基于物联网的气象灾害监测与预警系统设想方案
盛伟 1 臧欣 1 杨晓峰 1 王铁 1
1.南京中网卫星通信股份有限公司；南京；邮编：210061
摘 要
本文中所阐述的基于物联网的气象灾害监测与预警系统，将应用物联网技术将区域站点组成相对独立的网络，迅速上传收集的区域数据；同时将区域数据快速上传到省气象灾害预警中心；在上传到省气象灾害预警中心时，可根据无线GPRS、3G、卫星等系统状况，应用物联网技术在最短的时间、用最有效的方式，自动搜索最佳传输方式。
建立移动气象感知台，自动组网，自动收集当地资料，智能接入气象灾害监测网。
根据收集处理的气象监测信息，及时分析加工，应用数值预报等天气预报新技术，及时制作气象灾害及其衍生灾害的预警产品。
同时，根据气象灾害及其衍生灾害的种类，及时制作各级政府需要的气象灾害决策服务信息、对策建议和人民群众需要的灾害预警信息、灾害防御措施等服务产品。
关键词：物联网气象自动站；SINK节点；异构传感器网络；移动气象感知车
1. 前言
江苏处于中纬度过渡带、海陆相过渡带和季风气候过渡带相重叠的地区，是典型的气象灾害频发区，气象灾害种类较多，每年因气象灾害造成的损失约占国民生产总值的3—6%。
因此，有效组织应对气象灾害、防御气象灾害及减轻灾害影响已成为省政府工作重点，并上升为建设服务型政府工作的具体体现。
作为气象部门的职责，提高气象灾害监测预警能力、提高气象灾害预报准确率、提高气象服务水平、建设精细化预报体系已成为政府防灾减灾决策的重要支撑。
近年来江苏气象现代化建设一直走在全国的前列，全省已建成6部国际先进的新一代多普勒天气雷达，3部L波段高空测风雷达，1050个自动气象站等先进探测手段，初步建立了中尺度数值预报模式，建成了预报智能化业务平台，对提高我省气象灾害监测、预报服务水平发挥了重要作用。
但受财力、物力、人力等限制，气象灾害监测网建设密度不够，很多重大气象灾害如短时强降水、瞬时大风、冰雹、龙卷甚小尺度天气现象等，是由中、小尺度的天气系统引起，时空尺度非常小，目前10公里分辨率的监测站点无法准确及时的捕捉到。
特别是重点区域，局限性更大，危害也更大。
此外，气象灾害监测、信息实时传输能力、预
警信息处理发布、防御决策、公共气象服务等尚欠完善。
通过本系统的建设，可以建立重大气象灾害（短时强降水、瞬时大风、冰雹、龙卷等）综合观测应用系统，形成面向行业和全社会的气象信息共享平台。
台风、暴雨等重大灾害性天气的预报质量提高5%-10%，局地强对流天气预警发布时间在0.5小时以上，气象预报、警报的公众覆盖率达95%，气象服务的综合能力显著提高，气象灾害对GDP的影响率在现有水平上降低20%。
江苏气象业务现代化及其气象服务水平达到国内领先水平和国际先进水平，实现“国内一流、国际先进”的目标。
2. 基于物联网的气象灾害监测与预警系统总体组成
如图1所示，本系统工程设想由物联网气象自动站、公众有线数据网、2G/3G公众蜂窝网、省气象信息收集处理系统、预报服务产品分析制作系统、省突发公共事件信息发布系统以及移动气象感知车等组成。
物联网气象自动站是对现有大尺度栅格站点采用无线传感器网络进行灵活加密布置而形成的新型站点。
图2是对省内区域站点实施加密布置的示意图。
加密布置的物联网自动站根据实际需求可以是廉价的单要素，也可以是多要素，布点尺度可以是100m、500m、1km不等，如图3所示。
各物联网自动站通过汇聚网关，根据本地广域网条件可以选择公众有线数据网、2G/3G 公众蜂窝网接入到远程省气象信息收集处理系统。
在因重大灾害造成地面广域网瘫痪情况下，也可以通过进入传感网覆盖区的移动气象感知车，经由卫星信道接入到省气象信息收集处理系统。
图4是移动气象感知车应用示意图。
图中移动气象感知车是应急通信车，装有移动汇聚网关，用于与车附近的传感器网进行自动通信。
它具有卫星、2G/3G公众蜂窝网、无线宽带城域网三种通道，可以根据本地广域网情况智能选择，以降低综合使用成本。
气象灾害监测站的数据经广域网传送到省气象信息收集处理系统和预报服务产品分析制作系统，并被及时分析加工，应用数值预报等天气预报新技术，及时制作气象灾害及其衍生灾害的预警产品。
同时，根据气象灾害及其衍生灾害的种类，及时制作各级政府需要的气象灾害决策服务信息、对策建议和公众需要的灾害预警信息、灾害防御措施等服务产品，送往省突发公共事件信息发布系统。
省突发公共事件信息发布系统，图5所示，通过短信、卫星DAB数据广播、北斗数据广播等多种发布方式，发送到手机、LED大屏、DAB接收、北斗等数据接收终端上，满足政府、企事业单位、学校、公众对各种预警信息的需求。
