【正文】 ............ 76 技術(shù)成熟程度 ................................................................................................... 76 推廣應(yīng)用的條件和前 景 ..................................................................................... 77 3 自然災(zāi)害頻發(fā)，需要高科技監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng) ................................................ 77 政府重視，行政管理部門積極落實(shí) .......................................................... 77 防御山洪災(zāi)害 的成熟方法 ........................................................................ 78 推廣應(yīng)用前景 .......................................................................................... 78 存在的問(wèn)題 ....................................................................................................... 79 降低系統(tǒng)造價(jià) .......................................................................................... 79 智能化的“傻瓜型”設(shè)備研制 ................................................................. 79 培養(yǎng)綜合應(yīng)用型人才 ............................................................................... 79 1 1 概述 山洪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)研究的重要意義 眾所周知，我國(guó)是山洪災(zāi)害極其頻繁嚴(yán)重的國(guó)家，每年汛期由降雨引發(fā)的山洪、泥石流、滑坡都造成了大量 人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，不僅嚴(yán)重威脅著廣大人民群眾的生命安全，而且嚴(yán)重制約著廣大山丘區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和人民群眾的脫貧致富，影響全面建設(shè)小康社會(huì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。由此可見(jiàn)，山洪災(zāi)害造成的死亡人數(shù)占全國(guó)洪災(zāi)死亡人數(shù)的比例呈逐年遞增趨勢(shì)，山洪災(zāi)害造成的危害愈來(lái)愈大，損失愈來(lái)愈重，已經(jīng)成為當(dāng)前防洪減災(zāi)工作中亟待解決的突出問(wèn)題。 20xx 年 9月 4日，溫家寶批示：“山洪災(zāi)害頻發(fā)，造成損失巨大，已成為防災(zāi)減災(zāi)工作中的一個(gè)突出問(wèn)題。按照規(guī)劃目標(biāo)，到 20xx 年，中國(guó)將在山洪災(zāi)害重點(diǎn)防治區(qū)初步建成“以監(jiān)測(cè)、通信、預(yù)報(bào)、預(yù)警等非工程措施為主，非工程措施與工程措施相結(jié)合”的減災(zāi)體系。從降雨到山洪形成一般只幾個(gè)小時(shí)，甚至在一個(gè)小時(shí)以內(nèi)，較難進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)和防治。 季節(jié)性強(qiáng)、頻率高 降水是誘發(fā)山洪、滑坡、泥石流的主要原因，在降雨較多的年份地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的頻次也明顯偏高。 區(qū)域性明顯，易發(fā)性強(qiáng) 山洪主要發(fā)生于山區(qū)、丘陵區(qū)及崗地，特別是位于暴雨中心的上述地區(qū)，暴雨時(shí)極易形成具有沖擊力的 地表徑流，導(dǎo)致山洪暴發(fā)，形成山洪災(zāi)害。