北京市內(nèi)澇積水監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫永尚，劉 揚(yáng)，趙軍合，王帥帥

（1.北京建筑大學(xué) 測繪與城市空間信息學(xué)院 現(xiàn)代城市測繪國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044）

北京市內(nèi)澇積水監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫永尚1，劉 揚(yáng)1，趙軍合1，王帥帥1

（1.北京建筑大學(xué) 測繪與城市空間信息學(xué)院 現(xiàn)代城市測繪國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044）

針對北京市近幾年出現(xiàn)的路面逢暴雨必積水問題，通過水位傳感器等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建路面積水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，并在此基礎(chǔ)上研發(fā)北京市內(nèi)澇積水監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了積水深度信息的實(shí)時(shí)獲取、快速查詢統(tǒng)計(jì)、短信預(yù)警等功能，便于各級防汛指揮部門第一時(shí)間掌握路面積水情況，啟動(dòng)相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，減輕突發(fā)惡劣天氣對公眾出行安全造成的影響。

北京市；暴雨；積水監(jiān)測；預(yù)警；系統(tǒng)

為緩解交通壓力，保證出行暢通，北京市內(nèi)建設(shè)了一些下凹式立交橋和下穿隧道。但近幾年災(zāi)害性天氣時(shí)有發(fā)生，特別是在“7·21”特大自然災(zāi)害中，北京市內(nèi)37處城市道路交通中斷，其中橋下積水中斷27處，交通癱瘓長達(dá)6 h，甚至有駕車人淹死在“大水坑”里。出現(xiàn)這些現(xiàn)象的原因一方面是由于城市排水體系規(guī)劃不夠合理，另一方面是因?yàn)槌鞘械牡缆贩e水監(jiān)測沒有形成體系[1]，無法實(shí)時(shí)監(jiān)測和傳輸積水?dāng)?shù)據(jù)，導(dǎo)致預(yù)警不及時(shí)。

本文針對以上問題，依托傳感器物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[2]構(gòu)建了北京市內(nèi)澇積水監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可以為決策機(jī)構(gòu)領(lǐng)導(dǎo)提供道路積水的實(shí)時(shí)信息，也可為市政排水調(diào)度管理機(jī)構(gòu)提供技術(shù)支持[3]，還可以通過微博等時(shí)訊性強(qiáng)的媒體向公眾發(fā)布積水監(jiān)測信息，從而引導(dǎo)出行。

1 系統(tǒng)監(jiān)測方法概述

如圖1所示，通過在下凹式立交橋或低洼院落等經(jīng)常積水區(qū)域安裝水位傳感器的方式建立起由若干個(gè)監(jiān)測點(diǎn)組成的積水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。該監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)利用移動(dòng)的GMS/GPRS通信網(wǎng)絡(luò)[4]，按照預(yù)設(shè)定的時(shí)間間隔向監(jiān)測中心發(fā)送積水信息。并在此基礎(chǔ)上開發(fā)路面積水監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)積水點(diǎn)GIS圖形化展示、統(tǒng)計(jì)查詢以及汛情預(yù)警。把已開發(fā)的路面積水監(jiān)測系統(tǒng)軟件安裝在Web服務(wù)器上，發(fā)布服務(wù)，防汛部門只需1臺可以上網(wǎng)的電腦，通過IE登陸指定網(wǎng)址即可操作該軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)積水查詢、積水存留時(shí)間查詢、積水預(yù)警信息提醒、超標(biāo)積水站點(diǎn)查詢、展示12 h內(nèi)站點(diǎn)積水值變化圖等功能。

圖1 積水監(jiān)測與預(yù)警方法示意圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

北京市內(nèi)澇積水監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)包括道路積水監(jiān)測站和監(jiān)測中心兩部分。

1）道路積水監(jiān)測站負(fù)責(zé)積水?dāng)?shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)傳輸，由電子水尺[5]、無線端機(jī)組成。

