邵鵬飛, 趙燕偉, 楊明霞

(1．浙江工業(yè)大學 計算機科學技術學院，杭州　310023； 2．浙江工業(yè)大學 機械工程學院，杭州　310023；3．浙江萬里學院 電子信息學院，浙江 寧波　315100)

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城市內(nèi)澇監(jiān)測預警信息系統(tǒng)研究

邵鵬飛1,3, 趙燕偉2, 楊明霞1

(1．浙江工業(yè)大學 計算機科學技術學院，杭州310023； 2．浙江工業(yè)大學 機械工程學院，杭州310023；3．浙江萬里學院 電子信息學院，浙江 寧波315100)

摘要：針對越來越嚴重的暴雨至澇現(xiàn)象，為了讓普通民眾可以通過智能移動終端應用便捷地獲取并分享汛情信息，更好地避災避險并參與到搶險救災中，基于現(xiàn)有城市道路積水監(jiān)測系統(tǒng)的基礎數(shù)據(jù)，采用移動GIS和云服務等技術，設計了具有道路實時積水呈現(xiàn)、道路通行重要告警、汛情實景圖片、政府信息通告等功能的一體化城市內(nèi)澇監(jiān)測預警信息系統(tǒng)；該系統(tǒng)包括內(nèi)澇監(jiān)測預警信息服務平臺和智能移動終端應用兩部分，基于云技術構建“內(nèi)澇監(jiān)測e警”平臺并設計了基于移動云服務的數(shù)據(jù)統(tǒng)一調(diào)度與管理，基于移動Web技術開發(fā)“內(nèi)澇監(jiān)測e警”智能終端應用，應用和平臺之間基于移動Web和移動GIS技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問；測試顯示該系統(tǒng)支持大量用戶的并發(fā)訪問，能夠簡潔有效實現(xiàn)內(nèi)澇監(jiān)測數(shù)據(jù)信息共享，對城市內(nèi)澇監(jiān)測預警具有實際的應用意義。

關鍵詞：城市內(nèi)澇；內(nèi)澇監(jiān)測；預警；信息系統(tǒng)

0引言

近年來，我國一些城市因暴雨來襲而內(nèi)澇的事件頻頻發(fā)生。2012年7月北京市特大暴雨，2013年10月“菲特”臺風浙江省余姚市近70%面積被淹，2014年3月廣東深圳等華南地區(qū)連降暴雨造成巨大損失，2015年夏廣西邊境、安徽安慶、上海、浙江、武漢、北京等多個城市因暴雨襲擊城市內(nèi)澇變成汪洋。這些“暴雨成災”現(xiàn)象已經(jīng)引起市政、防汛、路政等政府有關部門的高度關注：一方面要積極修建并管理好排水設施，另一方面要加快城市道路(涵洞)積水監(jiān)測系統(tǒng)等非工程性措施的建設和應用。

城市道路(涵洞)積水監(jiān)測系統(tǒng)的建設極為必要，它實現(xiàn)了城市重要積水點的水位監(jiān)測，既可以為決策機構的領導提供道路積水的實時信息，也能為市政排水調(diào)度管理機構提供支持。但目前國內(nèi)已建及在建的城市道路(涵洞)積水監(jiān)測系統(tǒng)在平臺架構設計和功能實現(xiàn)上都立足于滿足特定的應用群體(領導和政府相關職能部門)，沒有考慮將這些實時監(jiān)測及預警信息直接共享給普通百姓，并提供一個便捷直觀獲取信息的途徑，老百姓只能從廣播、電視等媒體上獲取相關的報道信息，無法滿足信息需求，從而導致避災、疏導和參與搶險救災等行動的滯后。

1研究現(xiàn)狀

針對城市防澇，國外發(fā)達國家長期以來都非常重視排水基礎設施建設，并不斷采用新的技術來提高應對能力，使得全民能夠及時獲取風險預警和實時雨情信息。國外對排水設施的研究主要集中在暴雨模型、智能神經(jīng)網(wǎng)絡控制、GIS 系統(tǒng)等方面，目前已經(jīng)有很多成熟的排水設施商業(yè)應用軟件及相關模型[1]。對城市暴雨積水過程模擬和預測主要集中于城市雨洪模型的應用研究，其中，代表性的城市雨洪模型有SWMM模型、MOUSE模型、STORM模型和Wallingford模型等[2]。

