如何设计山洪灾害预警信息靶向服务系统，如何应用

摘 要：

针对我国已建山洪灾害监测预警平台主要面向乡村防汛责任人，却难以覆盖流动人员等问题，结合移动互联 和分布式水文模型、云计算、大数据等技术，搭建了山洪灾害预警信息靶向服务系统。该系统采用“云平台+APP”的模式构建，集成应用了预 预警、电子围栏、边缘计算及信息推送等技术，由云平台进行实时信息统一接收、处理和山洪预警分析。基于用户实时位置和山洪风险范围生成预警信息，然后利用APP实现预警信息的定向发布，可覆盖风险区内所有人员，特别是为非特定的流动人员预警提供了可行途径，实现了预警信息靶向服务和全覆盖。为测试系统的可用性和有效性，以河南西峡县蛇尾河流域为例，采用14场实测洪水数据进行模型检验。结果显示，率定期洪峰流量误差均值为9.1%,验证期洪峰流量误差均值为8.0%,预 预警效果良好。目前，该流域已有超过130人注册并使用了APP,证明系统具有广阔的应用前景。

关键词：山洪预警;云平台;APP;靶向服务;洪水;降雨;山洪灾害;洪水预 ;

基金：国家重点研发计划项目(2019YFC1510605,2017YFB0203104);

引用：李锐, 刘荣华, 田济扬, 等. 山洪灾害预警信息靶向服务系统设计及应用[J]. 水利水电技术(中英文), 2021, 52(7): 33- 43. LI Rui, LIU Ronghua, TIAN Jiyang, et al. Design and application of targeted service system for early warning information of mountain torrent disaster[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2021, 52(7): 33- 43.

0 引 言

山洪灾害突发性强、预 预警难度大、涉及范围广，由国际气象组织统计数据所知，山洪灾害已成为世界100多个国家的头 自然灾害，占统计总灾害数据的75.5%。我国是世界上山洪灾害最严重的国家之一,据水利部发布的《中国水旱灾害公 》,2001—2018年间山洪灾害年均死亡人数达 831 人,山洪灾害已成为制约山区经济发展的重要因素之一，是我国防灾减灾工作中亟待解决的突出问题 。山洪预警对提升防灾减灾能力，提高灾害科学管理水平十分关键，因此为提高山洪预警水平，减少山洪灾害造成的损失、建设一个预警高效且准确的山洪灾害预警系统已成为相关技术领域的研究热点。

国外针对山洪预警开展了一系列工作，如美国国家水文中心联合开发的山洪预警系统(FFG system) 已在部分国家和地区推广应用。欧盟委员会联合研究中心牵头研发的欧洲洪水感知系统EFAS,实现了对欧洲范围内极端天气事件的预测和洪水预 预警。日本防汛水利部和气象局利用X波段雷达定量检测和机载雷达测量技术设计并建设的中小河流山洪预 系统，覆盖了日本400多条中小河流的全部关键河段。国外预警系统集成应用多种先进技术和气象水文方法，扩大了预警信息的覆盖范围，同时采用邮件、电话、 站、短信、广播等预警信息传递载体，结合多种预警发布模式，提高了预警信息的传播速度。

与国外山洪预警相比，我国在山洪预警技术研究上起步较晚，目前虽取得一定成果，但仍有提升空间。张李荪以水雨情数据为基础，基于WebGIS技术及计算机技术，设计并建立了山洪灾害预警信息系统以及山洪灾害防治数据库系统，实现了山洪灾害各类信息的分析管理，为江西省各级防汛指挥部门及决策部门制定防灾预案提供了便利，但其他用户只能通过浏览器在WebGIS平台上查询个监测点的降雨数据、气象数据、灾害状态信息及应急响应人员信息等，导致山洪发生时预警信息传递滞后；裘峰等基于贵州省已有的山洪灾害防汛预警平台、视频监控系统以及信息发布系统，基于云计算及人工智能等技术，构建山洪灾害监测预警管理系统，实现了平台端和移动端的应用同步互通，但该系统并未面向全部人员。我国目前广泛使用的县级山洪灾害监测预警平台主要为雨量监测预警，信息传输的时效性差且预警对象针对性不足,频繁发生流动人员遇险的山洪灾害事件，2011—2019年因山洪灾害致死的人员中流动人员的占比高达29.5%。

