基于物联网的中小流域暴雨洪水预报预警关键技术与应用
责任编辑 马 啸
【期刊名称】中国防汛抗旱 【年(卷),期】2018(028)011 【总页数】5
完成单位 华北水利水电大学、华中科技大学、中国水利水电科学研究院、中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司、北京国信华源科技有限公司、中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所
1 立项背景
水利信息化是水利现代化的基础和前提，是解决洪涝灾害频发的技术保障。当前，我国防汛抗旱信息化建设迎来改革与创新阶段，正在由“数字水利”向“智慧水利”转变，防汛抗旱信息化对新技术的需求更加迫切，研究如何运用物联网、云平台、分布式平行计算等技术，强化信息化对水利各业务领域的服务与支撑，成为当前亟待开展的研究课题。当前，中小流域暴雨洪水预报预警尚存在的突出问题和薄弱环节如下：
（1）中小流域暴雨洪水监测体系中不同产品设备无法通用，数据采集标准、传输协议不统一。预警信息传输过分依赖电力通信、网络通信，难以胜任复杂野外环境下预报预警实时性和准确性需求。
（2）由于中小流域不同地形地貌类型的暴雨响应关系和径流响应机理存在差异，传统的单一预报模型难以准确描述各种气候条件和不同下垫面类型的产汇流机理，无法满足当前高精度、高适应性中小流域暴雨洪水预报预警精细化建模的技术要求。
（3）中小流域洪水预报预警中，场次洪水信息少，资料一致性差，精确模拟困难；传统暴雨洪水预报模型单一，难以适应不同情景的需求；由于“异参同效”，传统优化算法用于模型参数率定时，难以得到全局最优解，无法满足复杂模型参数率定的需求。
（4）传统小流域暴雨洪水数据存在不同来源的海量监测数据不一致，水情要素分级分要素渲染困难，传统高性能云计算集群存在数据高度非线性及线程过多，导致传统计算方式代价高昂、性能低下。
针对上述问题，急需开展基于物联网的中小流域暴雨洪水预报预警关键技术的研究。
2 建设目标
针对中小河流存在的问题，充分利用物联网技术、无人机监测技术、分布式水文模型及计算机技术，构建自主产权的基于物联网的中小河流暴雨洪水监测体系，实现无人机高精度数据的收集，快速处理，开发地貌特征构建模块化洪水模型，集成基于物联网和云服务平台的中小流域预报预警平台，实现中小河流预报预警信息及其处理的数字化、网络化、集成化、智能化。其目标主要包含以下几个方面：
（1）通过对流域暴雨洪水监测预警系统、精确模拟方法和自动建模技术、快速高效运算方法的分析，构建基于物联网的中小流域暴雨洪水监测预警关键技术体系：统一不同监测设备的数据采集标准和传输协议，实现设备的物联互通，结合窄带物联网中的“LoRa”扩频传输和“Mesh”多跳网络传输方式及自建组网相结合的组网方式，研发适用于复杂野外环境的新型监测预警设施设备，构建中小流域物联网监测体系。
（2）研究利用高精度无人机机载LiDAR数据提取小流域下垫面信息和土壤特征及辨识产汇流参数的方法和流程，实现流域地形地貌单元的精细划分及产汇流参数的自动辨识。
（3）研究不同地形地貌单元的暴雨响应关系，并据此将流域精细划分为不同类型的地形地貌—暴雨响应单元，实现了不同类型响应单元与不同产汇流方法一一对应；对产汇流以及河道演进方法进行模块化封装，构建了基于地形地貌响应单元精细划分的降水—产汇流—河道演进模块化分布式水文模型建模思想框架；通过集成参数库、知识库、模型库和专家库，构建模块化中小流域暴雨洪水预报预警模型。
（4）采用云平台、分布式架构和并行计算的方法，融合物联网数据传输、下垫面精细化自动提取、模块化建模等技术，构建中小流域暴雨洪水智慧预报预警平台，实现基于物联网的洪水预警。
3 建设内容
项目围绕中小流域暴雨洪水预报预警的要素监测—特征识别—建模—平台研发等关键环节，针对中小流域监测预警信息实时性不强、下垫面属性及参数获取难度大、预报预警可靠性和精度差、云平台搭建技术难度大等问题开展系统性研究，其技术路线如图1所示，建设的主要内容为：
（1）研究基于自主产权物联网的中小流域暴雨洪水监测预警体系。①可插拔、模块化、兼容多种通信方式的数据采集传感器设计方案：可插拔设计思路有利于多种传感器嵌入式接入和非阻塞式运行；模块化组建方式可集成多种数据接口，实现数据存储、格式的统一；通信方式的兼容性可大幅提升设备的通用性，特别是非常条件下设备通信的可靠性，从而更好地适应复杂多变的野外环境，
基于物联网的中小流域暴雨洪水预报预警关键技术与应用
