袁青濤，周文，劉旭，段彤

(1.正元地理信息有限責任公司，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)澇預警預報系統(tǒng)的設計與實現(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、GPRS技術及物聯(lián)網(wǎng)傳感等技術實現(xiàn)對城區(qū)“雨情”實時發(fā)布、“澇情”及時預警、“排澇”資源科學調(diào)度。并結(jié)合WebGIS地理技術設計和大型應用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，在此基礎之上，對各種信息資源進行全面的整合和重組。本系統(tǒng)在東營市上線運行以來，對大、暴雨監(jiān)測，多次利用排水模型進行預警，針對實時降雨強度進行報警，通過短信、LED顯示大屏等多種渠道對廣大市民進行提醒，對人民大眾出行和生產(chǎn)帶來了很大的方便和指導意義。

防汛內(nèi)澇；實時監(jiān)測；MongoDB；GIS

1 引 言

隨著我國經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展和城市化進程的不斷推進，人們對居住環(huán)境的要求逐步提高。但是，排水管網(wǎng)設施的老化和排水管網(wǎng)連接關系的復雜化，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，導致了嚴重的城市污染災害，造成了巨大的經(jīng)濟損失，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)濟社會發(fā)展和城市的正常運轉(zhuǎn)帶來了十分嚴重的影響。如何科學有效對城市內(nèi)澇的發(fā)生進行監(jiān)控、預警、調(diào)度成為亟待解決的問題。

2.1 系統(tǒng)架構

城市防汛排澇預警系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術與無線電低功耗技術相結(jié)合，通過雨量站、積水監(jiān)測點、排水泵站自動化改造；借助GIS、GPRS與物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)集成，實現(xiàn)了對城區(qū)“雨情”實時發(fā)布、“澇情”及時預警、“排澇”資源科學調(diào)度。既可以為決策機構的領導提供城市道路、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)測點的實時信息，又能夠為市政排水調(diào)度管理機構提供數(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)架構如圖1所示。

整個系統(tǒng)架構圖(如圖2)從層次上可以劃分為4個層次：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；包括三個支撐系統(tǒng)平臺：一是以太網(wǎng)絡系統(tǒng)平臺；二是數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)平臺；三是數(shù)據(jù)運維服務平臺。以太網(wǎng)絡是系統(tǒng)的傳輸平臺；數(shù)據(jù)庫是所有決策管理的基礎數(shù)據(jù)平臺；數(shù)據(jù)運維服務平臺為GIS系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務。這三個平臺的先進性、高效性、可靠性、安全性就決定了整個系統(tǒng)的性能，具體結(jié)構如圖2所示。

圖1 硬件系統(tǒng)架構

圖2 系統(tǒng)架構圖

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

2.2 數(shù)據(jù)庫設計

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

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

特點：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)；支持復制和故障恢復；使用高效的二進制數(shù)據(jù)存儲，包括大型對象(如視頻等)；自動處理碎片，以支持云計算層次的擴展性；支持RUBY，PYTHON，JAVA，C++，PHP等多種語言；文件存儲格式為BSON(一種JSON的擴展)；

與關系型數(shù)據(jù)庫相比，MongoDB更能保證用戶的訪問速度，在處理實時存儲和訪問的并發(fā)性能上效果優(yōu)于關系型數(shù)據(jù)庫；文檔結(jié)構的存儲方式，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)功能設計

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)絡接口層，它負責數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接收，幀是獨立的網(wǎng)絡信息傳輸單元。網(wǎng)絡接口層將幀放在網(wǎng)上，或從網(wǎng)上把幀取下來。這就要求IP使用網(wǎng)絡設備接口規(guī)范NDIS向網(wǎng)絡接口層提交幀，并且IP支持廣域網(wǎng)和本地網(wǎng)接口技術。在系統(tǒng)運行時要注意關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)補充說明：

把收到的數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)1的標綠區(qū)域，解析一欄中會自動羅列出每一個自己的HEX值，對應前面的標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：

硬件設施對雨量站、泵站、雨水點、污水點等監(jiān)測點進行數(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：

