洪水预警预报系统

洪水预警预报系统（精选7篇）

洪水预警预报系统 篇1

1 项目背景及意义

辽宁省水旱灾害频发。1949—2010年期间,于1951、1953、1960、1962、1985、1995、2005、2010年发生洪水灾害,给国民经济和人民生命财产造成了重大损失。统计“1995.7”大洪水可知:全省受灾县(市、区)达44个,人口584万人,直接经济损失347亿元,占同期GDP(2 797亿元)的12.4%。因此,洪水灾害是影响全省经济和社会可持续发展的主要自然灾害之一,防洪减灾是水利部门的重要职责。在加强防洪工程体系建设的同时,还应大力加强防汛水情监测及洪水预警预报系统等非工程措施建设。在系统开展该项目研究前存在的突出问题有以下几点:(1)水文监测手段相对落后。水位以人工观测水尺、流量以测船、降水以雨量计等人工监测为主。(2)水情测报站点严重不足。雨量等自动报汛站有342处,不足现在的1/4。(3)水情信息迟滞严重。受水情信息编、转、译报等环节传输技术影响,仅有1/3报汛站能在规定时限内(30 min)将水情信息上报至省水文局。(4)水文分析、展示、会商等手段单一。可靠性、实时性、信息量等都难以保证。(5)水文预报方法模型单一,参数遴选等受GIS等技术限制,匹配难度大,预报精度低,尤其74座中型水库和285座小型水库信息空白、预报方案空白,一旦遇有险情,后果严重[1]。

2 主要研究内容与技术路线

2.1 研究内容

针对辽宁省的防汛形势和决策支持要求,项目主要开展以下研究:一是加强水文监测、通讯传输、数据处理、决策支持系统建设,增加现代科技含量,提高自动化水平。二是实施辽宁省现代实用洪水预报系统建设,将现代洪水预报理论、专家经验和智慧、人类活动影响的实际情况有机地结合,实现数字化洪水预报,提高洪水预报精度,增长洪水预见期。三是优化水库、河道联合洪水调度系统,发挥工程防洪最大效能。

2.2 技术路线

该研究充分立足于现有防洪工程体系,着力加强非工程措施建设,在防汛水情数据采集方面,通过新技术和新仪器的试验和应用,改变原有人工观测的模式,实现全省2 000余站点水情信息的自动采集和传输,以提高水情信息采集的数量、质量和传输速度;在水情信息接收、分析处理和信息发布方面,通过研发信息交换技术等新技术手段,实现国家部委、省气象、国土等数据信息的直接全面共享,以扩大辽宁省防汛信息资源量;通过新技术开发和应用以最快捷、最全面、最清晰的方式在不同的平台上给各级防汛工作者和决策者予以查询和显示,以便随时掌握防汛水情信息;通过研究和应用最优化、最适合辽宁下垫面情况洪水预报模型和洪水预报方法,提高洪水预报精度,延长预见期,为防汛决策和抢险赢得宝贵时间[2]。

2.3 开展的主要工作

该项目由辽宁省水文局、辽宁省防办于2003年开始相关研究和建设工作。2003年研究并编制辽河流域实用洪水预报方案;2004年编制辽宁省西部、东南部实用洪水预报方案;2005年开始开发辽宁省实用洪水预报系统,全省雨量、水位、流量观测等大量引进和应用新技术和新仪器;2006年引进中国洪水预报系统,开发辽宁省防汛抗旱水情信息网,进行水情自动测报系统的建设工作;2007年开发辽宁省防汛抗旱水情值班系统;2009年进行中小水库洪水预警预报系统的建设合水库洪水预报方案研制工作。2010年研发水情数据交换系统、水情易信通显示系统等,同时实现水情信息全面共享。其系统技术路线见图1。

3 主要研究成果

该项目结合辽宁省水文防汛工作实际需求在水情信息监测、传输、分析、发布、洪水预报预警等方面取得了多项研究成果。

(1)在水情信息采集、洪水分析模拟计算、水文预报等功能模块的关键技术环节中,应用GPS、GIS、ADCP、超声波、固态存储、遥测、雷达先进技术;应用新安江模型、MIKE-11、NASH单位线、三维模拟、辽宁模型等先进实用模型,构建了适合辽宁省实际情况的水文情报预报系统集成,保证了用于防汛决策支持的准确性和科学性。

(2)在各类水情信息传输过程中,最新采用水情信息交换技术,摆脱了原有各个环节需编码、解码等大量繁冗数据处理工作,充分实现了水情分中心、省水情中心、松辽委、国家水情信息中心的水情信息全面、直接、开放式共享,水情信息的时效性由原来的1 h缩短到5 min,解决了信息传输方面的关键技术问题。系统特点:低成本、易安装、易维护;业务覆盖全面:集数据轮询、发送、接收、入库、实时监控、提示预警等功能于一身,同时能够应对网络故障、大数据量传输等特殊情况;画面较直观,操作较简单;运行稳定且可靠[3]。

(3)项目实现了水情信息的高度整合,常年采集水位、流量、降雨、蒸发、土壤墒情、地下水、水库蓄水、冰情、气温,以及邻国朝鲜、邻省吉林、河北、内蒙古等地方的相关水情信息,建立了强大的雨情水情实时和历史数据库。尤其该项目首次实现与辽宁省气象局跨行业基于数据库层面的雨情水情信息高度共享,使全省水情报汛站网数量增加了3倍,有力地保证了流域暴雨中心的控制,提高了站网的覆盖密度。

(4)成功开发基于平板电脑(IPAD2)及地理信息系统平台水情信息查询与发布的水情易信通系统,以强大雨情水情实时数据库和历史数据库作为支撑,基于现代信息技术(3G通讯方式,iPad和GIS、遥感影像、googel地图的地理信息技术),开发具有雨、水、工情及气象信息等9个功能模块的水情易信通系统。实现了雨情、水情、台风、天气、墒情、水库、地下水、灾害区域地形地物等信息的随时随地快速查询,改变了信息查询对环境的要求和限制,大大提高了信息查询时效性和风险决策的能力[4]。系统具有移动式办公以及防汛现场与后方融为一体的突出特点,使防汛决策者能够随时随地了解最新水情信息,在防御2011年2次台风中发挥重要作用,受到各级领导广泛好评。

