山洪災害學校預警系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

劉 超，馬 浩，劉懷利，周 密

（1. 安徽省（水利部淮河水利委員會）水利科學研究院，安徽 合肥 233088；2. 河海大學，江蘇 南京 210046）

山洪災害學校預警系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

劉 超1，馬 浩1，劉懷利1，周 密2

（1. 安徽省（水利部淮河水利委員會）水利科學研究院，安徽 合肥 233088；2. 河海大學，江蘇 南京 210046）

我國山洪預報預警系統(tǒng)的技術研究工作開展較晚，當下山洪、泥石流、滑坡等山地災害頻發(fā)，對人民群眾的安全和經(jīng)濟的發(fā)展都產(chǎn)生了極大的影響。在這樣的背景之下，探討學校山洪預警系統(tǒng)的技術應用問題，分別從系統(tǒng)構成、技術要求和實現(xiàn)功能等方面加以論述，為學校山洪預警系統(tǒng)的建設提供很好的指導。該系統(tǒng)具有自動接收、發(fā)布、傳遞水文氣象和地質災害信息，提供各學校節(jié)點實時水文氣象數(shù)據(jù)、山洪預警信息、災害應急預案、校內在冊師生人員資料登記及通知公告等數(shù)據(jù)信息的發(fā)布功能。在實際使用中，性價比高，實用性強，具有較大的社會和經(jīng)濟效益。

山洪災害；學校預警；應急預案

0 引言

山洪災害是指因降雨在山丘區(qū)引發(fā)的洪水及由洪水誘發(fā)的泥石流、滑坡等對國民經(jīng)濟人民生命財產(chǎn)造成損失的災害。近年來，受特殊的自然地理環(huán)境、極端災害性天氣及經(jīng)濟社會活動等多種因素的共同影響，各地山丘區(qū)洪水、泥石流、滑坡災害頻發(fā)，造成的人員傷亡、財產(chǎn)損失和基礎設施損毀、生態(tài)環(huán)境破壞十分嚴重[1]。我國自 2009年以來，開始實行以自動監(jiān)測、通信預警、防災減災預案為主的非工程措施建設[2]，經(jīng)過多年的建設，我國的山洪災害監(jiān)測預警系統(tǒng)已經(jīng)初具規(guī)模，且在實際應用中發(fā)揮了巨大的作用。但是，在已建的山洪災害監(jiān)測預警系統(tǒng)中，對山洪易發(fā)地區(qū)中、小學校等人口聚集區(qū)，尚未建設專用的預警設施設備。因此，在 2015年 10 月 30 日，水利部辦公廳在《關于下達2016年度山洪災害防治項目建設任務的通知》中明確提出“在中小學校、旅游景區(qū)等人口密集的重點地區(qū)配備監(jiān)測預警設施設備，并開展宣傳、培訓和演練等”。

對于中、小學校這種以學生群體為主要預警對象的區(qū)域，通過傳統(tǒng)的預警設施設備很難做到及時有效的預警與轉移。本設計提出的新型學校預警系統(tǒng)集預警信息發(fā)布、災害知識宣傳、應急預案管理及學校日常應用等多項功能于一體，可以實現(xiàn)學校、防汛部門、監(jiān)測中心三方快速互動，是針對學生群體全方位、多層次、立體化的防災減災非工程措施，更好地解決了山洪災害防治“最后一公里”預警問題。

1 學校預警系統(tǒng)總體結構

學校預警系統(tǒng)主要由中心管理平臺、學校終端用戶和學校山洪預警信息終端站的 3 層站點結構。中心管理平臺作為山洪災害學校預警系統(tǒng)正常運行的后臺應用支撐，布設在縣防汛主管部門。學校終端用戶的使用權限由中心管理平臺授權，可以為學校的老師，通過平臺開放的功能實現(xiàn)學校機構對山洪災害學校預警系統(tǒng)的日常應用。學校山洪預警信息終端站主要包括終端站 SRCU、終端顯示屏等部件。

