基于雨量傳感器的城市防汛精細(xì)化監(jiān)測(cè)和預(yù)警
——以北京市西城區(qū)為例

◎ 北京市西城區(qū)城市管理監(jiān)督指揮中心 白 云

1、前言

近年來(lái)，隨著極端降雨天氣經(jīng)常發(fā)生，我國(guó)的很多城市防汛形勢(shì)十分嚴(yán)峻且嚴(yán)重威脅著城市運(yùn)行安全。但城市防汛體系建設(shè)是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及城市防汛規(guī)劃、防汛工程設(shè)施、災(zāi)后恢復(fù)重建及公眾參與等各個(gè)方面。其中最基本，也是相當(dāng)重要的工作就是對(duì)城市雨情的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。

對(duì)于雨情的監(jiān)測(cè)和預(yù)警，許多城市也都建立起防汛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并結(jié)合3S（GPS，GIS,RS），以及歷史信息情況綜合得到監(jiān)測(cè)和預(yù)警的結(jié)果。但從監(jiān)測(cè)和預(yù)警的結(jié)果來(lái)看，效果并不十分理想。其主要的問題是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)本身現(xiàn)勢(shì)性以及準(zhǔn)確性上都不足以滿足當(dāng)前的監(jiān)測(cè)和預(yù)警的需求。如北京市西城區(qū)60余平方公里的地區(qū)只有2～3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，這樣的數(shù)據(jù)精度是不夠用的。

針對(duì)當(dāng)前城市防汛監(jiān)測(cè)和預(yù)警工作的精細(xì)化需要，充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)與3G傳輸手段的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，利用傳感器技術(shù)建立自主的雨情無(wú)線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，并在此基礎(chǔ)上研發(fā)城市雨情精細(xì)化監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)，為城市防汛精細(xì)化管理提供可靠、準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)雨情信息支持。

2、概述

選擇城市低洼平房院落，建設(shè)由若干個(gè)雨量傳感器組成的自主雨量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸降雨量數(shù)據(jù)；在此基礎(chǔ)上建立起城市防汛監(jiān)測(cè)與預(yù)警平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)降雨量信息的瀏覽，歷史降雨量信息查詢統(tǒng)計(jì)，在雨量達(dá)到一定級(jí)別（例如中雨以上）時(shí)，結(jié)合氣象部門的降雨量預(yù)報(bào)信息，通過(guò)短信平臺(tái)自動(dòng)向相關(guān)人員發(fā)送雨情預(yù)警信息，為城市防汛及應(yīng)急工作提供及時(shí)可靠的降雨量信息支持，具體如圖1所示：

3、自主雨情監(jiān)測(cè)網(wǎng)的建設(shè)

3.1 雨量傳感器

雨量傳感器是雨情數(shù)據(jù)源監(jiān)測(cè)的基本工具。而數(shù)據(jù)傳輸裝置主要是利用安裝有手機(jī)卡，通過(guò)以手機(jī)接入移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(3G網(wǎng)絡(luò)或GPRS網(wǎng)絡(luò)) 的形式把雨量測(cè)量裝置獲取的雨量數(shù)據(jù)以一定時(shí)間隔發(fā)送指定IP地址的服務(wù)器上。（如圖2）

本自主雨情監(jiān)測(cè)網(wǎng)采用了3G和物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)用于雨量信息的收集、傳輸、雨量計(jì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等，真正實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守的物物相連、信息互通，具有物聯(lián)網(wǎng)基本概念，屬于物聯(lián)網(wǎng)基本應(yīng)用之一。

3.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布控原則

以下原則為我區(qū)開展雨量布控建設(shè)的一些經(jīng)驗(yàn)，僅供參考：

圖1 基于傳感器技術(shù)的城市雨情精細(xì)化監(jiān)測(cè)和預(yù)警流程圖

圖 2雨量傳感器（左側(cè)為雨量測(cè)量裝置和右側(cè)為數(shù)據(jù)發(fā)送裝置）

⑴總體設(shè)計(jì)原則：首先根據(jù)以往掌握的情況，如低洼區(qū)，積水點(diǎn)等，考慮監(jiān)測(cè)區(qū)域的總體情況，確定部署監(jiān)測(cè)點(diǎn)的總個(gè)數(shù)，此時(shí)應(yīng)該以地形圖為參考，而且比例以1:500或1:1000為宜。