(5)在水库水文预报方案编制中,考虑中小型水库在强暴雨下,产汇流时间短、常规预报方法难以保证洪水预见期的情况,首次引入水库抗暴雨能力概念,并以暴雨各项指标作为主要因子编制洪水预报方案,提高了水库预报精度和预见期,填补了控制面积较小的中小型水库预报方法的空白。

(6)将辽宁省实用水文预报方法和中国水文预报系统有机融合和高度集成,创建了在同一平台上交互操作应用、参数遴选和成果相互验证的辽宁省洪水预报系统,开发出技术先进、手段丰富齐全、预报机制完善、成果精度高可靠性强的辽宁水文预报新产品。以GIS系统为平台,融合经验洪水预报方案和洪水预报模型,建立河库联合的辽宁省洪水预报系统集成模式,开发模拟预报和实时在线人工交互预报,实现洪水前预警、洪水中预报、洪水后评估,提高预报精度,增长预见期。该系统的成果界面见图2。

4 成果总结

通过上述关键技术的研究和项目的全面实施,彻底改变了传统防汛水情信息的监测、传输和情报处理模式,极大地提高了水情信息采集传输的速度和准确性;水情信息量增加了3～5倍,传输速度缩短为5 min以内2 000余站点信息传到省防和国家防总;多种洪水预报模型和方法研究和应用,保障了洪水预报成果精度,增长了洪水预警预测的预见期;填补了中小型水库预报方法的空白。基于IPAD2的水情易信通系统开发应用,做到有3G网络的地方,无论荒郊野外,还是河堤大坝防汛指挥现场,都能随时随地对水情信息等进行掌握,为防汛决策提供及时的信息,从而为防汛抢险赢得主动,为减轻人民生命财产损失赢得了主动。项目的实施,推动了全省防汛工作科技水平的提高,为水资源管理开发利用工作产生积极而深远的影响;历年为各级防汛抗旱指挥部门准确及时地提供了大量的防汛测报信息和分析预测成果,为安全度汛做出了贡献,取得巨大的效益,同时也推动了防汛水情监测及洪水预警预报技术快速发展。

参考文献

[1]罗海龙,梁振海,王亚迪.GPRS技术在白石水库水情自动测报系统中的应用[J].现代农业科技,2009(12):293-294.

[2]刘奇,高永超,何维民.棋盘山水库水情预报调度系统技术研究[J].现代农业科技,2009(7):258,260.

[3]钟江,吴东华.白石水库水情自动测报系统[J].东北水利水电,2002,20(4):7-9.

[4]李海明,赵文忠.山口水库水情自动预报与洪水调度自动化研究[J].黑龙江水利科技,2005,33(2):37-38.

洪水预警预报系统 篇2

江门地区初春大雾的预报预警业务系统

介绍江门地区大雾天气分型预报业务系统.该系统采用Delphi语言编写程序、应用Access作为数据库进行开发,并采用人机交互方式,简化了预报流程,减少工作量,为及时、准确发布大雾预报和预警信息提供依据.该系统通过自动读取Micaps实时数据,以人工判断锋面、倒槽、切变线等有利于春季大雾的`天气形势为辅助,对江门地区初春大雾天气做出客观预报,并对预报结果进行自动检验.

作 者：梁敏妍 林卓宏 黄晓东 张贤坤 袁锡沛 胡丽华 LIANG Min-yan LIN Zhuo-hong HUANG Xiao-dong ZHANG Xian-kun YUAN Xi-pei HU Li-hua 作者单位：江门市气象局,广东江门,529030刊 名：广东气象英文刊名：GUANGDONG METEOROLOGY年，卷(期)：31(3)分类号：P44关键词：天气学 大雾预报系统 初春大雾 江门地区

浅析池潭水库洪水预报模型 篇3

关键词:预报模型 实时校正 综合利用

一、流域概况

金溪流域位于东经116°30′～117°56′,北纬26°24′～27°07′,为福建省闽江流域二级支流之一。发源于杉岭山脉东麓,上游称宁溪,蜿蜒东北右纳澜溪转东流至梅口,与西南大支流杉溪汇合,称金溪,至王浦村下游2公里处,右纳大支流角溪,继续东流至顺昌注入富屯溪,池潭水电站位于金溪上中游,坝址控制流域面积4766平方公里,占金溪流域的66%,河长253公里,平均坡降0.15%,金溪流域集水面积7130平方公里,金溪流域属亚热带气候,坝址以上多年平均降水量1793mm,流域内雨量充沛,一年中3～6月为雨季,约占全年降雨量的62%,由于冷暖气团经常在本流域遭遇,日雨量可达100mm以上,加上流域形状接近椭圆,流域内为高山丘陵区,洪水易于汇集,经常酿成洪患。池潭站是金溪上游的控制站,对上下游的防洪任务起到决定性的作用。

二、洪水模型

目前,世界上有200多种流域水文模型,其中比较著名的有: 澳大利亚气象局模型(CBM),法国海外科技研究办公室的模型(GIRARDI),日本国家防灾研究中心的水箱I、II型模型(TANK-I、TANK-II),罗马尼亚气象和水文所的洪水预报模型(IMHZ-SSVP),美国国家天气局的水文模型(NWSH),美国国家天气局河流预报中心的萨克门托河流预报中心水文模型(SRFCH),原苏联水文气象中心降雨径流模型(HMC),意大利帕维亚大学的约束线性系统模型(CLS)和我国的新安江系列模型等,池潭水库采用目前国内外有着广泛应用,在湿润、半湿润地区行之有效的三水源新安江模型

雨水情测报站点:池潭流域目前设有纯雨量站点14个,它们分别是盖洋、夏坊、安远、均口、客坊、里心、黄坊、新桥、大埠岗、朱口、梅口、大布、白岚、大田;雨水位站点4个,它们分别是池潭坝上、角溪、建宁、泰宁;纯水位站两个,池潭坝下站、王布水位站。

三、实时校正

实时校正是指利用流域上预报变量(水位、流量)现时实测值信息,对预报计算值进行逐时段的修正,使发布的预报过程更接近即将发生的实测成果。为此,需具备两个条件:其一,必须不断的提供实测信息;其二,解决如何逐时段的修正及计算方法。

