一种智慧型河流生态水位评估及预警系统和方法

1.本发明涉及河流生态系统管控领域，特别涉及一种智慧型河流生态水位评估及预警系统和方法。


背景技术：

2.河流生态水位即满足河流生态系统稳定所需的水位，保证合理的河流生态水位对净化水质、改善河流环境、协调生态系统等具有重要作用。保障河流生态系统稳定，是事关经济社会高质量发展的关键。国内外虽已形成多种成熟的河流生态水位计算评估方法，但各种方法本身仍存在一定不足，且不同的计算方法侧重点也存在差异。
3.目前对于河流生态水位预警管控的传统方法仍是通过水位计或其他专业仪器对河流监测断面水位进行现场监测并人工读取数据，再依据生态水位阈值对河流水资源采取相应的调控，管控流程自动化程度较低，基层水利数据上报时效较慢，具有劳动强度大、监测成本高、预警时效低等弊端，难以适应智慧型河流建设的发展要求，所以亟需一个能够实时监测河流水位，研判预警等级并及时预警的综合性系统。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服现有技术缺陷，提供一种智慧型河流生态水位评估及预警系统和方法，提高河流生态水位评估结果的准确性及预警管控的时效性，为河流生态水位的智慧化管控提供可用的方法参考和技术支撑。
5.本发明的目的一方面是这样实现的：一种智慧型河流生态水位评估及预警系统，包括数据监测层、网络中枢层和应用管理层；
6.所述数据检测层用于通过雷达水位计实时采集河流监测断面的水位数据，并将采集到的水位数据传递给数据采集器；
7.所述网络中枢层用于将数据监测层采集到的数据实时上传至云端服务器进行集中储存和流转；
8.所述应用管理层用于依据生态水位计算方法对河流历史水位信息进行分析研判，并依据河流实时水位信息做出相应的预警响应；实现河流生态水位评估、实时水位可视化、预警预报、数据导出的自动管理。
9.作为本发明的进一步限定，所述数据检测层包括雷达水位计、数据采集器和扩展设备；
10.所述雷达水位计用于监测河流控制断面的实时水位，并将水位数据传递至数据采集器；
11.所述数据采集器与物联网dtu通过rs232连接，实现数据检测层与网络层之间的数据流转；
12.所述扩展设备用于根据不同需求扩展出多种水文数据监测设备，对多种水文参数进行监测。
13.作为本发明的进一步限定，所述网络中枢层包括物联网dtu、数据服务接口、云端服务器和水文数据库；
14.所述物联网dtu用于将监测断面的实时水位数据编辑为云端服务器可识别的json格式的通讯报文，并通过数据服务接口向云端服务器的api接口发送通讯报文；
15.所述水文数据库用于接收云端服务器的实时水文数据，利用实时水文数据进行绘图、预警的同时，并对数据进行存储。
16.作为本发明的进一步限定，所述应用管理层包括生态水位评估模块和实时水位预警模块；
17.所述生态水位评估模块用于通过多种生态水位计算方法确定河流的生态水位预警阈值，分析监测断面历史水位数据并计算出河段的生态水位，并将预警阈值传递至实时水位预警模块并显示在电脑端的可视化平台；
18.所述实时水位预警模块用于依据网络中枢层流转的实时水位数据，可视化显示河流监测断面的实时水位图像，并基于预警机制及生态水位评估模块确定的生态水位预警阈值对河流断面实时水位进行预警等级分析；通过云端预警机器人将河流监测断面的实时警情信息编辑为通讯报文发送至管理人员的移动通讯设备。
19.本发明的目的另一方面是这样实现的：一种智慧型河流生态水位评估及预警方法，包括以下步骤：
20.1)数据监测层的雷达水位计实时监测河流断面的水位，并将数据传输至数据采集器，采集器通过网络中枢层的物联网网关将实时数据传输至云平台以及进行储存及流转；
21.2)将河流监测断面的历史数据导入应用管理层生态水位评估模块的计算平台，通过四种生态水位计算方法评估出河段生态水位预警阈值；
