基于物聯(lián)網(wǎng)與GPRS技術(shù)對武漢市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

張忠義，王　喆，方丹輝

(1.武漢理工大學(xué)管理學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué)中國應(yīng)急管理研究中心，湖北 武漢 430070；3.安全預(yù)警與應(yīng)急聯(lián)動技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430070)

城市內(nèi)澇是指由于強降水或連續(xù)性降水超過城市排水能力，從而致使城市內(nèi)產(chǎn)生積水災(zāi)害的現(xiàn)象。目前國內(nèi)許多城市地下管道老化嚴(yán)重，排水標(biāo)準(zhǔn)較低，排水設(shè)施建設(shè)滯后，為內(nèi)澇的形成提供了孕災(zāi)環(huán)境；加之城市路面滲透性差，綠化不足，調(diào)蓄能力弱，加重了內(nèi)澇對城市的影響。近年來，隨著城市化進程的加快，城市內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重影響并制約著社會穩(wěn)定及經(jīng)濟發(fā)展。由暴雨引發(fā)的內(nèi)澇突發(fā)性強、預(yù)見性弱，目前防范與治理城市暴雨產(chǎn)生的漬澇問題，已不僅僅是城市排水系統(tǒng)的問題，而是城市發(fā)展規(guī)劃中必須綜合考慮與治理的問題[1]。因此，在我國城市內(nèi)澇治理工作中，應(yīng)進一步提高對暴雨內(nèi)澇的重視程度，采取綜合防洪排澇措施，提高城市防洪排澇能力[2]。

建立適應(yīng)城市發(fā)展的內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)是城市內(nèi)澇防治的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，國內(nèi)外學(xué)者對此開展了卓有成效的探索。在國外，城市內(nèi)澇防治起步較早，美國環(huán)境保護署(EPA)1971年就研發(fā)了世界首個基于計算機的城市排水官網(wǎng)模型，即暴雨洪水管理模型(SWMM)；隨后，城市徑流模型(UCURM)、STROM模型、MIKE URBAN模型以及Info-Works等多種城市暴雨模擬軟件開始研發(fā)成功并投入應(yīng)用[3-5]；隨著技術(shù)的不斷革新，新一代RIA[6]和WebGIS[7]等技術(shù)逐漸被應(yīng)用到城市內(nèi)澇結(jié)果的顯示、查詢、分析以及預(yù)警等方面。在國內(nèi)，對城市監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的研究主要集中在城市降雨和積水模型以及實時監(jiān)測新技術(shù)的應(yīng)用方面，如邵鵬飛等[8]結(jié)合GIS技術(shù)和云服務(wù)等手段設(shè)計了城市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警信息系統(tǒng)；鄭姍姍等[9]通過構(gòu)建降雨積水的時空自相關(guān)移動平均模型(STARMA)，實現(xiàn)了城區(qū)的暴雨積水點積水過程的短時預(yù)測功能；位路陽[10]運用WebGIS技術(shù)并結(jié)合暴雨洪水管理模型等手段，實現(xiàn)了城市內(nèi)澇的實時監(jiān)測預(yù)警；覃東華等[11]基于ArcGIS Server設(shè)計了城市洪澇災(zāi)害應(yīng)急管理綜合系統(tǒng)，對相關(guān)系統(tǒng)的開發(fā)具有一定的參考價值。