综上所述，现有的山洪灾害预警信息系统主要存在如下问题：一是预警信息的时效性难以保证，已建系统依赖于将站点监测信息通过公 传递到平台生成预警信息，再由公 传递到防汛责任人的传统公共通信 络信息传递机制，考虑到已建系统预警预见期短，如果在预警信息传递环节又存在一些延误，容易导致群众转移避险不够及时；二是预警信息的针对性不足，已建系统难以针对不同危险区域内的用户发送不同的预警信息，用户容易在收到的众多信息中往往容易忽略掉与自己相关的预警信息；三是已建的预警系统只针对沿河村庄预警，未能覆盖到山洪灾害危险区域内的流动人员，预警覆盖度不够，无法满足流动人员预警的需求。

1 系统设计

山洪灾害预警信息靶向服务系统是在原山洪灾害监测预警系统的基础上升级而来。与原系统相比，靶向服务系统将实测降雨及预 降雨数据应用于流域分布式水文模型，建立预 预警模型系统，将预警等级设置为“关注、警戒、危险”3级并划分风险范围，实现基于小流域的洪水预 预警；针对原有系统只服务于沿河村落防汛责任人的限制，利用APP终端实现面向所有用户，特别是临时施工、野外科研考察和旅游等流动人员的山洪预警，实现预警信息的全覆盖、靶向服务和准确预警。

山洪灾害预警信息靶向服务系统主要包括山洪灾害预 预警云平台和APP两部分，系统逻辑框架如图1所示。预 预警云平台主要由服务于APP的预 预警数据处理模块、预警信息生成模块、预警信息推送模块构成，其中，数据处理模块的功能为接收处理实时水雨情数据、气象数据和空间数据；预警信息生成模块则是基于分布式水文模型进行山洪风险分析，得到预警范围及等级，同时将用户位置与预警范围匹配，生成预警信息；预警信息推送模块主要实现预警信息的推送，包括缓冲区内用户风险范围推送、雨水情展示、地图服务以及其他消息推送服务。APP终端实现预警信息的接收，将预 预警平台分析处理后得到的预警信息传递给用户，为用户提供雨水情信息查询、现场信息上 等服务。

2 关键技术

本系统集成应用预 预警、电子围栏、边缘计算及信息推送等技术，实现技术集成创新，在最短时间将预警信息靶向传递给可能受灾的村民及流动人员，拓展预警信息传递渠道，扩大预警覆盖面，信息推送流程如图2所示。

系统利用中国山洪水文模型系统CNFF,突破目前我国普遍采用的村庄关联附近雨量观测站的模式，基于流域内高精度地形地貌数据和流域降雨时空分布，构建流域分布式水文模型，实现流域内河道断面洪水过程的滚动计算和预测预 ，并结合不同河段不同 区的成灾水位/流量指标生成预警范围和等级，使生成的预警范围更为科学合理，实现以流域为单元的上下游联动山洪预警。

系统集成应用空间拓扑分析及缓冲区分析技术，形成山洪风险区域的“电子围栏”和“围栏缓冲区”,利用APP终端快速识别处于“电子围栏”和“围栏缓冲区”的人员，实现对风险区域流动人员的全覆盖，并运用信息推送技术实现预警信息的快速发布，达到“预警信息即时找人”的目的。

APP系统利用 关接口覆盖CMPP、SGIP、SMGP、SMPP、ISAG等协议，并通过协议适配实现与移动、联通、电信三大运营商短信中心相对接。APP系统与短信系统接入分为上行和下行两个部分，上行就是把发送 码、目的 码、短信内容发送到短信 关，下行是通过下发短信 码将预警短信发送给用户。

2.1 预 预警技术

基于中国山洪水文模型CNFF,综合考虑流域降雨时空分布差异及产汇流过程，应用前期降雨和场次降雨数据做连续模拟计算，实现村庄所在河道断面洪水过程的滚动模拟。将河道断面的模拟流量与不同等级洪水流量指标对比，根据2 a一遇、5 a一遇、20 a一遇的临界流量标准，设置“关注、警戒、危险”三级风险；同时结合不同河段附近 区的成灾水位/流量指标，判断得到各 区的山洪灾害风险等级，生成预警范围和对应预警等级，从而实现断面预 信息与流域预警范围及等级的“点-面”的转换，实现山洪灾害风险区的预 预警。