2）監(jiān)測中心負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)展示，硬件設(shè)備為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器，安裝軟件為數(shù)據(jù)接收軟件和應(yīng)用軟件。其中數(shù)據(jù)接收軟件負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)積水?dāng)?shù)據(jù)的接收、解碼、校驗(yàn)與入庫。

2.2 積水預(yù)警算法

1）積水預(yù)警等級設(shè)置。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了4個(gè)預(yù)警等級：藍(lán)色預(yù)警、黃色預(yù)警、橙色預(yù)警、紅色預(yù)警。其中，單個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)的實(shí)時(shí)積水預(yù)警根據(jù)積水時(shí)間以及積水深度來判斷（積水深度小于5 cm，不預(yù)警），判斷標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。所有監(jiān)測站的實(shí)時(shí)積水綜合預(yù)警根據(jù)預(yù)警等級站點(diǎn)所占比例判斷，判斷標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。積水存留預(yù)警只涉及單個(gè)監(jiān)測點(diǎn)預(yù)警，依據(jù)積水水位下降速率判定(積水水位下降速率大于等于5 cm/h，不預(yù)警)，判斷標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表1 單個(gè)監(jiān)測點(diǎn)預(yù)警[6]

表2 綜合預(yù)警

表3 積水存留預(yù)警等級表

2）積水預(yù)警等級判斷。在數(shù)據(jù)庫里預(yù)先建一個(gè)歷史表和一個(gè)實(shí)時(shí)表，監(jiān)測站傳輸回來的GPRS信號經(jīng)處理后依次存儲到歷史表中，實(shí)時(shí)表中只存儲最新發(fā)回來的各個(gè)站點(diǎn)的積水?dāng)?shù)據(jù)。單個(gè)監(jiān)測站實(shí)時(shí)積水的預(yù)警等級判定需從實(shí)時(shí)表中查詢出當(dāng)前積水值，再根據(jù)歷史表計(jì)算出達(dá)到此積水值的積水時(shí)間，然后得出相應(yīng)的預(yù)警等級。

實(shí)時(shí)積水的綜合預(yù)警等級判定公式為：

式中，M為監(jiān)測點(diǎn)總數(shù)；m1、m2、m3、m4分別為藍(lán)色、黃色、橙色、紅色預(yù)警等級的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量，據(jù)此可得出各等級預(yù)警監(jiān)測點(diǎn)的比例，從而判定綜合預(yù)警的等級。

積水存留預(yù)警中積水水位下降速率Vfow為：

式中，Xmax為積水水位最高值（研究中以30 min內(nèi)水位沒有增加的最大值視為積水水位最高值），單位為cm；Xnow為計(jì)算時(shí)刻的當(dāng)前水位值，單位為cm；Tduring為計(jì)算時(shí)刻與積水水位最高值的時(shí)間間隔，單位為h。

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

北京市內(nèi)澇積水監(jiān)測預(yù)警軟件系統(tǒng)是集成電子地圖、實(shí)時(shí)積水監(jiān)測、積水預(yù)警分析等的數(shù)字城市防汛綜合應(yīng)用平臺。如圖2所示，該平臺核心功能可分為3 個(gè)子系統(tǒng)都有其相應(yīng)功能，這里著重介紹積水監(jiān)測與預(yù)警子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能。

圖2 系統(tǒng)核心功能

1）實(shí)時(shí)積水查詢：此功能主要實(shí)現(xiàn)各監(jiān)測站實(shí)時(shí)積水情況的查詢，如城市遭遇突發(fā)暴雨，相關(guān)部門可在第一時(shí)間掌握橋下積水出現(xiàn)的時(shí)間、深度等情況，方便有關(guān)部門采取禁行、繞行等措施，確保不必要的災(zāi)難發(fā)生[7]。

2）積水存留時(shí)間查詢：此功能主要實(shí)現(xiàn)路面積水天數(shù)或者一天內(nèi)積水小時(shí)數(shù)的查詢，根據(jù)各監(jiān)測站排水情況可以判斷該橋排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理，從而輔助積水原因調(diào)查。