随着电子技术和通信设备的大力发展,池潭水电厂在金溪流域建立了雨、水情遥测系统,能够迅速及时的收集实时信息,这就为实现流域洪水预报的实时校正提供了良好的条件。由于在作业预报实践中使用洪水预报模型时,尚存在某些不确定因素给预报成果带来误差,因此,实时校正模型的研制也可以认为是对确定性预报模型的进一步扩充和发展。

实时校正模型的建立首先对误差序列系统进行描述。

系统描述有多种方法,我们选择状态方程描述方法。它的一般形式为:

(1-1)

(1-2)

式中: 为离散时间(取整数); 为 维状态向量; 为 维输出向量; 为 阶状态变换矩阵; 为 阶干扰变换矩阵; 为 阶输出矩阵; 为 维过程噪声; 为 维观测噪声。

对系统而言,令 (实时校正模型参数向量),此时令矩阵 :

(1-3)

Ψ、Г为单位矩阵,则式(7-40)及(7-41)分别为

(1-4)

(1-5)

这就是对误差实时校正模型的基本形式。

为了求解方便,在线估计参数(时变)时可选用式(1-3)、(1-4)。

选择实时校正方法的标准,首先,它应具有预见期,即可进行误差实时校正;其次,它应该具有实时跟踪能力。这样才能保证预报的正确性。同时,方法本身要尽可能地简单、实用、有效。

四、综合利用

在2002年6月16日池潭水库遭遇了近千年(800年)一遇的洪水,这次洪水的降水过程主要受高空低层切变和地面静止锋以及低空急流的共同影响下,14～16日太宁、建宁和将乐连降三天大暴雨。金溪流域过程降雨超过400mm占39%,超过500mm的占50%,超过600mm的占11%。整个降雨过程从6月13日—18日,历时6天。池潭水库实时洪水预报模型对2002年6月这场洪水进行了连续预报。由于能及时获取水、雨情信息,预报较准确,水库在防洪、发电等方面较为充分地发挥了综合利用效能,取得了明显的社会效益和经济效益。

五、结束语

清河水库洪水自动预报系统研究 篇4

洪水自动预报[1,2,3,4], 就是根据定时遥测的水文数据, 预报出未来一定时期内入库洪水总量、洪峰、峰现时间、入库洪水过程等。所谓定时, 就是取固定的时间间隔。一般系统取1 h间隔, 即系统每过1 h, 到每个准点时刻就会自动作出洪水预报。系统实现此种功能, 不需要任何的人为操作, 是计算机全自动进行模拟预报。

1 清河水库洪水自动预报系统主要研究内容

清河水库洪水自动预报主要研究内容包括:水文资料系列摘录与分析整理;模型结构选择;模型参数率定;洪水预报实时修正;模型参数修正;模型中间变量初值估计。

洪水自动预报结果自动存入数据库, 不作任何人工修改, 其预见期范围内的结果作为预报方案优劣的考核依据。但由于水文预报的精度依赖于实时遥测的降雨、水位、蒸发等的精度, 如果这些资料不精确或缺测, 必然会导致定时洪水预报结果的误差, 在此种情况下做出的洪水预报不作为考核范围。同时还可能由于水库库容曲线、下泄流量关系线等误差, 造成反推的实测流量误差大时, 也不作为考核范围。考虑到实时修正的重要性, 系统特设置了人性化的实时修正栏, 可人工在自动预报软件界面进行设置。

2 自动预报系统主要功能

(1) 报警流量设置。在自动预报软件里面, 特别添加了自动报警功能。报警以流量为判别条件, 不同的用户, 报警流量可以不同, 可以自行设置。自动报警功能可作为洪水期值班人员辅助工具, 以进行实时提醒。

(2) 实时显示预报过程曲线。自动预报界面默认情况为“实时显示清河入库预报流量过程”。主要实时显示最近1 h的入库流量预报值。其显示的预报值可为操作人员提供更加简洁明了的信息。该流量过程预报的图形显示可以通过“软件设置”菜单底下进行设置是否需要显示。

(3) 预报延时设置。自动洪水预报, 需要预报时段的降雨、水位、蒸发等资料, 而这些资料是由另外一台遥测工作站接收后送入服务器数据库的。自动洪水预报必须等这些资料入库后, 才能使用这些资料。遥测工作站准点开始把所有的水文数据接收到写入数据库需要时间, 因此要求自动预报有等待时间, 特别添加了预报延时设置。通过预报延时设置大大降低了实时信息滞后所带来的影响。但同时也需注意:自动预报延时, 既要考虑遥测接收和写库时间, 还要考虑遥测工作站与预报软件所在计算机时间的误差。假如2台计算机时间误差大, 还要校正计算机时间。

(4) 预报时间设置。因为自动预报每做1次, 都会自动记录。原来未做的, 当自动预报软件执行时会自动补做。但如果上一预报时间与当前时间差超过3个月, 自动预报就不能补做, 导致软件不能运行。此时需要人工设置“上一预报时间”为自动预报补做限定一个时间。

(5) 重复时段数设置。自动预报软件, 只采用当前时段的雨量、水位等资料信息, 实时资料信息, 一经使用, 就被保存到历史信息库中。假如使用时, 资料信息有误, 有误的信息也被保存到历史信息库中, 且会不断地影响着以后的预报结果。考虑到遥测系统, 雨量、水位资料等问题不易实时发现, 有时要过几小时之后被发现, 为免除这些资料误差对未来预报的影响, 软件设置了重复时段数参数。如重复时段数设置为5, 在5 h内改正的资料, 计算机会自动改正5 h内的历史信息库。这样, 5 h内改正了误差, 就不会影响以后的预报结果。

(6) 加密预报设置。考虑到有些山区性小流域或短预见期的洪水, 1 h预报1次还嫌不够, 可通过加密预报设置, 设定15 min的降雨量阈值, 则系统每过15 min, 如雨量超过设定的阈值, 就会自动加密预报。自动加密预报的设置为历时短、强度大的暴雨提供了更加精确的预报。

