雨量傳感器的城市防汛精細(xì)化監(jiān)測和預(yù)警

近年來極端降雨天氣時常發(fā)生，城市防汛形勢十分嚴(yán)峻且嚴(yán)重威脅著城市運(yùn)行安全。針對目前城市防汛監(jiān)測和預(yù)警中存在的數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性差、準(zhǔn)確性低的問題，面向精細(xì)化管理工作的需要，急需發(fā)揮傳感器與3G傳輸手段的技術(shù)優(yōu)勢來解決雨量的實(shí)時監(jiān)測問題。本文以北京市西城區(qū)為例，探索通過在城市低洼平房院落或者長期積水點(diǎn)設(shè)置雨量傳感器，建設(shè)由若干個監(jiān)測點(diǎn)組成的智能雨情監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時傳輸降雨量數(shù)據(jù)，擺脫了當(dāng)前城市防汛監(jiān)測和預(yù)警中對于氣象數(shù)據(jù)的過分依賴，同時提高了監(jiān)測的針對性和精確性。在此基礎(chǔ)上研發(fā)城市雨情監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了城市雨情的豐富展現(xiàn)、圖形空間分析、預(yù)警預(yù)報等功能，為城市防汛精細(xì)化管理提供可靠、準(zhǔn)確的實(shí)時雨情信息支持。系統(tǒng)應(yīng)用運(yùn)行表明其具有較強(qiáng)的魯棒性和穩(wěn)定性，滿足了城市防汛管理工作的需求。

一、前言

對于雨情的監(jiān)測和預(yù)警，目前普遍采用的方式是通過從城市氣象部門獲取降雨量信息進(jìn)行的。許多城市也都建立起防汛監(jiān)測系統(tǒng)，并結(jié)合3S（GPS、GIS、RS）空間統(tǒng)計分析手段，以及歷史信息情況綜合得到監(jiān)測和預(yù)警的結(jié)果，但效果并不十分理想。目前的主要問題是監(jiān)測數(shù)據(jù)本身現(xiàn)勢性以及準(zhǔn)確性都不足以滿足當(dāng)前監(jiān)測和預(yù)警的需求。以北京為例，市氣象局以城區(qū)大約間隔5公里、郊區(qū)10-15公里的建設(shè)原則，建成了由177個自動氣象站組成的動站網(wǎng)，覆蓋北京市全地域。雖然說在宏觀上已經(jīng)滿足了日常業(yè)務(wù)需要，但對于市區(qū)內(nèi)部的監(jiān)測預(yù)警來說，5公里的間隔就顯得太大了。如西城區(qū)60余平方公里的地區(qū)也就2-3個監(jiān)測點(diǎn)，這樣的數(shù)據(jù)精度對于精細(xì)化的監(jiān)測和預(yù)警都是不夠用的。

二、概述

在城市低洼平房院落或者長期積水點(diǎn)，建設(shè)由若干個雨量傳感器組成的自主雨量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時傳輸降雨量數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上建立起城市防汛監(jiān)測與預(yù)警平臺，實(shí)現(xiàn)實(shí)時降雨量信息的瀏覽，歷史降雨量信息查詢統(tǒng)計，在雨量達(dá)到一定級別（例如中雨以上）時，結(jié)合氣象部門的降雨量預(yù)報信息，通過短信平臺自動向相關(guān)人員發(fā)送雨情預(yù)警信息，為城市防汛及應(yīng)急工作提供及時可靠的降雨量信息支持，具體如圖1所示。

三、自主雨情監(jiān)測網(wǎng)的建設(shè)

（一）雨量傳感器

雨量傳感器是雨情數(shù)據(jù)源監(jiān)測的基本工具，由兩部分組成：雨量測量裝置和數(shù)據(jù)發(fā)送裝置，具體如圖2所示。雨量測量裝置稱為雨量計或者測雨計，是能自動連續(xù)記錄降雨量的儀器，目前主要有虹吸式、稱重式、翻斗式等幾種。而數(shù)據(jù)傳輸裝置主要是利用安裝有手機(jī)卡的DTU（數(shù)據(jù)傳輸單元），通過以手機(jī)接入移動網(wǎng)絡(luò)(3G網(wǎng)絡(luò)或GPRS網(wǎng)絡(luò)) 的形式把雨量測量裝置獲取的雨量數(shù)據(jù)以一定的時間隔（不降雨時一般以小時為間隔單位，降雨時則以分鐘為單位）發(fā)送到指定IP地址的服務(wù)器上。

本文的自主雨情監(jiān)測網(wǎng)采用了3G和物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)用于雨量信息的收集、傳輸、雨量計設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測等，真正實(shí)現(xiàn)了無人值守的物物相連、信息互通，具有物聯(lián)網(wǎng)基本概念，屬于物聯(lián)網(wǎng)基本應(yīng)用之一。

