萬家權(quán) 薛豐昌 喻謙花 楊海山

前言

我國地形復(fù)雜，地處東亞季風(fēng)區(qū)，暴雨頻繁發(fā)生，暴雨強度大、極值高、持續(xù)時間長，常常導(dǎo)致城市內(nèi)澇。2021 年 7 月，河南遭受特大暴雨洪澇災(zāi)害， 造成鄭州市重大人員傷亡與財產(chǎn)損失。

在城市內(nèi)澇災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)報與面向社會提供信息服務(wù)過程中，需要應(yīng)用氣象自動站觀測的氣象數(shù)據(jù)、氣象雷達觀測數(shù)據(jù)、氣象數(shù)值模式模擬的天氣預(yù)報產(chǎn)品以及城市管理部門對城市積澇點的積水監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)多源異構(gòu)，觀測時點、觀測頻次各自不同；同時，由于城市內(nèi)澇往往是由于短時強降水導(dǎo)致的，發(fā)生發(fā)展快，需要高效的數(shù)據(jù)監(jiān)測、分析、處理技術(shù)手段，盡快掌握已經(jīng)發(fā)生的城市內(nèi)澇當(dāng)前狀態(tài)及其造成的氣象危險性，對未來可能發(fā)生的城市內(nèi)澇進行準確模擬預(yù)測。因此，需要一套功能齊備、高效運轉(zhuǎn)的自動化軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)對內(nèi)澇災(zāi)害相關(guān)數(shù)據(jù)的實時接收處理，實現(xiàn)災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)測模型算法的高效運行，進而實現(xiàn)對城市內(nèi)澇發(fā)生發(fā)展整個過程的監(jiān)測、預(yù)警與預(yù)報。

設(shè)計實現(xiàn)的城市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警軟件系統(tǒng)主要包括基礎(chǔ)地理信息模塊、實況監(jiān)測模塊、降水預(yù)報模塊、積澇風(fēng)險模塊、產(chǎn)品服務(wù)模塊、系統(tǒng)管理模塊，目前已經(jīng)在城市氣象服務(wù)業(yè)務(wù)中得到應(yīng)用。

系統(tǒng)總體技術(shù)框架

“城市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)”基于組件化架構(gòu)思想進行設(shè)計，采用插件式的系統(tǒng)整體框架，整個系統(tǒng)的功能、算法、流程、運行模式均可靈活配置，從而在保證整個平臺高可靠運行的同時，能為后續(xù)功能的完善和業(yè)務(wù)升級提供最大程度的便捷性和靈活性。其總體技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)技術(shù)框架

自上而下將整個系統(tǒng)劃分為應(yīng)用管理層、應(yīng)用組件層、集成調(diào)用層、平臺框架層、基礎(chǔ)環(huán)境層。應(yīng)用管理層為人機交互視圖層，所有的人機交互活動都將基于該層實現(xiàn)。整個管理層都將基于B/S來實現(xiàn)，用戶都通過瀏覽器的方式以HTTP協(xié)議對平臺的結(jié)果進行訪問。應(yīng)用組件層和集成調(diào)用層主要實現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用組件與平臺框架層之間的訪問和交互，通過訪問控制、組件調(diào)用、數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用組件對平臺框架組件的安全和可靠調(diào)用。平臺框架層通過服務(wù)注冊和服務(wù)發(fā)布實現(xiàn)對實際業(yè)務(wù)邏輯上的接口和功能擴展。作為系統(tǒng)的核心，平臺框架層為整個平臺提供所有框架層面的支撐，所有業(yè)務(wù)應(yīng)用邏輯組件都將基于該層所提供的基礎(chǔ)框架設(shè)計開發(fā)?；A(chǔ)環(huán)境層定義了平臺設(shè)計、開發(fā)、運行所依賴的基礎(chǔ)軟件環(huán)境。

功能模塊設(shè)計與實現(xiàn)

（一）功能模塊設(shè)置

城市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)包括基礎(chǔ)地理信息模塊、實況監(jiān)測模塊、預(yù)報信息模塊、積澇預(yù)警模塊、產(chǎn)品服務(wù)模塊和系統(tǒng)管理模塊（圖2）?；A(chǔ)地理信息模塊主要實現(xiàn)離線三維地圖展示、集成原有系統(tǒng)基礎(chǔ)地理信息模塊中地理信息內(nèi)容、積澇隱患點、攝像頭、積澇監(jiān)測點管理等功能。實況監(jiān)測模塊包括自動站降水監(jiān)測、積澇實況監(jiān)測產(chǎn)品集成等。預(yù)報模塊包括降水預(yù)報、積澇預(yù)報產(chǎn)品集成等功能。積澇預(yù)警模塊包括積澇預(yù)警規(guī)則管理、積澇預(yù)警提示等功能。產(chǎn)品服務(wù)模塊包括積澇服務(wù)產(chǎn)品制作、產(chǎn)品一鍵式多渠道發(fā)布等功能。系統(tǒng)管理模塊包括用戶信息管理、通信錄維護管理等功能。

圖2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)置

（二）功能模塊實現(xiàn)

1.基礎(chǔ)地理信息模塊

基礎(chǔ)地理信息按照政府、事業(yè)單位、交通、綠地、橋、學(xué)校、管道等類型在地理信息面板上以類別按鈕形式進行排布。點擊某一按鈕后，自動獲取原系統(tǒng)對應(yīng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容，并在三維地圖上以三維立體標簽加信息內(nèi)容的形式進行展示，再次點擊后，則可以將顯示的標簽圖層刪除。功能效果如圖3所示。