從山洪災(zāi)害的分類統(tǒng)計(jì)看，長(zhǎng)歷時(shí)高強(qiáng)度降雨及暴雨會(huì)使山洪暴漲、山坡土層含水量飽和，土體軟化、強(qiáng)度減弱，加之雨水沿?cái)嗔鸦驇r 石裂隙滲入地下，導(dǎo)致溜塌、蠕動(dòng)、淺層滑坡及泥石流大量發(fā)生，強(qiáng)大的水動(dòng)力條件和河谷中不良地質(zhì)發(fā)育，成為山洪災(zāi)害產(chǎn)生的環(huán)境條件。人類生產(chǎn)、生活 、工程建設(shè)等活動(dòng)對(duì)環(huán)境的破壞，使自然植被損毀，加劇了水土流失和環(huán)境的持續(xù)惡化，為降暴雨轉(zhuǎn)換成山洪災(zāi)害提供了有利條件，成為山洪災(zāi)害形成與發(fā)生不可忽視的重要因素 山洪災(zāi)害的防治對(duì)策 對(duì)山洪災(zāi)害的防治可采用工程措施和非工程措施進(jìn)行防治。 建立氣象、水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 根據(jù)山洪突發(fā)性、區(qū)域性的特點(diǎn)，在小流域上， 在泥石流和滑坡重點(diǎn)地區(qū)，增加降雨和水文觀測(cè)站點(diǎn)，重點(diǎn)地區(qū)布設(shè)雨量自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警站，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)降雨過(guò) 4 程，分散的居民區(qū)則可安裝人工觀測(cè)的簡(jiǎn)易雨量桶，收集降雨資料，分析降雨強(qiáng)度對(duì)山體滑坡、泥石流的影響程度。 建立山洪災(zāi)害決策支持系統(tǒng) 建立山洪及地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫(kù)，編制山洪災(zāi)害的預(yù)防預(yù)案，組建山洪災(zāi)害的通訊系統(tǒng)，山洪災(zāi)害的防治指揮系統(tǒng)以及災(zāi)害評(píng)估系統(tǒng)等。在平時(shí)應(yīng)做好宣傳訓(xùn)練，使群眾了解熟悉報(bào)警信號(hào)和轉(zhuǎn)移路線；一旦險(xiǎn)情來(lái)臨或山洪初發(fā)，監(jiān)測(cè)責(zé)任人或第一個(gè)發(fā)現(xiàn)的村民，就要采取急驟鳴鑼、放銃、打電話、拉警報(bào)器等預(yù)先設(shè)定的群眾知道的信號(hào)，責(zé)無(wú)旁貸地迅速向下游村組、農(nóng)戶報(bào)警，同時(shí)向當(dāng)?shù)卣胺姥床块T報(bào)告，以便政府和防汛部門立即向 下游更大范圍施放警報(bào)、廣播通知或通訊報(bào)警，組織搶險(xiǎn)救援。 11. GBJ95－ 86《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》的規(guī)定。在監(jiān) 測(cè)預(yù)報(bào)上，由過(guò)去的人員觀測(cè)和儀器監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方式，逐步發(fā)展為監(jiān)測(cè)儀器和計(jì)算機(jī)相結(jié)合進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)；監(jiān)測(cè)儀器和傳感器由過(guò)去通過(guò)別的儀器移用改進(jìn)，逐漸向?qū)Ｓ酶呔确较虬l(fā)展。各種類型的傳感技術(shù)，聲學(xué)、光學(xué)、力學(xué)和化學(xué)的傳感技術(shù)。系統(tǒng)的實(shí)時(shí)傳輸越來(lái)越快捷、準(zhǔn)確。從局域網(wǎng)到廣域網(wǎng)，從數(shù)據(jù)庫(kù)到數(shù)據(jù)共享，為預(yù)報(bào)提供了更好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成 山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)由采集層、控制層、傳輸層和處理層組成，見(jiàn)圖 。建議選擇 GSM 公網(wǎng)比 PSTN 程控電話要好些，傳輸方式的選擇對(duì)水情信息的實(shí)時(shí)性、系統(tǒng)的穩(wěn)定性和通信誤碼率有影響。 9 圖 山洪災(zāi)害多媒體監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)組成 山洪預(yù)警系統(tǒng)現(xiàn)狀 利用現(xiàn)代化的通信和自動(dòng)化設(shè)備，將江河流域內(nèi)各雨量、水位站點(diǎn)的降雨和洪水信息，實(shí)時(shí)地采集和傳輸?shù)胶樗刂浦行?