綜上所述，相關(guān)研究都為建立滿足現(xiàn)實需要的城市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)做出了貢獻(xiàn)。但是，從我國各地建立的城市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)來看，目前在數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)利用等方面還存在不足。武漢作為首批海綿城市建設(shè)試點城市，近年來開展了一系列建設(shè)實踐，并有學(xué)者提出將“海綿城市”與“PPP模式”結(jié)合，提出了武漢市的內(nèi)澇災(zāi)害防治體系[12]。而從2016年武漢城市洪澇應(yīng)對的現(xiàn)實情況來看，防災(zāi)應(yīng)急能力并沒有與日新月異的城市建設(shè)發(fā)展相適應(yīng)[13]。本質(zhì)上說，實現(xiàn)對城市雨水資源的有效管理的前提是對城市雨水管理技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用[14]。為此，本文針對武漢城市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)現(xiàn)狀，結(jié)合各地的現(xiàn)實情況，充分利用新一代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和GPRS技術(shù)對城市內(nèi)澇的實時數(shù)據(jù)進行采集與處理，并提出了完善武漢市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的優(yōu)化方案，對于增強我國城市應(yīng)急能力、減少內(nèi)澇帶來的人員傷亡和財產(chǎn)損失具有重要的現(xiàn)實意義。

1　武漢城市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)現(xiàn)狀

關(guān)于城市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的研究，相對于國外來說，我國的起步較晚，但是近年來也取得了不少的成果。我國在20世紀(jì)90年代后期開始了將數(shù)值模擬方法與GIS技術(shù)相結(jié)合用于城市暴雨內(nèi)澇的研究開發(fā)工作[13]。自2013年以來，武漢市在武昌區(qū)、洪山區(qū)等地建設(shè)了城市暴雨漬水監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，用以實時監(jiān)測城區(qū)雨量和特殊低洼區(qū)的漬水深度，并實現(xiàn)了信息的實時發(fā)布來提醒行人和車輛，取得了較好的效果[14]。

1.1　武漢市現(xiàn)有的城市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)成

武漢市地理位置特殊，為北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，降水量豐沛，長江與漢江在此交匯，且由于地勢原因，使武漢市成為我國受內(nèi)澇影響較為嚴(yán)重的一個城市。城市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)一般由監(jiān)測中心、通信網(wǎng)絡(luò)、前端監(jiān)測設(shè)備和測量設(shè)備4個部分組成[14]。武漢市內(nèi)澇區(qū)域主要是武漢三環(huán)線以內(nèi)的中心城區(qū)，武漢市現(xiàn)有的城市內(nèi)澇預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)主要由數(shù)字化地理信息系統(tǒng)、精細(xì)化降水預(yù)報系統(tǒng)、內(nèi)澇等級判定系統(tǒng)3個部分組成[15]。

1.1.1數(shù)字化地理信息系統(tǒng)

數(shù)字化地理信息子系統(tǒng)作為城市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)系統(tǒng)，由城市排水信息、基礎(chǔ)地理信息和下墊面屬性信息組成。其中，主要管網(wǎng)、泵站位置及其排水能力為城市排水信息；行政區(qū)劃、行政村、高速、橋梁、水系、綠地等31個圖層為基礎(chǔ)地理信息；地形高程、地面糙率、下墊面屬性等為下墊面屬性信息。

1.1.2多站點雨量動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

多站點雨量動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對城市內(nèi)澇實況的監(jiān)測主要通過降水實時監(jiān)測數(shù)據(jù)來進行漬水點內(nèi)澇監(jiān)測和預(yù)警。降水實時監(jiān)測數(shù)據(jù)來源為武漢市區(qū)自動氣象站，而自動氣象站通過每分鐘采集一次降水資料，傳送到數(shù)據(jù)服務(wù)器，系統(tǒng)每小時從數(shù)據(jù)服務(wù)器中統(tǒng)計小時累計雨量來進行實時的城市內(nèi)澇動態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測時段分為過去1小時、過去3小時、過去6小時、過去12小時和過去24小時，動態(tài)監(jiān)測與城市內(nèi)澇密切相關(guān)的最新降水實況。

1.1.3內(nèi)澇等級判定系統(tǒng)