與國外發(fā)達國家相比，我國不僅在城市基礎排水設施建設和管理上遠遠不夠，在城市洪澇汛情風險預警評估系統(tǒng)研究和應用也相對落后。但近年來，隨著國內(nèi)各地不斷出現(xiàn)嚴重的城市內(nèi)澇現(xiàn)象，給政府和社會敲響了警鐘，政府、研究機構和企業(yè)都在積極行動起來，采取積極有效的措施解決這個問題，并取得了積極的進展。目前，國內(nèi)多省市已對城市暴雨積澇進行研究并建設了內(nèi)澇監(jiān)測預警系統(tǒng)[3-7]，眾多的產(chǎn)學研機構及企業(yè)致力于城市道路積水監(jiān)測系統(tǒng)的設計和開發(fā)[8-11]，在城市暴雨內(nèi)澇積水模型構建[12-13]、風險評估[14-15]和預測[2]等方面也取得較多的研究成果，但對普通民眾如何便捷有效獲取實時的道路積水和通行信息仍然關注不夠，普通民眾還只能通過電視、廣播、報紙和網(wǎng)絡等公共媒體途徑獲取相關的報道信息，不利于老百姓避災和參與搶險救災。

2城市內(nèi)澇監(jiān)測預警信息系統(tǒng)設計

城市內(nèi)澇監(jiān)測預警信息系統(tǒng)主要基于現(xiàn)有的城市道路(涵洞)積水監(jiān)測系統(tǒng)的基礎數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)平臺及軟件，在發(fā)生城市內(nèi)澇時，為廣大民眾提供便捷的一體化風險預警和汛情信息共享服務。為了實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲和管理，系統(tǒng)訪問的統(tǒng)一處理和實時響應，信息推送，及與其他系統(tǒng)平臺之間的數(shù)據(jù)通訊等，需要構建預警信息服務平臺，其系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1　城市內(nèi)澇監(jiān)測預警信息系統(tǒng)架構

智能手機等多種移動用戶終端通過無線技術接入城市內(nèi)澇監(jiān)測預警信息服務平臺，獲取“內(nèi)澇監(jiān)測e警”服務，包括道路實時積水狀態(tài)、道路通行重要告警信息、汛情實景圖片、政府信息通告和網(wǎng)友評論等，也可以通過該平臺發(fā)布用戶自己發(fā)現(xiàn)的最新汛情信息，實現(xiàn)信息共享。預警信息服務平臺基于云技術構建，實現(xiàn)透明、彈性可擴展的“內(nèi)澇監(jiān)測e警”服務和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問與資源管理。該平臺通過數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)交互機制設計直接從現(xiàn)有的城市道路積水監(jiān)測系統(tǒng)獲取監(jiān)測點基礎配置數(shù)據(jù)和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，或通過數(shù)據(jù)同步技術建立兩者之間的實時數(shù)據(jù)鏡像。另外，該平臺從城市智能交通平臺獲取汛情發(fā)生時重要的道路通行告警信息，并向智慧城市應用提供統(tǒng)一的服務訪問接口。

2．1基于移動云服務的數(shù)據(jù)統(tǒng)一調(diào)度與管理

在本系統(tǒng)中，需要智能移動終端具有自適應能力，能在復雜網(wǎng)絡環(huán)境下，自適應網(wǎng)絡的變化，采用合適的數(shù)據(jù)傳輸機制和工作模式等來保障與預警信息服務平臺之間的數(shù)據(jù)交互?；谝苿釉品盏臄?shù)據(jù)統(tǒng)一調(diào)度與管理方案的核心是將系統(tǒng)服務數(shù)據(jù)存儲于云端，完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲與管理，并從云端將數(shù)據(jù)提供給移動用戶，保證用戶隨時隨地的獲取服務數(shù)據(jù)，其邏輯結構如圖2所示。

