雨量傳感器的城市防汛精細化監測和預警

近年來極端降雨天氣時常發生，城市防汛形勢十分嚴峻且嚴重威脅著城市運行安全。針對目前城市防汛監測和預警中存在的數據現勢性差、準確性低的問題，面向精細化管理工作的需要，急需發揮傳感器與3G傳輸手段的技術優勢來解決雨量的實時監測問題。本文以北京市西城區為例，探索通過在城市低洼平房院落或者長期積水點設置雨量傳感器，建設由若干個監測點組成的智能雨情監測網絡，并通過無線網絡實時傳輸降雨量數據，擺脫了當前城市防汛監測和預警中對于氣象數據的過分依賴，同時提高了監測的針對性和精確性。在此基礎上研發城市雨情監測和預警系統，實現了城市雨情的豐富展現、圖形空間分析、預警預報等功能，為城市防汛精細化管理提供可靠、準確的實時雨情信息支持。系統應用運行表明其具有較強的魯棒性和穩定性，滿足了城市防汛管理工作的需求。

一、前言

對于雨情的監測和預警，目前普遍采用的方式是通過從城市氣象部門獲取降雨量信息進行的。許多城市也都建立起防汛監測系統，并結合3S（GPS、GIS、RS）空間統計分析手段，以及歷史信息情況綜合得到監測和預警的結果，但效果并不十分理想。目前的主要問題是監測數據本身現勢性以及準確性都不足以滿足當前監測和預警的需求。以北京為例，市氣象局以城區大約間隔5公里、郊區10-15公里的建設原則，建成了由177個自動氣象站組成的動站網，覆蓋北京市全地域。雖然說在宏觀上已經滿足了日常業務需要，但對于市區內部的監測預警來說，5公里的間隔就顯得太大了。如西城區60余平方公里的地區也就2-3個監測點，這樣的數據精度對于精細化的監測和預警都是不夠用的。

二、概述

在城市低洼平房院落或者長期積水點，建設由若干個雨量傳感器組成的自主雨量監測網絡，并通過無線網絡實時傳輸降雨量數據。在此基礎上建立起城市防汛監測與預警平臺，實現實時降雨量信息的瀏覽，歷史降雨量信息查詢統計，在雨量達到一定級別（例如中雨以上）時，結合氣象部門的降雨量預報信息，通過短信平臺自動向相關人員發送雨情預警信息，為城市防汛及應急工作提供及時可靠的降雨量信息支持，具體如圖1所示。

三、自主雨情監測網的建設

（一）雨量傳感器

雨量傳感器是雨情數據源監測的基本工具，由兩部分組成：雨量測量裝置和數據發送裝置，具體如圖2所示。雨量測量裝置稱為雨量計或者測雨計，是能自動連續記錄降雨量的儀器，目前主要有虹吸式、稱重式、翻斗式等幾種。而數據傳輸裝置主要是利用安裝有手機卡的DTU（數據傳輸單元），通過以手機接入移動網絡(3G網絡或GPRS網絡) 的形式把雨量測量裝置獲取的雨量數據以一定的時間隔（不降雨時一般以小時為間隔單位，降雨時則以分鐘為單位）發送到指定IP地址的服務器上。

本文的自主雨情監測網采用了3G和物聯網相關技術用于雨量信息的收集、傳輸、雨量計設備的運行狀態實時監測等，真正實現了無人值守的物物相連、信息互通，具有物聯網基本概念，屬于物聯網基本應用之一。

（二）監測點布控原則

監測點布控涉及的因素很多，對監測的準確性有著很大影響，可因地制宜進行綜合考慮。西城區開展雨量布控建設主要遵循以下幾點原則：

⑴總體設計原則：首先根據以往掌握的情況，如低洼區，積水點等，考慮監測區域的總體情況，確定部署監測點的總個數，此時應該以地形圖為參考，比例以1∶500或1∶1000為宜。

⑵分級分層原則：確定了總個數后，要進行分級分層，一般以街道、社區為分級分層標志，盡量要布滿上級層次，下級層次以后還可以繼續細化，體現可擴充性。

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行布控，并選在高處（屋頂，樓頂），防止樹葉等物遮擋。

⑷方便管理原則：為方便實施管理，應該盡量選擇有人值守的單位或位置布設監測點，也避免發生危險。

⑸負載均衡原則：采用電源供電的雨量傳感器，發送數據的間隔時間可以設置短些；采用電池供電的雨量傳感器，發送數據的間隔盡量長些。

⑹相對穩定原則：布控結束后，不同層次的監測點最好少調整，同一層次的監測點可無限制。

（三）西城區布設情況

應用上述原則，北京市西城區已在15個街道（保證每個街道至少有一個監測點），選擇城低洼平房院落或者長期積水點附近進行雨情監測點布控。

四、雨情監測和預警系統的建立和應用

（一）系統結構

基于WEB的數據處理日益成為信息化的中心環節，數據庫的靈活性、安全性和可拓展性成為數據處理技術的焦點。應用系統的不斷擴充和新功能的不斷增加，基于傳統的二層數據處理結構的系統拓展性、維護成本、數據安全性和應用間通信功能障礙等原生性問題的存在，已不能適應目前的需要。因此，西城區雨情監測和預警系統采用分布式三層體系結構，包括數據層（Data Layer）、業務邏輯層（Business Logic Layer）和表現層（Presentation Layer），并由三大技術進行支持（雨量傳感器技術、無線傳輸技術以及空間決策支持技術），其總體結構具體如圖3所示。