城市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的核心是內(nèi)澇等級判定系統(tǒng)，該子系統(tǒng)基于漬水點積水深度、積水面積、影響程度等武漢市氣象臺現(xiàn)有氣象資料，結(jié)合水務(wù)、城管、交通等部門的歷史內(nèi)澇數(shù)據(jù)，基于綜合考慮如地形高程、下墊面屬性、排水管網(wǎng)等漬水點地理信息數(shù)據(jù)，對武漢城區(qū)所有漬水點進行強降水過程分析，重點分析漬水點區(qū)域代表自動站過程雨量、下墊面狀況、不同時段降水強度、海拔高度和地勢高低、排水設(shè)施等與漬水點積水深度、積水面積之間的關(guān)系，還通過討論不同時段漬水與降水強度之間的聯(lián)系，并利用相關(guān)分析方法建立漬水點的雨洪關(guān)系模型。

1.2　武漢市現(xiàn)有的城市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)存在的薄弱環(huán)節(jié)

武漢市現(xiàn)有的城市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)仍然存在監(jiān)測數(shù)據(jù)精度差、信息傳遞不及時、應(yīng)急處置效率低等問題，其薄弱環(huán)節(jié)可歸納為以下幾點：

(1) 系統(tǒng)效率較低，監(jiān)測數(shù)據(jù)共享性差。現(xiàn)有系統(tǒng)監(jiān)測到的內(nèi)澇信息數(shù)據(jù)往往以人工傳達(dá)為主，市政及有關(guān)部門難以快速獲取所需的全部信息，影響排澇效率，需建立科學(xué)的信息發(fā)布平臺，以實現(xiàn)各單位對信息的同步獲取。

(2) 系統(tǒng)自動化程度較低，無法自動采集并處理多種所需數(shù)據(jù)?，F(xiàn)有系統(tǒng)并未完全實現(xiàn)自動獲取數(shù)據(jù)的功能，如衛(wèi)星云圖、雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)等都需要通過其他系統(tǒng)查看，再人工錄入到預(yù)警平臺，對接不夠緊密，影響排澇效率。

(3) 系統(tǒng)城市地理信息更新慢，可用性差。由于現(xiàn)有系統(tǒng)中的城市地理信息往往更新慢，而城市建設(shè)進程越來越快，造成系統(tǒng)數(shù)據(jù)與實際不符，難以精確反映城市的積水受災(zāi)情況，影響整體排澇工作。

(4) 系統(tǒng)與城市應(yīng)急指揮聯(lián)系不夠緊密，影響了應(yīng)急效率。現(xiàn)有系統(tǒng)只能實現(xiàn)單一的預(yù)警預(yù)報功能，將監(jiān)測到的信息反饋給各有關(guān)部門，再由各部門討論制定方案，需建立以預(yù)案庫為主的數(shù)據(jù)庫，同監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)實現(xiàn)有效對接，形成決策支持模塊，以減少有關(guān)部門制定方案所花費的時間，提高應(yīng)急效率。

(5) 系統(tǒng)預(yù)警發(fā)布難以與市民雙向溝通?，F(xiàn)有系統(tǒng)通過預(yù)警發(fā)布平臺將信息傳達(dá)給防澇部門，無法確保市民對城市積水狀況等信息的及時獲取，需將實時數(shù)據(jù)通過預(yù)警發(fā)布平臺傳遞到移動終端，市民可第一時間獲取信息并上報更新數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)系統(tǒng)同市民的雙向溝通。

2　武漢城市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的總體優(yōu)化設(shè)計方案

考慮到城市內(nèi)澇數(shù)據(jù)采集范圍太廣，難以全面有效覆蓋，因此需要對城市重點易澇區(qū)域進行監(jiān)測，但由于監(jiān)測點分散在城市各個角落，因此還需要充分利用最新的傳感、云計算等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和GIS地理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和信息共享，既能減少建設(shè)投入，又可實現(xiàn)部門間的信息整合，以為應(yīng)急決策支持提供有效支撐。為此，本研究對武漢市現(xiàn)有的城市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計。