(7) 预报时段数设置。预报时段数与流域面积有关。流域面积越大, 预报时段数也要设置的越大。对于一般的水库流域, 预报时段数设置为24或36就可。

3 自动预报可能出现的问题及解决办法

洪水自动预报是整个洪水预报调度系统软件中技术性最强、难度最大、对环境要求最高的技术支持软件。其运行过程中, 可能发生的问题有水文资料问题、模型中间变量问题等。现介绍几个自动预报疑难问题分析与解决方法。

(1) 水文资料问题分析与解决方法。洪水自动预报需要有实时的雨量、水位、蒸发等资料作为模型输入, 这些资料的问题会引起水文预报的误差或甚至使模型无法预报。雨量资料值的偏大、偏小或缺测, 会使预报的流量偏大、偏小。全流域的雨量站全无雨量观测时或雨量冒大数至不合理范围时, 会使模型无法预报而缺报。水位资料值的偏大或偏小误差, 主要影响由水位反推的入库流量或河道流量, 从而影响水文预报的实时修正。蒸发资料误差主要影响流域土壤蓄水量和雨间蒸发等, 从而也影响水文预报的结果。

水文资料问题可以通过实时信息查询, 了解其具体问题。但洪水自动预报结果不能恢复。如果有些洪水还想用模型计算水文数据恢复后的结果, 需要通过人工干预洪水预报, 来修正洪水自动预报结果。

(2) 模型中间变量问题分析与解决方法。模型中间变量, 就是指模型中随时间变化的状态变量初始值。水文模型常有的中间变量为流域土壤蓄水量、坡面退水流量、河网退水流量等。由于模型中间变量是时空变化的, 需要由水文资料作为模型输入, 时间上连续的递推估计。如果水文资料有误差, 或模型计算不连续, 都会引起模型中间变量的误差, 从而影响洪水预报的精度。例如, 某个时段的雨量观测值偏大或偏小, 就会使模型的中间变量偏大或偏小, 其结果保存下来会影响下个时段的洪水预报偏大或偏小。当由于某些原因, 使预报间断一个时段或数个时段或更长时间未作预报, 这时模型只能调出停报前的中间变量, 显然是存在很大误差的。每个模型都有中间变量, 在系统软件启动时, 其中间变量的初值需要人工估计。在系统软件运行过程中, 正常情况下随时间变化的中间变量模型软件会自动逐时段递推估计出并保存到计算机中。若遇非正常情况, 如中心站计算机设备故障、遥测设备故障等原因使模型中间变量遭受破坏后, 系统软件重新启动时, 需重新估计模型中间变量初值。

参考文献

[1]李海明, 赵文忠.山口水库水情自动预报与洪水调度自动化研究[J].黑龙江水利科技, 2005, 33 (2) :37-38.

[2]赵咸榕, 陈宜安.碛口水库水情自动测报系统若干问题探讨[J].西北水电, 1997 (1) :12-16.

[3]肖毅.浅谈深圳水库水情自动测报系统软件设计特点[J].广东水电科技, 1994 (4) :45-47.

洪水预警预报系统 篇5

本设计与传统的人工现场读取洪水水位数据相比,该预警方式具有高效、准确、快速、直观、实时等特点,提高了人们对自然灾害的应变能力,降低了检测人员的户外工作风险。

1控制系统结构

1.1设计思想

山洪监测预警系统使用压电传感器来测量水位的高度并通过转换电路将水位的高度转换成电信号,采集的电信号经过A/D模块电路转换后,以数字信号的形式传送给STM32单片机,利用嵌入式系统 μC/OS搭建人机交互界面,实时更新采集水位信号并处理后以折线图形式显示,并具有设置报警水位阈值和监测人员联系方式、联系内容的功能,当水位达到设定的危险阈值时,立即通过GSM模块手机短信通信将危险信号传达给监测人员,从而达到预警的效果。通过对嵌入式系统 μC/OS集成SIM卡驱动的设计,不仅在设计上降低了难度,而且还便于监测人员监测和控制。

1.2监测系统

整个监测系统分为三个部分,信号采集部分、人机交互部分和通信部分,如图1所示。信号采集部分主要是通过M18液位压电式传感器采集水位信号,用A/D转换电路将采集的模拟水位信号转换为数字信号发送给单片机。人机交互部分利用嵌入式系统 μC/OS搭建,在触屏LCD液晶显示屏上操作, 可以设置水位预警阈值和通信功能。通信部分主要利用GSM通信模块,先用串口通信模块连接STM32单片机与GSM通信模块,然后通过GSM模块模拟手机短信功能来发送预警信号。

三个部分协调工作,监测系统提高了对水位信号的实时监测能力,加强了监测人员对山洪来临的预报、防灾能力。

1.3软件系统

山洪监测预警系统以STM32单片机为核心,采用 μC/OS- III为内核,在此基础上,我们开发了山洪监测预警应用程序, 传感器采集的信号经AD转换后通过单片机的GPIO口传送至单片机,设计好液压传感器驱动程序,并将数据计算处理后传送给应用程序,应用程序将水位数据实时显示出来并对其进行判断。应用程序还具有设置危险水位阈值和监测人员联系方式、联系内容的功能,当水位达到危险值时,GSM通信模块便给监测人员发送危险信号的短消息,如图2所示。SIM卡硬件部分与单片机串行口相连,在 μC/OS内核中,设计SIM卡驱动程序,就完成了单片机与GSM模块的通信[1]。

1.4信号采集系统

山洪监测预警系统的水位信号采集部分由M18压电式水位传感器完成,它是基于所测液体与该液体的高度成比例的原理,采用国外先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器,将静压转换为电信号,再经过温度补偿和线性修正,转化成标准电信号(一般为4~20m A/1~5VDC),我们所用的是电容式液位传感器,利用了非电量的变化转化为电容量的变化。电容式传感器有这几个特点:机构简单,体积小,分辨力高、可实现非接触式测量、动态效应好、温度稳定性好、能在高温,辐射和强振动等恶劣条件下工作、电容量小,功率小,输出阻抗高,因此,负载能力差,易受外界干扰产生不稳定现象。在使用前,对传感器进行调试和校对, 找到液位高度与电量对应的关系,采集的电量经AD转换后则成为最后已成型的信号传送给单片机。