（二）監(jiān)測點(diǎn)布控原則

監(jiān)測點(diǎn)布控涉及的因素很多，對監(jiān)測的準(zhǔn)確性有著很大影響，可因地制宜進(jìn)行綜合考慮。西城區(qū)開展雨量布控建設(shè)主要遵循以下幾點(diǎn)原則：

⑴總體設(shè)計原則：首先根據(jù)以往掌握的情況，如低洼區(qū)，積水點(diǎn)等，考慮監(jiān)測區(qū)域的總體情況，確定部署監(jiān)測點(diǎn)的總個數(shù)，此時應(yīng)該以地形圖為參考，比例以1∶500或1∶1000為宜。

⑵分級分層原則：確定了總個數(shù)后，要進(jìn)行分級分層，一般以街道、社區(qū)為分級分層標(biāo)志，盡量要布滿上級層次，下級層次以后還可以繼續(xù)細(xì)化，體現(xiàn)可擴(kuò)充性。

⑶地理布局原則：參考城市中的街巷、院落、空地等自然地理布局進(jìn)行布控，并選在高處（屋頂，樓頂），防止樹葉等物遮擋。

⑷方便管理原則：為方便實(shí)施管理，應(yīng)該盡量選擇有人值守的單位或位置布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，也避免發(fā)生危險。

⑸負(fù)載均衡原則：采用電源供電的雨量傳感器，發(fā)送數(shù)據(jù)的間隔時間可以設(shè)置短些；采用電池供電的雨量傳感器，發(fā)送數(shù)據(jù)的間隔盡量長些。

⑹相對穩(wěn)定原則：布控結(jié)束后，不同層次的監(jiān)測點(diǎn)最好少調(diào)整，同一層次的監(jiān)測點(diǎn)可無限制。

（三）西城區(qū)布設(shè)情況

應(yīng)用上述原則，北京市西城區(qū)已在15個街道（保證每個街道至少有一個監(jiān)測點(diǎn)），選擇城低洼平房院落或者長期積水點(diǎn)附近進(jìn)行雨情監(jiān)測點(diǎn)布控。

四、雨情監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)的建立和應(yīng)用

（一）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于WEB的數(shù)據(jù)處理日益成為信息化的中心環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)庫的靈活性、安全性和可拓展性成為數(shù)據(jù)處理技術(shù)的焦點(diǎn)。應(yīng)用系統(tǒng)的不斷擴(kuò)充和新功能的不斷增加，基于傳統(tǒng)的二層數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)拓展性、維護(hù)成本、數(shù)據(jù)安全性和應(yīng)用間通信功能障礙等原生性問題的存在，已不能適應(yīng)目前的需要。因此，西城區(qū)雨情監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)采用分布式三層體系結(jié)構(gòu)，包括數(shù)據(jù)層（Data Layer）、業(yè)務(wù)邏輯層（Business Logic Layer）和表現(xiàn)層（Presentation Layer），并由三大技術(shù)進(jìn)行支持（雨量傳感器技術(shù)、無線傳輸技術(shù)以及空間決策支持技術(shù)），其總體結(jié)構(gòu)具體如圖3所示。

1.數(shù)據(jù)層為最底層，包含了雨情監(jiān)測和預(yù)警所需的所有數(shù)據(jù)資源，包括城市基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)、防汛設(shè)施數(shù)據(jù)、雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)、預(yù)警預(yù)案數(shù)據(jù)等。另外，與數(shù)據(jù)有關(guān)的安全、完整性控制、數(shù)據(jù)的一致性、并發(fā)操作等也都在數(shù)據(jù)層完成。

2.業(yè)務(wù)邏輯層對應(yīng)應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)，所有的應(yīng)用邏輯、控制都在這一層，系統(tǒng)的復(fù)雜性也主要體現(xiàn)在這里。本層包含了系統(tǒng)的核心功能：數(shù)據(jù)接收，基礎(chǔ)GIS功能，歷史數(shù)據(jù)管理，統(tǒng)計分析，實(shí)時雨情監(jiān)測，預(yù)警分析，系統(tǒng)維護(hù)等服務(wù)和操作。

3.表現(xiàn)層也稱用戶層，主要指系統(tǒng)的用戶界面，它要求盡可能的簡單，使最終用戶不需要進(jìn)行任何培訓(xùn)就能方便地訪問各種雨情信息并進(jìn)行相應(yīng)反饋。通過將表現(xiàn)層與業(yè)務(wù)邏輯分離處理，使用戶界面與應(yīng)用邏輯位于不同的平臺上，兩者之間的通信協(xié)議由系統(tǒng)自行定義。通過這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得業(yè)務(wù)邏輯被所有用戶共享。