22.3)应用管理层通过api接口向网络中枢层的云平台发起通讯请求，以接收数据监测层雷达水位计采集的实时水位数据；
23.4)实时水位预警模块的绘图平台依据实时水位数据，可视化显示河流监测断面的实时水位；
24.5)实时水位预警模块依据河段生态水位预警阈值，分析实时水位的预警登记，显示相应颜色的预警灯，同时预警机器人将河段的警情信息实时发送至管理人员的通讯设备。
25.作为本发明的进一步限定，所述步骤2)具体包括：应用管理层的生态水位评估模块开始运行，通过将河流监测断面的历史数据导入计算平台；生态水位评估模块判断数据是否符合要求；若符合，则进行下一步；若不符，则修改数据后重新导入；生态水位评估模块依据四种生态水位计算方法对河流监测断面的生态水位进行评估，并将结果显示在生态水位计算平台界面；管理人员可依据河段生态保护目标的不同，在生态水位计算平台界面对生态水位的四种计算结果进行结果优选；生态水位评估模块将计算结果导出保存至数据库，并结束运行。
26.作为本发明的进一步限定，所述步骤4)具体包括：实时水位预警模块开始运行；依据所述数据监测层采集河流监测断面水位数据的时间步长，设置实时水位预警模块的计时器，并启动所述计时器；实时水位预警模块通过api接口向云平台发起通讯请求；若连接成功，则进行下一步；若连接失败，则检查网络连接后再尝试接入云平台；实时水位预警模块
对云平台流传的报文进行解析并储存至数据库；将实时水位数据动态可视化显示在水位监测预警平台。
27.作为本发明的进一步限定，所述步骤5)具体包括：实时水位预警模块基于生态水位预警机制，并依据生态水位评估模块计算出的最佳水位，对实时水位数据进行预警等级分析；实时水位预警模块依据预警等级，对河流监测断面的实时水位做出响应的预警响应；实时水位预警模块进入睡眠模式；判断数据监测层硬件设备是否开始监测，若是，则进行下一轮判断；若否，则模块继续睡眠。
28.本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，有益效果为：本发明系统可扩展多种数据监测设备，自动地采集各类水文数据参数，相较于传统的人工实地监测，能够较为频繁地采集更丰富的水文数据，有助于自然水系的信息化、数字化建设。水文数据资料集中存放管理，并利用云平台、物联网、大数据等现代化信息技术为系统赋能，可较为便捷地对大量历史及实时水位数据进行分析、计算，有助于实现生态水位的智慧化高效管控；以云服务的形式将监测断面水位数据实时提供给生态水位管控所，涉及的评估、研判、可视化等环节，打破了传统生态水位管控工作中各子系统较为封闭的“信息孤岛”状态，并基于自开发的平台实现了“一键交互”式的计算、监测及预警功能。
附图说明
29.图1为本发明系统构建框架示意图。
30.图2为本发明的系统运行流程图。
31.图3为本发明生态水位评估模块运行流程图。
32.图4为本发明实时水位预警模块运行流程图。
33.图5为本发明提供的一种河流生态水位管控平台计算平台界面。
34.图6为本发明提供的一种河流生态水位管控平台预警平台界面。
具体实施方式
35.如图1所示的一种智慧型河流生态水位评估及预警系统，包括数据监测层、网络中枢层和应用管理层；
36.数据检测层用于通过雷达水位计实时采集河流监测断面的水位数据，并将采集到的水位数据传递给数据采集器；
37.网络中枢层用于将数据监测层采集到的数据实时上传至云端服务器进行集中储存和流转；
38.应用管理层用于依据生态水位计算方法对河流历史水位信息进行分析研判，并依据河流实时水位信息做出相应的预警响应；实现河流生态水位评估、实时水位可视化、预警预报、数据导出的自动管理。
39.数据检测层包括雷达水位计、数据采集器和扩展设备；雷达水位计、数据采集器通过蓄电池供电；雷达水位计和数据采集器通过rs232连接实现水位数据传输；