1.5 GSM通信系统

在通信方面,我们采用野火的WF-SIM900A高品质串口GSM/GPRS模块,它采用SIMCOM公司的SIM900A模块方案。WF-SIM900A可通过串口传输标准的AT命令对模块进行控制,可以提供简单方便的GSM语音、短信及GPRS的数据通讯功能。该模块预留有TTL电平标准的串口,支持与使用3.3/5V电平标准的系统通讯,支持传输速率为1 200bps至115 200bps,默认为115 200bps,STM32单片机与SIM模块进行串口通信来传输数据。在应用之前,我们用野火开发板和GSM调试助手进行硬件测试,掌握GSM模块的通信方法后, 再进行软件的开发。数据的发送和接收都以字符串的形式由单片机UART(通用异步收发器)与GSM模块连接来完成, 如图3所示[2]。

1.6 μC/OS应用软件系统

嵌入式系统是面向特定系统应用的,它的硬件和软件都具备高度可定制性,由于对实时操作系统的支持,嵌入式系统将软件固化于存储芯片中,具有相当长的生命周期,而且方便开发更好的人机交互界面。基于 μC/OS开发了监测系统的应用软件,开发了界面如图4所示,深入研究了 μC/GUI设计,掌握了控件的开发和设计。

本应用设计可以分为四部分:(1)μC/OS创建任务管理系统;(2)触摸屏读取信息交由 μC/GUI处理;(3)μC/GUI编写图形管理界面;(4)UART连接外部GSM与STM32处理器。图形管理界面程序设计流程图见图5,初始化的部分主要是 μC/OS的启动,ADC模块的数据采集和GSM通信模块的初始化。启动后显示屏将显示主界面,先设计好界面布局, 再添加各种控件,Message按钮控件可以设置监测人员的联系方式和联系内容,ADC按钮控件用于设置危险水位预警阈值。 位于主界面下方的图形控件则实时显示水位情况,应用流程见图5。

我们采用嵌入式 μC/OS,它不仅可以设计美观的人机交互图形界面,还在功能上有很大的提升,利用触屏液晶显示屏, 使功能强大而操作变得简单,而且采用嵌入式系统,提高了软件的开发空间,增强了界面的可扩展性,对以后的软件升级与优化有着重大的意义。

2结束语

基于STM32单片机,采用嵌入式 μC/OS为操作系统, 设计了山洪监测预警应用软件。系统拥有实时监测水位变化和GSM无线通信功能,测试实验表明,该监测系统能实时对水位进行监测,水位的变化会在显示屏上同步显示,当水位达到设定的危险阈值时,会立即给监测人员发出危险信息, 达到了预期的目的。它不仅能让我们学习研究单片机的控制应用,还在GSM无线通信方面提供了一种实验研究平台。

摘要：基于GSM通信的山洪监测预警系统是由压电传感器M18检测水位信号后,经过A/D转换后把电信号送给STM32单片机进行计算处理,该系统由嵌入式μC/OS创建人机交互界面,采用液晶触摸显示屏实时显示水位数据和进行预警操作,系统实时监测水位情况,当水位达到设定的危险阈值时,会将灾害信号以短信的方式发送给监测人员,从而达到预警的目的。

关键词：液位传感器,GSM通信,嵌入式μC/OS

参考文献

[1]王芳.基于GSM短消息无线通信系统的研究[J].河海大学,2006,(5):89-91.

洪水预警预报系统 篇6

美国航空航天局NASA卫星观测得到2001-2006年PM2.5年均浓度分布图显示,中国华中、华东、成渝地区已成为全球PM2.5污染最严重的区域。近年来,环境空气重污染事件频发,严重影响人们的身体健康,给生产生活带来诸多不便,引起全社会的广泛关注。山西省位于太行山脉以西,受到山谷效应的影响,太原、晋中、临汾直至运城地区PM2.5污染物浓度与华东地区相连,处于浓度高值区。这与山西省地形因素、气象扩散条件以及长期以煤烟型污染排放有重要关系。传统的空气质量预报工作主要由预报员以当日24小时环境空气质量监测结果为基础,结合气象部门空气污染气象条件的等级预报结果,对区域内未来24小时环境空气质量进行预测预报。这种预报方式仅笼统划分气象扩散条件等级,不考虑气象变化对源排放污染物的传输作用和污染物之间的化学反应,对预报员的工作经验有较强的依赖性,对于准确有效预警重污染天气出现时间和原因及时进行大气污染防治工作仍存在一定困难。为促进山西省重污染天气监测预报预警的综合管理,建立健全区域内重污染天气应急机制和应对能力,需要建设立体感知、智能响应的重污染天气监测预报预警系统。

山西省重污染天气监测预报预警系统设计,以气象数据、环境空气质量监测数据和污染源排放数据为基础,利用空气质量模式集合预报,对山西省区域包括11个设区市的环境空气质量AQI指数和六种污染物浓度(包括阿SO2、NO2、PM10、O3、PM2.5和CO)进行未来7天预报分析(48小时精准预报和5天潜势预报),实现重污染天气预警、来源分析、污染源追因等功能,为及时应对重污染天气、最大限度降低重污染天气造成的危害提供权威的预报预警信息,同时为合理调整污染源布局、切实做好大气污染防治提供决策支持和科学依据。

二、系统设计

1. 总体架构

山西省重污染天气预报预警系统建设由“四层三体系”组成。“四层”为软硬件支撑层、数据资源层、应用服务层和会商展示层;“三体系”包括环境信息标准规范体系、环境信息安全保障体系和环境信息运行管理体系。会商展示层紧紧围绕大气环境管理业务需求,从空气质量日报、预报、污染防控和发布三个方面出发,建立区域环境空气质量监测预报预警信息的发布与展示平台。应用服务层包括数据管理、污染源排放清单管理、空气质量集合预报、重污染天气分析预警、来源追因、可视化业务会商和公共信息服务七大系统模块。实现预报预警数据管理、分析、来源追因、会商及数据发布服务的综合应用管理。数据资源层是以空气质量实时监测数据、预报预警数据、专家库数据、空间数据等为基础,为系统提供决策所需量化数据。软硬件支撑层是以高性能计算环境、支撑环境、网络环境等硬件支撑。