山洪災害學校預警系統(tǒng)結構拓撲圖如圖1所示，運行邏輯示意圖如圖2所示。

圖1 山洪災害學校預警系統(tǒng)結構拓撲圖

圖2 山洪災害學校預警系統(tǒng)運行邏輯示意圖

2 學校預警系統(tǒng)功能

2.1 學校預警終端站功能

1）終端站的水文與預警信息顯示功能。終端站按照設定的信息刷新周期，通過 GPRS 信道自動向中心管理平臺請求和接收與該終端站點關聯(lián)的最新的今日雨量、水庫水位和山洪告警等級指令，并在LED 信息屏上實時刷新顯示。

2）終端站的聲光告警功能。終端站如果接收到的山洪告警等級達到或超過告警門限，則啟動聲光警笛告警器發(fā)出告警。管理員可以通過終端站控制面板上的按鈕或者遠程啟閉聲光告警器。

3）山洪災害知識宣傳功能。在非汛期，終端站信息顯示屏的“公共信息發(fā)布區(qū)”支持中心管理平臺推送的山洪災害知識、避險常識等宣傳信息。通過學校預警設備，從娃娃抓起，將學校打造為山洪災害防治知識宣傳的主陣地。

4）學校日常應用功能。在非汛期，支持學校管理員通過手機短信向終端站信息屏的“公共信息發(fā)布區(qū)”發(fā)送學校通知等信息。終端站 SRCU 會對發(fā)送的信息進行分析，過濾非法信息后將信息推送至終端站顯示屏顯示。此項功能僅限在非汛期使用，且優(yōu)先級低于中心管理平臺發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信息。

5）遠程讀屏功能。遠程讀屏功能是為了監(jiān)視學校預警終端顯示屏幕信息是否實時刷新，是否被斷電，是否有壞斑，以便及時維修。當中心平臺發(fā)出召測命令時，需在 3 min 內向中心平臺返回現(xiàn)場顯示大屏的實時圖片信息。

6）遠程故障診斷功能。終端站自動診斷運行狀態(tài)，可以監(jiān)測站點供電電壓、設備運行電壓、遠程通信狀態(tài)、LED 信息屏工作狀態(tài)等信息，將終端站的工作狀態(tài)定時上傳中心平臺。支持上一級預警平臺自動巡檢。

7）軟件遠程升級功能。在上一級預警中心可以通過 GPRS 無線方式遠程升級終端站的應用軟件，升級后終端站能自啟動恢復運行。

8）學校信息管理功能。支持學生班級、學生數(shù)量、姓名及家長聯(lián)系方式等信息數(shù)據(jù)庫功能。每年汛期前，由學校將有關信息編輯更新終端站數(shù)據(jù)庫，或按指定格式存儲進 U 盤導入終端站數(shù)據(jù)庫，并上傳中心平臺。

9）學校山洪應急預案上報功能。汛期前學校負責人按指定文件格式通過 U 盤將本校應急預案上報上一級預警平臺。

10）衛(wèi)星定位功能。支持人工測試、錄入經(jīng)緯度，將本校位置通過 GPRS 自動發(fā)送到上一級平預警臺，在 GIS 上準確標識學校位置。

11）終端站支持應急告警信息短信定向發(fā)送和群發(fā)功能。

2.2 中心管理平臺

中心管理平臺利用各縣前期已建縣級山洪災害監(jiān)測預警平臺相關硬件設備，開發(fā)相應軟件實現(xiàn)，主要設計功能包括：

1）為學校山洪預警信息終端站提供管理和信息服務的固定 IP 地址。

2）與省級山洪中心平臺數(shù)據(jù)庫聯(lián)網(wǎng)，獲得水文氣象實時和預報信息，建立本系統(tǒng)的專業(yè)數(shù)據(jù)庫[3]。

