遼寧省旱情監測與網絡傳輸系統技術研究與設計

馬傳波

(遼寧省水利水電科學研究院，遼寧 沈陽 110003)

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遼寧省旱情監測與網絡傳輸系統技術研究與設計

馬傳波

(遼寧省水利水電科學研究院，遼寧 沈陽 110003)

以信息采集為基礎，計算機網絡系統為依托，應急指揮平臺為保障的旱情監測與網絡傳輸信息化系統的建立，改變了粗放落后的信息處理方式，提高了旱情及災情信息采集的準確性、傳輸的時效性、處理的高效性，為抗旱減災決策管理提供有力技術支撐。

旱情監測；采集；網絡傳輸；系統開發

遼寧省是一個水旱災害頻繁發生和人均水資源量貧乏的省份，全省降水量在年際之間、地區之間、季節之間有著顯著差異，歷史上因水旱災害而造成的損失十分嚴重，是影響全省經濟和社會持續發展的主要因素之一[1]。特別是進入21世紀以來，在氣候變化和人類活動的影響下，遼寧省旱情呈現出旱災交替性、區域性、季節性以及連續性和旱澇并發性態勢。其中1999—2002年全省連續4 a發生干旱，2006年、2007年、2009年、2013年、2014年均發生嚴重干旱。尤其是2014年，發生了1951年以來最為嚴重的旱災，截止到當年8月26日，全省共有34.7萬人、9.4萬頭大牲畜因干旱而臨時飲水困難，作物受旱面積195.23萬hm2(占全省總面積的46%)，其中干枯47.16萬hm2，重旱77.61萬hm2，糧食減產100億t以上特大旱災[2]。由此可見，干旱災害已嚴重影響了遼寧省的糧食安全、水資源安全和生態安全，制約了全省農業、工業和社會經濟的發展。為了提高抗旱減災能力和干旱管理水平，必須準確、快速的獲取旱情信息，開展旱情監測與網絡傳輸系統技術研究，為全省抗旱減災提供重要的技術支撐十分必要。

1　旱情監測現狀及存在的問題

目前，遼寧省在防汛抗旱、山洪災害防治等方面完成了各類水文基本監測站網初步建立、信息傳輸體系基本建成、水旱情信息自動化處理初步實現，有效規范了有關水旱情數據庫建設等工作，取得了一系列成果，但與防洪減災工作相比，抗旱減災與新時期防汛抗旱以及全面抗旱的要求還有較大差距。特別是作為抗旱減災的重要基礎——旱情信息監測與網絡傳輸體系還無法滿足當前抗旱減災的需要。主要表現在：

(1)旱情監測站網不足，特別是土壤墑情監測站嚴重不足，且布局也不盡合理，尚不足以形成站網體系。

(2)現有旱情信息時效性不能滿足要求，信息采集傳輸手段落后，大多仍然采用人工監測，以電話、傳真、郵寄等方式報送，應急監測能力差，自動化程度低。

(3)旱情信息處理技術相對落后，從縣、地市到省，各級旱情管理機構仍然主要靠人工方式處理旱情信息，工作量大，速度慢，處理效率低，差錯率高；很多地方判斷旱情主要還是憑經驗，難以對旱情發展趨勢進行全面科學的分析和預測；還沒有建立規范的旱災評估體系。

2　總體系統架構技術研究與設計

在已建工程基礎上，建設覆蓋全省的旱情信息監測與網絡傳輸系統，擴大旱情監測站(點)的建設范圍，初步構建旱情信息監測與網絡傳輸體系。系統根據監測站點數量多、分布散的特點，按照監測站網層、采集與傳輸層、網絡數據層和服務層等進行結構設計[2]。系統架構設計見圖1。

圖1　系統架構設計拓撲圖

3　旱情信息監測系統技術研究與設計

旱情信息監測系統是抗旱工作的基礎，主要包括降水、水文、墑情、蒸發和地下水等監測參數，及其采集、傳輸和分析處理。本文根據各監測站網的特點，進行了詳細的站網規劃和系統功能研究與設計。

