数学预警模型 · 第一版技术文档
版本： v1（第一版） 算法名称： 风速基准线 + 滑动基准预警模型 日期： 2026-08-14
一、算法总览
本版算法由 5 条独立预警路径组成，每秒计算一次，最终等级取各路径最高值：
最终等级 = max(泥石流 D, 山洪 F, 风速, 流量尖峰, 突变)等级定义：0 = 正常 / 1 = 三级预警 / 2 = 二级预警 / 3 = 一级预警（一级最严重）
二、五条预警路径
1. 泥石流路径（四因子加权）
D = 0.30 × S̄ + 0.35 × Q̄ + 0.20 × dQ̄ + 0.15 × ΔS̄v1 权重调整说明：土壤湿度 0.40 → 0.30（土湿易饱和顶分，降低主导性）；流量升为最高权重 0.35（山洪信号更关键）；ΔS̄ 0.10 → 0.15。
| 因子 | 含义 | 归一化方式 |
|---|---|---|
| S̄ | 土壤湿度水平 | 滑动基准 [P10,P95] 归一化，数据不足回退 实测值/100 |
| Q̄ | 流量水平 | 滑动基准归一化，数据不足回退 流量/30 L/min |
| dQ̄ | 流量变化率 | min(变化率/5 L/min/s, 1) |
| ΔS̄ | 土壤 10 分钟涨幅 | min(涨幅/15%, 1) |
触发门槛： 土壤湿度 < 60%（土体未饱和）时泥石流路径直接跳过——土不饱和泥石流起不来。
分级阈值： D ≥ 0.45 三级 / ≥ 0.55 二级 / ≥ 0.75 一级
特殊规则（优先）：
- 土壤高于当地 P90 + 流量上升 + 连续 5 分钟上涨 → 直接一级
- 土壤高于当地 P90 + 流量 ≥ 满槽 70% → 直接二级
- 土壤 10 分钟涨幅 ≥ 20% → 至少三级
2. 山洪路径（独立指数，本版新增重点）
F = 0.60 × Q̄ + 0.40 × dQ̄- 不受土壤门槛限制——只要流量暴涨就触发，模拟上游暴雨型山洪（土壤还没饱和洪水已经来了）
- 分级阈值与泥石流相同：F ≥ 0.45 三级 / ≥ 0.55 二级 / ≥ 0.75 一级
- 本质是曼宁公式的流量近似替代（缺超声波水位传感器，用流量水平+变化率顶 70% 分量）
3. 风速路径
| 风速 | 等级 |
|---|---|
| ≥ 25 km/h | 三级 |
| ≥ 40 km/h | 二级 |
| ≥ 60 km/h | 一级 |
- 风速风险度：
wind_risk = min(风速/40, 1)，用于展示 - 强风视为强对流天气前兆（山洪诱因）
4. 流量尖峰路径
- 每秒流量变化率与当地 24h 历史分布对比，超 P95 视为高风险
- spike_risk ≥ 0.8 → 三级；≥ 1.0（超 P95）→ 二级
- 基准数据不足时回退绝对值：变化率 ≥ 2 L/min/s 为满格
5. 突变路径（秒级响应）
| 突变 | 触发 |
|---|---|
| 土壤 5 秒内涨 ≥ 20% | 立即三级（饱和渗流信号） |
| 风速 60 秒内涨 ≥ 12 km/h | 立即三级（狂风骤起） |
三、滑动基准（本版核心机制）
- 窗口： 24 小时，每分钟采样 1 点
- 归一化： 把当前值映射到该地点历史 [P10, P95] 区间的 0~1 相对位置
- 作用： 自适应当地气候——干旱地区 20% 湿度算高，湿润地区 60% 才算高；不用人工标定阈值
- 冷启动： 数据不足 2 小时时滑动基准不启用，回退绝对值阈值（土壤/100、流量/30）
四、优势
- 自适应强：滑动基准让同一套算法在不同气候区（干旱/湿润/沿海）都能用，不用重新标定
- 多路径互不干扰：泥石流/山洪/风速/尖峰/突变 5 条路独立，一条失灵不影响其他；土壤门槛卡不住山洪
- 突变秒级响应：突发场景（土壤骤湿、狂风骤起、流量暴涨）不用等 5-10 分钟窗口
- 简单直观：无神经网络/复杂统计，全部是加权+阈值，好部署、好调试、好解释（对现场人员友好）
- 冷启动可用：基准数据不足时自动回退绝对值，插上就能跑
五、缺陷
- 山洪曼宁 70% 分量缺失：缺超声波水位传感器，用水位算曼宁公式（R=0.7M+0.3S）的主干做不了，只能用流量近似，精度打折
- 风速阈值固定：25/40/60 km/h 是经验值，没按当地风气候做滑动基准（海边和内陆的风"大"定义不同）
- 土壤 <60% 硬门槛可能漏报：土不饱和但上游暴雨型山洪仍可能发生——已用山洪 F 路径兜底，但 F 依赖流量传感器，若流量计失准则漏报
- 冷启动窗口期：前 2 小时用绝对值回退，对"异常地区"（特别干旱/湿润）可能误判
- 流量传感器量程窄：YF-S401 只能测 0.3-3 L/min，小水流/大水流量都测不准，影响 Q̄ 和 dQ̄ 质量
- 土壤 10 分钟涨幅滞后：ΔS̄ 因子要 10 分钟窗口才有值，骤湿场景靠突变路径兜底（5 秒 +20%），两者衔接处有盲区
- 分级是硬阈值：0.45/0.55/0.75 阶梯跳变，没有概率/置信度输出，边界值（0.44 vs 0.45）语义跳跃
六、特点
- 实时性：每秒重算一次，网页 0.5 秒刷新，数据落地即预警
- 可视化：网页预警卡实时显示泥石流 D、山洪 F、土湿 S̄、流量 Q̄、突变 dQ̄、土湿涨 ΔS̄、尖峰风险、风速风险 8 项指标
- 多传感器融合：土壤湿度 + 水流速 + 风速 + 温湿度（DHT11）四路数据进模型
- 可解释：每个等级都能追溯到具体哪条路径、哪个因子超阈值，适合答辩/验收时讲清楚
- 模块化：5 条路径互相独立，后续版本可以单独替换其中任何一条（比如补上曼宁 70% 分量）而不影响其他
七、版本规划（迭代方向）
- v2 预期：接入超声波水位传感器 → 补全曼宁公式 70% 分量（R = 0.7M + 0.3S）
- v2 预期：风速也做滑动基准自适应（替代固定 25/40/60 阈值）
- v2 预期：预警加置信度/持续性判定（连续 N 秒超阈值才触发，减少单点误报）