，?jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理和分析，及時(shí)掌握流域洪水動(dòng)態(tài)，并利用數(shù)學(xué)模型，做出未來(lái)沿岸洪水預(yù)報(bào)，再通過(guò)現(xiàn)代化通信設(shè)備向社會(huì)發(fā)出洪水警報(bào)。力爭(zhēng)到 20xx年，在山洪災(zāi)害重點(diǎn)防治區(qū)初步建立以監(jiān)測(cè)、通信、預(yù)報(bào)、預(yù)警等非工程措施為主并與工程 措施相結(jié)合的防災(zāi)減災(zāi)體系，減少群死群傷事件和財(cái)產(chǎn)損失。 洪水預(yù)警 信息發(fā)布方式 原始 洪水預(yù)警 方式 山洪災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)大多位于邊遠(yuǎn)山村，交通不便，通信預(yù)警手段原始落后，個(gè)別地方甚至沒(méi)有通訊設(shè)施，缺乏基本的通信手段。《決策支持 系統(tǒng)》利用歷史信息和實(shí)時(shí)雨量等基礎(chǔ)信息，結(jié)合氣象、水情及地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)信息，生成自動(dòng)或人工預(yù)警發(fā)布指令。根據(jù)其完成的任務(wù)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)終端分為監(jiān)測(cè)預(yù)警站 RTU 終端、中繼站 RPT 終端和中心站 CTU 終端。 監(jiān)測(cè)終端可靠性研究 可靠性通常被定義為： “在規(guī)定的條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)所允許的故障數(shù)。有人認(rèn)為“系統(tǒng)所有單元的可靠度為 90%， 則系統(tǒng)可靠度為 90%”，這是系統(tǒng)可靠性的認(rèn)識(shí)誤區(qū)，系統(tǒng)可靠性與系統(tǒng)內(nèi)單元的排列組合有關(guān)。 山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)， 采用分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) ，每個(gè)監(jiān)測(cè)預(yù)警站獨(dú)立向中繼站或中心站發(fā)送水情信息，因中繼站位置較高，易受雷擊，可靠度低，有時(shí)采用熱備份中繼來(lái)提高全系統(tǒng)的可靠度。建議在正式使用之前使元件在嚴(yán)格的條件下加電工作一段時(shí)間，這樣得到的元件基本上 可進(jìn)入偶然失效期，由此構(gòu)成的系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可靠性高。 三、 元件的降級(jí)使用 元件都有其額定工作條件，適當(dāng)降級(jí)使用可使元件的失效率降低 1 到 2 個(gè)數(shù)量級(jí)。 一、 系統(tǒng)電源 電源本身的波動(dòng)以及經(jīng)電源進(jìn)入系統(tǒng)的各種干擾對(duì)系統(tǒng)的影響特別嚴(yán)重，因此供電系統(tǒng)必須十分可靠，要保證即使系統(tǒng)其 它 部分失效 ， 電源也應(yīng)正常工作。在前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，不同位置的隔離應(yīng)采取不同措施：在 I/O 部分，數(shù)字量一般采用光電隔離，模擬量輸入則采用各種隔離放大器進(jìn)行隔離，隔離器件需要特殊供電時(shí)，其電源通過(guò) DC/DC 變換器與主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行隔離。抑制干擾源最有效的方法是規(guī)避，使易受干擾的通道遠(yuǎn)離強(qiáng)干擾源，比如強(qiáng)弱信號(hào)線盡量避免平行相鄰走線，盡可能使兩者分層正交；電源線及驅(qū)動(dòng)功率器件（如繼電器） 的信號(hào)線在板上及系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)單獨(dú)走線，在各種 I/O 模塊的同一電纜排內(nèi)不允許混合安排強(qiáng)弱兩種信號(hào) 線 等。進(jìn)行模擬輸入信號(hào)屏蔽的接地 14 時(shí)，如果信號(hào)源端不接地，差分放大電路端接地，則屏蔽體應(yīng)在放 大器端接地，接地時(shí)應(yīng)保證從放大器至大地的電阻盡量??