40.雷达水位计用于监测河流控制断面的实时水位，并将水位数据传递至数据采集器；
41.数据采集器与物联网dtu通过rs232连接，实现数据检测层与网络层之间的数据流
转；
42.扩展设备用于根据不同需求扩展出多种水文数据监测设备，对多种水文参数进行监测；数据监测层具备一定的可扩展性，可根据河流生态管控的需要增加雨量筒、智能摄像头、遥感无人机等设备以监测雨量、流速、水质等水文参数。
43.网络中枢层包括物联网dtu(data transfer unit，dtu)、数据服务接口、云端服务器和水文数据库；
44.物联网dtu用于将监测断面的实时水位数据编辑为云端服务器可识别的json格式的通讯报文，并在4g、5g等移动网络下通过数据服务接口向云端服务器的api接口发送通讯报文；物联网dtu通过蓄电池供电，蓄电池通过太阳能板蓄电；
45.水文数据库用于接收云端服务器的实时水文数据，利用实时水文数据进行绘图、预警的同时，并对数据进行存储。
46.应用管理层包括生态水位评估模块和实时水位预警模块；
47.生态水位评估模块用于通过多种生态水位计算方法确定河流的生态水位预警阈值，分析监测断面历史水位数据并计算出河段的生态水位，并将预警阈值传递至实时水位预警模块并显示在电脑端的可视化平台；
48.实时水位预警模块用于依据网络中枢层流转的实时水位数据，可视化显示河流监测断面的实时水位图像，并基于预警机制及生态水位评估模块确定的生态水位预警阈值对河流断面实时水位进行预警等级分析；通过云端预警机器人将河流监测断面的实时警情信息编辑为通讯报文发送至管理人员的手机、智能手表等移动通讯设备；实时水位预警模块的功能包括水位可视化、预警等级分析、预警灯响应、机器人实时预警。
49.水位可视化功能，可根据监测断面水位变动情况调整绘图的时间步长，当水位变动较大时，缩短绘图的时间步长；当水位变动不大时，保持原有的绘图时间步长。
50.预警等级分析功能将河流的生态水位值作为系统的预警指标，将河流监测断面实时水位的警情分为“不预警”、“低警度预警”、“中警度预警”、“重警度预警”四级。预警灯响应功能有“蓝”、“黄”、“橙”、“红”四种颜色，分别对应所述四级警情；
51.机器人实时预警功能，以云服务的形式，通过云端预警机器人将河流监测断面的实时警情信息编辑为通讯报文发送至管理人员的手机、智能手表等移动通讯设备，以提高生态水位管控的及时性。
52.如图2所示的一种智慧型河流生态水位评估及预警方法，包括以下步骤：
53.1)数据监测层的雷达水位计实时监测河流断面的水位，并将数据传输至数据采集器，采集器通过网络中枢层的物联网网关将实时数据传输至云平台以及进行储存及流转；
54.2)将河流监测断面的历史数据导入应用管理层生态水位评估模块的计算平台，通过四种生态水位计算方法评估出河段生态水位预警阈值；
55.如图3所示的生态水位评估模块运行流程图，其操作界面如图5所示，具体步骤如下：
56.河流生态水位管控平台启动后，应用管理层的生态水位评估模块开始运行；
57.通过将河流监测断面的历史数据导入计算平台；
58.生态水位评估模块判断数据是否符合要求；若符合，则进行下一步；若不符，则修改数据后重新导入；
59.生态水位评估模块依据四种生态水位计算方法对河流监测断面的生态水位进行评估，并将结果显示在如图5所示的生态水位计算平台界面；
60.管理人员可依据河段生态保护目标的不同，在如图5所示的生态水位计算平台界面对生态水位的四种计算结果进行结果优选；
61.生态水位评估模块将计算结果导出保存至数据库，并结束运行。
62.生态水位评估模块的计算方法包括最低生存水深法、90％保证率最低水位法、最小月平均水位法、湿周法；用以确定河流的生态水位预警阈值；
63.(1)最低生存水深法：