⑵分級(jí)分層原則：確定了總個(gè)數(shù)后，要進(jìn)行分級(jí)分層，一般以街道、社區(qū)為分級(jí)分層標(biāo)志，盡量要布滿上級(jí)層次，下級(jí)層次以后還可以繼續(xù)細(xì)化，體現(xiàn)可擴(kuò)充性。

⑶地理布局原則：參考城市中的街巷、院落、空地等自然地理布局進(jìn)行布控，并選在高處（屋頂，樓頂），防止樹葉等遮擋。

⑷方便管理原則：為方便實(shí)施管理，應(yīng)該盡量選擇有人值守的單位或位置布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，也避免發(fā)生危險(xiǎn)。

⑸負(fù)載均衡原則：如果采用電源供電的雨量傳感器，則發(fā)送數(shù)據(jù)的間隔時(shí)間可以設(shè)置短些；而采用電池供電的雨量傳感器，則發(fā)送數(shù)據(jù)的間隔盡量長(zhǎng)些。

⑹相對(duì)穩(wěn)定原則：布控結(jié)束后不同層次的監(jiān)測(cè)點(diǎn)最好少調(diào)整，同一層次的監(jiān)測(cè)點(diǎn)則可無(wú)限制。

圖3 西城區(qū)布設(shè)情況

3.3 西城區(qū)布設(shè)情況

應(yīng)用上述原則，在北京市西城區(qū)15個(gè)街道（保證每個(gè)街道至少有一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)），選擇城低洼平房院落或者長(zhǎng)期積水點(diǎn)附近進(jìn)行雨情監(jiān)測(cè)點(diǎn)布控，具體布設(shè)情況如圖3所示。

4、雨情監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)的建立和應(yīng)用

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

西城區(qū)雨情監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)采用分布式三層體系結(jié)構(gòu)，三層體系結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)層（Data Layer）、業(yè)務(wù)邏輯層（Business Logic Layer）和表現(xiàn)層（Presentation Layer）。（如圖4）

圖4 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1)數(shù)據(jù)層：包括城市基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)、防汛設(shè)施數(shù)據(jù)、雨量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、預(yù)警預(yù)案數(shù)據(jù)等。

2)業(yè)務(wù)邏輯層：包含數(shù)據(jù)接收，基礎(chǔ)GIS功能，歷史數(shù)據(jù)管理，統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)時(shí)雨情監(jiān)測(cè)，預(yù)警分析，系統(tǒng)維護(hù)等服務(wù)和操作。

3)用戶層：通過(guò)將表現(xiàn)層與業(yè)務(wù)邏輯的分離處理，從而使得用戶界面與應(yīng)用邏輯位于不同的平臺(tái)上。通過(guò)這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得業(yè)務(wù)邏輯被所有用戶共享。

4.2 系統(tǒng)核心功能

西城區(qū)雨情監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)是集成電子地圖、實(shí)時(shí)雨量監(jiān)測(cè)、雨情預(yù)警分析等的數(shù)字城市防汛綜合應(yīng)用平臺(tái)。該平臺(tái)分為3個(gè)主要部分：雨情信息接收子系統(tǒng)、雨情監(jiān)測(cè)與預(yù)警子系統(tǒng)以及預(yù)警短信子系統(tǒng)。（如圖5）

系統(tǒng)主要功能包括：

⑴雨情信息接收

主要功能為：設(shè)置接收系統(tǒng)IP地址，端口號(hào)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)等參數(shù)；自動(dòng)保存數(shù)據(jù)接收日志；保存接收的信息到數(shù)據(jù)庫(kù)中等。

⑵雨情監(jiān)控與預(yù)警

本部分為系統(tǒng)核心功能，主要包括：

①監(jiān)控點(diǎn)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前監(jiān)控點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)值以及降雨等級(jí)；

②查詢各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)某個(gè)時(shí)段內(nèi)降雨數(shù)值信息、等級(jí)信息并查詢結(jié)果、打印輸出；

③統(tǒng)計(jì)降雨量數(shù)據(jù)按時(shí)間（月，周）、空間（街道、社區(qū)），并以圖表的方式顯示；

④利用實(shí)時(shí)雨情數(shù)據(jù)以及城市防汛降雨量等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)建立預(yù)警分析模型，確定是否預(yù)警以及當(dāng)前預(yù)警范圍與級(jí)別；