2. 1　系統(tǒng)框架設(shè)計

優(yōu)化的系統(tǒng)在分析不同類型城市內(nèi)澇特點的基礎(chǔ)上，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以GSM、GPRS通信技術(shù)為保障、應(yīng)急決策支持為依托、云端綜合信息處理為核心，具有獨特的優(yōu)越性，具體表現(xiàn)在：不同于以往人工錄入的采集模式，利用遙測終端機(RTU)、電子水尺等多種物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)監(jiān)測及共享，大大提高了工作效率；改善以往以人工傳達(dá)為主的信息傳遞方式，利用數(shù)字化地理信息系統(tǒng)、多站點雨量動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，提高了采集數(shù)據(jù)的可用性、精確性、即時性，實現(xiàn)了系統(tǒng)的智能化、自動化；此外，還建立了具備數(shù)值模擬、仿真計算等功能的云處理平臺，參考各部門的歷史案例數(shù)據(jù)及應(yīng)急預(yù)案，將信息綜合處理并發(fā)布到統(tǒng)一平臺，實現(xiàn)了部門間的應(yīng)急聯(lián)動。優(yōu)化的系統(tǒng)可用于輔助政府應(yīng)急部門進行城市內(nèi)澇基礎(chǔ)信息采集、內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警與模擬仿真、城市內(nèi)澇應(yīng)急指揮和管網(wǎng)動態(tài)監(jiān)控等應(yīng)急處置工作。該系統(tǒng)共分為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備端、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、預(yù)警發(fā)布模塊和決策支持模塊，其總體框架設(shè)計見圖1。

圖1　城市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)總體框架設(shè)計Fig.1　　　　Overall framework design of urban waterlogging monitoring and early warning system

2. 2　物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備端

2.2.1雨量計

通過雨量桶接收到的實際降雨量，按照每小時進行雨量統(tǒng)計，精度可達(dá)0.1 mm。為了準(zhǔn)確計量雨量，雨量計應(yīng)保持通電狀態(tài)，停電時的降雨量將不會被統(tǒng)計在內(nèi)，但以前的測量記錄不會丟失；雨量計內(nèi)有時鐘電路(自帶供電電池)，可將每日內(nèi)24 h的降雨量分別進行記錄，并統(tǒng)計每日的降雨量；雨量計的內(nèi)存可記錄400 d的降雨量，超出時將循環(huán)覆蓋。可通過人工數(shù)據(jù)采集(即讀數(shù)儀讀取)、自動化數(shù)據(jù)采集(即直接掛接系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)自動采集)和獨立自記錄采集(即獨立工作、自動采集和記錄)這三種方式采集雨量數(shù)據(jù)。

2.2.2液位計和電子水尺

系統(tǒng)采用電子水尺傳感器監(jiān)測水位，電子水尺是一種新型數(shù)字式水位傳感器，它是基于水的導(dǎo)電性原理設(shè)計的，通過測量分布電極的電信號來測量水位，適用于各種環(huán)境、水質(zhì)條件下的水位、積水監(jiān)測。該傳感器是一種采用先進微處理器芯片為控制器、內(nèi)置通訊電路的數(shù)字式水位傳感器，具備高可靠性和抗干擾性能，可以垂直安裝、傾斜安裝或階梯安裝等。按照積水監(jiān)測點現(xiàn)場情況應(yīng)選擇垂直安裝方式，安裝位置視情況選擇安裝在橋墩側(cè)面或隧道墻壁上。將電子水尺傳感器電纜連接至遙測終端機上，即可實現(xiàn)各積水點積水信息及其變化情況的測定，并把測定的數(shù)據(jù)進行糾錯、編碼、存儲，通過GSM/GPRS通信方式將數(shù)據(jù)傳輸給指定的中心。系統(tǒng)遙測站點采用自報式的工作體制，包括隨機自報和定時自報相結(jié)合，這種工作方式功耗低、便于供電，且結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、實時性強，能很好地反映積水水位變化的全過程。

2.2.3流量計

流量計可對各排水口和管道進行流量監(jiān)測。為了確保管道流量的連續(xù)性監(jiān)測，流量監(jiān)測設(shè)備應(yīng)安裝在排水渠內(nèi)以及管道口，選點時應(yīng)優(yōu)先考慮重點路段、內(nèi)澇多發(fā)地區(qū)和低洼處布設(shè)監(jiān)測點，并注重監(jiān)測點布設(shè)的均勻性和代表性，以提高監(jiān)測的科學(xué)性，并盡可能減少建設(shè)成本。