64.最低生存水深是满足流域内生物生存所需的基本水量。因鱼类一般为河道生态系统内的顶级生物群落，故认为鱼类最低生存水位即可满足河道内其他生物的生存需求。
65.h
emin
＝h+h
鱼
(1)
66.式中，h
emin
为最低生存水位(m)；h为河底高程(m)；h鱼为鱼类最低生存水深(m)。
67.(2)90％保证率年最低水位法：
68.根据水文长系列逐日平均水位资料，根据式(2)-(3)绘制经验频率曲线，选取90％保证率对应的水位为生态水位。采用式(4)评价曲线的拟合优度，rmse越低，拟合优度越高。
[0069][0070]
式中，m为月平均水位排列序号；n为样本容量；x
p
为经验点据对应值；k
p
为模比系数；为离均系数；p
t
为理论频率；pe为经验频率。在计算过程中采用matlab中的gamcdf函数及其逆函数gaminv函数来计算和k
p
，相比于传统方法，更加高效便捷。
[0071]
t
p
＝gaminv(p,α,β)(5)
[0072][0073]
p
t
＝1-gamcdf(x
p
,α,1/β)(7)
[0074]
式中，t
p
为标准г分布分位数；p为概率值；α、β为分布参数。
[0075]
(3)最小月平均水位法：
[0076]
将多年水位数据按月份进行分类,计算各月水位均值并筛选出每年的最小月均水位，再通过计算最小月均水位的多年均值即可得到最小月平均水位法对应的河道生态水位。
[0077][0078]
式中，n为年份数；h
ij
为第i年第j个月的月均水位。
[0079]
(4)湿周法：
[0080]
根据研究区监测断面处的数据拟合出湿周-水位关系曲线，以曲线拐点处的水位
作为河道生态水位。曲线存在多个拐点时，以河道平均水位为基准点，其对应湿周为r，取湿周最接近80％r的拐点做为确定点。
[0081]
计算平台基于河流监测断面的历史水位数据及上述最低生存水深法、90％保证率法、最小月平均水位法及湿周法来确定生态水位的预警阈值，计算平台可将该预警阈值传递至实时水位预警模块并显示在电脑端的可视化平台，管理人员还可依据不同的生态保护目标对生态水位的计算结果进行优选以确定最佳生态水位。
[0082]
实时水位预警模块为所述应用管理层的预警平台，主要用于依据所述网络中枢层流转的实时水位数据，可视化显示河流监测断面的实时水位图像，并基于预警机制及所述生态水位评估模块确定的生态水位预警阈值对河流断面实时水位进行预警等级分析。确定预警等级后，预警平台将依据实时水位所处预警等级在电脑端可视化平台显示对应颜色的预警灯，并通过云端预警机器人自动化地将实时水位、预警等级、预警发生时间等警情信息实时发送至管理人员的手机、智能手表等随身的移动通讯设备，以确保警情可及时通知到位，提升预警管控的反应效率。
[0083]
预警机制的具体内容如下：
[0084]
基于计算平台确定的河流生态水位阈值，结合式(9)计算河流监测断面实时水位和生态水位阈值间的差值，并根据计算结果确定预警等级。
[0085]
δ＝h
t-h(9)
[0086]
式中，h
t
为实时水位(m)；h为生态水位阈值(m)。
[0087]
预警等级分为四级，当δ≥0m时，不预警，电脑端可视化平台中的预警灯显示为蓝色；当δ≥-0.15m时，低警度预警，电脑端可视化平台中的预警灯显示为黄色；当δ≥-0.30m时，中警度预警，电脑端可视化平台中的预警灯显示为橙色；当δ＜-0.30m时，重警度预警，电脑端可视化平台中的预警灯显示为红色。
[0088]
3)应用管理层通过api接口向网络中枢层的云平台发起通讯请求，以接收数据监测层雷达水位计采集的实时水位数据；
[0089]
4)实时水位预警模块的绘图平台依据实时水位数据，可视化显示河流监测断面的实时水位；
[0090]