圖2　基于移動云端服務的數(shù)據(jù)調(diào)度與管理

基于移動云服務的數(shù)據(jù)統(tǒng)一調(diào)度與管理方案的關鍵是基于移動云服務的系統(tǒng)自適應管理策略。從客戶端、網(wǎng)絡傳輸和服務器端這3個部分提供相關的解決方案。首先客戶端自身定位自適應：首選GPS定位，在GPS信號不好的情況下，通過自適應計算，采用移動網(wǎng)絡定位；然后工作模式自適應：當外界網(wǎng)絡條件穩(wěn)定時，系統(tǒng)首選“在線模式”，此時客戶端通過無線網(wǎng)絡與服務器端直接建立連接，實時地與服務器端進行地理空間數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)的交互，用戶可以獲取所有系統(tǒng)應用服務，包括道路積水及通行狀態(tài)地圖呈現(xiàn)、實時數(shù)據(jù)顯示、實景圖片和信息通告等?！霸诰€模式”下，系統(tǒng)對各種可行的接入方式進行自適應通信測算，選擇傳輸性能最好的接入方式，一般優(yōu)選Wifi無線接入方式。另外，該模式下由于客戶端與服務器端持續(xù)不斷的交互數(shù)據(jù)，因此宜采用TCP連接傳輸方式。當外界網(wǎng)絡中斷或者部分服務器出現(xiàn)故障時，導致客戶端移動設備無法與服務器端進行實時數(shù)據(jù)交互，這時候為保證用戶的正常使用，系統(tǒng)需要自動無縫地切換到“離線工作”模式。此時系統(tǒng)數(shù)據(jù)仍來自于云端，只不過經(jīng)系統(tǒng)自適應計算后切換到了本地數(shù)據(jù)庫，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)移動用戶的坐標值、屏幕顯示的范圍大小以及縮放級別等，計算出本地地圖在終端上的顯示范圍，由于本地數(shù)據(jù)庫中存儲的地圖數(shù)據(jù)為簡易的，因此不能夠提供“在線模式”下詳細的地圖數(shù)據(jù)。另外，該模式下，由于通訊功能限制，主要采用客戶端與服務器端點對點SMS短信的方式實現(xiàn)基本的監(jiān)測數(shù)據(jù)交互，所以僅顯示用戶周邊最近幾個監(jiān)測點的實時數(shù)據(jù)，并由系統(tǒng)向注冊用戶以短信方式推送重要的告警信息和通告。

2．2基于云技術構建預警信息服務平臺

為了支持大量用戶的并發(fā)訪問、應用、資源和服務的彈性擴展，本系統(tǒng)基于云技術構建預警信息服務平臺，主要包括基于云技術構建系統(tǒng)基礎平臺，并在基礎云平臺上架設Web服務、GIS應用服務和短信推送服務等多種應用服務系統(tǒng)等，采用中間件分層思想設計系統(tǒng)云服務體系結構，實現(xiàn)并提供“內(nèi)澇監(jiān)測e警”服務?；A云平臺的構建有自建和租用兩種方案。自建方案可以節(jié)約開發(fā)成本，系統(tǒng)運行功能和性能得到基本測試，常用軟件環(huán)境：Hadoop+CentOS+JDK，硬件環(huán)境常由多臺服務器本地連網(wǎng)后以主從方式構建。租用方式是商業(yè)化的解決方案，使得系統(tǒng)功能和性能能得到更好的商業(yè)化應用測試，更加符合應用和推廣要求，但增加了開發(fā)成本，比如可以基于商用的彈性計算云服務構建基礎云平臺。另外，系統(tǒng)定義統(tǒng)一的數(shù)據(jù)與服務訪問虛接口，并基于虛接口定義與現(xiàn)有城市道路積水監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問接口及訪問機制，獲取基礎配置數(shù)據(jù)及實時監(jiān)測數(shù)據(jù)；定義與智能交通平臺的訪問接口及訪問機制，獲取城市道路通行重要變化信息等。

3基于移動云端服務的智能移動終端應用開發(fā)