2. 3　數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要利用遙測站采集城市地面積水信息，再由分布在城市重點易澇區(qū)域的監(jiān)測站將采集到的數(shù)據(jù)通過GSM或GPRS無線傳輸?shù)街行恼?，為總系統(tǒng)提供實時數(shù)據(jù)，同時通過氣象局、智慧城管等部門調(diào)取動態(tài)降水預(yù)報信息、數(shù)字化地理信息和視頻監(jiān)測數(shù)據(jù)，集成到云端實時數(shù)據(jù)庫，其結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2　數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)Fig.2　Structure of data acquisition module

遙測站由遙測終端、蓄電池、電子水尺、信號避雷器等組成，其支持GSM/GPRS無線通信技術(shù)，傳輸方式采用自報和召測的方式進行，能夠確保自動、及時、準(zhǔn)確地將動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至中心站；在中心站點部署數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，完成網(wǎng)絡(luò)接入、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)校檢、數(shù)據(jù)存儲、測站監(jiān)控、運行管理和信息查詢等任務(wù)；通過中心站計算機及相應(yīng)的應(yīng)用軟件系統(tǒng)，即可以把測量數(shù)據(jù)直接讀出來，也可以通過通訊模塊，按照報汛機制和實際需要，向需要數(shù)據(jù)的管理部門發(fā)送。

2. 4　數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過遙測站監(jiān)測的地面積水信息，結(jié)合智慧城管系統(tǒng)中的數(shù)字化地理信息以及氣象局的精細(xì)化降水預(yù)報信息，進行匹配分析計算，并將其結(jié)果上傳到云端，形成一個穩(wěn)定、安全、高效的包括動態(tài)數(shù)據(jù)庫、云端案例庫和云端預(yù)案庫的云管理平臺，并將動態(tài)數(shù)據(jù)與云端案例庫、云端預(yù)案庫相匹配，分析城市易澇重點區(qū)域的受災(zāi)情況，對實時數(shù)據(jù)進行基礎(chǔ)信息分類、模擬仿真計算，篩除無效數(shù)據(jù)，并將加工處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)澇預(yù)警發(fā)布平臺，直接為城市防澇排澇提供參考依據(jù)，其結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3　數(shù)據(jù)處理模塊結(jié)構(gòu)Fig.3　Structure of data processing module

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將收到的數(shù)據(jù)格式進行解碼，并對接收的數(shù)據(jù)信息進行重新組織，去掉冗余和不合理數(shù)據(jù)，提取接收特征數(shù)據(jù)后加以處理，使之成為能正確反映監(jiān)測區(qū)域的積水水位要素變化過程的數(shù)據(jù)，并寫入云端綜合數(shù)據(jù)庫，結(jié)合云端案例庫和云端預(yù)案庫，為城市內(nèi)澇的預(yù)警發(fā)布提供保障，并可供專業(yè)應(yīng)用軟件使用，最終實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集狀態(tài)的監(jiān)測，一旦在設(shè)定的時間內(nèi)未采集到數(shù)據(jù)，將提供報警。該系統(tǒng)支持云端存儲、數(shù)據(jù)庫匹配、文件格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)自動分類、計算校驗、統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)備份等功能，數(shù)據(jù)形式包括數(shù)字、表格、文本、圖形、圖像、聲音等，能有效提供決策參考。嵌入云端技術(shù)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成，便于數(shù)據(jù)共享；實現(xiàn)數(shù)據(jù)隔離，防止在數(shù)據(jù)共享時破壞原始測量數(shù)據(jù)。