CNFF模型通过采用小流域、河段、节点、水源、分水、洼地和水库7类元素并考虑降雨、蒸发、产流、汇流、演进、水库调蓄6类水文过程，基于流域高精度地形地貌数据，实现小流域划分、基础属性与产汇流特性的提取及模型的构建。其中降雨计算采用泰森多边形算法，小流域产流计算采用新安江三水源模型[18],蒸散发计算采用三层蒸发模型，小流域坡面汇流采用非线性分布式单位线模型，河 汇流及洪水演进采用变参数马斯京根演进法[19]。泰森多边形法做降雨插值获得流域面雨量的计算方法如下式所示

2.2 电子围栏技术

缓冲区分析技术是空间分析中的一个基本功能，被广泛应用于解决邻近度问题，系统利用缓冲区分析等技术,基于预 预警技术生成的预警范围和对应预警等级，形成风险区域 “电子围栏”及“围栏缓冲区”,同时系统基于GPS定位滚动分析山洪灾害危险区域内的防汛责任人、沿河居民和流动人员等用户的位置信息，自动匹配预警范围内的用户，及时将生成的预警信息推送给“电子围栏”中的APP用户，同时将“电子围栏”范围推送给缓冲区内的用户，当围栏缓冲区用户位置发生变化进入“电子围栏”范围，APP终端自动匹配，向用户发出预警信息，实现预警信息的定向推送。

电子围栏区域是通过用户与虚拟围栏之间的距离测量算法而构建，并运用射线投射算法检查区域中是否存在用户。由于系统中使用的坐标系不是直角坐标系，而是球面坐标系距离测量算法，采用Harversine算法计算球面坐标系中两个点之间的距离

2.3 边缘计算技术

“边缘”为数据源和云数据中心之间路径上的任何计算和 络资源。边缘计算则是指允许在 络边缘、代表云服务的下游数据和代表物联 服务的上游数据上执行计算的启用技术[23]。边缘计算也可在靠近用户终端设备的 络边缘处理和存储数据，就近为用户提供可靠稳定的服务。利用边缘计算技术，基于APP的计算能力，及时提醒即将进入危险区的缓冲区用户，避免了服务端频繁对所有区域统一进行一次电子围栏分析，从而降低服务端的能耗，延长其待机时长，为用户提供可靠稳定的服务。

2.4 信息推送技术

基本原理是 络公司通过一定的技术标准或协议，从 上的信息源或信息制作商获取信息，并按照用户指定的时间间隔或根据发生的事件过程，通过固定的频道将信息发送给用户[25]。本系统通过在APP与云服务器之间建立并维持一个长连接，利用这个长连接来实现云服务器和APP客户端之间的通信，实时更新用户的位置信息，为山洪危险区域内人员的APP程序实时推送预警信息，实现将预警信息自动送给用户，即“预警信息找用户”。

3 APP功能

App的核心功能主要有预警范围接收及查询、水雨情查询、随手拍(信息反馈)、避险点查询与导航。

3.1 预警范围查询

系统会根据用户所在位置的经纬度，自动推送该流域最新的预警信息，并在地图上显示有预警的流域范围。用户可查询最近时间段的山洪灾害范围，实时观察预警范围的变化，根据这些数据进行及时的分析和决策。如果用户在预警范围内，APP会自动播放语音，提示用户注意安全，及时避险。

3.2 水雨情查询

用户可以利用APP随时随地查询危险区范围、上游水雨情以及未来降雨预 信息。同时用户可查看水位站点的观测水位过程信息，包括默认时段和用户自定义的任意历史时段。在APP中可以查看流域内的降雨情况以雨量过程，系统默认显示昨天八点到当前的降雨，但可查询任意历史时段的降雨及测站的名称、降雨频率、降雨时段、累计雨量和雨量过程线等信息，同时还可从中查看10 min、1 h、3 h、6 h和24 h的时段最大雨量和对应的5 a一遇、10 a一遇、20 a一遇、50 a一遇和100 a一遇的设计暴雨。

