基于GIS與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的防汛預(yù)警系統(tǒng)

劉清松+劉揚+杜萌+張?zhí)N明

摘 要：基于GIS與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合城市防汛應(yīng)急管理業(yè)務(wù)流程、框架及軟件平臺架構(gòu)分析設(shè)計的防汛預(yù)警系統(tǒng)可實現(xiàn)北京市西城區(qū)城市防汛應(yīng)急管理的數(shù)字化和地圖化，有利于增強城市防汛基礎(chǔ)管理、提高應(yīng)急響應(yīng)能力，同時對于流域或其他城市的防汛應(yīng)急管理輔助決策研究也具有一定借鑒意義。

關(guān)鍵詞：GIS；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；防汛；數(shù)字化；地圖化

中圖分類號：TV877；TP39 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）05-00-03

0 引 言

我國是世界上洪水災(zāi)害最頻繁的國家之一，有10%的國土面積、5億人口、5億畝耕地、100多座大中城市受到洪水災(zāi)害的威脅[1]。每年因洪水災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟損失高達數(shù)百億元，尤其進入90年代后，洪災(zāi)損失更呈上升趨勢：1991年洪澇災(zāi)害直接損失779.08億元，1993年為630億元，1994年為1 700億元，1996年達到2 200億元，而1998年據(jù)民政部1998年10月12日統(tǒng)計更達到了創(chuàng)記錄的2 460億[2]。近年來，隨著極端降雨天氣的發(fā)生，市區(qū)道路因積水癱瘓，車輛無法通行，地鐵出入口、地下室、商場乃至其他一切地勢低矮的各類建筑被積水侵襲，城市防汛形勢十分嚴(yán)峻，嚴(yán)重威脅著城市的運行安全。7·21特大暴雨造成北京77人死亡和重大財產(chǎn)損失，引發(fā)社會各界的廣泛關(guān)注和對城市安全的擔(dān)憂。因此，盡快提高城市防汛預(yù)警能力已成為我國城市化發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。而城市防汛體系建設(shè)是項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及城市防汛規(guī)劃、工程建設(shè)、防汛工程設(shè)施的日常管理維護及暴雨等條件下的城市防汛應(yīng)急響應(yīng)、災(zāi)后恢復(fù)重建及公眾參與等方面。因此對于城市防汛管理精細(xì)化的要求越來越高?？煽康姆姥幢O(jiān)測和預(yù)警信息管理是城市防汛工作實現(xiàn)全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展的基石。現(xiàn)代城市防汛管理的復(fù)雜性，要求必須運用科技手段，對城市防汛整體以及細(xì)節(jié)狀況進行總體態(tài)勢識別、綜合管理評估和決策問題診斷，通過對各類相關(guān)信息的采集和分析，進一步完善城市防汛的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、信息規(guī)范、特征識別、預(yù)警預(yù)報等內(nèi)容，為城市防汛的指揮、控制和溝通工作提供依據(jù)[3]。

1 系統(tǒng)概述

針對西城區(qū)現(xiàn)有降雨監(jiān)測預(yù)警工作繼續(xù)拓展的需要，市政管委業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，并配合北京市、西城區(qū)“十二五”發(fā)展戰(zhàn)略中精細(xì)化、智能化管理創(chuàng)新應(yīng)用工作繼續(xù)拓展的需要，文中設(shè)計了基于GIS與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的防汛預(yù)警系統(tǒng)。該防汛預(yù)警系統(tǒng)包括防汛應(yīng)急數(shù)據(jù)分發(fā)預(yù)警系統(tǒng)、防汛宣傳管理系統(tǒng)、防汛應(yīng)急減災(zāi)移動App、防汛數(shù)據(jù)入庫與管理系統(tǒng)、防汛綜合查詢系統(tǒng)，防汛與市防辦、排水、管委、氣象等數(shù)據(jù)共享。系統(tǒng)應(yīng)適應(yīng)西城區(qū)的特殊區(qū)情，集防汛與城市運行管理數(shù)據(jù)共享與應(yīng)用于一體，符合社會經(jīng)濟發(fā)展以數(shù)字化技術(shù)和信息技術(shù)為基礎(chǔ)的防汛應(yīng)急數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，開展數(shù)據(jù)入庫與管理工作，加強防汛宣傳，不僅符合北京市和西城區(qū)經(jīng)濟形勢與防汛指揮的需要，更是物聯(lián)網(wǎng)理念在城市管理中的拓展以及管理方式繼續(xù)深入的需要，有助于提升城市運行管理的科學(xué)化、智能化水平。西城區(qū)在科委課題的支持下，利用傳感器物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)于2011年底初步建立了一個由34個雨量傳感器監(jiān)測點組成的降雨量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了西城區(qū)50平方千米15個街道的全面覆蓋，但在低洼院落、易積水區(qū)域監(jiān)測降雨的設(shè)施還需進一步完善，因此本項目提出建立城市內(nèi)澇積水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，并計劃在全區(qū)易積水點（2012年統(tǒng)計有12處）選擇布設(shè)5個積水傳感監(jiān)測器。計劃在易積水區(qū)域、低洼院落、重點區(qū)域等三類區(qū)域部署，從而更好的為防汛預(yù)警提供數(shù)據(jù)支持。