3.1墑情站網規劃與功能設計

3.1.1墑情站網規劃與設計

土壤墑情是水循環規律、農牧業灌溉、水資源合理利用，以及抗旱救災的基本信息，是旱情監測系統的核心。截止2014年底，全省現有的土壤墑情人工觀測站92處(其中，55處固定墑情遙測站)，配有17套土壤墑情移動采集系統，但還存在信息監測不全面、不及時、欠準確的狀況。

本次設計根據土壤墑情站網布設綜合考慮水文站網現狀，按照《土壤墑情監測規范》(SL 364-2006)規定的墑情監測站網布設密度要求進行布設。近期易旱縣布設墑情監測站4處，一般縣2處；遠期易旱縣布設墑情監測站5處，一般縣3處。土壤墑情站包括固定站、移動站和人工站3種類型。

3.1.2墑情站系統功能設計

(1)墑情固定監測站

墑情固定監測站主要對墑情信息進行自動采集和發送，具備自報與遠程召測功能[3]。固定墑情監測站典型結構如圖2所示。

①系統組成，系統主要由墑情固定監測站、信息傳輸和信息接收三部分構成。其中，信息傳輸是由通信設備、GPRS/GSM 公網、國家防汛抗旱指揮系統廣域網(NFCnet)等組成，地市水情分中心、省水情中心負責信息接收。

②系統功能，墑情固定監測站主要是不同測深土壤含水量的實時監測，并實時發送，同時具備響應召測的功能。其遠程終端(RTU)需為雨量、空氣溫濕度等參數預留標準接口，以便系統擴展。

③系統通訊與體制，系統數據采用GPRS通訊方式進行，上報至市級旱情中心或省級旱情中心。工作體制以采用定時自報為主，輔以加報和遠程召測的功能。除部分地區冬季凍土期外，土壤墑情采集時段原則上為全年，采用自動采集、傳輸，定點監測。

(2)移動土壤墑情測報站

移動土壤墑情測報站是對固定站的補充。

①系統構成，移動土壤墑情監測站采集包括站點ID、測量時間、土壤含水量、經緯度、土壤類型和測量深度，以及相關信息。主要設備由移動墑情監測設備、信息傳輸以及信息接收設備構成。其中，移動墑情監測設備主要由土壤水分傳感器、電源、GPS 和挖土設備等組成；信息傳輸設備由通信設備、GPRS/GSM 公網和PDA 等組成。

②系統功能，具備現場實時墑情信息采集、讀數、存儲、信息發送和有關旱情圖片采集、傳輸和現場定位功能。人工操作采集不同深度土壤墑情、經緯度位置和土壤深度等信息，通過GPRS/GSM 公網傳輸至地市或省旱情監測中心。

(3)人工土壤墑情測報站

人工土壤墑情測報站主要是人工取土采用烘干法測量土壤含水量以獲取墑情信息的方法，數據上報采用人工上報方式。主要設備由電子天平、烘干箱、干燥器、環刀、鋁盒和取土鉆等組成。

3.2降水站網規劃與功能設計

降水是衡量旱情的一個重要參數。目前，全省現有降水量觀測站1754處，基本能控制降水量和暴雨特征值在全省范圍內的分布。但已建降水站以防洪報汛為主，未全面考慮防旱抗旱的需要，全省枯季只有223處進行報汛，無法滿足非汛期旱情分析的需求；且枯季是人工報汛，手段落后，時效性差。因此從2015年開始，逐年將部分現有雨量站改建為冬季可自動融雪的雨量站，以實現全年逐日報汛報旱的功能，至2020年，使全省常年報汛站密度達50 km2/每站。

根據站點分散的特點，系統數據傳輸采用GPRS通訊方式進行，將降水站的降水(雨、雪)信息按規范要求上報至市級旱情中心或省級旱情中心；通訊體制采用自報式——應答混合方式的工作體制。系統主要由遙測終端RTU、融雪型雨雪量計、GSM/GPRS通訊模塊、太陽能供電系統等組成。

3.3地下水站規劃與功能設計

(1)站網規劃

目前，全省現有地下水自動監測站326個，其中可用于抗旱監測的有82個?，F有監測站布設以平原區為主，監測密度較大。山丘區主要為區域控制井，監測密度不夠；干旱和半干旱地區監測井稀少，真正干旱的山丘區坡地及坡角等地分布更少。因此，地下水存在站網分布不勻、測站應急抗旱代表性不夠、監測頻次及數據傳輸途徑無法滿足抗旱需求等問題。本次規劃共339個監測站。其中，在現有地下水自動監測站中選取82個站，其余257個地下水站為原有監測站改建或新建。