3.3 随手拍

如图3所示，APP中的随手拍功能可供用户随时随地反馈所在区域的雨情、水情和灾情等信息，以互动形式将现场洪水及桥梁堵塞情况等信息反馈到云平台，共享给其他危险区人员，所有APP在线用户均可通过APP看到其他人拍摄的照片以及反馈的文字等信息，此功能可提升群众的山洪灾害防御参与度，便捷防汛部门收集各地雨情水情灾情信息，为山洪灾害应急响应提供信息支撑。

为保证随手拍中上传信息的真实性，系统会将上传信息的内容进行命名实体的抽取，获取相关日期、地点、人物和组织机构等实体特征， 从而对事件进行判断并实现对这些信息特征的真实性检测，如果用户上传的图片及文字等信息的真实性较低，系统则不会将其显示在随手拍界面。

3.4 避险点查询与导航

避险点导航主要通过调用串口通信接口实现定位系统接收模块与计算机之间连接，利用传输接口将避险点位置以经纬度的方式显示在APP中。系统将山洪灾害危险区域范围以及用户避险点位置分析比较，为用户展现附近的避险点，利用高德地图的导航服务将规划的线路在APP的用户界面显示，为用户提供避险路线。该路线是根据当地调查评价结果，由历史山洪事件经验获得的路线，系统会将此提示传递给信息接收人，是否按规划避险路线避险还需用户结合自身所处实际情况综合考虑。同时，用户可以自行查看所在位置的山洪灾害防汛责任人、避险点位置以及避险指导方法。

4 应用实例

4.1 试点区域概况及系统部署

选择蛇尾河流域构建山洪灾害预警信息靶向服务系统，并选取流域内的南头村作为该系统的试点村。蛇尾河流域位于河南省西峡县，包含太平镇乡、二郎坪乡及双龙镇等乡镇，流域面积535 km2。蛇尾河全长66 km, 河段比降9.7‰,形状系数为0.13,平均坡度0.568,最长汇流路径长度为77.85 km, 最长汇流路径比降为24.6‰。流域位于北亚热带向暖温带过渡地区，属亚热带季风型大陆性气候，流域内雨水分布不均，年平均降雨量846 mm, 最大年降雨量2 224 mm, 6—9月的雨季常发生强降雨事件，加上地形复杂等因素，蛇尾河流域是山洪灾害多发易发区和重点防治区；南头村位于西峡县双龙镇，占据流域面积11.9 km2,其中上游流域面积为487.5 km2,流域平均坡度为0.453,村内有1座桥梁、96座房屋以及5.93 hm2耕地，常住48户人家，总人口为148人。流域内地形地貌特征、水雨情监测系统(水位站和雨量站)及南头村分布详情如图4所示。

蛇尾河流域已建有包括水雨情监测系统、监测预警平台软件和预警广播系统的山洪灾害监测预警体系，在已建体系和山洪灾害调查评价成果库的基础上构建蛇尾河流域山洪灾害预警信息靶向服务系统，系统与已建体系的集成框架如图5所示。本系统部署后，在原有的预警短信基础上，增加基于APP终端的预警信息靶向服务通道，可将预警信息直接传递给山洪风险区域内的沿河居民和流动人员，实现预警信息的靶向服务，蛇尾河流域监测设备布置及信息流传递如图6所示。为提高预警结果的计算效率，实现预警信息的快捷传递，系统会10 min滚动更新一次监测站点采集的数据，并对每时段收集的数据进行集中计算，可在10 s以内计算得到洪水预 预警结果，5 s以内实现预警信息的发送。

4.2 模型参数及验证

由于蛇尾河流域缺乏长时间序列水文观测数据，且位于流域下游的试点村附近无水文站点，无法利用本流域数据进行模型参数率定等工作，因此为保证模型精度，本研究采用相邻流域水文站(西峡水文站)实测数据进行模型参数率定，在综合考虑多参数影响及参数合理性的前提下，采用SCE-UA算法不断优化模型参数，最终得到的流域参数如表1所列。采用西峡水文站2003—2012年的14场实测流量数据用于模型的率定及验证，结果显示，率定期洪峰流量误差均值为9.1%,验证期洪峰流量误差均值为8.0%,其中验证期两场洪水过程如图7所示。由率定及验证后可知，模型总体模拟效果良好，满足山洪水文模拟需求。