（二）系統(tǒng)核心功能

西城區(qū)雨情監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)是集電子地圖、實(shí)時雨量監(jiān)測、雨情預(yù)警分析等于一體的數(shù)字城市防汛綜合應(yīng)用平臺。該平臺核心功能可分為3個主要部分，也稱為子系統(tǒng)，分別為：雨情信息接收子系統(tǒng)、雨情監(jiān)控與預(yù)警子系統(tǒng)，預(yù)警短信提醒子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)有其相應(yīng)功能。

1.雨情信息接收

主要功能為：設(shè)置接收系統(tǒng)IP地址、端口號、存儲數(shù)據(jù)庫等相關(guān)參數(shù)；自動保存數(shù)據(jù)接收日志；保存接收的信息到數(shù)據(jù)庫中等。

2.雨情監(jiān)控與預(yù)警

本部分為系統(tǒng)核心功能，主要包括：

（1）西城區(qū)所有監(jiān)控點(diǎn)實(shí)時雨情信息的瀏覽：可以顯示當(dāng)前監(jiān)控點(diǎn)實(shí)時數(shù)值以及降雨等級。

（2）歷史雨情查詢：查詢各個監(jiān)測點(diǎn)某個時段內(nèi)降雨數(shù)值信息、雨量等級信息等，查詢結(jié)果可用表格的方式輸出和打印。

（3）歷史雨情統(tǒng)計：提供對降雨量數(shù)據(jù)按時間（月，周）、空間（街道、社區(qū)）的統(tǒng)計，并以圖表的方式顯示。

（4）預(yù)警分析：利用實(shí)時雨情數(shù)據(jù)，參考?xì)庀箢A(yù)報數(shù)據(jù)、歷史積水情況數(shù)據(jù)以及城市防汛降雨量等級標(biāo)準(zhǔn)建立預(yù)警分析模型，確定是否預(yù)警以及當(dāng)前預(yù)警范圍與級別。

（5）應(yīng)急分析：利用預(yù)警分析結(jié)果，根據(jù)啟動預(yù)案標(biāo)準(zhǔn)，提供應(yīng)急預(yù)案支持。

（6）降雨設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測：提供雨量傳感器設(shè)備的實(shí)時狀態(tài)瀏覽，歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)的查詢等功能。

3.預(yù)警短信提醒

主要功能為：降雨量達(dá)到一定等級，自動向相關(guān)管理人員發(fā)送降雨量實(shí)時信息短信；當(dāng)預(yù)警分析完成后，向預(yù)警應(yīng)急管理人員發(fā)送預(yù)警短信；當(dāng)雨量傳感器設(shè)備故障了，自動向雨量設(shè)備管理人員發(fā)送提醒短信；另外，也可以通過特定編碼詢問方式，通過短信索取當(dāng)前降雨量數(shù)據(jù)，系統(tǒng)驗(yàn)證后自動回復(fù)。

（三）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

西城區(qū)雨情監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)采用B/S（瀏覽器/服務(wù)器）軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用Flex以及C#作為編程語言，SQL Server 2008作為后臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。利用ArcSDE存儲空間數(shù)據(jù)、ArcServer提供地圖服務(wù)，通過UG/Open MenuScrip實(shí)現(xiàn)界面與系統(tǒng)緊密結(jié)合。

（四）應(yīng)用效果

西城區(qū)雨情監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)引入了3G通信與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)作為主要技術(shù)支撐，采用了穩(wěn)定成熟的富客戶技術(shù)和GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)城市雨情的豐富展現(xiàn)與圖形空間分析功能，從上線運(yùn)行情況來看，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，性能可靠，提供了及時準(zhǔn)確的降雨量信息與預(yù)警服務(wù)，很好地滿足了西城區(qū)城市防汛及應(yīng)急工作的需要。同時，系統(tǒng)界面設(shè)計簡潔、操作簡單，方便了城市日常防汛監(jiān)管及各項(xiàng)專題分析業(yè)務(wù)的開展。

五、結(jié)論

本研究中的最大特點(diǎn)是自主建立了由25個監(jiān)測點(diǎn)組成的西城區(qū)雨情監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。這樣，城市防汛監(jiān)測和預(yù)警就可以形成以氣象部門降雨量信息為主的宏觀預(yù)測，和以自主雨情監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時降雨量數(shù)據(jù)為輔的微觀預(yù)報相結(jié)合的立體雨情預(yù)報體系，從而大大提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性和精度。同時，因?yàn)榭梢宰杂纱_定監(jiān)測點(diǎn)位置（如長期積水點(diǎn)附近），監(jiān)測的針對性大大提高。

城市雨情監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)果表明，它實(shí)現(xiàn)了城市雨情的豐富展現(xiàn)與圖形空間分析功能，可以及時準(zhǔn)確地為相關(guān)部門和人員提供分析所需的實(shí)時信息和預(yù)警信息，并且具有較強(qiáng)的魯棒性和穩(wěn)定性，可為城市防汛管理提供更好的信息支持。

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（責(zé)任編輯：黃荔）