(2)系統組成與功能

系統組成：主要由遙測終端RTU、水位傳感器、GSM/GPRS通訊模塊、信號防雷器和電源避雷器等設備組成，采用12 V 38 AH蓄電池供電，20 W單晶硅太陽能板浮充的運行方式。地下水位測控系統結構如圖3所示。

系統功能：實現對地下水位/水溫實時連續監測、數據遠程傳輸與存儲和地下水資源分析與預警等功能，數據傳輸通過GPRS 網絡經CDMA/GPRS通訊模塊將數據傳輸至市旱情中心。

3.4水文站規劃與設計

本部分在原水文站網報汛的基礎上，報汛通訊網絡、數據報送流程和監測指標不變情況下，增加非汛期報汛，延長報汛時長，本系統中不增加或者改造設備。

3.5蒸發站規劃與設計

截止2014年，全省現有水面蒸發站40處。資料的連續系列較長、代表性較好?，F在蒸發站監測儀以人工為主，手段落后，時效性差。本次設計主要是對人工為主的原站改建自動監測，同時新建10個自動監測站。

蒸發站以蒸發計、雨量計、溢流桶為基本觀測工具，實現自動采集、處理、顯示蒸發和降水，及溢流過程等信息。同時，可自動控制蒸發桶、溢流桶補、排水過程。利用系統配套的應用軟件可以實現水面蒸發過程信息的遠程監測及資料整編入庫，同時，通過公網實現遠程數據傳輸。

圖3　地下水位測控系統結構圖

4　信息網絡傳輸系統技術研究與設計

4.1系統網絡傳輸總體結構設計

系統由1個省級中心，14個市級分中心，監測站所在縣級中心、所屬鄉鎮水利站及信息采集子系統組成，并通過GPRS/GSM移動通信網絡，借助物聯網和云計算等先進信息化網絡技術，構建旱情監測與網絡傳輸、分析、發布平臺，如圖2所示。

4.2數據流向設計

數據流向設計主要包括旱情信息的上報體制和傳輸途徑設計，流向設計模式有集中式、分散式與集中分散結合式3種模式[4]，系統采用集中分散結合模式進行數據傳輸。

4.2.1集中式數據流向設計

旱情自動監測信息通過云網絡直接傳輸至省級旱情監測中心數據庫中，人工統計信息通過遠程登錄填報或本地編輯遠程傳輸的方式報送到省級，并集中存儲在省級數據庫中；市級旱情統計單位(市防辦)通過遠程登錄對所屬各縣統計單位進行匯總、審核，以填報或本地編輯報送到省級中心；省級匯總、審核或修改全省上報的數據，并通過公網報送到水利部。市級、縣級中心和鄉鎮水利站通過網絡登錄系統平臺訪問所屬區域的旱情監測情況，同時具備對所屬旱情監測站進行人工數據上報責任。

4.2.2分散式數據流向設計

旱情自動監測信息通過云網絡直接傳輸至省、市、縣、鄉鎮各級旱情監測中心，人工統計信息通過遠程登錄填報或本地編輯遠程傳輸的方式報送到省級，4級中心間沒有直接的數據流程關系。

4.2.3集中分散結合式數據流向設計

旱情自動監測信息通過云網絡可直接傳輸至省級旱情監測中心和市級旱情中心。省、市級中心具有同時接收和遠程遙測現場自動監測站的功能；人工統計信息通過遠程登錄填報或本地編輯遠程傳輸的方式報送到省級，并集中存儲在所屬的市級旱情中心數據庫中。市級、縣級中心和鄉鎮水利站通過網絡登錄系統平臺訪問所屬區域的旱情監測情況。同時，市級旱情統計單位(市防辦)具有對所屬區域旱情信息匯總、審核和報送到省級中心的任務；鄉鎮水利站具有對所屬旱情監測站進行人工數據上報的責任。省級匯總、審核或修改全省上報的數據，并通過公網報送到水利部。數據流向示意圖如圖2所示。