；如果信號(hào)源端必須接地，差分放大器端不接地，則屏蔽體應(yīng)在信號(hào)源端接地。 五、 冗余和容錯(cuò)設(shè)計(jì) 冗余和容錯(cuò)設(shè)計(jì)是承認(rèn)發(fā)生故障的可能。 （ 2） 冗余部分的切換 ： 準(zhǔn)確及時(shí)地檢測(cè)出故障后，還要及時(shí)安全地切換冗余部分 。 監(jiān) 測(cè) 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸 通常采用超短波信道 ， 天線架高易遭雷擊， 所以在有條件情況下增設(shè) GSM 備用傳輸通道來(lái)提高其可靠性。機(jī)械繼電器具有固有 15 的壽命，但其抗電氣沖擊的能力非常大，能夠承受較大的瞬時(shí)過(guò)載，在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)對(duì)于來(lái)自負(fù)載的雷電反擊具有很強(qiáng)的抵抗能力。通信系統(tǒng)的耗電量最大， 5W電臺(tái)的發(fā)射電流約 2A， 25W電臺(tái)的發(fā)射電流約 5~6A。 二、電臺(tái)發(fā)送限時(shí)保護(hù) 正常工作時(shí)，監(jiān)測(cè)預(yù)警站的電臺(tái)處于間歇工作，即平時(shí)處于掉電狀態(tài)，需要發(fā)送信息時(shí)，監(jiān)測(cè)終端控制電臺(tái)上電，發(fā)送信息，完畢監(jiān)測(cè)終端控制 掉電。設(shè)計(jì)與外部線纜連接的接口電路時(shí)，考慮了防雷措施，在所有的信號(hào)線和電源線上都設(shè)計(jì)了防雷元器件，使各信號(hào)線和電源線之間的電壓配備，保證設(shè)備上沒(méi)有大電流通過(guò)；另一方面，使用抗靜電芯片。一方面大面積的地線層相當(dāng)于一張反射網(wǎng)，能有效地反射來(lái) 自空間的干擾，另一方面由于大面積接地使所有板上的的元件工作在幾乎一個(gè)地電平上，因而所有板上信號(hào)的參考點(diǎn)是一致的，有更好的容噪性能。 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，通常采用一字節(jié)的 BCH碼或二字節(jié)的 CRC碼作為冗余字節(jié)。 YDZ— YL916型監(jiān)測(cè)預(yù)警控制終端在線路設(shè)計(jì)、線路板制作，元?dú)饧x擇及機(jī)箱制造等方面都考慮了環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題。 系統(tǒng)的自檢功能是提高 監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)可靠性的一項(xiàng)重要措施，目前 監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)的自檢功能僅局限于對(duì)系統(tǒng)某個(gè)局部出現(xiàn)問(wèn)題發(fā)出單純告警，功能單一，應(yīng)該確立 監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)全面的告警點(diǎn)，只要 監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)在某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，立刻發(fā)出緊急告警，使維護(hù)人員能夠及時(shí)了解和解決 監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)中出 現(xiàn)的問(wèn)題，并且不論 監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)有無(wú) 17 故障發(fā)生，都能夠自動(dòng)或人為地生成自檢報(bào)告。 軟件可靠性則引入了“軟件看門狗”的概念，整個(gè)軟件由若干模塊組成，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)程序必定要遍歷所有功能模塊，否則可視為程序已受到干擾，不喂硬件看門狗以產(chǎn)生一個(gè)硬復(fù)位信號(hào)，系統(tǒng)回到最初始加電狀態(tài)重新運(yùn)行。 