1.數據層為最底層，包含了雨情監測和預警所需的所有數據資源，包括城市基礎信息數據、防汛設施數據、雨量監測數據、預警預案數據等。另外，與數據有關的安全、完整性控制、數據的一致性、并發操作等也都在數據層完成。

2.業務邏輯層對應應用服務系統，所有的應用邏輯、控制都在這一層，系統的復雜性也主要體現在這里。本層包含了系統的核心功能：數據接收，基礎GIS功能，歷史數據管理，統計分析，實時雨情監測，預警分析，系統維護等服務和操作。

3.表現層也稱用戶層，主要指系統的用戶界面，它要求盡可能的簡單，使最終用戶不需要進行任何培訓就能方便地訪問各種雨情信息并進行相應反饋。通過將表現層與業務邏輯分離處理，使用戶界面與應用邏輯位于不同的平臺上，兩者之間的通信協議由系統自行定義。通過這樣的結構設計，使得業務邏輯被所有用戶共享。

（二）系統核心功能

西城區雨情監測和預警系統是集電子地圖、實時雨量監測、雨情預警分析等于一體的數字城市防汛綜合應用平臺。該平臺核心功能可分為3個主要部分，也稱為子系統，分別為：雨情信息接收子系統、雨情監控與預警子系統，預警短信提醒子系統，每個子系統有其相應功能。

1.雨情信息接收

主要功能為：設置接收系統IP地址、端口號、存儲數據庫等相關參數；自動保存數據接收日志；保存接收的信息到數據庫中等。

2.雨情監控與預警

本部分為系統核心功能，主要包括：

（1）西城區所有監控點實時雨情信息的瀏覽：可以顯示當前監控點實時數值以及降雨等級。

（2）歷史雨情查詢：查詢各個監測點某個時段內降雨數值信息、雨量等級信息等，查詢結果可用表格的方式輸出和打印。

（3）歷史雨情統計：提供對降雨量數據按時間（月，周）、空間（街道、社區）的統計，并以圖表的方式顯示。

（4）預警分析：利用實時雨情數據，參考氣象預報數據、歷史積水情況數據以及城市防汛降雨量等級標準建立預警分析模型，確定是否預警以及當前預警范圍與級別。

（5）應急分析：利用預警分析結果，根據啟動預案標準，提供應急預案支持。

（6）降雨設備狀態監測：提供雨量傳感器設備的實時狀態瀏覽，歷史狀態數據的查詢等功能。

3.預警短信提醒

主要功能為：降雨量達到一定等級，自動向相關管理人員發送降雨量實時信息短信；當預警分析完成后，向預警應急管理人員發送預警短信；當雨量傳感器設備故障了，自動向雨量設備管理人員發送提醒短信；另外，也可以通過特定編碼詢問方式，通過短信索取當前降雨量數據，系統驗證后自動回復。

（三）系統實現

西城區雨情監測和預警系統采用B/S（瀏覽器/服務器）軟件系統結構，采用Flex以及C#作為編程語言，SQL Server 2008作為后臺數據庫服務器。利用ArcSDE存儲空間數據、ArcServer提供地圖服務，通過UG/Open MenuScrip實現界面與系統緊密結合。

（四）應用效果

西城區雨情監測和預警系統引入了3G通信與物聯網相關技術作為主要技術支撐，采用了穩定成熟的富客戶技術和GIS技術實現城市雨情的豐富展現與圖形空間分析功能，從上線運行情況來看，系統運行穩定，性能可靠，提供了及時準確的降雨量信息與預警服務，很好地滿足了西城區城市防汛及應急工作的需要。同時，系統界面設計簡潔、操作簡單，方便了城市日常防汛監管及各項專題分析業務的開展。

五、結論

本研究中的最大特點是自主建立了由25個監測點組成的西城區雨情監控網絡。這樣，城市防汛監測和預警就可以形成以氣象部門降雨量信息為主的宏觀預測，和以自主雨情監測網絡的實時降雨量數據為輔的微觀預報相結合的立體雨情預報體系，從而大大提高監測數據的可靠性和精度。同時，因為可以自由確定監測點位置（如長期積水點附近），監測的針對性大大提高。

城市雨情監測和預警系統的應用結果表明，它實現了城市雨情的豐富展現與圖形空間分析功能，可以及時準確地為相關部門和人員提供分析所需的實時信息和預警信息，并且具有較強的魯棒性和穩定性，可為城市防汛管理提供更好的信息支持。

參考文獻

[1]王毅，劉洪偉，劉舒，等.網格化管理在城市防汛減災中的應用研究[J].北京水務，2011， (3): 8-11.

[2]馬豐斌.北京城市防汛排水系統問題與對策[J].北京水務，2009，(5):6-8.

[3]吳富寧，劉洪偉，孫京都.新時期城市防汛工作的思路與實踐[J].中國防汛抗旱，2009，(2):31-36.

[4]徐幫樹，賈超，王育奎，等.城市防汛預警決策支持系統研究及應用[J].山東大學學報，2011，41(2): 168-172.

[5]邱紹偉，胡傳廉，呂文斌，等.基于WebGIS的城市防汛應急管理輔助決策研究[J].水利水電技術，2008， 39(10):100-104.

（責任編輯：黃荔）