經(jīng)云端處理后導(dǎo)出的數(shù)據(jù)，經(jīng)相關(guān)程序自動錄入到預(yù)警發(fā)布平臺，可基于城市積水深度、積水范圍、影響程度等現(xiàn)有氣象資料，結(jié)合水務(wù)、交通、城管等部門的歷史內(nèi)澇數(shù)據(jù)及歷史案例庫，基于地形高程、下墊面屬性、管網(wǎng)信息等地理信息數(shù)據(jù)，對城市積水點進行強降水過程分析，并利用相關(guān)性分析方法建立漬水點的雨洪關(guān)系模型，并判定內(nèi)澇等級。

2. 5　預(yù)警發(fā)布模塊

預(yù)警發(fā)布系統(tǒng)是城市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)中最重要的部分，由數(shù)據(jù)處理模塊生成或?qū)С龅某鞘蟹e水?dāng)?shù)據(jù)、城市地理數(shù)據(jù)、內(nèi)澇等級、相應(yīng)應(yīng)急預(yù)案等信息，最終將集成在預(yù)警發(fā)布平臺，并及時傳導(dǎo)給有關(guān)部門，從而完成整個系統(tǒng)的工作流程，其結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4　預(yù)警發(fā)布模塊結(jié)構(gòu)Fig.4　Early warning release module structure

該預(yù)警發(fā)布平臺具有內(nèi)澇預(yù)警顯示、內(nèi)澇信息查詢、內(nèi)澇災(zāi)情管理、數(shù)據(jù)維護四大功能。其中，內(nèi)澇預(yù)警顯示模塊可通過模擬仿真等技術(shù)提供城市地面積水信息和降水信息的實時、立體的展示，直觀顯示城市內(nèi)澇動態(tài)；內(nèi)澇信息查詢模塊可為決策者提供精確的積水水位、管網(wǎng)狀況、氣象信息等數(shù)據(jù)，有效支撐應(yīng)急決策；內(nèi)澇災(zāi)情管理模塊可實現(xiàn)與政府有關(guān)部門及市民的雙向溝通，實現(xiàn)災(zāi)情上報及災(zāi)情統(tǒng)計功能；數(shù)據(jù)維護模塊可實現(xiàn)用戶管理及實時數(shù)據(jù)的更新及修正。該平臺可在地圖上顯示各監(jiān)測站點的分布情況，以報圖和報表形式顯示積水站點當(dāng)前積水水位值、積水過程線等相關(guān)數(shù)據(jù)，并對超警戒的積水站點，以圖標(biāo)閃爍及聲音提醒的方式進行預(yù)警，以便用戶及時了解預(yù)警信息，同時可對人工上報的全市范圍內(nèi)積水信息，通過后臺錄入展示，此外還可與現(xiàn)有系統(tǒng)視頻監(jiān)控模塊進行關(guān)聯(lián)，對站點積水信息查詢的同時，也可對積水現(xiàn)場附近已有視頻點攝錄的視頻圖像進行查看。

2. 6　決策支持模塊

傳統(tǒng)的城市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)往往同城市應(yīng)急指揮系統(tǒng)聯(lián)系不夠緊密，影響排澇效率，其主要實現(xiàn)單一的預(yù)警預(yù)報功能。而將應(yīng)急決策支持系統(tǒng)嵌入監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，能有效減少城市應(yīng)急部門制定排澇方案所花費的時間，提高應(yīng)急處置效率，其結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5　決策支持模塊結(jié)構(gòu)Fig.5　Structure of decision support module

該系統(tǒng)通過云端數(shù)據(jù)處理平臺的案例庫、預(yù)案庫、模型庫和方法庫對動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行匹配，并引入應(yīng)急調(diào)度指揮機制、部門應(yīng)急決策和協(xié)調(diào)機制、分級負(fù)責(zé)與響應(yīng)機制和社會動員機制，形成專項應(yīng)急方案，集成到模擬決策會商平臺，明確各部門職責(zé)，為城市應(yīng)急聯(lián)動指揮中心提供決策支持，大大提高了城市應(yīng)急聯(lián)動能力。