⑤利用預(yù)警分析結(jié)果，根據(jù)啟動(dòng)預(yù)案標(biāo)準(zhǔn)，提供應(yīng)急預(yù)案支持。

⑶預(yù)警短信提醒

主要功能為：降雨量達(dá)到一定等級(jí)，則自動(dòng)向相關(guān)管理人員發(fā)送降雨量實(shí)時(shí)信息短信；當(dāng)預(yù)警分析完成后，向預(yù)警應(yīng)急管理人員發(fā)送預(yù)警短信；當(dāng)雨量傳感器設(shè)備故障了，自動(dòng)向雨量設(shè)備管理人員發(fā)送提醒短信。

4.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

西城區(qū)雨情監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)采用B/S（瀏覽器/服務(wù)器）軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用Flex以及C#作為編程語(yǔ)言，SQL Server 2008作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。利用ArcSDE存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)、ArcServer提供地圖服務(wù)，通過(guò)UG/Open MenuScrip實(shí)現(xiàn)界面與系統(tǒng)緊密結(jié)合。

圖5 系統(tǒng)核心功能

圖6 實(shí)時(shí)雨量 覽

圖6為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)后效果。

4.4 應(yīng)用效果

西城區(qū)雨情監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)引入了3G通信與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)作為主要技術(shù)支撐，采用了穩(wěn)定成熟的富客戶技術(shù)和GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)城市雨情的豐富展現(xiàn)與圖形空間分析功能，從近半年的上線運(yùn)行情況來(lái)開看，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，性能可靠，提供了及時(shí)準(zhǔn)確的降雨量信息與預(yù)警服務(wù)，很好地滿足了西城區(qū)城市防汛及應(yīng)急工作的需要。同時(shí)，系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，操作簡(jiǎn)單，方便了城市日常防汛監(jiān)管及各項(xiàng)專題分析業(yè)務(wù)的開展。

5、需要考慮的問題

對(duì)于采用傳感器技術(shù)的城市雨情精細(xì)化監(jiān)測(cè)和預(yù)警，目前需要考慮2個(gè)主要問題：

1）雨情監(jiān)測(cè)網(wǎng)建設(shè)、細(xì)化和維護(hù)

目前應(yīng)用在城市防汛中的應(yīng)用仍不多見，主要是許多城市的防汛部門沒有充分認(rèn)識(shí)到自主建網(wǎng)的必要性，而仍采用與氣象部門協(xié)同獲取數(shù)據(jù)的方式，有些地區(qū)即使在監(jiān)控網(wǎng)建成后，也要根據(jù)網(wǎng)點(diǎn)空間分布進(jìn)一步細(xì)化原有監(jiān)控網(wǎng)，使得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更加精確。另外，對(duì)于監(jiān)控網(wǎng)的維護(hù)需要重點(diǎn)考慮，要定期進(jìn)行檢查、維修、保養(yǎng)，所有這些對(duì)于監(jiān)測(cè)和預(yù)警準(zhǔn)確與否相當(dāng)重要。

2）深層次、有針對(duì)性的分析和預(yù)警

雨情數(shù)據(jù)獲取只是監(jiān)測(cè)和預(yù)警的第一步，提供有效的決策支持才是最終目的。這里不應(yīng)該建立大而全的分析和預(yù)警模型，而應(yīng)該充分利用可靠基礎(chǔ)數(shù)據(jù)開展深層次和有針對(duì)性的分析和預(yù)警。

6、結(jié)論

本研究中的最大特點(diǎn)自主建立了由25個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成的西城區(qū)雨情監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。這樣，城市防汛監(jiān)測(cè)和預(yù)警就可以形成以氣象部門降雨量信息為主的宏觀預(yù)測(cè)，和自主雨情監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)降雨量數(shù)據(jù)為輔的微觀預(yù)報(bào)相結(jié)合的立體雨情預(yù)報(bào)體系，從而大大提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性和精度。另外，通過(guò)對(duì)當(dāng)前實(shí)際需要的分析，明確下一步的工作是增加監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中監(jiān)控點(diǎn)數(shù)量，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)精度；以及開展深層次和有針對(duì)性的分析和預(yù)警，提供有效的決策支持。