4.3旱情中心設計

4.3.1省級旱情中心設計

省級旱情中心由計算機網絡、數據接收系統、數據庫系統、旱情管理信息系統組成。數據接收系統接收各市分中心轉發的旱情監測數據，并進行解析、檢錯、分類入庫、異地數據同步等處理；指導分中心對旱情監測進行遠程監控管理；綜合分析土壤墑情、河道水情、降水、水庫蓄水等綜合指標，提出旱情分析基礎數據，預測旱情發展態勢；向水利部門及政府機構提供旱情信息[5]。

4.3.2市級旱情中心設計

市級旱情信息中心(共14個市)接收旱情采集點自動傳輸的旱情信息，收集、整理和統計錄入旱情信息，并上報旱情分中心。旱情信息站實現各地所有采集點在全部時段內所測旱情信息的存儲、統計、分析、顯示和上報。主要功能包括：所有采集點屬性數據和墑情數據的存儲、查詢和顯示；召測、巡測墑情采集點的墑情數據；接收并響應旱情中心、分中心的指令；負責收集與抗旱相關的各類信息。

4.3.3縣級旱情中心設計

縣級旱情中心負責本縣所屬旱情測報站(含人工站)的設備維護和信息校核、上報的任務，縣級中心通過水利信息專網與市級旱情中心間通訊。

4.3.4鄉鎮水利站設計

鄉鎮水利站負責本鄉鎮所屬旱情測報站(含人工站)的設備維護和信息校核、旱情信息人工采集和上報的任務，鄉鎮水利站通過手機平臺進行數據上報和所屬區域旱情信息瀏覽。

5　旱情監測數據匯集平臺設計

數據匯集平臺運行在防汛抗旱專網也就是水利信息骨干網上，實現整個防汛抗旱指揮系統從下到上的實時采集數據的自動接收與交換、統計數據的在線填報與匯總、管理文檔材料等非結構化數據的實時交換與管理。將數據匯集平臺按照結構分層的原則分為數據傳輸、數據處理、數據接入、業務接口、配置管理、監視統計6個層次進行設計，詳見圖4。

圖4　數據匯集平臺系統結構示意圖

6　結　論

以信息采集為基礎、計算機網絡系統為依托、應急指揮平臺為保障的旱情監測與網絡傳輸系統的建立，將逐漸改變原來簡單、粗放、落后的信息處理方式，大大提高旱情及災情信息采集的準確性、傳輸的時效性、處理的高效性、決策的智能性，對其發展趨勢做出及時、準確地預測與預報，為抗旱管理部門制定調度方案提供依據，進而提高抗旱管理的決策水平，為保障人民群眾生命財產安全和社會經濟發展，構建和諧社會發揮積極作用，對有效減少旱災損失、保障人民生命財產安全具有重大的意義。

[1]遼寧省水利水電科學研究院.遼寧省旱情監測與服務系統實施方案[R].沈陽：遼寧省水利水電科學研究院，2014.

[2]遼寧省防汛抗旱指揮部辦公室.遼寧省旱情監測“十一五”規劃[R].沈陽：遼寧省水利廳，2007.

[3]張莉莉.淺談河北省旱情監測系統分析[J].城市建設理論研究(電子版)，2014(27).

[4]吳冬平.黑龍江省旱情信息采集系統設計方案[J].黑龍江水利科技，2014(10):28-30.

[5]王玉海.安徽省旱情監測系統組網技術與應用[J].安徽農學通報，2009，15(17)：126.

Research and design of drought monitoring and network transmission system in Liaoning Province

MA Chuanbo

(ResearchInstituteofWaterResourcesandHydropower,Shenyang110003,China)

The drought monitoring and network transmission system was founded on some technologies, which mainly contained information collection, network system and emergency command platform. This changed the way of information processing and improved the accuracy of information collection for drought and disaster. Meanwhile the timeliness of information transfer and the processing efficiency were enhanced. All of these can contribute to drought relief decision-making management.

drought monitoring; acquisition;network transmission; system development

馬傳波(1978-)，男，高級工程師，從事水利自動化與信息化方面的工作。

S423

A

2096-0506(2016)03-0041-06