為了讓普通民眾能夠便捷地訪問一體化汛情信息服務，本系統(tǒng)基于嵌入式智能移動終端開發(fā)終端應用，并基于移動云端服務提供強大的并發(fā)接入訪問功能。本系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能主要包括基于GIS的城市道路實時積水狀態(tài)和通行告警圖形化顯示，基于用戶定位、關注和核心位置的道路積水情況詳細數(shù)據(jù)顯示和告警提示，基于區(qū)域劃分的汛情實景圖片共享，及政府措施公告、專家預測、網(wǎng)友交流等信息的及時發(fā)布與共享等。因此，在本系統(tǒng)中，既有基于Web的地理空間數(shù)據(jù)，也有用戶數(shù)據(jù)(監(jiān)測點分布、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、定位、圖片等)，需要基于移動GIS，確定智能移動終端應用的開發(fā)平臺和嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、多種接入方式的自適應機制、不同數(shù)據(jù)類型和工作模式下的網(wǎng)絡傳輸方式等，然后基于移動云端統(tǒng)一調(diào)度和管理機制，開發(fā)“內(nèi)澇監(jiān)測e警”智能終端應用軟件。

3．1系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設計

考慮實際需求，系統(tǒng)主要的數(shù)據(jù)表包括用戶信息表、定位信息表、監(jiān)測點信息表、監(jiān)測數(shù)據(jù)表和短信信息表等，各表的定義及表間關聯(lián)如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設計

其中，用戶信息表為每個系統(tǒng)用戶生成記錄表項，非注冊用戶登錄時，系統(tǒng)將為其生成一個臨時表項；定位信息表用于保存移動用戶終端的每次定位信息；監(jiān)測點信息表用于保存各類監(jiān)測點的基礎配置信息，與現(xiàn)有的城市道路積水監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測點信息表一致；監(jiān)測數(shù)據(jù)表用于保存所有監(jiān)測點的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)；短信信息表用于保存“離線模式”下點對點通信數(shù)據(jù)，包括用戶數(shù)據(jù)請求和服務器響應的監(jiān)測點數(shù)據(jù)及重要告警信息等。

3．2“內(nèi)澇監(jiān)測e警”智能終端應用開發(fā)

“內(nèi)澇監(jiān)測e警”軟件設計基于兩類用戶：注冊用戶和非注冊用戶，其主要區(qū)別是僅注冊用戶享有“離線模式”時系統(tǒng)對重要告警的信息推送服務。在系統(tǒng)開發(fā)中，考慮國內(nèi)Android平臺和IOS平臺的用戶都很多，采用移動Web技術實現(xiàn)應用軟件的平臺無關性。該軟件的分層結構如圖4所示，主界面主要包括監(jiān)測點的實時積水狀態(tài)、道路通行重要告警等的GIS顯示，基于道路或者位置查詢的搜索，及“數(shù)據(jù)顯示”、“實景圖片”和“信息通告”3個子模塊(其功能實現(xiàn)見圖5(a)、(b)、(c)。

圖4　終端應用軟件結構

(a)　數(shù)據(jù)顯示模塊

圖5　功能實現(xiàn)圖

本智能終端應用需GPS、無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡等支持。在進入系統(tǒng)后，首先通過定位或基于位置的查詢操作，探測到用戶自身或其關注的位置信息之后，從云端獲取服務數(shù)據(jù)并呈現(xiàn)在主界面上，主要包括監(jiān)測點的實時積水狀態(tài)、道路通行重要告警等的GIS顯示，監(jiān)測點由紅藍兩種顏色顯示，其中藍色又顯示成深淺不同的顏色來區(qū)別3個等級(安全/預警/告警)，紅色表示已達到不可通行的積水狀態(tài)。用戶可以拖動地圖顯示其他區(qū)域的監(jiān)測信息，也可以點擊具體監(jiān)測點，將顯示位置、水位數(shù)據(jù)和建議等。主界面上方有搜索條，用戶可以手動輸入道路名稱或者位置進行查詢，系統(tǒng)會對此進行模糊查詢并顯示相近位置數(shù)據(jù)供用戶確定。主界面下方提供3個功能按鈕：“數(shù)據(jù)顯示”、“實景圖片”和“信息通告”，點擊后分別進入相關的功能界面。