如图4所示的一种实时水位预警模块运行流程图，其操作界面如图6所示，具体步骤如下：
[0091]
实时水位预警模块开始运行；
[0092]
依据所述数据监测层采集河流监测断面水位数据的时间步长，设置实时水位预警模块的计时器，并启动所述计时器；
[0093]
实时水位预警模块通过api接口向云平台发起通讯请求；若连接成功，则进行下一步；若连接失败，则检查网络连接后再尝试接入云平台；
[0094]
实时水位预警模块对云平台流传的报文进行解析并储存至数据库；
[0095]
将实时水位数据动态可视化显示如图6所示在水位监测预警平台。
[0096]
5)实时水位预警模块依据河段生态水位预警阈值，分析实时水位的预警登记，显示相应颜色的预警灯，同事预警机器人将河段的警情信息实时发送至管理人员的通讯设备；
[0097]
实时水位预警模块基于生态水位预警机制，并依据生态水位评估模块计算出的最
佳水位，对实时水位数据进行预警等级分析；
[0098]
实时水位预警模块依据预警等级，对河流监测断面的实时水位做出响应的预警响应；
[0099]
实时水位预警模块进入睡眠模式；判断数据监测层硬件设备是否开始监测(是否满足计时器响应时间)，若是，则进行下一轮判断；若否，则模块继续睡眠。
[0100]
本发明提出一种智慧型河流生态水位评估及预警系统和方法，可扩展多种数据监测设备，自动地采集各类水文数据参数，相较于传统的人工实地监测，能够较为频繁地采集更丰富的水文数据，有助于自然水系的信息化、数字化建设。水文数据资料集中存放管理，并利用云平台、物联网、大数据等现代化信息技术为系统赋能，可较为便捷地对大量历史及实时水位数据进行分析、计算，有助于实现生态水位的智慧化高效管控。以云服务的形式将监测断面水位数据实时提供给生态水位管控所涉及的评估、研判、可视化等环节，打破了传统生态水位管控工作中各子系统较为封闭的“信息孤岛”状态，并基于自开发的平台实现了“一键交互”式的计算、监测及预警功能。
[0101]
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种智慧型河流生态水位评估及预警系统，其特征在于，包括数据监测层、网络中枢层和应用管理层；所述数据检测层用于通过雷达水位计实时采集河流监测断面的水位数据，并将采集到的水位数据传递给数据采集器；所述网络中枢层用于将数据监测层采集到的数据实时上传至云端服务器进行集中储存和流转；所述应用管理层用于依据生态水位计算方法对河流历史水位信息进行分析研判，并依据河流实时水位信息做出相应的预警响应；实现河流生态水位评估、实时水位可视化、预警预报、数据导出的自动管理。2.根据权利要求1所述的一种智慧型河流生态水位评估及预警系统，其特征在于，所述数据检测层包括雷达水位计、数据采集器和扩展设备；所述雷达水位计用于监测河流控制断面的实时水位，并将水位数据传递至数据采集器；所述数据采集器与物联网dtu通过rs232连接，实现数据检测层与网络层之间的数据流转；所述扩展设备用于根据不同需求扩展出多种水文数据监测设备，对多种水文参数进行监测。3.根据权利要求1所述的一种智慧型河流生态水位评估及预警系统，其特征在于，所述网络中枢层包括物联网dtu、数据服务接口、云端服务器和水文数据库；所述物联网dtu用于将监测断面的实时水位数据编辑为云端服务器可识别的json格式的通讯报文，并通过数据服务接口向云端服务器的api接口发送通讯报文；所述水文数据库用于接收云端服务器的实时水文数据，利用实时水文数据进行绘图、预警的同时，并对数据进行存储。4.