終端控制功能分為現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程指令控制，當(dāng)監(jiān)測(cè)終端采集的時(shí)段雨量超過(guò)報(bào)警臨界值或水位超過(guò)報(bào)警值，終端自動(dòng)啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)的報(bào)警設(shè)施，播放報(bào)警信息；當(dāng)監(jiān)測(cè)終端接收到遠(yuǎn)程中心站的報(bào)警指令，啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)的報(bào)警設(shè)施，播放報(bào)警信息。 圖 監(jiān)測(cè)終端硬件邏輯框圖 傳感器的適應(yīng)性 一、傳感器的種類 水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)中，監(jiān)測(cè)的水情要素主要為雨量和水位。監(jiān)測(cè)預(yù)警控制終端適應(yīng)性表現(xiàn)在對(duì)傳感器的種類的適應(yīng)性，可以監(jiān)測(cè)當(dāng)前國(guó)內(nèi)使用的所有傳感器，而且還能監(jiān)測(cè)閘門或泵站的啟閉狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集時(shí)，從485總線上根據(jù)傳感器的網(wǎng)絡(luò)地址采用應(yīng)答 方式采樣，變化了的數(shù)據(jù)則通過(guò)通信系統(tǒng)傳送到中心站。監(jiān)測(cè)終端按周期檢測(cè)傳感器值的變 化情況，先給傳感器上電，等待傳感器初始化時(shí)間，采取所有傳感器值，若有傳感器值變化，則給通信設(shè)備上電，依次將變化了的傳感器數(shù)值發(fā)送出去，完畢控制通信設(shè)備掉電。 二、傳感器動(dòng)態(tài)測(cè)試 監(jiān)測(cè)預(yù)警控制終端提供兩種傳感器動(dòng)態(tài)測(cè)試方式。 通信設(shè)備適應(yīng)性 一、超短波電臺(tái) 對(duì)于常用的超短波通信，為了節(jié)約監(jiān)測(cè)預(yù)警站的耗電量，通信電路和通信設(shè)備采用掉電工作方式，在需要發(fā)送信息時(shí)，監(jiān)測(cè)終端控制通信電路和通信設(shè)備上電。初始化完畢，電臺(tái)處于接收狀態(tài)，監(jiān)測(cè)終端控制電臺(tái) PTT，使電臺(tái)處于發(fā)射狀態(tài)，等待 n(ms)后，加載數(shù)據(jù)，發(fā)送傳感器監(jiān)測(cè)的信息。當(dāng)水文要素發(fā)生變化，自動(dòng)編輯短信，控制短信模塊上電，短信模塊上電登錄網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間大約在 30~40s后，可發(fā)送數(shù)據(jù)指令，等待成功執(zhí)行信息，檢驗(yàn)指令執(zhí)行情況。 三、 ADSL路由器 ADSL寬帶業(yè)務(wù)，是通過(guò)新的技術(shù)在普通電話線路里加入了高頻寬帶信號(hào)，具有傳輸距離遠(yuǎn)、安裝方便等特點(diǎn)，因而成為目前社會(huì)上流行的寬帶接入方式。 YDZ— YL916型監(jiān)測(cè)預(yù)警控制終端通過(guò) IP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器可控制數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和視頻在 ADSL寬帶上傳輸。在我國(guó)，絕對(duì)多數(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都是采用自報(bào)體制，沒(méi)有必要采用自報(bào)應(yīng)答體制，因?yàn)閼?yīng)答查詢的結(jié)果與終端自報(bào)的結(jié)果一樣。常用的自報(bào)工作體制能夠監(jiān)測(cè)雨量和水位的變化過(guò)程，但不管報(bào)出去的數(shù)據(jù)是否被中心站收到，是一種只管過(guò)程，不管結(jié)果的工作體制。這種自報(bào)確認(rèn)工作體制，對(duì)受干擾報(bào)文采用重發(fā)機(jī)制，可以大大地降低數(shù)據(jù)丟失的概率。 信道偵聽功能可大大地降低信號(hào)碰撞概率， 是最有效的措施，所有的監(jiān)測(cè)終端在控制電臺(tái)上電后發(fā)送數(shù)據(jù)前，先偵聽外界是否有同頻電磁波，偵聽到發(fā)送的建立時(shí)間為 20ms，只有在這段時(shí)間內(nèi)可能發(fā)生信號(hào)碰撞，增加信道 偵聽功能 ，信號(hào)的碰撞概率明顯減小。因?yàn)槿N設(shè)備都具有調(diào)制解調(diào)功能，即都可以將數(shù)字信號(hào)調(diào)制為音頻信號(hào)，也可以將音頻信號(hào)解調(diào)為數(shù)字信號(hào)