孫永尚，劉 揚，趙軍合，王帥帥

（1.北京建筑大學 測繪與城市空間信息學院 現(xiàn)代城市測繪國家測繪地理信息局重點實驗室，北京 100044）

北京市內(nèi)澇積水監(jiān)測預警系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

孫永尚1，劉 揚1，趙軍合1，王帥帥1

（1.北京建筑大學 測繪與城市空間信息學院 現(xiàn)代城市測繪國家測繪地理信息局重點實驗室，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，并在此基礎上研發(fā)北京市內(nèi)澇積水監(jiān)測預警系統(tǒng)，實現(xiàn)了積水深度信息的實時獲取、快速查詢統(tǒng)計、短信預警等功能，便于各級防汛指揮部門第一時間掌握路面積水情況，啟動相應的應急預案，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；預警；系統(tǒng)

為緩解交通壓力，保證出行暢通，北京市內(nèi)建設了一些下凹式立交橋和下穿隧道。但近幾年災害性天氣時有發(fā)生，特別是在“7·21”特大自然災害中，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，另一方面是因為城市的道路積水監(jiān)測沒有形成體系[1]，無法實時監(jiān)測和傳輸積水數(shù)據(jù)，導致預警不及時。

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)測預警系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可以為決策機構(gòu)領(lǐng)導提供道路積水的實時信息，也可為市政排水調(diào)度管理機構(gòu)提供技術(shù)支持[3]，還可以通過微博等時訊性強的媒體向公眾發(fā)布積水監(jiān)測信息，從而引導出行。

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監(jiān)測點組成的積水監(jiān)測網(wǎng)絡。該監(jiān)測網(wǎng)絡利用移動的GMS/GPRS通信網(wǎng)絡[4]，按照預設定的時間間隔向監(jiān)測中心發(fā)送積水信息。并在此基礎上開發(fā)路面積水監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)積水點GIS圖形化展示、統(tǒng)計查詢以及汛情預警。把已開發(fā)的路面積水監(jiān)測系統(tǒng)軟件安裝在Web服務器上，發(fā)布服務，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)，實現(xiàn)了實時積水查詢、積水存留時間查詢、積水預警信息提醒、超標積水站點查詢、展示12 h內(nèi)站點積水值變化圖等功能。

圖1 積水監(jiān)測與預警方法示意圖

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

北京市內(nèi)澇積水監(jiān)測預警系統(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)測站負責積水數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)傳輸，由電子水尺[5]、無線端機組成。

2）監(jiān)測中心負責數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)展示，硬件設備為數(shù)據(jù)庫服務器、Web服務器，安裝軟件為數(shù)據(jù)接收軟件和應用軟件。其中數(shù)據(jù)接收軟件負責實時積水數(shù)據(jù)的接收、解碼、校驗與入庫。

2.2 積水預警算法

1）積水預警等級設置。系統(tǒng)設計了4個預警等級：藍色預警、黃色預警、橙色預警、紅色預警。其中，單個監(jiān)測站點的實時積水預警根據(jù)積水時間以及積水深度來判斷（積水深度小于5 cm，不預警），判斷標準如表1所示。所有監(jiān)測站的實時積水綜合預警根據(jù)預警等級站點所占比例判斷，判斷標準如表2所示。積水存留預警只涉及單個監(jiān)測點預警，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，不預警)，判斷標準如表3所示。

表1 單個監(jiān)測點預警[6]

表2 綜合預警

表3 積水存留預警等級表

2）積水預警等級判斷。在數(shù)據(jù)庫里預先建一個歷史表和一個實時表，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，實時表中只存儲最新發(fā)回來的各個站點的積水數(shù)據(jù)。單個監(jiān)測站實時積水的預警等級判定需從實時表中查詢出當前積水值，再根據(jù)歷史表計算出達到此積水值的積水時間，然后得出相應的預警等級。

實時積水的綜合預警等級判定公式為：

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

積水存留預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為計算時刻的當前水位值，單位為cm；Tduring為計算時刻與積水水位最高值的時間間隔，單位為h。

2.3 系統(tǒng)功能設計

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

圖2 系統(tǒng)核心功能

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

2）積水存留時間查詢：此功能主要實現(xiàn)路面積水天數(shù)或者一天內(nèi)積水小時數(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)設計是否合理，從而輔助積水原因調(diào)查。

3）積水預警信息提醒主要有3個方面：①單個監(jiān)測站預警。若某監(jiān)測站積水深度達到橙色預警即向負責人發(fā)預警短信。北京市積水監(jiān)測點數(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，及時以短信方式提醒相關(guān)防汛負責人積水監(jiān)測站的緊急情況，從而迅速采取有效措施，避免不必要的危險發(fā)生。②綜合預警。若綜合預警達到黃色預警等級即向負責人發(fā)送預警信息，根據(jù)綜合預警出現(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積水存留預警。若此預警達到紅色預警等級即向負責人發(fā)送預警信息，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）超標積水站點查詢。此功能實現(xiàn)積水深度超過某個值的監(jiān)測站查詢，便于快速獲取出現(xiàn)緊急情況的位置信息，從而采取相應措施，防止補救一處而漏掉多處或者救急方法不當?shù)惹闆r發(fā)生。

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

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

北京市內(nèi)澇積水監(jiān)測預警系統(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)庫服務器；ArcGIS Server提供地圖服務。

根據(jù)實際情況，現(xiàn)已在北京市西城區(qū)設置了8個道路積水監(jiān)測站，圖3為系統(tǒng)部分站點截圖，顯示了站點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)測預警系統(tǒng)具有以下特點：

1）該系統(tǒng)實現(xiàn)了實時監(jiān)測和傳輸積水數(shù)據(jù)，防汛部門可以在第一時間掌握路面積水的準確信息。

圖3 站點狀態(tài)

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

3）預警狀態(tài)提示和自動短信預警服務使得有關(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性，從而保證廣大群眾的出行安全。

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P208

B

1672-4623（2015）04-0117-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.04.042

孫永尚，碩士，主要研究方向為GIS技術(shù)研發(fā)和智慧城市建設。

2014-07-23。

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