新型學校預警設施設備在山洪災害防治項目中的應用

劉　超馬　浩劉懷利周　密

新型學校預警設施設備在山洪災害防治項目中的應用

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一、引言

山洪是指山區溪流中因暴雨引發的暴漲洪水。它具有流速大、沖刷力大、破壞力大、暴漲暴落、歷時短暫等特點，常造成局部洪災，給人民生命財產帶來重大損失。我國自2009年以來，開始實行以自動監測、通信預警、防災減災預案為主的非工程措施建設。經過多年的建設，我國的山洪災害監測預警系統已經初具規模，且在實際應用中發揮了巨大的作用。但是在已建的山洪災害監測預警系統中，對山洪易發地區中小學校等人口聚集區，尚未建設專用的預警設施設備。因此，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、旅游景區等人口密集的重點地區配備監測預警設施設備，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域，通過傳統的預警設施設備很難做到及時有效的預警與轉移。本文提出了一種新型的學校預警專用設施設備，在山洪易發的高風險山岳地區中小學校公共環境，建立學校山洪預警信息終端站系統，自動接收、發布、傳遞水文氣象和地質災害信息，提供實時水文氣象數據、山洪預警信息、災害應急預案、校內在冊師生人員資料登記以及通知公告等數據信息的發布，并驅動控制聲光及各型室外LED大顯示屏運行工作。

二、學校預警系統總體結構

本文提出的學校預警系統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三層結構組成。三層結構站點之間的信息聯網主要基于Internet互聯網平臺，中心管理平臺與學校山洪預警信息終端站之間主要采用寬帶光纖、ADSL、內網專線等有線方式聯網，學校終端用戶與終端站之間采用GPRS等無線方式聯網。GSM-SMS短信方式作為備用和輔助通訊信道。通訊組網拓撲結構見圖1所示。

三、學校預警系統功能

1.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測預警平臺相關硬件設備，開發相應軟件實現，主要設計功能包括：

（1）具有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據庫聯網，獲得水文氣象實時和預報信息，建立本系統的專業數據庫。

（3）運行學校山洪災害預警信息系統服務器應用軟件，自動進行數據分析計算，通過GPRS網為已注冊和在線的終端站提供本地區的雨量、水位氣象實時數據、預報信息、山洪告警狀態信息查詢服務。

（4）通過實時在線的GPRS網絡或GSM-SMS方式，手動操作向全省內的任意區域站點集合或獨立站點發送山洪災害警報文字，以及遠程控制啟閉警報狀態。

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

2.學校終端用戶

考慮到建成后系統的運行維護及學校通知公告等數據信息的發布，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，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送短信更新終端站顯示信息。

（2）通過與終端站以太網或WiFi聯網的本地計算機及控制軟件，或者終端站的便攜式鍵鼠和監視器操作界面，對終端站設備進行參數配置操作。

（3）通過與終端站以太網或WiFi聯網的本地計算機及控制軟件，或者終端站的便攜式鍵鼠和監視器操作界面，編輯和發送信息文本，更新終端站顯示信息。

（4）通過與終端站以太網或WiFi聯網的本地計算機及控制軟件，或者終端站的便攜式鍵鼠和監視器操作界面，在終端站中錄入和維護學校基本屬性數據庫數據，建立領導、教師、班級、學生、家長、聯系方式、聯系地址、學校GPS坐標、額定人數統計、出勤人數統計等信息，便于應急管理。

（5）通過與終端站以太網或WiFi聯網的本地計算機及控制軟件，或者終端站的便攜式鍵鼠和監視器操作界面，支持終端站應急告警信息定向和短信群發功能。

3.學校預警終端站功能

學校預警終端站由遠程中控單元（SRCU）、聲光告警器（警笛）、太陽能浮充蓄電池或UPS和直流穩壓電源系統、戶外LED信息屏構成，SRCU、電源等設備一體化集成在不銹鋼材質的密封式終端站機柜中，LED信息屏則根據不同的尺寸和安裝位置與終端站機柜分體式布置。主要設計功能包括：

（1）終端站按照設定的信息刷新周期，通過GPRS信道自動向中心站服務器請求和接收最新的今日雨量、實時水位、特征水位、預報水位和山洪告警等級指令，在LED信息屏上實時刷新顯示。

（2）終端站根據信息條件智能判斷，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出告警。警笛告警按照設定的間歇周期自動鳴響和停止，直到收到告警等級門限以下的指令或人工關閉告警器，解除聲光告警。

圖1　學校預警系統通訊組網拓撲結構圖　

（3）通過實時在線的GPRS網絡方式，支持中心站、分中心站計算機對終端站設備進行遠程參數配置操作。

（4）通過GSM-SMS，支持運維管理人員使用手機對任意終端站設備進行遠程參數配置操作。

（5）水文信息監測功能：可以接入1路翻斗式雨量傳感器、2路（格雷碼、模擬量或RS-485）接口的水位傳感器。

（6）遠程故障診斷功能：終端站自動診斷運行狀態，可以監測站點供電電壓、設備運行電壓、遠程通信狀態、LED信息屏工作狀態等信息，將終端站的工作狀態定時上傳中心平臺。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、學生數量、姓名以及家長聯系方式等信息數據庫功能。每年汛期前，由學校將有關信息編輯更新終端站數據庫，或按指定格式存儲進U盤導入終端站數據庫，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）衛星定位功能：支持人工測試、錄入經緯度，將本校位置通過GPRS自動發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送和群發功能。

四、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共分為三種類型的工作流程：

1.實時監聽接收數據

終端站實時監聽接收來自中心站、分中心站的GPRS、SMS遠程終端用戶以及現場RS-232、以太網、WiFi等本地終端用戶多種通訊信道源的數據，成功解析后，自動識別數據操作指令種類并予以響應，完成相應的數據操作指令后對通訊信道發送源頭做出應答回復。

2.定時請求刷新數據

終端站定時向中心站服務器發出數據請求，獲取并動態顯示刷新終端站所屬地區的實時水文氣象數據、預報信息、山洪預警等級狀態信息內容，根據山洪預警等級高低，自動啟/閉聲光告警器。

3.定時采集自報數據

終端站定時采集現場RCU的供電電壓、運行溫度、通訊網絡信號強度及工作狀態等自檢信息，并以自報方式向中心站服務器發送信息。

具體工作流程框圖如圖2所示。

圖2　學校預警系統遠程中控單元SRCU工作流程設計圖

五、山洪預警信息終端站外觀

學校山洪預警終端站外觀通過定制LED顯示屏實現水文氣象、地質災害、山洪災害宣傳等信息的發布，主要由遠程中控單元SRCU提供驅動接口和軟件進行實現。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，使得學校可以同時獲得山洪預警和學校信息發布的差異性專屬應用功能，參見圖3所示。

圖3　山洪學校預警信息終端站外觀設計示意圖

六、結束語

目前，市場上尚無山洪災害學校預警方面的專用產品，本文提出的山洪災害防治學校預警系統作為一種新型的山洪災害預警手段，既能實現在線預警，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比較重要的作用，社會需求量大，社會和經濟效益顯著■

（作者單位：1.安徽省·水利部淮委水利科學研究院2330882.河海大學210046）