3）積水預(yù)警信息提醒主要有3個(gè)方面：①單個(gè)監(jiān)測站預(yù)警。若某監(jiān)測站積水深度達(dá)到橙色預(yù)警即向負(fù)責(zé)人發(fā)預(yù)警短信。北京市積水監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量很多，為了防止防汛監(jiān)察人員偶爾會疏忽而沒有上報(bào)，及時(shí)以短信方式提醒相關(guān)防汛負(fù)責(zé)人積水監(jiān)測站的緊急情況，從而迅速采取有效措施，避免不必要的危險(xiǎn)發(fā)生。②綜合預(yù)警。若綜合預(yù)警達(dá)到黃色預(yù)警等級即向負(fù)責(zé)人發(fā)送預(yù)警信息，根據(jù)綜合預(yù)警出現(xiàn)的等級，可以知道某片區(qū)域的緊急情況，以提醒有關(guān)部門采取綜合性治理和調(diào)度措施。③積水存留預(yù)警。若此預(yù)警達(dá)到紅色預(yù)警等級即向負(fù)責(zé)人發(fā)送預(yù)警信息，據(jù)此可以知道哪些監(jiān)測站排水緩慢，以提醒有關(guān)部門查看排水系統(tǒng)是否發(fā)生堵塞等情況。

4）超標(biāo)積水站點(diǎn)查詢。此功能實(shí)現(xiàn)積水深度超過某個(gè)值的監(jiān)測站查詢，便于快速獲取出現(xiàn)緊急情況的位置信息，從而采取相應(yīng)措施，防止補(bǔ)救一處而漏掉多處或者救急方法不當(dāng)?shù)惹闆r發(fā)生。

5）12 h內(nèi)站點(diǎn)積水值變化圖。此功能以圖片的方式呈現(xiàn)某監(jiān)測點(diǎn)12 h內(nèi)積水深度的變化。通過此功能可以對某監(jiān)測點(diǎn)多次降雨之后的12 h積水深度變化圖進(jìn)行對比，查看該監(jiān)測點(diǎn)排水是否會出現(xiàn)異樣狀況。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

北京市內(nèi)澇積水監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)采用B/S軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[8]；采用Flex框架以及C#作為編程語言；SQL Server 2008作為后臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；ArcGIS Server提供地圖服務(wù)。

根據(jù)實(shí)際情況，現(xiàn)已在北京市西城區(qū)設(shè)置了8個(gè)道路積水監(jiān)測站，圖3為系統(tǒng)部分站點(diǎn)截圖，顯示了站點(diǎn)的位置及屬性信息窗口，經(jīng)過測試，該系統(tǒng)極大地提高了積水信息的獲取效率。

4 結(jié) 語

北京市內(nèi)澇積水監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1）該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測和傳輸積水?dāng)?shù)據(jù)，防汛部門可以在第一時(shí)間掌握路面積水的準(zhǔn)確信息。

圖3 站點(diǎn)狀態(tài)

2）研發(fā)了很多新的功能，為防汛部門統(tǒng)計(jì)積水信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，提供了可靠的技術(shù)服務(wù)和數(shù)據(jù)信息。

3）預(yù)警狀態(tài)提示和自動(dòng)短信預(yù)警服務(wù)使得有關(guān)部門可以快速了解緊急情況，大大提升了工作效率。

北京市內(nèi)澇積水監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的建立，為北京市防汛指揮部門提供了可靠的決策依據(jù)，提高了防汛指揮和交通指揮決策的科學(xué)性，從而保證廣大群眾的出行安全。

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B

1672-4623（2015）04-0117-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.04.042

孫永尚，碩士，主要研究方向?yàn)镚IS技術(shù)研發(fā)和智慧城市建設(shè)。

2014-07-23。

項(xiàng)目來源：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41101444）；北京科技新星資助項(xiàng)目（Z121106002512025）。