4結語

本文在現(xiàn)有的城市道路(涵洞)積水監(jiān)測系統(tǒng)的基礎上，采用當前發(fā)展迅速的云服務、移動GIS及智能移動終端應用等技術，設計了一種面向民眾的城市內(nèi)澇監(jiān)測預警信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過基于云技術的預警信息服務平臺和智能移動終端應用的便捷途徑，可為廣大普通百姓提供城市道路積水實時信息、道路通行重要告警信息、相關的政府解決措施和社會關注熱點等的一體化信息服務。通過這些應用，普通老百姓不僅可以及時避災避險，還可以積極參與到汛情信息共享和搶險救災當中。測試顯示該系統(tǒng)支持大量用戶的并發(fā)訪問，及應用、資源和服務的彈性擴展，能夠簡潔有效實現(xiàn)內(nèi)澇監(jiān)測數(shù)據(jù)信息共享，對城市內(nèi)澇監(jiān)測預警具有實際的應用意義。需要注意的是，在系統(tǒng)軟件開發(fā)中引入中間件技術，云端數(shù)據(jù)存儲與管理交由中間件處理，包括核心服務(用戶認證、移動GIS交互、定位查詢、Web服務、數(shù)據(jù)請求等)、數(shù)據(jù)服務(數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等)和通訊服務(在線交互、離線交互) 等，并采用分層設計進行中間件功能模塊的定義，可屏蔽復雜網(wǎng)絡環(huán)境下數(shù)據(jù)交互的復雜性，提供與其他系統(tǒng)平臺(如現(xiàn)有城市道路積水監(jiān)測系統(tǒng)、智能交通平臺和智慧城市應用等)之間的一致訪問接口，便于上層應用開發(fā)和系統(tǒng)擴展移植。

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Research on Urban Waterlogging Monitoring and Pre-Warning System

Shao Pengfei1, 3, Zhao Yanwei2, Yang Mingxia1

(1．College of Computer Science & Technology，Zhejiang University of Technology，Hangzhou310023，Chian；2．College of Mechanical Engineering， Zhejiang University of Technology，Hangzhou310023，Chian；3．Faculty of Electronic and Information Engineering， ZWU，Ningbo315100，Chian)

Abstract:For more severe rainstorm to waterlogging phenomenon, an integrated urban waterlogging monitoring and pre-warning system is designed by using the new technology of mobile GIS and cloud services, in order to allow the general public can easily access and share flood information through the intelligent mobile terminal applications, to escape hedge and participate in disaster relief better. This novel system is based on the data from existing urban road water monitoring systems, providing real-time map rendering of urban road water status and traffic warning, real-time flooding picture sharing, collection and distribution of relevant government solutions and public interests, etc. It consists of two parts: waterlogging monitoring and pre-warning information service platform and smart mobile terminal applications. The mobile web and mobile GIS technologies are used for data communications between these two parts. The "Waterlogging Monitoring e-Police" platform is constructed based on cloud technology and a mobile cloud-based data services and unified management strategy is designed for data exchange. The "Waterlogging Monitoring e-Police" mobile application is developed with mobile web technology. Test shows that this system can support a large number of concurrent access users, simple and effective realization of waterlogging monitoring data information sharing. So it has practical significance for the urban waterlogging monitoring and pre-warning application.

Keywords：urban waterlogging; waterlogging monitoring; pre-warning; information system

文章編號：1671-4598(2016)02-0049-04

DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.02.013

中圖分類號：TP273

文獻標識碼：A

作者簡介：邵鵬飛(1978-)，男，浙江寧波人，副教授，主要從事物聯(lián)網(wǎng)技術及其應用、智能網(wǎng)絡控制方向的研究。

基金項目：寧波市社會發(fā)展基金項目(2014C50006)；寧波市創(chuàng)新團隊項目(2012B82006)。

收稿日期：2015-08-31；修回日期：2015-10-15。