城市防汛內(nèi)澇預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

袁青濤，周文，劉旭，段彤

(1.正元地理信息有限責(zé)任公司，北京 101300； 2.正元地理信息研究開發(fā)中心，北京 101300)

城市防汛內(nèi)澇預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

袁青濤1，2*，周文1，2，劉旭1，2，段彤1，2

(1.正元地理信息有限責(zé)任公司，北京 101300； 2.正元地理信息研究開發(fā)中心，北京 101300)

采用GIS技術(shù)、GPRS技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)傳感等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對城區(qū)“雨情”實(shí)時(shí)發(fā)布、“澇情”及時(shí)預(yù)警、“排澇”資源科學(xué)調(diào)度。并結(jié)合WebGIS地理技術(shù)設(shè)計(jì)和大型應(yīng)用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)之上，對各種信息資源進(jìn)行全面的整合和重組。本系統(tǒng)在東營市上線運(yùn)行以來，對大、暴雨監(jiān)測，多次利用排水模型進(jìn)行預(yù)警，針對實(shí)時(shí)降雨強(qiáng)度進(jìn)行報(bào)警，通過短信、LED顯示大屏等多種渠道對廣大市民進(jìn)行提醒，對人民大眾出行和生產(chǎn)帶來了很大的方便和指導(dǎo)意義。

防汛內(nèi)澇；實(shí)時(shí)監(jiān)測；MongoDB；GIS

1 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，人們對居住環(huán)境的要求逐步提高。但是，排水管網(wǎng)設(shè)施的老化和排水管網(wǎng)連接關(guān)系的復(fù)雜化，城市內(nèi)澇問題日益突出。特別是近年來，突發(fā)性暴雨襲擊了我國眾多城市，導(dǎo)致了嚴(yán)重的城市污染災(zāi)害，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，對社會秩序、城市功能、環(huán)境與資源等造成了不同程度的破壞，給人們的生活、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和城市的正常運(yùn)轉(zhuǎn)帶來了十分嚴(yán)重的影響。如何科學(xué)有效對城市內(nèi)澇的發(fā)生進(jìn)行監(jiān)控、預(yù)警、調(diào)度成為亟待解決的問題。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

城市防汛排澇預(yù)警系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與無線電低功耗技術(shù)相結(jié)合，通過雨量站、積水監(jiān)測點(diǎn)、排水泵站自動(dòng)化改造；借助GIS、GPRS與物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)集成，實(shí)現(xiàn)了對城區(qū)“雨情”實(shí)時(shí)發(fā)布、“澇情”及時(shí)預(yù)警、“排澇”資源科學(xué)調(diào)度。既可以為決策機(jī)構(gòu)的領(lǐng)導(dǎo)提供城市道路、下沉式立交橋、地下停車場、排水管道、渠道、檢查井、排水口、城市河流水系等監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)時(shí)信息，又能夠?yàn)槭姓潘{(diào)度管理機(jī)構(gòu)提供數(shù)據(jù)支持，還可以通過廣播、電視等媒體為人民群眾提供出行指南。硬件系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)圖(如圖2)從層次上可以劃分為4個(gè)層次：物聯(lián)網(wǎng)感知層、數(shù)據(jù)存儲層、信息集成層、管理決策層；包括三個(gè)支撐系統(tǒng)平臺：一是以太網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)平臺；二是數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)平臺；三是數(shù)據(jù)運(yùn)維服務(wù)平臺。以太網(wǎng)絡(luò)是系統(tǒng)的傳輸平臺；數(shù)據(jù)庫是所有決策管理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺；數(shù)據(jù)運(yùn)維服務(wù)平臺為GIS系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)。這三個(gè)平臺的先進(jìn)性、高效性、可靠性、安全性就決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 硬件系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

信息集成層和物聯(lián)網(wǎng)感知層構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)的主體，用來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的核心功能，其服務(wù)的對象是負(fù)責(zé)生產(chǎn)和調(diào)度的職能部門。決策層是系統(tǒng)窗口，使該系統(tǒng)和其他部門有機(jī)地聯(lián)系起來，服務(wù)于決策管理層。數(shù)據(jù)中心是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲中心，網(wǎng)絡(luò)平臺是系統(tǒng)的連接通道。

2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

東營市智慧城市暨城市內(nèi)澇預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用先進(jìn)的MongoDB數(shù)據(jù)，均采用雙機(jī)熱備的功能。能夠功能夠好的與第三方系統(tǒng)提供對外接口。

MongoDB是一個(gè)基于分布式文件存儲的數(shù)據(jù)庫。旨在為WEB應(yīng)用提供可擴(kuò)展的高性能數(shù)據(jù)存儲解決方案。

