2011.12-分层递阶雨水情信息系统的应用研究

第42卷第24期2011

年12月

人民长江Yangtze River Vol．42，No．24Dec．，2011

收稿日期：2011－09－02作者简介：代平，男，硕士研究生，主要研究方向为模式识别与智能系统、嵌入式应用。E －mail ：125374565@qq．com 通讯作者：严

华，男，副教授，博士，主要研究方向为模式识别与智能系统、水利信息化。E －mail ：yanhua@scu．edu．cn

文章编号：1001－4179（2011）24－0017－04

分层递阶雨水情信息系统的应用研究

代

平，严

华

（四川大学电子信息学院智能控制研究所，四川成都610064）

摘要：针对现有雨水情系统存在稳定性、可靠性和智能性方面的问题，基于Saridis 提出的智能控制理论，设计了分层递阶雨水情信息系统。该系统在现有两级系统的基础上，

增加了专门处理雨水情信息的嵌入式设备，搭建了遥测终端与雨水情应用平台的联系桥梁，使遥测终端和雨水情应用平台分工、功能更加明确，新系统提高了原有系统的稳定性、可靠性，可根据任务执行情况的反馈信息，并及时更新决策方案，因此，智能化程度更高。关

键

词：雨水情遥测；信息传输；灾情处理；自动控制；分层递阶模型

中图法分类号：TP391

文献标志码：A

近年来，各种自然灾害频发，对人民生命财产安全

构成极大威胁，

加上气候越趋恶劣，地理条件复杂，人口众多，对指导抗洪救灾、人员疏散、物资运送等的雨

水情信息系统提出了更高的智能化要求。雨水情人工测报方式不仅存在着一定的人身安全隐患，同时，由于依靠人工，难免有误报、延时等情况发生，数据的实时性、可靠性难以保证。随着水利数字化技术的发展，岀现了完整的基于PC 机和嵌入式遥测终端的雨水情信息系统。这类系统一般采用两级处理模式，即遥测终端和上位处理机。随着对系统智能化要求的提高，由于两级模式系统在设计上的不足，其在安全性、可维护性、灵活性、智能性难以满足日趋复杂的应用环境。基于上述情况，提出将智能控制理论中的分层递阶模型应用到雨水情信息系统的设计中，克服现有两级系统的缺陷，并使系统具有更好的统筹规划、智能协助决策、自主学习能力，以满足雨水情信息系统智能化、复杂环境应用的要求。

1现有雨水情信息系统分析

雨水情信息系统一般都是两级模型［1－2］

，包括嵌

入式遥测终端和上位处理机，如图1所示。

遥测终端连接测量各种数据的传感器，上位处理

机中包括雨水情数据库和雨水情信息系统应用平台。遥测终端和上位机之间通过GPRS 等方式进行通信。系统工作时，遥测终端向上位机报送实时采集的数据并存储在上位机数据库中，雨水情应用平台为B /S 或C /S 架构，与数据库完成数据交互以及信息展示功能；上位机向遥测终端发送控制命令，设置报送数据的频率、精度等。

图1现有雨水情信息系统模型

这种系统在现有的雨水情监测中发挥了巨大作用，但从现有和未来的应用需求来看，还有以下几个方面的不足：

（1）稳定性。由于PC 机本身可能具有多种用途，会影响到雨水情数据的处理；另外置于网络中的PC 机容易受到病毒攻击，对雨水情信息系统的稳定运

人民长江2011年

行带来了很大的威胁。

（2）可靠性。由于系统采用两级结构设计，一旦上位机出现故障，

将造成整个系统瘫痪。上位机本身不是雨水情数据处理的专用设备，它要同时处理上百个遥测终端的数据，

并在处理数据的同时完成站点管理、

接受远程访问并承担其他非雨水情应用任务等，这在可靠性上难以得到保障。

（3）智能性。两级结构设计本身基本能完成现有的任务需求，但是随着应用环境愈加复杂，信息化建设的发展，对雨水情信息系统提出了更高的智能化要求。这让没有专用的雨水情数据处理设备的两级系统难以胜任。

2分层递阶模型分析2．1

分层递阶简介

分层递阶是在自动控制和自适应控制的基础上，

由Saridis 提出的智能控制理论［3］

，如图2所示

。

图2

分层递阶结构示意

分层递阶智能控制主要由3个控制级组成，按智能程度的高低分为组织级、协调级、执行级，这3级遵循智能递降，精度递增原则。组织级执行最高决策，监视指导协调级和执行级

的所有行为，

智能程度最高。协调级可分为控制管理分层和控制监督分层。监

督分层保证和维持执行级中各控制器的正常运行，并进行局部参数整定及性能优化；控制分层将组织级下

达的任务通过设计和计划，产生下一层能识别的控制命令。

执行级执行某一个确定的活动，其精度最高。通过执行机构作用于被控过程，同时通过传感器测量环境，提供高层决策依据。

2．2雨水情信息系统中的分层递阶模型

本文基于分层递阶智能控制的概念和现有的两级

雨水情信息系统

［4－5］

，提出三级模型的雨水情信息系

统，如图3所示。

第一级是各种雨水情数据的应用平台，提供人机

接口，展示信息和接收任务，对任务进行推理、规划和决策，同时自学习新的应用环境并更新决策规则。第二级是专门的雨水情数据处理设备，对下层接收来的信息进行统一处理，并按不同的格式推送到上级应用平台上，

同时对上级来的任务序列，进行通常协调处理，

转换成具体的执行命令。最下一级是执行级，对应雨水情信息系统中的遥测终端，连接各类传感器和控制器，向上提供应用环境的最新信息，向下通过控制器控制具体的过程，如传感器、闸门、电机等

。

图3

三级模型的雨水情信息系统

3基于分层递阶模型的雨水情信息系统设计3．1

组织级

组织级是整个系统的大脑，在雨水情信息系统中，

为各种基于雨水情数据的应用平台，一般采用C /S 或B /S 模式。以山洪灾害监测预警平台为例［6］，说明组织级的设计与实现。雨水情信息系统的组织级功能结构如图4所示

。

图4

组织级功能结构

由通信层接收来自协调级的信息，包括实时的雨

水情信息（含异常数据）、任务执行反馈信息等。实时数据反馈到人机接口处，供用户查看。当用户发现雨水情异常后，可以做出一系列决定，并发布相应的任务，包括发布预警信号，通知会商，要求确定相应的物质运送路线和群众的撤离路线等。这些任务要经过机器推理转换成雨水情信息系统能识别的控制命令，命令通过机器规划转换成具体的执行步骤，其执行顺序是通过机器决策完成的，最后传递给协调级。推理、规划、决策都要通过预设好的机器规则来决定，预设规则

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