2 防汛預(yù)警系統(tǒng)框架

系統(tǒng)建設(shè)基于一系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系以及安全防護體系。為了便于設(shè)計與管理，將系統(tǒng)主體劃分為5個層次，即物聯(lián)網(wǎng)傳感層、基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源層、業(yè)務(wù)邏輯層以及服務(wù)對象層。在安全防護體系下，系統(tǒng)可與城市運行管理平臺以及其他部門系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)和服務(wù)的共享與交換[4]。防汛系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

（1）物聯(lián)網(wǎng)傳感層

物聯(lián)網(wǎng)傳感層是本項目的最底層，主要包含各類感知設(shè)備，如雨量計（雨情監(jiān)測）、電子水位計（積水監(jiān)測）等，這些設(shè)備為數(shù)據(jù)采集服務(wù)提供了良好的硬件支撐。

（2）基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層是指項目的運行環(huán)境，具體包括硬件（存儲設(shè)備，安全設(shè)備，大屏幕等）、基礎(chǔ)軟件（操作系統(tǒng)，GIS系統(tǒng)，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等）和網(wǎng)絡(luò)通信部分。

（3）數(shù)據(jù)資源層

數(shù)據(jù)資源層指系統(tǒng)運行所需數(shù)據(jù)資源，具體為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（地形、道路、防汛隱患點、宣傳屏等）、防汛宣傳數(shù)據(jù)（用于宣傳的發(fā)布、歷史查詢等）、防汛業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)（各應(yīng)用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)所需數(shù)據(jù)）、防汛預(yù)案數(shù)據(jù)、防汛監(jiān)測數(shù)據(jù)（監(jiān)測傳感器實時獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)）以及其他相關(guān)數(shù)據(jù)。

（4）業(yè)務(wù)邏輯層

業(yè)務(wù)邏輯層對應(yīng)所有的應(yīng)用子系統(tǒng)，是本系統(tǒng)的核心層。系統(tǒng)的復(fù)雜性也主要體現(xiàn)在業(yè)務(wù)邏輯層，面向城市運行的防汛應(yīng)急與指揮調(diào)度系統(tǒng)。主要包括7個子系統(tǒng)，即城市內(nèi)澇積水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、城市防汛應(yīng)急監(jiān)測系統(tǒng)、防汛信息采集與報送系統(tǒng)、防汛數(shù)據(jù)入庫與管理系統(tǒng)、防汛綜合查詢系統(tǒng)、防汛通信管理系統(tǒng)、防汛宣傳管理系統(tǒng)。

（5）服務(wù)對象層

分別針對監(jiān)督指揮中心、區(qū)防汛辦，其他政府部門乃至領(lǐng)導(dǎo)、公眾、氣象局提供不同的監(jiān)測信息內(nèi)容和功能服務(wù)。項目同時也將與其他部門和部分系統(tǒng)實現(xiàn)資源和數(shù)據(jù)共享[5]。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

依托西城區(qū)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)施與制度，在本項目的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中將網(wǎng)絡(luò)設(shè)計分為基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和用戶設(shè)施層?；A(chǔ)層為項目的運行提供了最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)信息；數(shù)據(jù)層是主要用來存儲各種類型數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)服務(wù)；應(yīng)用層為一系列的防汛系統(tǒng)，是本項目建設(shè)的核心內(nèi)容；用戶設(shè)施層包括了顯示終端、防汛部門、人民群眾以及防汛相關(guān)人員和領(lǐng)導(dǎo)[6]。系統(tǒng)總體技術(shù)路線如圖3所示

