基于GIS與物聯網技術的防汛預警系統

劉清松+劉揚+杜萌+張蘊明

摘 要：基于GIS與物聯網技術，結合城市防汛應急管理業務流程、框架及軟件平臺架構分析設計的防汛預警系統可實現北京市西城區城市防汛應急管理的數字化和地圖化，有利于增強城市防汛基礎管理、提高應急響應能力，同時對于流域或其他城市的防汛應急管理輔助決策研究也具有一定借鑒意義。

關鍵詞：GIS；物聯網技術；防汛；數字化；地圖化

中圖分類號：TV877；TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）05-00-03

0 引 言

我國是世界上洪水災害最頻繁的國家之一，有10%的國土面積、5億人口、5億畝耕地、100多座大中城市受到洪水災害的威脅[1]。每年因洪水災害造成的直接經濟損失高達數百億元，尤其進入90年代后，洪災損失更呈上升趨勢：1991年洪澇災害直接損失779.08億元，1993年為630億元，1994年為1 700億元，1996年達到2 200億元，而1998年據民政部1998年10月12日統計更達到了創記錄的2 460億[2]。近年來，隨著極端降雨天氣的發生，市區道路因積水癱瘓，車輛無法通行，地鐵出入口、地下室、商場乃至其他一切地勢低矮的各類建筑被積水侵襲，城市防汛形勢十分嚴峻，嚴重威脅著城市的運行安全。7·21特大暴雨造成北京77人死亡和重大財產損失，引發社會各界的廣泛關注和對城市安全的擔憂。因此，盡快提高城市防汛預警能力已成為我國城市化發展的當務之急。而城市防汛體系建設是項復雜的系統工程，涉及城市防汛規劃、工程建設、防汛工程設施的日常管理維護及暴雨等條件下的城市防汛應急響應、災后恢復重建及公眾參與等方面。因此對于城市防汛管理精細化的要求越來越高。可靠的防汛監測和預警信息管理是城市防汛工作實現全面、協調、可持續發展的基石。現代城市防汛管理的復雜性，要求必須運用科技手段，對城市防汛整體以及細節狀況進行總體態勢識別、綜合管理評估和決策問題診斷，通過對各類相關信息的采集和分析，進一步完善城市防汛的數據標準、信息規范、特征識別、預警預報等內容，為城市防汛的指揮、控制和溝通工作提供依據[3]。

1 系統概述

針對西城區現有降雨監測預警工作繼續拓展的需要，市政管委業務發展的需要，并配合北京市、西城區“十二五”發展戰略中精細化、智能化管理創新應用工作繼續拓展的需要，文中設計了基于GIS與物聯網技術的防汛預警系統。該防汛預警系統包括防汛應急數據分發預警系統、防汛宣傳管理系統、防汛應急減災移動App、防汛數據入庫與管理系統、防汛綜合查詢系統，防汛與市防辦、排水、管委、氣象等數據共享。系統應適應西城區的特殊區情，集防汛與城市運行管理數據共享與應用于一體，符合社會經濟發展以數字化技術和信息技術為基礎的防汛應急數據標準與規范，開展數據入庫與管理工作，加強防汛宣傳，不僅符合北京市和西城區經濟形勢與防汛指揮的需要，更是物聯網理念在城市管理中的拓展以及管理方式繼續深入的需要，有助于提升城市運行管理的科學化、智能化水平。西城區在科委課題的支持下，利用傳感器物聯網技術于2011年底初步建立了一個由34個雨量傳感器監測點組成的降雨量監測網絡，實現了西城區50平方千米15個街道的全面覆蓋，但在低洼院落、易積水區域監測降雨的設施還需進一步完善，因此本項目提出建立城市內澇積水監測網絡，并計劃在全區易積水點（2012年統計有12處）選擇布設5個積水傳感監測器。計劃在易積水區域、低洼院落、重點區域等三類區域部署，從而更好的為防汛預警提供數據支持。

2 防汛預警系統框架

系統建設基于一系列標準規范體系以及安全防護體系。為了便于設計與管理，將系統主體劃分為5個層次，即物聯網傳感層、基礎設施層、數據資源層、業務邏輯層以及服務對象層。在安全防護體系下，系統可與城市運行管理平臺以及其他部門系統進行數據和服務的共享與交換[4]。防汛系統總體框架如圖1所示。