3　武漢城市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

為了更好地了解優(yōu)化的武漢城市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)情況，本文對基于系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計所實現(xiàn)的功能進行了具體說明，該系統(tǒng)的功能框架見圖6。

圖6　城市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的功能框架圖Fig.6　　　　Functional framework of urban waterlogging monitoring and early warning system

3. 1　自動化的數(shù)據(jù)采集

基礎(chǔ)澇情數(shù)據(jù)是實現(xiàn)內(nèi)澇監(jiān)控防治的基礎(chǔ)工作，系統(tǒng)開發(fā)將借鑒城市澇點分布數(shù)據(jù)，在各地進行遙測站點建設(shè)，同時在相關(guān)負(fù)責(zé)部門構(gòu)建中心站點，實現(xiàn)對各地內(nèi)澇數(shù)據(jù)的自動接收。遙測站根據(jù)設(shè)定通過通信模塊向中心站進行數(shù)據(jù)自動發(fā)送，中心站可通過計算機及相應(yīng)的應(yīng)用軟件系統(tǒng)，即可以把測量數(shù)據(jù)直接讀出來；進一步也可以通過通訊模塊，按照報汛機制和實際需要，向需要數(shù)據(jù)的管理部門發(fā)送。

3. 2　基于雷達(dá)圖的降水監(jiān)測預(yù)報

通過雷達(dá)圖數(shù)據(jù)的分析，可以滿足對短時強降雨的有效預(yù)測，結(jié)合其他技術(shù)，可以進一步推算出未來一段時間的降雨情況，其中未來一小時的降水預(yù)報數(shù)據(jù)是最為重要的。降水監(jiān)測預(yù)報將采用新一代多普勒天氣雷達(dá)圖分析技術(shù)，在平臺開發(fā)過程中將雷達(dá)回波數(shù)據(jù)進行矢量化操作。具體的操作是將源圖和電子地圖進行同比例網(wǎng)絡(luò)化分割，讀取源圖回波像素的位置、強度信息，并映射到電子地圖相應(yīng)單元格中，由此產(chǎn)生基于GIS的雷達(dá)回波強度圖，而該基于GIS的雷達(dá)回波強度圖是可查詢、可換算的。系統(tǒng)將逐行遍歷回波源圖解析出來的各點回波值信息以及相應(yīng)的位置范圍信息保存于二進制文件中，以供系統(tǒng)調(diào)用查詢。多普勒天氣雷達(dá)反射率因子產(chǎn)品的空間分辨率為1 km×1 km，結(jié)合武漢市的實際范圍與面積，對雷達(dá)回波強度圖進行疊加，通過對回波值的讀取確定未來一小時一定區(qū)域范圍內(nèi)的降雨情況。雷達(dá)回波強度定量估算降雨量的公式如下：

Z=aIb

其中，回波強度Z(單位為dBZ)是一個與降雨粒子大小、密度相關(guān)的量，降雨強度I(單位為mm/h)與回波強度Z之間存在一定聯(lián)系，通過a、b參數(shù)的確定即可以實現(xiàn)對兩者關(guān)系的了解，進而通過雷達(dá)回波強度圖的查看來對降雨強度進行預(yù)報。然而，a、b值的確定是與降雨類型、季節(jié)以及武漢當(dāng)?shù)氐赜虻纫蛩叵⑾⑾嚓P(guān)的可變參數(shù)，其確定將通過對武漢市歷史降雨強度與歷史雷達(dá)圖對比分析而獲得[16]。

在系統(tǒng)建設(shè)中通過構(gòu)建內(nèi)部模型，并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)分析，可實現(xiàn)雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)的開發(fā)，滿足當(dāng)?shù)貙Χ虝r強降雨的準(zhǔn)確預(yù)報，進而為防內(nèi)澇工作的開展?fàn)幦「嗟臅r間。