根据权利要求1所述的一种智慧型河流生态水位评估及预警系统，其特征在于，所述应用管理层包括生态水位评估模块和实时水位预警模块；所述生态水位评估模块用于通过多种生态水位计算方法确定河流的生态水位预警阈值，分析监测断面历史水位数据并计算出河段的生态水位，并将预警阈值传递至实时水位预警模块并显示在电脑端的可视化平台；所述实时水位预警模块用于依据网络中枢层流转的实时水位数据，可视化显示河流监测断面的实时水位图像，并基于预警机制及生态水位评估模块确定的生态水位预警阈值对河流断面实时水位进行预警等级分析；通过云端预警机器人将河流监测断面的实时警情信息编辑为通讯报文发送至管理人员的移动通讯设备。5.一种如权利要求1-4任一所述的一种智慧型河流生态水位评估及预警方法，其特征在于，包括以下步骤：1）数据监测层的雷达水位计实时监测河流断面的水位，并将数据传输至数据采集器，采集器通过网络中枢层的物联网网关将实时数据传输至云平台以及进行储存及流转；2）将河流监测断面的历史数据导入应用管理层生态水位评估模块的计算平台，通过四种生态水位计算方法评估出河段生态水位预警阈值；3）应用管理层通过api接口向网络中枢层的云平台发起通讯请求，以接收数据监测层
雷达水位计采集的实时水位数据；4）实时水位预警模块的绘图平台依据实时水位数据，可视化显示河流监测断面的实时水位；5）实时水位预警模块依据河段生态水位预警阈值，分析实时水位的预警登记，显示相应颜色的预警灯，同时预警机器人将河段的警情信息实时发送至管理人员的通讯设备。6.根据权利要求5所述的一种智慧型河流生态水位评估及预警方法，其特征在于，所述步骤2）具体包括：应用管理层的生态水位评估模块开始运行，通过将河流监测断面的历史数据导入计算平台；生态水位评估模块判断数据是否符合要求；若符合，则进行下一步；若不符，则修改数据后重新导入；生态水位评估模块依据四种生态水位计算方法对河流监测断面的生态水位进行评估，并将结果显示在生态水位计算平台界面；管理人员可依据河段生态保护目标的不同，在生态水位计算平台界面对生态水位的四种计算结果进行结果优选；生态水位评估模块将计算结果导出保存至数据库，并结束运行。7.根据权利要求5所述的一种智慧型河流生态水位评估及预警方法，其特征在于，所述步骤4）具体包括：实时水位预警模块开始运行；依据所述数据监测层采集河流监测断面水位数据的时间步长，设置实时水位预警模块的计时器，并启动所述计时器；实时水位预警模块通过api接口向云平台发起通讯请求；若连接成功，则进行下一步；若连接失败，则检查网络连接后再尝试接入云平台；实时水位预警模块对云平台流传的报文进行解析并储存至数据库；将实时水位数据动态可视化显示在水位监测预警平台。8.根据权利要求5所述的一种智慧型河流生态水位评估及预警方法，其特征在于，所述步骤5）具体包括：实时水位预警模块基于生态水位预警机制，并依据生态水位评估模块计算出的最佳水位，对实时水位数据进行预警等级分析；实时水位预警模块依据预警等级，对河流监测断面的实时水位做出响应的预警响应；实时水位预警模块进入睡眠模式；判断数据监测层硬件设备是否开始监测，若是，则进行下一轮判断；若否，则模块继续睡眠。

技术总结
本发明公开了一种智慧型河流生态水位评估及预警系统和方法，包括数据监测层、网络中枢层和应用管理层；数据监测层的雷达水位计实时监测河流断面的水位，并将数据传输至数据采集器；通过四种生态水位计算方法评估出河段生态水位预警阈值；应用管理层通过API接口向网络中枢层的云平台发起通讯请求，以接收数据监测层雷达水位计采集的实时水位数据；实时水位预警模块的绘图平台依据实时水位数据，可视化显示河流监测断面的实时水位；依据河段生态水位预警阈值，分析实时水位的预警登记，显示相应颜色的预警灯。本发明提高了河流生态水位评估结果的准确性及预警管控的时效性，为河流生态水位的智慧化管控提供可用的方法参考和技术支撑。术支撑。术支撑。


技术研发人员：郭家诚 方红远 黄金柏 赵洪铖 彭卓越
受保护的技术使用者：扬州大学
技术研发日：2023.03.23
技术公布日：2023/6/28