（1）物聯網傳感層

物聯網傳感層是本項目的最底層，主要包含各類感知設備，如雨量計（雨情監測）、電子水位計（積水監測）等，這些設備為數據采集服務提供了良好的硬件支撐。

（2）基礎設施層

基礎設施層是指項目的運行環境，具體包括硬件（存儲設備，安全設備，大屏幕等）、基礎軟件（操作系統，GIS系統，數據管理系統等）和網絡通信部分。

（3）數據資源層

數據資源層指系統運行所需數據資源，具體為基礎數據（地形、道路、防汛隱患點、宣傳屏等）、防汛宣傳數據（用于宣傳的發布、歷史查詢等）、防汛業務數據（各應用系統的業務所需數據）、防汛預案數據、防汛監測數據（監測傳感器實時獲取的監測數據）以及其他相關數據。

（4）業務邏輯層

業務邏輯層對應所有的應用子系統，是本系統的核心層。系統的復雜性也主要體現在業務邏輯層，面向城市運行的防汛應急與指揮調度系統。主要包括7個子系統，即城市內澇積水監測網絡建設、城市防汛應急監測系統、防汛信息采集與報送系統、防汛數據入庫與管理系統、防汛綜合查詢系統、防汛通信管理系統、防汛宣傳管理系統。

（5）服務對象層

分別針對監督指揮中心、區防汛辦，其他政府部門乃至領導、公眾、氣象局提供不同的監測信息內容和功能服務。項目同時也將與其他部門和部分系統實現資源和數據共享[5]。系統網絡結構圖如圖2所示。

3 系統網絡結構

依托西城區現有網絡安全設施與制度，在本項目的網絡設計中將網絡設計分為基礎層、數據層、應用層和用戶設施層。基礎層為項目的運行提供了最基礎的數據信息；數據層是主要用來存儲各種類型數據的數據庫，為應用層提供數據服務；應用層為一系列的防汛系統，是本項目建設的核心內容；用戶設施層包括了顯示終端、防汛部門、人民群眾以及防汛相關人員和領導[6]。系統總體技術路線如圖3所示

防汛預警系統以城市防汛業務需求為基礎，以城市管理相關數據規范、標準、安全體系等為設計依據[7]，以項目總體設計為框架，通過綜合應用傳感器技術、無線通信技術等多技術集成手段，研究防汛數據GIS可視化技術，GIS數據更新與綜合查詢技術，自動生成汛情快報、通報、表格等技術，數據共享接口與數據規范技術，防汛信息3G傳輸技術，傳感器實時監測、實時信息發布等關鍵技術，并將研究成果作為技術研究支撐，主要在6個方面展開系統建設與應用，分別建立“防汛應急數據分發預警系統”，“防汛數據入庫與管理系統”，“防汛宣傳管理系統”，“防汛應急減災移動App”，“防汛綜合查詢系統”，“防汛與管委、城管、氣象等的數據資源共享”，服務于城市內澇防汛預警需求，保障平安西城建設的需要。這個目前困擾城市運行管理與防汛業務的主要問題解決后，可大大提升城市運行管理的科學化、智能化水平，實現防汛信息的數字化、規范化、防汛業務的高效科學化，極大地提高人民群眾的滿意度。

4 結 語

防汛預警系統借助物聯網、GIS等最新科學技術，在降雨、積水的防汛研究問題上深度結合城市運行的物聯網應用，以達到投資少、見效快、成果顯著等目的。研究成果可全面提升西城區的城市精細化、智能化管理水平。提升防洪排澇數字化管理水平，提高防洪排澇應急保障能力，以有效降低勞動強度，提高工作效率，保證工作的時效性并通過建立防汛數據管理中心，實現信息資源的全面整合，有效管理各種結構化與非結構化信息資源，實現數據、文本、圖片、音頻、視頻等信息的關聯管理，創建各類防汛信息資源庫，為防汛決策指揮提供信息支撐。

參考文獻

[1]國家科委全國重大自然災害綜合研究組.中國重大自然災害及減災對策（總論）[M].北京：科學出版社，1994.

[2]張業成.中國洪澇災害的地質因素與減災對策建議[J].地質災害與環境保護，1999，10（1）：1-13.

[3]孟波.大城市防汛自動化管理系統與決策支持系統[J].系統工程，1993，11（1）：27-30.

[4]呂文斌，鄭曉陽，高芳琴，等.防汛“一網四庫”管理系統設計[J].上海水務，2007， 23（4）：53-56.

[5]吳微微，李誼瑞，范靈春，等.基于.Net 的Web GIS城市防震減災服務系統[J].世界地震工程，2009，25（2）：125-129.

[6]余達征，索麗生.關于防洪調度智能決策支持系統的分析與設計[J].水文，1999 （2）： 18-23.

[7]龔偉.針對暴雨積水災害的城市防汛決策支持系統研究[D].南京：河海大學，2007.

[8]陳永峰，劉揚，鮑慶雪，等.短信平臺的設計與實現[J].物聯網技術，2016，6（7）：34-36.