器，主控制器匯集數(shù)據(jù)，通過科學的算法得到精確的數(shù)據(jù)，再由主控制器通過現(xiàn)有通訊手段將數(shù)據(jù)傳送至信息中心或者應(yīng)急指揮中心。

2.3.2 利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立氣象災(zāi)害信息立體獲取體系

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警，災(zāi)害應(yīng)急救助方面具有重要應(yīng)用價值。氣象部門應(yīng)該加大相關(guān)技術(shù)及應(yīng)用研究，通過科學引導、統(tǒng)籌規(guī)劃，推動氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息平臺建設(shè)，建立一體化的災(zāi)害信息立體獲取體系和統(tǒng)一指揮協(xié)調(diào)機制，提供強大的技術(shù)支持[7]。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的氣象災(zāi)害動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

氣象災(zāi)害動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要由智能觀測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、智能數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)等四個子系統(tǒng)組成。（圖2）

3.1 智能觀測系統(tǒng)

智能觀測系統(tǒng)充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和設(shè)備，構(gòu)建氣象智能觀測網(wǎng)，解決地面氣象觀測自動站實時觀測數(shù)據(jù)異常和缺測，提高實時觀測數(shù)據(jù)的時效性、準確性和可用性，進而大幅提高采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，實現(xiàn)觀測精細化。并且可以根據(jù)實際需要進行遠程控制和設(shè)備自檢，提高自動站設(shè)備的穩(wěn)定性，為氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警服務(wù)提供數(shù)據(jù)支撐。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要利用GMS、CDMA和氣象衛(wèi)星等網(wǎng)絡(luò)，建立觀測網(wǎng)站點與網(wǎng)絡(luò)中心之間的信息傳輸，確保數(shù)據(jù)的安全、可靠和暢通。前端氣象災(zāi)害監(jiān)測可采用ZigBee無線傳輸技術(shù)組網(wǎng)并將傳感信息互聯(lián)上傳，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備將采集信息進行收集并通過3G、WLAN、北斗等通訊接口回傳至網(wǎng)絡(luò)中心。

3.3 智能數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對前端傳感設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進行匯總分析，并通過專用的數(shù)據(jù)處理軟件和特定的數(shù)據(jù)計算方法對實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行智能分析，自動生成特定格式的災(zāi)情報文。最終發(fā)送給預(yù)警信息平臺。

3.4 預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)

根據(jù)實時數(shù)據(jù)自動預(yù)判災(zāi)害預(yù)警，及時會商，并利用現(xiàn)有自動化的網(wǎng)絡(luò)通訊方式進行信息聯(lián)動發(fā)布，確保政府和人民群眾及時獲得災(zāi)害預(yù)警信息。

4 結(jié)論

隨著RFID技術(shù)、ZigBee技術(shù)、傳感技術(shù)、納米技術(shù)、無線通信技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)在氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警體系中的應(yīng)用將越來越廣泛。氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警體系的可靠性、穩(wěn)定性、實時性、準確性將得到大幅的提升。氣象和有關(guān)部門可以通過物聯(lián)網(wǎng)隨時隨地獲知當前和未來一段時間的氣象災(zāi)害預(yù)警信息。對提高災(zāi)害預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)提供了更為有效的技術(shù)保障，大大提高氣象部門的精細化服務(wù)水平，為國家和人民群眾減少或降低由于氣象災(zāi)害帶來的生命和經(jīng)濟損失。

參考文獻：

[1] 董愛軍，何施，易明.物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展現(xiàn)狀與框架體系初探[J].科學進步與對策，2011（14）：61-65.

[2] 王保云.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究綜述[J].電子測量與儀器學報物， 2009，23（12）：1-7.

[3] 梁慎青，李永生，李澤杰.探討物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在氣象中的應(yīng)用[J].電腦知識與技術(shù)，2013，9（15）：3646-3648.

[4] 王建宙.“物聯(lián)網(wǎng)”將成為經(jīng)濟發(fā)展的又一驅(qū)動器[J]. IT時代周刊，2009（10）：20.

[5] 張靄琛.現(xiàn)代氣象觀測[M].北京：北京大學出版社，2008.

[6] 孔曉波.物聯(lián)網(wǎng)概念和演進路徑[J].電信工程技術(shù)與標準化，2009（12）：12-14.

[7] 陳積明，林瑞仲，孫優(yōu)賢.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息處理研究[J].儀器儀表學報，2006，27（9）：1107-1111.