①泵站中所有雨水泵的水泵運行狀態(tài)、水泵故障、電流、遠程、運行時間及雨水池水位的水池液位數(shù)據(jù)情況進行監(jiān)測。

②雨量站監(jiān)測累計降雨量、降雨強度、5 min降雨量、實時雨量。

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

(3)硬件設備：

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

圖5 泵站MYSCADA組成

①泵站

顯示泵站實時監(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、保護狀態(tài)等信息。點擊泵站按鈕后會彈出泵站列表，同時在地圖上標注泵站。在地圖上點擊泵站標注點或點擊泵站列表對應的泵站，彈窗顯示泵站詳細信息，顯示泵站的編碼、位置、備注以及關聯(lián)的水泵信息，如圖6所示。點擊對應水泵可遠程控制其開啟、關閉狀態(tài)。

圖6 泵站實時監(jiān)測信息

查詢歷史曲線：可查看指定時間段、指定監(jiān)測點、指定監(jiān)測項的泵站運行歷史曲線。

②雨量站

雨量站標注點可查詢指定時間段的數(shù)據(jù)曲線，同時顯示關聯(lián)的泵站以及積水監(jiān)測點信息，可點擊視頻按鈕查看接入的視頻信息。

③窨井

點擊窨井按鈕后會在地圖上標注窨井。點擊對應的窨井標注點在主地圖下方顯示窨井信息及關聯(lián)信息界面(如圖7所示)：

a.區(qū)域左側(cè)：顯示窨井當前的水深。

b.區(qū)域中側(cè)：顯示窨井當前實時監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線。

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

圖7 窨井信息及關聯(lián)信息界面

可點擊右側(cè)LED 和視頻按鈕查看對應的信息。采集點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、水位計、攝像頭等傳感器，將現(xiàn)場的水位、雨量、實時圖片進行采集存儲和上報數(shù)據(jù)中心。且可擴展LED屏功能通過本地、GSM、GPRS等方式將現(xiàn)場相關信息同步發(fā)布到LED屏幕上，讓市民可以實時了解重要信息提前做好預防措施。

2.3.3 智能聯(lián)動

預設相應的內(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LED實時發(fā)布信息，且可以聯(lián)動現(xiàn)場排水設備進行及時排水，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備運行實行在線監(jiān)控，自動、手動控制水泵的啟停及閘閥的開、關，并具有自診斷功能，可實現(xiàn)水泵房的無人值守。

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

①顯示功能

a.動態(tài)顯示井下泵房運行的工況以及水流量的大小。

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

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遠程控制功能：

具有遠程控制水泵的開/停功能以及泵房其他設備的遠程控制功能。

2.3.4 防汛預警

LED大屏(如圖8所示)、短信等功能，輻射功能。系統(tǒng)預先錄入以往出現(xiàn)內(nèi)澇的水雨情數(shù)據(jù)，將實時上報的水雨情信息進行科學化計算處理，在內(nèi)澇情況未發(fā)生前提前預估和預警，更能對接第三方系統(tǒng)，讓民眾和相關單位更及時的獲取汛情信息以做好提前準備措施。

系統(tǒng)預先錄入以往出現(xiàn)內(nèi)澇的水雨情數(shù)據(jù)，將實時上報的水雨情信息進行科學化計算處理，在內(nèi)澇情況未發(fā)生前提前預估和預警，更能對接第三方系統(tǒng)，讓民眾和相關單位更及時的獲取汛情信息以做好提前準備措施。

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)澇預警預報系統(tǒng)，集成了熱圖展示功能，能夠根據(jù)時間來演變，在地圖上相近的展示局部雨量及積水的變化情況。更為直觀的為領導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，徑流和污染負荷。其匯流模塊部分則通過管網(wǎng)、渠道、蓄水和處理設施、水泵、調(diào)節(jié)閘等進行水量傳輸。該模型可以跟蹤模擬不同時間步長任意時刻每個子流域所產(chǎn)生徑流的水質(zhì)和水量以及每個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浪潮的背景下，東營市緊隨潮流，政府結(jié)合當?shù)貙嶋H情況，建設本系統(tǒng)，在東營市建設運行以后，對大、暴雨監(jiān)測，多次利用排水模型進行預警，針對實時降雨強度進行報警，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，通過系統(tǒng)的實施運行，保障了人民的生命財產(chǎn)免受損失。

4 結(jié) 語

城市內(nèi)澇防治是一項系統(tǒng)工程，需要城市的低影響開發(fā)從源頭減小雨水徑流量，提高排水管渠的設計標準，建設雨水調(diào)蓄設施和城市水系，加強雨水排水系統(tǒng)的維護和管理等方面建立起科學的城市防澇體系，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規(guī)程[S].

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

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

[4] GB 50014-2006. 室外排水設計規(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，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，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的基礎研發(fā)工作。