特點(diǎn)：高性能、易部署、易使用，存儲數(shù)據(jù)非常方便。

主要功能特性是：面向集合存儲，易存儲對象類型的數(shù)據(jù)；支持復(fù)制和故障恢復(fù)；使用高效的二進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲，包括大型對象(如視頻等)；自動(dòng)處理碎片，以支持云計(jì)算層次的擴(kuò)展性；支持RUBY，PYTHON，JAVA，C++，PHP等多種語言；文件存儲格式為BSON(一種JSON的擴(kuò)展)；

與關(guān)系型數(shù)據(jù)庫相比，MongoDB更能保證用戶的訪問速度，在處理實(shí)時(shí)存儲和訪問的并發(fā)性能上效果優(yōu)于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫；文檔結(jié)構(gòu)的存儲方式，能夠更便捷的獲取數(shù)據(jù)；內(nèi)置GridFS，支持大容量的存儲；性能優(yōu)越，在使用場合下，千萬級別的文檔對象，近 10 G的數(shù)據(jù)，對有索引的ID的查詢不會比mysql慢，而對非索引字段的查詢，則是全面勝出。

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.3.1 硬件接口

由于我們使用的通信協(xié)議是TCP/IP，因此這里的硬件接口問題主要就是TCP/IP層中的網(wǎng)絡(luò)接口層，它負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接收，幀是獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)信息傳輸單元。網(wǎng)絡(luò)接口層將幀放在網(wǎng)上，或從網(wǎng)上把幀取下來。這就要求IP使用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口規(guī)范NDIS向網(wǎng)絡(luò)接口層提交幀，并且IP支持廣域網(wǎng)和本地網(wǎng)接口技術(shù)。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)要注意關(guān)閉那些容易受攻擊和入侵的端口號，在能保證帶寬的前提下僅開通系統(tǒng)運(yùn)行所必需的端口。自定義通訊協(xié)議包(如圖3所示)。

(1)硬件通訊采用正元Socket通訊協(xié)議為，下面以質(zhì)數(shù)據(jù)對接協(xié)議為例。

報(bào)文內(nèi)容示例如下： EB 0A 01 01 1A 80 01 0B 14 76 33 56 98 40 0B 00 00 00 00 00 10 65 2C 00 FE ……00 88 1B 7C

(2)解析規(guī)則如圖3所示：

圖3 自定義通訊協(xié)議包

(3)補(bǔ)充說明：

把收到的數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)1的標(biāo)綠區(qū)域，解析一欄中會自動(dòng)羅列出每一個(gè)自己的HEX值，對應(yīng)前面的標(biāo)識即可得出每位代表的含義。通訊協(xié)議(如圖4所示)。

圖4 通訊協(xié)議

2.3.2 前端采集

(1)采集點(diǎn)：

硬件設(shè)施對雨量站、泵站、雨水點(diǎn)、污水點(diǎn)等監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。硬件系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集采用Modbus通訊協(xié)議。

(2)監(jiān)測項(xiàng)：

①泵站中所有雨水泵的水泵運(yùn)行狀態(tài)、水泵故障、電流、遠(yuǎn)程、運(yùn)行時(shí)間及雨水池水位的水池液位數(shù)據(jù)情況進(jìn)行監(jiān)測。

②雨量站監(jiān)測累計(jì)降雨量、降雨強(qiáng)度、5 min降雨量、實(shí)時(shí)雨量。

③窨井中水位、pH值、懸浮物(SS)、化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH4+-N)、總磷(TP)、生化需氧量(BOD5)、動(dòng)植物油、懸浮物(SS )、陰離子表面活性劑(LAS)、氨氮(NH3 -N )含量。

(3)硬件設(shè)備：

雨量計(jì)、傳感器、地面水位計(jì)、井內(nèi)水位計(jì)、泵站的MYSCADA(如圖5所示)、水質(zhì)檢測儀等硬件設(shè)施。示例：

圖5 泵站MYSCADA組成

①泵站

顯示泵站實(shí)時(shí)監(jiān)測信息的界面，包括監(jiān)測水池液位、排水流量、泵的啟停狀態(tài)、控制模式、電壓、電流、保護(hù)狀態(tài)等信息。點(diǎn)擊泵站按鈕后會彈出泵站列表，同時(shí)在地圖上標(biāo)注泵站。在地圖上點(diǎn)擊泵站標(biāo)注點(diǎn)或點(diǎn)擊泵站列表對應(yīng)的泵站，彈窗顯示泵站詳細(xì)信息，顯示泵站的編碼、位置、備注以及關(guān)聯(lián)的水泵信息，如圖6所示。點(diǎn)擊對應(yīng)水泵可遠(yuǎn)程控制其開啟、關(guān)閉狀態(tài)。

