[发明专利]一种基于边缘计算的山洪灾害预警监测系统

说明书

本发明涉及一种基于边缘计算的山洪灾害预警监测系统，包括感知层、汇聚层、传输层和应用层：所述感知层用于采集传感器数据；所述汇聚层在传感器网络边缘侧参与全局协同，用于将不同位置、不同种类的传感器数据进行融合；所述传输层用于实现汇聚层和应用层的通信链接；所述应用层用于山洪致灾要素的实时监测和应急指挥。本发明能够为防灾减灾提供低功耗、低成本、分布计算、海量连接、实时可信的数据服务。

技术领域

本发明涉及山洪灾害预警技术领域，特别是涉及一种基于边缘计算的山洪灾害预警监测系统。

背景技术

我国山洪灾害防治区面积大；山丘区受地形、地貌影响，局地小气候特征明显；目前山洪灾害防治区监测区监测网点布设不够，覆盖率不高；现有山丘区雨量站密度稀、自动化程度低，难以捕捉到突发性暴雨洪水的信息；也缺乏山洪诱发的泥石流、滑坡监测设施，泥石流、滑坡监测主要依靠群测群防，对重要山洪灾害危险点的监测不够；特别是山丘区小流域水雨情数据采集主要靠人工进行观测、人工报汛，通信设备陈旧、手段落后，水雨情传输速度慢，自动化程度低，信息传输时效性差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于边缘计算的山洪灾害预警监测系统，能够为防灾减灾提供低功耗、低成本、分布计算、海量连接、实时可信的数据服务。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于边缘计算的山洪灾害预警监测系统，包括感知层、汇聚层、传输层和应用层：所述感知层用于采集传感器数据；所述汇聚层在传感器网络边缘侧参与全局协同，用于将不同位置、不同种类的传感器数据进行融合；所述传输层用于实现汇聚层和应用层的通信链接；所述应用层用于山洪致灾要素的实时监测和应急指挥。

所述感知层采集的传感器数据包括土壤温湿度、降雨量、地表位移、深部位移、孔隙水压力、水体含沙量和流速；其中，所述土壤温湿度通过测量电磁波在介质中的传播频率来获得；所述降雨量通过雨点击打在电介质上的压电效应来获得；所述地表位移数据通过双星多频分体式接收机来获得；所述深部位移通过传感器监测深部点的倾斜和相对位移来获得；所述孔隙水压力通过孔隙水在电介质上的压电效应来获得；所述水体含沙量通过检测发射的透射光与接收的散射光之间的比值来获得；所述流速通过超声在水中的多普勒效应来获得。

所述汇聚层通过边缘计算单元将不同位置、不同种类的传感器数据进行融合，具体操作如下：建立并打开数据库；将每个预设时间读入的传感器数据按指定格式存储在数据库中；周期性对不同传感器的数据使用中位值滤波，将滤波后的测量值进行本地存储并通过传输层上传至应用层；指定数据存储期限，在数据库中将存储期限前的数据删除，保证实时数据优先进行存储；基于数据分析和清洗的结果，使用分类器、规则模型对实时数据进行分析，得出决策指令并对传感器执行相关操作。

在所述周期性对不同传感器的数据使用中位值滤波前，还需要检查传感器数据缺失和异常。

所述汇聚层引入基于环境感知的低功耗策略，所述基于环境感知的低功耗策略具体为：初始化设置，开始接入无线网络，提前开启并采集传感器数据；根据采集的传感器数据计算当前危险因子值并更新；根据危险因子值判断是否需要进行频繁上报，若不需要则进入深睡眠状态，若需要则设定休眠和唤醒参数，并进入浅睡眠状态。

所述传输层为一个双模无线通信模块，包括无线自组网模块和公网模块，所述无线自组网模块实时完成传感器数据的大范围传输；所述公网模块包含WiFi接入和4G接入；当布设地点公网信号质量好时采用公网模块进行通信，当布设地点公网信号质量差或无信号时则采用无线自组网模块进行无线自组网通信。

所述应用层采用基于危险因子的预测模型对山洪致灾要素进行实时监测和应急指挥；所述基于危险因子的预测模型是在ARIMA模型基础上，使用差分化得到平稳时间序列，并对所述平稳时间序列建立移动平均自回归模型。

有益效果