3. 几种网络传输架构
3.1 物联网网络传输架构
图6描述了采用蜂窝网接入时的物联网网络传输架构，最底层是传感网络层，面向传感数据业务流量较低、节点和网络生命周期要求较长的传感节点组网互联，主要解决不同区域、不同应用类型下的节点感知、组网需求，具有随机布设、自治组网、可裁剪、抗毁、动态网络等特点。
中层为移动通信网络层，底层传感网的数据信息通过固定或者移动SINK节点，借助移动通信网络的基础设施进行传输，解决底层传感网传感数据业务流量较小、资源受限的问题，以及传感网的中远程覆盖，并实现与底层网络的协同、融合，提供高速数据传输。
中层网络中的移动汇聚网关，负责将底层传感网络的信息汇聚处理，并由移动通信网络传输给不同级别的信息中心，实现不同类别、不同层次、不同区域的传感信息互相协同，从物理空间上大大拓展了传感网的应用范围，实现无线传感网与现有网络的融合。
高层IP网承载无线传感器网络相关应用业务，实现基于无线传感网的M2M业务，从而更好地拓展其应用领域。
SINK节点也可实现基于多网融合的对WLAN/以太网/蜂窝网的无缝接入与自适应切换，以提高数据传输的实时性与可靠性。
3.2 传感网网络架构
考虑到网络覆盖范围、可伸缩性能以及成本等方面，传感网拟采用二级异构网络架构。
传感网络中的传感器节点由低能量节点（普通数据采集节点）和高能量节点组成。
采用分簇的二级拓扑结构，低能量节点作为簇成员，高能量节点作为簇头，簇头之间形成高速骨干网。
每个簇成员采集的数据通过多跳路由到达簇头节点，簇头节点对数据进行压缩处理后通过骨干网络将数据包发送至网关（汇聚网关）。
为保证数据传输可靠性，网络中可配备多个备用
网关节点，当主网关节点出现故障时备用节点可自动接管起工作。
传感网络结构如图7所示。
图7 传感网络结构
低能量节点采用干电池供电，体积小、成本低、功能单一，高能量节点采用蓄电池或太阳能电池供电，硬件资源较为丰富、功能强，除完成数据采集、融合和路由传输功能外，加入IP摄像头可升级为视频监控节点。
网关（SINK节点）视原有基础设施情况以及到控制中心的距离接入传输网络（可能是有线网络、WLAN或者蜂窝网），将数据传送至控制中心。
异构传感器网络与普遍研究的同构网络相比，存在节点异构、链路异构、能量异构等差别，需要采用不同的节点模型、能量模型与度量标准。
国外学者研究表明，采用多级异构网络形式，在高能量节点占总节点数的10％的情况下，可以使整个网络的生命周期延长到原先的5倍以上。
3.3 应急通信网络架构
当遇到灾害天气，有线接入、蜂窝接入均不可用时，可以采用移动气象感知车，通过卫星链路实现气象信息传输。
在这里移动气象感知车除了自身作为移动气象站外，还可以与气象传感网配合，作为提供卫星链路接入功能的移动传感网关，提供更大范围气象信息采集与发布。
高能量节点之间的通信距离可达1000米以上，通过多跳传输（假设跳数≤5），移动气象感知车可以与10KM*10KM范围内的气象传感器节点取得联系，提供更加精确的气象信息。
网络结构如8图所示。
图8 卫星应急通信网络
4. 结论
通过本系统的研制和应用，必能为我省乃至全国创建高密度、精准化灾害预报预警系统提供可行的复制模式，为全省提高气象灾害防御能力提供硬件保障条件。
带动我省高精度、高准确性气象传感器，高效、灵活、低功耗气象专用无线传感网络，高可靠性多通道汇聚网关、预警信息接收终端等产品的研发和生产，促进气象行业物联网产业链的形成和发展。
在减少突发气象灾害对人民生命财产和社会经济造成的损失等方面，将产生显著的社会效益和经济效益。
参考文献
[1] 郜凌云1、2王永会1、张广梅3 ；基于WebGIS 的气象监测技术集成与应用；维普网/科海故事博览.科教创新/2012年第9期总390期；发布日期：2012-11-03
[2] 吴丽红1、陈平华2；武汉市气象灾害监测预警分析平台设计与实现；龙源期刊网/城市建设理论研究2012年第18期；
[3] 王玉平1、王喜莲2、刘孝清3；强化气象灾害防御的应急处置；《北京农业》/2011年36期；
[4] 彭云峰1;我国气象灾害及其应急管理研究[D];福建师范大学;2009年
[5] 鲁旭1;严卫2;气象灾害评估理论体系探讨[A];第六届长三角气象科技论坛论文集[C];2009年
[6] 记者 冯丽俐1;气象灾害拟短信预警[N];昆明日报;2010年
[7] 石河1;干旱：美国最严重的气象灾害[N];光明日报;2010年。