3）運行學校山洪災害預警信息系統(tǒng)服務器應用軟件，自動進行數(shù)據(jù)分析計算、通過 GPRS 網(wǎng)為已注冊和在線的終端站提供本地區(qū)的雨量、水位氣象實時數(shù)據(jù)、預報信息、山洪告警狀態(tài)信息查詢服務[4-5]。

4）通過實時在線的 GPRS 網(wǎng)絡或 GSM-SMS 方式，手動操作向全省內的任意區(qū)域站點集合或獨立站點發(fā)送山洪災害警報文字及宣傳信息，以及通過遠程中控單元 SRCU 控制啟閉警報狀態(tài)[6]。

5）管理轄區(qū)內的終端站 GPRS 網(wǎng)在線和遙測設備運行狀態(tài)，做最新 180 d 的終端站設備狀態(tài)和告警發(fā)布事件日志記錄，用于設備故障和山洪災害過程事件追憶分析。

2.3 學校終端用戶

考慮到建成后系統(tǒng)的運行維護及學校通知公告等數(shù)據(jù)信息的發(fā)布，為每個學校配置學校終端用戶，學校終端用戶通過手機等移動設備控制學校山洪預警信息終端站部分功能的實現(xiàn)，主要設計功能有：

1）通過中心管理平臺授權的手機向終端站發(fā)送短信更新終端站顯示信息的功能[7]。

2）通過與終端站以太網(wǎng)或 Wi-Fi 聯(lián)網(wǎng)的本地計算機及控制軟件，或者終端站的便攜式鍵鼠和監(jiān)視器操作界面，對終端站設備進行參數(shù)配置操作。

3）通過與終端站以太網(wǎng)或 Wi-Fi 聯(lián)網(wǎng)的本地計算機及控制軟件，或者終端站的便攜式鍵鼠和監(jiān)視器操作界面，編輯和發(fā)送信息文本，更新終端站顯示信息的功能。

4）通過與終端站以太網(wǎng)或 Wi-Fi 聯(lián)網(wǎng)的本地計算機及控制軟件，或者終端站的便攜式鍵鼠和監(jiān)視器操作界面，在終端站中錄入和維護學?；緦傩詳?shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，建立領導、教師、班級、學生、家長、聯(lián)系方式、聯(lián)系地址、學校 GPS 坐標、額定人數(shù)統(tǒng)計、出勤人數(shù)統(tǒng)計等信息，便于應急管理。

5）通過與終端站以太網(wǎng)或 Wi-Fi 聯(lián)網(wǎng)的本地計算機及控制軟件，或者終端站的便攜式鍵鼠和監(jiān)視器操作界面，支持終端站應急告警信息定向和短信群發(fā)功能。

3 遠程中控單元 SRCU

本文設計的山洪預警信息終端站遠程中控單元SRCU 共分為 3 種類型的工作流程：

1）實時監(jiān)聽接收數(shù)據(jù)。終端站實時監(jiān)聽接收來自中心站、分中心站的 GPRS，SMS 遠程終端用戶以及現(xiàn)場 RS-232、以太網(wǎng)、Wi-Fi 等本地終端用戶多種通訊信道源的數(shù)據(jù)，成功解析后，自動識別數(shù)據(jù)操作指令種類并予以響應，完成相應的數(shù)據(jù)操作指令后對通訊信道發(fā)送源頭做出應答回復。

2）定時請求刷新數(shù)據(jù)。終端站定時向中心站服務器發(fā)出數(shù)據(jù)請求，獲取并動態(tài)顯示刷新終端站所屬地區(qū)的實時水文氣象數(shù)據(jù)、預報信息、山洪預警等級狀態(tài)信息內容，根據(jù)山洪預警等級高低，自動啟／閉聲光告警器。

3）定時采集自報數(shù)據(jù)。終端站定時采集現(xiàn)場RCU 的供電電壓、運行溫度、通訊網(wǎng)絡信號強度及工作狀態(tài)等自檢信息，并以自報方式向中心站服務器發(fā)送信息。