2. 技术选型

山西省重污染天气监测预报预警系统将中尺度气象模式WRF和排放源处理模式SMOKE模拟结果作为空气质量模式提供所需的三位网格化气象场数据和排放源数据,应用多种数值预报模式相结合的方法进行预报,以减少因预报模式本身的缺陷而造成的预报结果偏差,最终得到未来5天精准预报和潜势预报结果。其中,数值预报模式以三维欧拉化学传输模式为核心,选用美国环保署(EPA)推荐的Models-3/CMAQ模式、美国Environ公司开发的CAMx模式、美国国家大气海洋局(NOAA)的WRF-Chem和中国科学院大气物理所自助研发的NAQPMS模式四种空气质量模式,采用蒙特卡洛随机集合预报、对气象场、排放源和关键模式参数分别进行扰动,产生多个包含模式不确定性的差异预报样本,其中空气质量模式通过扰动优化产生至少10个以上集合预报成员。采用山西省区域空气质量集合预报优化方法,利用包括多元回归、偏差订正、神经网络等方法对空气质量集合预报结果进行统计集成。

3. 主要模块设计及功能

(1)数据库系统模块

数据库系统模块为系统存储预报模拟所需的气象数据、污染源排放数据和空气质量监测数据,是模式运行的基础。该系统采用B/S结构,部署在应用服务器上,主要进行环境空气质量及气象数据的收集与共享,实现环保数据和气象数据的对接和交换,最终基于GIS平台对分析后的数据进行图、表展示。

(2)污染源排放清单可视化系统模块

污染源调查与排放清单的建立是空气质量预测预报的重要前提,同时也是研究城市环境空气质量变化成因和污染排放控制管理的重要基础工作之一。系统建设采用SMOKE排放源处理模型处理山西省源排放清单,直接为系统提供网格化的排放源。模块设计按照各数值模型的特点和运算需求合理分配软硬件资源,各空气质量预报模型均使用统一的污染源排放清单。

在排放清单中,针对沙尘暴、燃放烟花爆竹、臭氧等导致的重污染天气进行专门的设定。

针对沙尘暴,通过起沙条件的设定、监测数据和气象条件的分析统计,估算沙尘贡献的程度。

针对烟花爆竹,排放清单中统计烟花爆竹集中燃放的日期(例如春节、元宵节、清明节等)集中燃放时间段、集中燃放地点和限制燃放地点、烟花爆竹销售量、烟花爆竹的排放参数、法规政策因素影响(山西省及各地禁止烟花爆竹燃放的法规政策等)等影响,估算烟花爆竹燃放贡献的程度。

针对臭氧等其他因素,通过排放清单的统计,估算臭氧等其他因素贡献的程度。

通过各地市提供的最新污染源排放清单获取本省内现有的污染物排放清单数据,利用GIS系统实现污染数据的空间插值展示。排放清单可视化系统可以直观地提供污染物在本区域内的空间分布,对制定污染物控制措施提供重要的决策依据。

(3)空气质量集合预报系统模块

设计采用多模式集合预报方式,以空气质量数值模式系统模块为核心,选用中尺度气象模式WRF提供气象场驱动,基于排放源处理模型制作三维网格化排放源,选用中国科学院大气物理所自主研发的NAQPMS模式,美国环保署(EPA)的Models-3/CMAQ模式、美国Environ公司的CAMx模式和美国国家大气和海洋局(NOAA)的WRF-Chem进行空气质量集合预报。设置多模式预报系统区域嵌套计算网格:东亚区域(Domain1精度27km网格数237*178)→华中区域(Domain2精度9km网格数55*68)→山西省域(Domain3精度3km网格数107*254)。同时,采用蒙特卡洛随机集合预报,对气象场、排放源和关键模式参数分别进行扰动,产生多个包含模式不确定性的差异预报样本,其中每个空气质量模式通过扰动产生至少10个集合预报成员。利用包括多元回归、偏差订正、神经网络等方法对空气质量集合预报结果进行统计集成,输入当天预报结果。

多模式集合预报可以在一次模拟中解析多个目标区域、行业等的贡献,克服化学非线性问题同时保持质量守恒机制,预报PM2.5和O3等二次污染物的来源,其整体预报技巧高于最好的单模式预报。输出预报结果表达上,多模式集合预报进行确定性结果分析、不同污染事件发生的概率、预报的可靠性和可预报性等信息。多模式集合预报不再过分依赖某一个可能误差较大的初始条件和参数值,可以通过集成方法将不同集合预报成员的优点结合起来,将不同模式在数值框架和参数化的不确定性考虑进来,通过针对单模式构建随机扰动集合建立一个考虑全方位不确定性的集合预报系统。

(4)重污染天气分析预警系统

根据未来5天空气质量预报结果,当达到《山西省重污染天气应急预案》(晋政办发〔2013〕109号)所规定的预警级别时,按照省级重污染预警流程,报送重污染天气预警提示信息。同时,对重污染天气形成有主要贡献的污染物进行来源分析,为适时启动应急预案、开展污染防治工作提供技术决策支持,为正确引导公众健康出行提供有效的技术服务。

根据持续污染提升一个响应级别的原则,省级空气重污染分为三个预警响应级别,由轻到重顺序依次为Ⅲ级、Ⅱ级、Ⅰ级,分别用黄、橙、红颜色标示,预警Ⅰ级(红色)为最高级别:

(5)空气污染来源追因系统

污染源追因系统分为遥感反演和后向轨迹模拟两个模块设计,实现对气溶胶、气态污染物的垂直方向浓度分布解译和为水平方向污染物传输的追因。

遥感反演通过对MODIS、OMI等遥感数据投影转换、拼接、裁剪、云掩膜等预处理,反演垂直方向气溶胶AOD的浓度分布,分析沙尘暴等大气污染事件的时空变化规律,并实现秸秆焚烧点逐日监测。

备注:空间分辨率为由度转为公里,即0.25°×0.25°相当于13km×24km。

后向轨迹模拟基于GDAS全球气象场数据,采用国际上应用最广泛的气团轨迹模式HYSPLIT中气团轨迹计算方法,提取过去72小时气溶胶传输轨迹,分析不同类型气溶胶粒子的来源及垂直分布。基于Arc GIS Engine,开发软件模块,对主要大气污染物进行追踪溯源、展示、统计、分析、专题制图与报告制作。