圖6 泵站實(shí)時(shí)監(jiān)測信息

查詢歷史曲線：可查看指定時(shí)間段、指定監(jiān)測點(diǎn)、指定監(jiān)測項(xiàng)的泵站運(yùn)行歷史曲線。

②雨量站

雨量站標(biāo)注點(diǎn)可查詢指定時(shí)間段的數(shù)據(jù)曲線，同時(shí)顯示關(guān)聯(lián)的泵站以及積水監(jiān)測點(diǎn)信息，可點(diǎn)擊視頻按鈕查看接入的視頻信息。

③窨井

點(diǎn)擊窨井按鈕后會在地圖上標(biāo)注窨井。點(diǎn)擊對應(yīng)的窨井標(biāo)注點(diǎn)在主地圖下方顯示窨井信息及關(guān)聯(lián)信息界面(如圖7所示)：

a.區(qū)域左側(cè)：顯示窨井當(dāng)前的水深。

b.區(qū)域中側(cè)：顯示窨井當(dāng)前實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線。

c.區(qū)域右側(cè)：顯示窨井關(guān)聯(lián)的泵站，點(diǎn)擊可地圖定位泵站位置。

圖7 窨井信息及關(guān)聯(lián)信息界面

可點(diǎn)擊右側(cè)LED 和視頻按鈕查看對應(yīng)的信息。采集點(diǎn)一般位于城市樓層地下室、橋洞、城市內(nèi)河、排水口等低洼區(qū)域，遙測終端RTU結(jié)合雨量計(jì)、水位計(jì)、攝像頭等傳感器，將現(xiàn)場的水位、雨量、實(shí)時(shí)圖片進(jìn)行采集存儲和上報(bào)數(shù)據(jù)中心。且可擴(kuò)展LED屏功能通過本地、GSM、GPRS等方式將現(xiàn)場相關(guān)信息同步發(fā)布到LED屏幕上，讓市民可以實(shí)時(shí)了解重要信息提前做好預(yù)防措施。

2.3.3 智能聯(lián)動(dòng)

預(yù)設(shè)相應(yīng)的內(nèi)澇防汛參數(shù)，在惡劣天氣情況下可以提前判斷內(nèi)澇汛情的到來，聯(lián)動(dòng)LED實(shí)時(shí)發(fā)布信息，且可以聯(lián)動(dòng)現(xiàn)場排水設(shè)備進(jìn)行及時(shí)排水，避免和延緩城市內(nèi)澇的發(fā)生。

泵站采用集中控制器對水泵房設(shè)備運(yùn)行實(shí)行在線監(jiān)控，自動(dòng)、手動(dòng)控制水泵的啟停及閘閥的開、關(guān)，并具有自診斷功能，可實(shí)現(xiàn)水泵房的無人值守。

在現(xiàn)場數(shù)據(jù)中心可以實(shí)現(xiàn)的具體功能如下：

①顯示功能

a.動(dòng)態(tài)顯示井下泵房運(yùn)行的工況以及水流量的大小。

b.實(shí)時(shí)顯示各水泵的工作狀態(tài)，并對過電流、流量開關(guān)、水位超限等故障類型進(jìn)行診斷分析顯示。

c.顯示各水源井水位、清水池水位數(shù)據(jù)。

d.顯示各管網(wǎng)監(jiān)測信息，如管道壓力、流量等數(shù)據(jù)。

②遠(yuǎn)程控制功能：

具有遠(yuǎn)程控制水泵的開/停功能以及泵房其他設(shè)備的遠(yuǎn)程控制功能。

2.3.4 防汛預(yù)警

LED大屏(如圖8所示)、短信等功能，輻射功能。系統(tǒng)預(yù)先錄入以往出現(xiàn)內(nèi)澇的水雨情數(shù)據(jù)，將實(shí)時(shí)上報(bào)的水雨情信息進(jìn)行科學(xué)化計(jì)算處理，在內(nèi)澇情況未發(fā)生前提前預(yù)估和預(yù)警，更能對接第三方系統(tǒng)，讓民眾和相關(guān)單位更及時(shí)的獲取汛情信息以做好提前準(zhǔn)備措施。

系統(tǒng)預(yù)先錄入以往出現(xiàn)內(nèi)澇的水雨情數(shù)據(jù)，將實(shí)時(shí)上報(bào)的水雨情信息進(jìn)行科學(xué)化計(jì)算處理，在內(nèi)澇情況未發(fā)生前提前預(yù)估和預(yù)警，更能對接第三方系統(tǒng)，讓民眾和相關(guān)單位更及時(shí)的獲取汛情信息以做好提前準(zhǔn)備措施。