防汛預(yù)警系統(tǒng)以城市防汛業(yè)務(wù)需求為基礎(chǔ)，以城市管理相關(guān)數(shù)據(jù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、安全體系等為設(shè)計依據(jù)[7]，以項目總體設(shè)計為框架，通過綜合應(yīng)用傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)等多技術(shù)集成手段，研究防汛數(shù)據(jù)GIS可視化技術(shù)，GIS數(shù)據(jù)更新與綜合查詢技術(shù)，自動生成汛情快報、通報、表格等技術(shù)，數(shù)據(jù)共享接口與數(shù)據(jù)規(guī)范技術(shù)，防汛信息3G傳輸技術(shù)，傳感器實時監(jiān)測、實時信息發(fā)布等關(guān)鍵技術(shù)，并將研究成果作為技術(shù)研究支撐，主要在6個方面展開系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用，分別建立“防汛應(yīng)急數(shù)據(jù)分發(fā)預(yù)警系統(tǒng)”，“防汛數(shù)據(jù)入庫與管理系統(tǒng)”，“防汛宣傳管理系統(tǒng)”，“防汛應(yīng)急減災(zāi)移動App”，“防汛綜合查詢系統(tǒng)”，“防汛與管委、城管、氣象等的數(shù)據(jù)資源共享”，服務(wù)于城市內(nèi)澇防汛預(yù)警需求，保障平安西城建設(shè)的需要。這個目前困擾城市運行管理與防汛業(yè)務(wù)的主要問題解決后，可大大提升城市運行管理的科學(xué)化、智能化水平，實現(xiàn)防汛信息的數(shù)字化、規(guī)范化、防汛業(yè)務(wù)的高效科學(xué)化，極大地提高人民群眾的滿意度。

4 結(jié) 語

防汛預(yù)警系統(tǒng)借助物聯(lián)網(wǎng)、GIS等最新科學(xué)技術(shù)，在降雨、積水的防汛研究問題上深度結(jié)合城市運行的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，以達到投資少、見效快、成果顯著等目的。研究成果可全面提升西城區(qū)的城市精細(xì)化、智能化管理水平。提升防洪排澇數(shù)字化管理水平，提高防洪排澇應(yīng)急保障能力，以有效降低勞動強度，提高工作效率，保證工作的時效性并通過建立防汛數(shù)據(jù)管理中心，實現(xiàn)信息資源的全面整合，有效管理各種結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化信息資源，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、文本、圖片、音頻、視頻等信息的關(guān)聯(lián)管理，創(chuàng)建各類防汛信息資源庫，為防汛決策指揮提供信息支撐。

參考文獻

[1]國家科委全國重大自然災(zāi)害綜合研究組.中國重大自然災(zāi)害及減災(zāi)對策（總論）[M].北京：科學(xué)出版社，1994.

[2]張業(yè)成.中國洪澇災(zāi)害的地質(zhì)因素與減災(zāi)對策建議[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護，1999，10（1）：1-13.

[3]孟波.大城市防汛自動化管理系統(tǒng)與決策支持系統(tǒng)[J].系統(tǒng)工程，1993，11（1）：27-30.

[4]呂文斌，鄭曉陽，高芳琴，等.防汛“一網(wǎng)四庫”管理系統(tǒng)設(shè)計[J].上海水務(wù)，2007， 23（4）：53-56.

[5]吳微微，李誼瑞，范靈春，等.基于.Net 的Web GIS城市防震減災(zāi)服務(wù)系統(tǒng)[J].世界地震工程，2009，25（2）：125-129.

[6]余達征，索麗生.關(guān)于防洪調(diào)度智能決策支持系統(tǒng)的分析與設(shè)計[J].水文，1999 （2）： 18-23.

[7]龔偉.針對暴雨積水災(zāi)害的城市防汛決策支持系統(tǒng)研究[D].南京：河海大學(xué)，2007.

[8]陳永峰，劉揚，鮑慶雪，等.短信平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2016，6（7）：34-36.