三、效益分析

山西省重污染天气监测预报预警系统的建立,综合考虑了大气污染源排放及监管、城市环境空气质量监测、环境空气质量模型模拟分析、政策经济技术等空气质量管理各个因素,在业务预报工作中提供:1.区域污染形势集合预报产品,如区域污染形势演变趋势、边界层垂直气象污染结构特征、PM2.5污染物组分谱分布、能见度预报以及可能发生的沙尘传输路径和影响程度等产品;2.区域中污染物污染过程分析产品,如识别区域污染源中贡献最大的地区及行业源污染贡献率,分析各城市、区域间污染物的相互输送和相互贡献;3.污染物概率预报产品,例如不同等级污染事件发生的概率及持续的时间,污染物累积和清除的关键时间节点等;4.地方精细化预报所需的初始场产和边界条件产品,指导区域内各城市开展精细化空气质量预报和重污染天气预警工作。在重污染天气来临时,系统可通过确定大气污染来源和污染贡献根据现有响应机制为管理部门建立合理的应急预案和具体措施,并为管理工作提供有效的数据支撑,提高重污染天气应对能力。此外,为满足公众的环境知情权,系统通过广播、电视、网络、微信等多种媒体途径对空气质量预报预警信息进行发布,为公众提供健康指引和出行参考,减少污染天气对人体健康的影响。

摘要：为促进山西省重污染天气监测预报预警体系建设,建立健全区域内重污染天气应急机制和应对能力,需要建设立体感知、智能响应的重污染天气监测预报预警系统。山西省重污染天气监测预报预警系统以环境空气质量监测数据、气象数据和污染源排放清单数据为基础,通过利用中尺度气象预报模式WRF和排放源处理模式SMOKE驱动,利用空气质量模式多模式集合预报的方法,实现山西省未来5天的空气质量分析、预报、预警和污染来源追因等功能,以期为重污染天气提前预警、重污染天气应急响应提供有效的技术支持和科学依据。

关键词：环境空气,预报预警

参考文献

[1]解淑艳,刘冰,李健军.全国环境空气质量数值预报预警系统建立探析[J].环境监控与预警,2013,5(4):1-3.

[2]Joseph B.Klemp.Weather Research and Forecasting Model:A technical Overview[R].84th AMS Annual Meeting,Seattle,U.S.A.2004.Jan:10-15.

[3]罗淦,王自发.全球环境大气输送模式(GEATM)的建立及其验证[J].大气科学,2006,30(3):504-518.

[4]韩志伟,杜世勇,雷孝恩,等.城市空气污染数值预报模式系统及其应用[J].中国环境科学,2002,22(3):202-206.

[5]王自发,谢付莹,王喜全,等.嵌套网格空气质量预报模式系统的发展与应用[J].大气科学,2006,30(5):778-790.

[6]Institute for the Environment University of North Carolina at Chapel Hill.Operational Guidance for the Community Multiscale Air Quality(CMAQ)Modeling System[M/OL].http://www.airqualitymodeling.org/cmaqwiki/index.php?title=CMAQ_version_5.0_(February_2010_release)_OGD.

[7]霍焱,董芹,雷正翠,等.常州空气质量预报,预警和应急响应系统[J].气象科技,2011,39(1):123-128.

[8]谢涛,姚新,孙世友.基于GIS的空气质量多模式集合预报系统[J].地理信息世界,2011,9(1):11-15.

洪水预警预报系统 篇7

浙江省位于我国东南沿海, 地形复杂, 森林覆盖率达60.58%, 有七山一水两分田之说, 因此森林火灾也是危害浙江省的主要灾害之一。根据浙江省生态省建设规划纲要和省委省政府关于全面推进林业现代化建设的意见, 浙江着力建成比较完备的森林生态体系, 在全国率先实现林业现代化, 建立完善的森林防火体系是实现这一目标的重要保证, 森林火险气象等级预报作为森林防火体系中不可或缺的一部分也被提到了非常重要地位。随着气象观测技术、数值预报技术、计算机技术的长足发展, 为建立森林火险气象等级预报系统提供了可靠的技术保障。研究森林火灾发生和发展与气象条件的关系, 研制森林火险气象等级精细化预报预警系统, 制作和发布森林火险气象等级的预报, 为各级部门、群众提供中、短期预报服务, 对提高防御自然灾害能力, 预防和减少森林火灾的发生和降低损失具有重要意义。

1 系统总体设计

1.1 森林火险气象等级模型

本系统主要考虑短期内天气和气象要素的变化对森林和草原可燃物易燃性的影响, 并以此为依据划分火险等级。现阶段所采用的气象要素主要有:日最高气温、日最小相对湿度、连续无降水日数、预报日降水情况、日平均风速。其中日最高气温、预报日降水情况、日平均风速这三个要素的预报值主要是通过读取每日下午16:00的城镇报文, 前期无降水日数主要是通过自动站数据可得, 日最小相对湿度读取了WRF预报的值。目前产品的预报时效为72个小时, 预报范围为浙江省67个常规站。预报方法主要是根据火灾危险度HTZ=A+B+C+D-E, 计算HTZ的值对照森林火险天气等级标准, 可得相应的火险等级;其中A为日最高气温指标值, B为日最小相对湿度指标值, C为连续无降水日数指标值, D为日平均风速指标值, E为预报日降水情况的指标值。

该模型相较之前的森林火险等级预报主要做了两点改进。一是实现了从森林火险区域性大范围预报转换到空间上更精细的逐站点的预报, 并且预报时效增加到72个小时;其次是所读取的资料做了调整, 主要采用了城镇预报的气象要素值进行计算, 主观能动性得到了提高, 重点加强了预报日降水情况要素对森林火险作用的考虑。

1.2 系统体系结构

系统采用三层网络体系结构, 由数据层、运算传输层和显示层组成, 如图1所示。该结构的特点是各层分离, 数据层主要处理原始预报数据的获取、保存以及数据入原始数据库的功能, 运算传输层实现森林火险气象等级预报模型的运算以及结果的传输, 显示层主要实现用户查看结果, 采用WEB客户端方式。这种结构完全适合于森林火险等级预报系统的数据发布模式, 在数据传输效率、功能实现与网络维护上体现出了明显的优势。