具體工作流程框圖如圖3所示。

圖3 學校預警系統(tǒng)遠程中控單元 SRCU 工作流程設計圖

4 山洪預警信息終端站外觀

學校山洪預警終端站主控單元 SRCU 外觀設計如圖4所示，通過設置透明機箱外門可以看到數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)、聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)、無線信號強度、供電選擇及告警狀態(tài)等信息。

圖4 山洪學校預警信息終端站主控單元SRCU 外觀設計示意圖

學校山洪預警終端站電子顯示屏外觀通過定制實現(xiàn)水文氣象、地質災害、山洪災害宣傳等信息的發(fā)布，主要由遠程中控單元 SRCU 提供驅動接口和軟件進行實現(xiàn)。支持學校自行選配的任意顯示類型、屏幕尺寸和安裝方式的 LED 信息屏，使得學?？梢酝瑫r獲得山洪預警和學校信息發(fā)布的差異性專屬應用功能，如圖5所示。

圖5 山洪學校預警信息終端站外觀設計示意圖

5 結語

目前，市場上尚無山洪災害學校預警方面的專用產(chǎn)品，山洪災害防治學校預警系統(tǒng)作為一種新型的山洪災害預警手段，既能實現(xiàn)在線預警，又能通過管理平臺做到群測群防。對山洪災害防治在學校領域提供快速、全面、準確的預報預警及指揮調度，起到重要的作用，社會需求量大，社會和經(jīng)濟效益顯著。

[1] 邱瑞田，黃先龍，張大偉，等. 我國山洪災害防治非工程措施建設實踐[J]. 中國防汛抗旱，2012，22 (1): 31-33.

[2] 王文川，和吉，邱林. 我國山洪災害防治技術研究綜述[J]. 中國水利，2011，13 (56): 35-37.

[3] 馬建明，劉昌東，程先云，等. 山洪災害監(jiān)測預警系統(tǒng)標準化綜述[J]. 中國防汛抗旱，2014，24 (6): 9-11.

[4] 張李蓀. 基于WebGIS 的山洪災害預警信息系統(tǒng)設計[J].人民長江，2009，40 (17): 84-85，93.

[5] 劉志雨. 山洪預警預報技術研究與應用[J]. 中國防汛抗旱，2012，22 (2): 41-45.

[6] 郭良，唐學哲，孔凡哲. 基于分布式水文模型的山洪災害預警預報系統(tǒng)研究及應用[J]. 中國水利，2007 (14): 38-41.

[7] 李昌志，孫東亞. 山洪災害預警指標確定方法[J]. 中國水利，2012 (9): 54-56.

Design and Implementation of School Early Warning in Mountain Torrent Disaster

LIU Chao1, MA Hao1, LIU Huaili1, ZHOU Mi2
(1. Hydraulic Research Institute of Anhui Province and Huaihe River Commission, the Ministry of Water Resources, Hefei 233088, China；2. Hohai University, Nanjing 210046, China)

The researches on mountain torrent forecasting and early warning system are carried out later in our country, and currently mountain torrent, mudslides, landslides and other mountain disasters occur frequently, which have had a tremendous impact on security of the people and economic development. Based on this background, this paper discusses the application of school mountain torrents early warning systems, in which the system structure, achieve functional and technical requirements are to be addressed respectively, and it also provides a good guide for the construction of school mountain torrents warning system. The system has the functions of automatically receive, distribute, transfer hydro meteorological and geological hazard information, and provides the functions of schools node real-time hydrological and meteorological data, mountain torrent early warning information, disaster contingency plans, the school teachers and students registration information, the public of announcement and other messgaes. In actual, it is cost-effective, practical, and has great social and economic benefits.

mountain torrent disasters； school early warning； contingency plans

P426.616

A

1674-9405(2016)06-0037-04

10.19364/j.1674-9405.2016.06.008

2016-07-11

劉 超（1986-），男，安徽靈璧人，工程師，研究方向為水利信息化設計、咨詢。