圖8 LED大屏展示界面

2.3.5 熱圖雨量展示

東營市智慧城市暨城市內(nèi)澇預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)，集成了熱圖展示功能，能夠根據(jù)時(shí)間來演變，在地圖上相近的展示局部雨量及積水的變化情況。更為直觀的為領(lǐng)導(dǎo)決策層顯示空間地理、雨量的變化狀況，從而為決策層提供有力的信息發(fā)布依據(jù)。

2.3.6 SWMM模型

SWMM(storm water management model，暴雨洪水管理模型)其徑流模塊部分綜合處理各子流域所發(fā)生的降水，徑流和污染負(fù)荷。其匯流模塊部分則通過管網(wǎng)、渠道、蓄水和處理設(shè)施、水泵、調(diào)節(jié)閘等進(jìn)行水量傳輸。該模型可以跟蹤模擬不同時(shí)間步長任意時(shí)刻每個(gè)子流域所產(chǎn)生徑流的水質(zhì)和水量以及每個(gè)管道和河道中水的流量、水深及水質(zhì)等情況。下面是管網(wǎng)水齡分布(如圖9)和排水管網(wǎng)分布(如圖10)示意圖。

圖9 管網(wǎng)水齡分布

圖10 排水管網(wǎng)分布

3 系統(tǒng)特色

在各地掀起智慧城市建設(shè)浪潮的背景下，東營市緊隨潮流，政府結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，建設(shè)本系統(tǒng)，在東營市建設(shè)運(yùn)行以后，對大、暴雨監(jiān)測，多次利用排水模型進(jìn)行預(yù)警，針對實(shí)時(shí)降雨強(qiáng)度進(jìn)行報(bào)警，通過短信、LED顯示大屏、新聞等多種渠道對出行的廣大市民進(jìn)行提醒，有效避免了低洼路段造成的車輛淹沒，窨井淹沒行人等自然災(zāi)害事故發(fā)生。對人民大眾出行和生產(chǎn)帶來了很大的方便和指導(dǎo)，通過系統(tǒng)的實(shí)施運(yùn)行，保障了人民的生命財(cái)產(chǎn)免受損失。

4 結(jié) 語

城市內(nèi)澇防治是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要城市的低影響開發(fā)從源頭減小雨水徑流量，提高排水管渠的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，建設(shè)雨水調(diào)蓄設(shè)施和城市水系，加強(qiáng)雨水排水系統(tǒng)的維護(hù)和管理等方面建立起科學(xué)的城市防澇體系，才能從根本上防止城市內(nèi)澇的發(fā)生。

[1] CJJ 61-2003. 城市地下管線探測技術(shù)規(guī)程[S].

[2] 秦志光. 信息與通信創(chuàng)新學(xué)術(shù)專著. 智慧城市中的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[M]. 人民郵電出版社，2012：121～216.

[3] 楊勵(lì)雅，池海量. 城市市政公用設(shè)施數(shù)字化管理[M]. 中國人民大學(xué)出版社，2012：20～31.

[4] GB 50014-2006. 室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] 孫慧修，郝以瓊，龍騰銳. 排水工程上冊(第四版)[M]. 中國建筑工業(yè)出版社，2011：100～155.

[6] 張自杰，林榮忱，金儒霖. 排水工程下冊(第五版)[M]. 中國建筑工業(yè)出版社，2015：23～150.

[7] 石赟赟，萬東輝，陳黎等. 基于GIS和SWMM的城市暴雨內(nèi)澇淹沒模擬分析[J]. 水電能源科學(xué)，2014(6)：88～91.

[8] 郭云飛. 基于SWMM的城市暴雨內(nèi)澇研究[D]. 洙洲：湖南工業(yè)大學(xué)，2014.

Design and Implementation of Early Warning and Forecast System of City Flood and Waterlogging

Yuan Qingtao1，2，Zhou Wei1，2，Liu Xu1，2，Duan Tong1，2

(1.Zhengyuan Geographic Information Limited Liability Company，Beijing 101300，China；2.Zhengyuan Geographic Information Research and Development Center，Beijing 101300，China)

The GIS technology，GPRS technology and physical networking sensing technique was adopted to realize the city “rainfall” real-time release，“flood” timely warning，“drainage” science and resources scheduling. Combined with the WebGIS technology design and large-scale application database system，on this basis，a comprehensive integration of various information resources and restructuring. The system in Dongying City launched since，for large and heavy rain monitoring，repeatedly using the drainage model early warning，for real-time rainfall intensity alarm，via SMS，LED display screen，such as a variety of channels for the general public to remind，bring great convenience and guidance on the masses of people travel and production.

flood waterlogging；real-time monitoring；mongodb；GIS

1672-8262(2016)06-18-05

P208.2

A

2016—04—18

袁青濤(1986—)，男，助理工程師，主要從事基于GIS的基礎(chǔ)研發(fā)工作。