2 系统开发和实现

本系统软件主要由森林火险气象等级运算子系统、人机交互订正子系统和预报产品WEB显示子系统三部分组成。

2.1 森林火险气象等级运算子系统

该子系统利用Microsoft Visual Studio 2008平台以及C#语言设计编译完成。后台系统数据库平台为Microsoft SQL Server 2005。森林火险气象等级指数运算的核心方程为:HTZ=A+B+C+D-E, 其中A指数为森林防火期每日的最高空气温度的森林火险天气指数, 读取的是各地市城镇报中预报的最高温度并计算的权重值。B指数为森林防火期每日的最小相对湿度的森林火险天气指数, 根据浙江省气象台WRF模式中的预报日最低RH值并赋予的权重值。C指数为森林防火期每日前期或当日的降水量及连续无降水日数的森林火险天气指数, 读取的是浙江省自动站气象数据库中开始计算日之前10天的降水量并计算的权重值。D指数为森林防火期每日的最大风力等级的森林火险天气指数, 读取的是各地市城镇报中预报的最大风速电码并计算的权重值。E指数为预报日降水情况对应的森林火险天气指数, 读取的是城镇报天气代码并计算的权重值。

2.2 人机交互订正子系统

为了克服奇异值、计算误差等各种情况的出现, 在森林火险气象等级预报对公众公布前必须由预报员根据预报资料和预报经验进行人工订正, 所以本系统必须开发一个供预报员使用的人机交互订正子系统。子系统分为三部分:GIS交互区、数据交互区和控制区, 具体如图2所示。

GIS交互区采用自我开发的具有GIS功能的气象信息显示控件MIDS, 该控件使用ATL开发的控件不依赖运行库, 尺寸较小, 能够以等值线、填色等值区域等方式显示数据, 支持数据分层叠加显示。支持以Http方式下载数据并显示。支持图层叠加, 支持通用的GIS地图格式, 支持地图放大、缩小、漫游操作。多图层叠加显示功能使用图层类实现, 首先建立一个HCLayer的基类, 该类有一个虚函数On Draw () 来实现图层的绘制。然后从HCLayer派生出HCStation Layer (站点资料显示图层) 、HCGrid Layer (格点资料显示图层) 、HCImage Layer (图像资料显示图层) 、HCUser Layer (用户自定义绘制图层) 。等值线的绘制是使用格点资料进行绘制的。具体分为等值点的计算、追踪连接、等值线标注、等值线填充等几个步骤。Gis地图的格式支持使用Tiny XML实现XML格式的GMP地图文件的读入。该区域可实现浙江1:50000地理信息的显示和消隐, 森林火险气象等级预报的叠加和修改, 预报数据的实时传输等功能。

数据交互区是预报数据通过网格的方式提供给预报员修改, 可实现按数值大小、地理位置排序, 可实现批量修改。控制区是控制基本文件操作、地理信息控制和数据传输控制的区域, 包含图片保存、地图放大缩小、数据传输等功能。

2.3 预报产品WEB显示子系统

通过C#ASP网页技术编写的森林火险预报产品WEB显示子系统用来将预报产品实时传输给相关部门和公众, 第一时间将预报信息服务到位, 做到及时提醒防御。具体如图3所示。

3 应用与评估

该系统2012年5月起正式业务化运行, 成为省级森林火险气象等级精细化预报预警核心系统, 每日16:00准时发布全省各县的森林火险气象等级预报和预警, 为全省的相关部门提供了重要的参考, 为防范森林火灾, 减少经济损失起到了重要的作用。

同时为了了解系统运行的效果, 本系统对发布的分县森林火险气象等级预报进行了检验评分, 以2012年6月为例, 全省共发布24小时、48小时、72小时全省 (67站) 分县森林火险气象等级预报30次, 准确的次数分别为24小时12.6次、48小时10.8次、72小时9.1次, 基本准确的次数分别为:24小时14.8次、48小时14.9次、72小时13.6次;基本准确以上得分24小时、48小时、72小时分别为91.4%、85.9%和76%, 预报效果达到优秀标准, 具体检验结果如表1所示。

4 结论

通过检验结果得出:

(1) 森林火险气象等级危险度与日最高气温、日最小相对湿度、连续无降水日数、预报日降水情况、日平均风速关系极为显著。森林火险气象等级危险度与日最高气温、连续无降水日数、日平均风速关系呈正相关关系, 与日最小相对湿度呈负相关关系。

(2) 本系统所建立的浙江森林火险气象等级精细化预报预警模型是科学有效的, 可以为全省相关部门提供正确的重要参考。

(3) 通过本系统所开发的软件可以科学地做出森林火险气象等级预报预警, 基于浙江森林火险气象等级预报模型, 可对预报的行政区域进行细化处理, 能够实现浙江省森林火险气象等级精细化预报预警。

摘要：本文以浙江省气象森林火险等级模型为基础, 采用自我研发的GIS控件MIDS为核心, 运用计算机和网络技术设计并建立了适合我省使用的森林火险气象等级预报系统。着重介绍了该系统的设计和开发的结构, 描述了从模型试验和建立、基础气象原始数据的获取、计算、结果存储、图形化显示和上网等过程。系统实现浙江67县森林火险的精细化预报和预警服务。

关键词：森林火险,气象,GIS,精细化预报

参考文献

[1]于宏洲, 范文义.基于WebGIS的森林火险气象等级预报系统的设计与实现[J].东北林业大学学报, 2010, 38 (5) :122-125.

[2]王加义, 叶光营.福建省森林火险气象等级精细化预报[J].中国农业气象, 2010, 31 (增1) :129-131.

[3]牛若芸, 翟盘茂, 佘万明.森林火险气象指数的应用研究[J].应用气象学报, 2007, 18 (4) :479-488.

[4]王正非, 朱廷曜, 朱劲伟, 等.森林气象学[M].北京:中国林业出版社, 1982:363-418.

[5]徐鹤鸣, 王东.多目标优化问题的求解框架[J].微计算机信息, 2009, 12-3:164-168.