3. 3　豐富的云端數(shù)據(jù)共享

系統(tǒng)可以對外提供豐富的實時內(nèi)澇澇情數(shù)據(jù)查看，通過對遙測站反饋的內(nèi)澇點災(zāi)情，基于GIS平臺進行集中展示，針對內(nèi)澇點，可以快速查看該點內(nèi)澇的具體情況，包括澇點大概涉及范圍、澇點內(nèi)澇深度等信息，并結(jié)合內(nèi)澇信息及交通信息，對出行以及內(nèi)澇治理指揮做出合理計劃安排；同時，系統(tǒng)通過對內(nèi)澇等級條件的制定，對每次內(nèi)澇情況進行分類管理，并基于分類管理結(jié)果實現(xiàn)歷史案例的條件查詢；此外，系統(tǒng)可實現(xiàn)對內(nèi)澇案件處理信息的記錄以及對應(yīng)預(yù)案的關(guān)聯(lián)，保證相關(guān)部門在內(nèi)澇治理指揮工作開展過程中可以通過查看歷史內(nèi)澇案例，了解當(dāng)時內(nèi)澇應(yīng)對措施，進而為現(xiàn)場指揮決策提供信息參考。

用戶可根據(jù)各個行政區(qū)劃區(qū)、社區(qū)、街道所在位置及其周邊交通路線信息制定內(nèi)澇應(yīng)對預(yù)案，并將預(yù)案上傳，通過平臺還可以對預(yù)案進行維護管理。系統(tǒng)通過構(gòu)建預(yù)案與內(nèi)澇實時監(jiān)測結(jié)果的關(guān)聯(lián)，并通過系統(tǒng)內(nèi)部對內(nèi)澇實時狀況的分析，提供預(yù)案建議，由工作人員對預(yù)案選擇做出確認(rèn)。

3. 4　快速多樣化的預(yù)警發(fā)布

系統(tǒng)基于GIS平臺，對內(nèi)澇監(jiān)測點以及雨量監(jiān)測點進行疊加展示，針對內(nèi)澇監(jiān)測點，將通過閃爍等突出顯示方式來進行提醒，并可以根據(jù)澇情的實際情況，通過不同的圖標(biāo)進行展示。系統(tǒng)還可以實現(xiàn)對最近一段時間內(nèi)云圖、雷達(dá)圖分布進行查看，并支持云圖、雷達(dá)圖的動態(tài)播放，同時結(jié)合雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)測成果，可以在此系統(tǒng)上查看到短歷時強降雨預(yù)測信息。

此外，系統(tǒng)構(gòu)建了不同等級內(nèi)澇負(fù)責(zé)人之間的快速溝通渠道，下級對于發(fā)現(xiàn)的當(dāng)?shù)貎?nèi)澇澇情可以及時快速地向上級反饋，上級收到內(nèi)澇事件可以對各地內(nèi)澇事件進行統(tǒng)計分析，查看各澇點分布，進而為下一步指揮協(xié)調(diào)提供依據(jù)。

4　結(jié)　語

隨著城市化的快速發(fā)展，近年來由暴雨引發(fā)的城市內(nèi)澇災(zāi)害頻繁發(fā)生，在給市民的日常生活造成諸多困擾的同時，也引發(fā)了嚴(yán)重的生命及財產(chǎn)損失，城市內(nèi)澇問題引發(fā)了社會公眾的強烈關(guān)注。在“海綿城市”建設(shè)的不斷推進下，本文聚焦應(yīng)用雨水管理技術(shù)對城市內(nèi)澇進行防治，在分析武漢城市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，嘗試提出基于傳感等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、GPRS技術(shù)和云計算技術(shù)等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時共享，建立直觀的內(nèi)澇預(yù)警發(fā)布平臺，制定科學(xué)的應(yīng)急處置方案，構(gòu)建了城市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的整體規(guī)劃，以期實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、實時更新、自動化、智能化、雙向溝通、快速響應(yīng)、多部門應(yīng)急聯(lián)動等功能，為各級政府及有關(guān)機構(gòu)提供決策參考的科學(xué)依據(jù)，以提升城市整體排澇能力。

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