表1 模型参数

Table 1 Model parameters

4.3 山洪预警分析

为测试系统的预 预警功能和APP终端预警信息服务功能，选择蛇尾河流域2019年7月22日暴雨洪水过程对山洪预 预警软件及APP功能进行测试。系统对蛇尾河流域南头村所在河段的暴雨-洪水过程进行了模拟，并将模拟结果同步到APP,南头村上游流域的面雨量过程及所在河段的洪水过程如图8所示。

由图8可知，此次山洪的最大洪峰流量已经达到了899 m3/s, 超过了当地预警警戒线，系统实时分析了山洪灾害风险动态变化，包括APP用户当前所在区域及其他区域，及时规划避险地点及避险路线；针对前往其他地区和路途中的用户，系统会事先根据风险范围划定“电子围栏”和“围栏缓冲区”,判断流动用户是否处于划定风险范围内，为即将前往风险区的用户提供避险提示，用户进而可根据APP内山洪风险范围及避险提示及时避险。

APP在不同时间段的预警范围及预警信息的变化如图9所示。7月22日18时到22日23时之间，蛇尾河流域内暴发短时强降雨，山洪灾害风险地点较多，APP内显示的预警范围较广。随着降雨的减少，预警范围逐渐减少，预警等级逐渐下降，直至7月23日6时左右，蛇尾河流域山洪灾害风险地区消失，用户可依据APP内预警范围和信息的变化，根据自身情况及时避险。同时，APP系统会根据各个时刻的洪峰流量对流域内防汛责任人发布了预警信息，提醒防汛责任人做好暴雨洪水防御工作，密切关注降雨及河道水位变化，做好影响区域预警，及时组织人员转移避险。从此次测试结果看，系统的山洪预 预警功能完备，预警信息也能及时推送给 区防汛责任人和危险区内的APP用户。

5 结果讨论

本系统与现有预警系统相比，采用模拟效果良好的中国山洪水文模型进行上下游关联预 预警，实现预警范围及等级由点及面的转换，能及时对山洪及汛情做出预警，为保证预警信息的准确性和传递效率，本系统集成应用了电子围栏等多种新兴技术，配套部署山洪预警APP,实现了预警信息的靶向传递功能，真正达到了“预警信息找用户”的目的，可应用于中小流域的山洪预警工作中。

值得注意的是，本系统目前只针对山洪灾害预 预警，对发生的山洪是否伴随泥石流的预警并未涉及，今后还需进一步实现山洪监测预警系统的其他功能。同时，尽管山洪灾害预警信息靶向服务系统的建设在山洪灾害防御中发挥了重要作用，但仍需进一步提升山洪灾害监测预警信息的服务能力和提高群众山洪灾害防御的参与度。

6 结 论

山洪灾害预警信息靶向服务系统是在原有的山洪灾害监测预警系统基础上进一步升级改造的。该系统以“云平台+APP”的构建模式，综合利用分布式水文模型、云计算、移动互联 等技术手段，集成应用GPS定位、空间拓扑分析、缓冲区分析和边缘计算等技术方法，解决了当地山洪灾害监测预警平台存在的预警信息传递时效性低、覆盖面不足以及精准度不高等问题，特别是为流动人员的山洪灾害预警提供了可行途径，可有效提升山洪灾害预警水平，具体结论如下：

(a)2019年7月22日18时—23时 (b)2019年7月22日23时—23日04时 (c)2019年7月23日06时—12时

(1)系统在以往利用短信预警的基础上，增加了一个快捷的预警信息传递链，利用APP终端的预警信息靶向服务通道传递预警信息，解决了预警信息传递时效性低的问题，有效减少了因预警信息传递不及时而造成的损失。

(2)系统利用GPS定位和空间分析技术，实现预警信息的定向推送，不仅可以将山洪灾害预警信息覆盖到流域内的村庄，同时也可利用APP将预警信息通知给流动人员，实现流域内山洪灾害预警信息的全面覆盖。

(3)系统面向所有安装APP的用户，实现预警信息的定向发布，为山洪灾害风险区每个人员提供更加精确、便捷的数据。山洪灾害预警信息靶向服务系统的建设将进一步提高我国山洪灾害预 预警水平，增强我国的山洪灾害防御能力。

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