圖3 基礎(chǔ)地理信息模塊

2. 實況監(jiān)測模塊

實況監(jiān)測模塊包括自動站降水監(jiān)測、積澇實況監(jiān)測。點擊實況監(jiān)測菜單進入實況監(jiān)測模塊，點擊自動站降水監(jiān)測中不同時次按鈕，便可以在地圖上以三維標簽形式展示對應(yīng)的自動站降水實況，點擊某一標簽，可展示該自動站過去24小時降水時間序列圖（圖4）。

圖4 降水實況監(jiān)測模塊

點擊積水監(jiān)測對應(yīng)按鈕，便可以在地圖上以三維標簽形式展示對應(yīng)的積水監(jiān)測實況，點擊某一標簽，可展示該站過去2小時積水監(jiān)測時間序列圖（圖5）。

圖5 積水實況監(jiān)測

3. 降水預(yù)報模塊

點擊降水預(yù)報菜單進入降水預(yù)報模塊，選擇某一時間后，點擊短臨按鈕，可實現(xiàn)該時次對應(yīng)的未來2小時逐12分鐘短臨預(yù)報降水結(jié)果自動播放顯示。點擊敏感點按鈕，可顯示短臨敏感點，點擊某一敏感點，可顯示該點未來2小時逐12分鐘短臨預(yù)報降水時間序列圖。點擊短臨告警按鈕，可顯示選擇的時次未來2小時短臨告警結(jié)果（圖6～圖8）。

圖6 降水短臨預(yù)報

圖8 短臨降水告警

圖7 短臨降水敏感點

選擇格點預(yù)報時間，點擊格點預(yù)報中不同時效按鈕，便可實現(xiàn)格點預(yù)報結(jié)果在地圖上的展示（圖9）。

圖9 降水格點預(yù)報

4. 積澇風(fēng)險模塊

點擊積澇風(fēng)險菜單進入積澇風(fēng)險模塊，選擇某一時間后，點擊不同的時效，便可實現(xiàn)該時效對應(yīng)的積澇風(fēng)險結(jié)果以三維標簽的形式在地圖上進行展示（圖10）。

圖10 積澇風(fēng)險展示

5. 產(chǎn)品服務(wù)模塊

點擊產(chǎn)品服務(wù)菜單進入產(chǎn)品服務(wù)模塊，可展示已經(jīng)制作生成的產(chǎn)品服務(wù)列表。點擊內(nèi)澇預(yù)警制作按鈕，進入內(nèi)澇預(yù)警制作頁面，選擇某一時間后，點擊制作按鈕，便可實現(xiàn)內(nèi)澇預(yù)警產(chǎn)品的自動制作生成（圖11）。

圖11 服務(wù)產(chǎn)品制作

6. 系統(tǒng)管理模塊

點擊系統(tǒng)管理菜單進入系統(tǒng)管理模塊，可展示系統(tǒng)用戶列表，點擊新增按鈕，可實現(xiàn)用戶的新增，點擊刪除按鈕，可實現(xiàn)勾選的用戶刪除（圖12）。

圖12 系統(tǒng)管理

圖14 2小時積水深度實況監(jiān)測與預(yù)測對比

圖15 3小時積水深度實況監(jiān)測與預(yù)測對比

系統(tǒng)應(yīng)用實例

2021年7月20日0時至21日8時開封遭遇極端強降雨。最大降水強度出現(xiàn)在7月20日22時，單站雨量達到 103.4 mm/h；最大3 h累計降水量達到 157.0 mm，最大 24 h累計降水量達到 276.2 mm。

以2021年7月20日20時作為監(jiān)測時點（命名降水過程為2021072020時次），利用安置在開封的12個積澇點積水監(jiān)測站觀測的積水深度數(shù)據(jù)（站點分布如圖5所示）與系統(tǒng)預(yù)測的積澇點積水深度進行相關(guān)性分析，驗證系統(tǒng)1小時、2小時、3小時、6小時積澇點積水深度預(yù)測能力。

圖13—圖16縱坐標為各積水監(jiān)測站實況監(jiān)測積水深度（單位cm）,橫坐標為系統(tǒng)預(yù)測積水深度（單位cm），其中1小時實況監(jiān)測與預(yù)測相關(guān)系數(shù)達到0.9438，2小時實況監(jiān)測與預(yù)測相關(guān)系數(shù)達到0.9739，3小時實況監(jiān)測與預(yù)測相關(guān)系數(shù)達到0.7648，6小時實況監(jiān)測與預(yù)測相關(guān)系數(shù)達到0.8238，表明系統(tǒng)具有較好積澇監(jiān)測預(yù)測能力。

圖13 1小時積水深度實況監(jiān)測與預(yù)測對比

圖16 6小時積水深度實況監(jiān)測與預(yù)測對比

結(jié)論

設(shè)計實現(xiàn)了城市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警軟件系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括基礎(chǔ)地理信息模塊、實況監(jiān)測模塊、降水預(yù)報模塊、積澇風(fēng)險模塊、產(chǎn)品服務(wù)模塊、系統(tǒng)管理模塊，實現(xiàn)對內(nèi)澇災(zāi)害相關(guān)數(shù)據(jù)的實時接收處理，實現(xiàn)災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)測模型算法的高效運行，進而實現(xiàn)對城市內(nèi)澇發(fā)生發(fā)展整個過程的監(jiān)測、預(yù)警與預(yù)報。