北京市內澇積水監測預警系統設計與實現

孫永尚，劉 揚，趙軍合，王帥帥

（1.北京建筑大學 測繪與城市空間信息學院 現代城市測繪國家測繪地理信息局重點實驗室，北京 100044）

北京市內澇積水監測預警系統設計與實現

孫永尚1，劉 揚1，趙軍合1，王帥帥1

（1.北京建筑大學 測繪與城市空間信息學院 現代城市測繪國家測繪地理信息局重點實驗室，北京 100044）

針對北京市近幾年出現的路面逢暴雨必積水問題，通過水位傳感器等物聯網技術構建路面積水監測網絡，并在此基礎上研發北京市內澇積水監測預警系統，實現了積水深度信息的實時獲取、快速查詢統計、短信預警等功能，便于各級防汛指揮部門第一時間掌握路面積水情況，啟動相應的應急預案，減輕突發惡劣天氣對公眾出行安全造成的影響。

北京市；暴雨；積水監測；預警；系統

為緩解交通壓力，保證出行暢通，北京市內建設了一些下凹式立交橋和下穿隧道。但近幾年災害性天氣時有發生，特別是在“7·21”特大自然災害中，北京市內37處城市道路交通中斷，其中橋下積水中斷27處，交通癱瘓長達6 h，甚至有駕車人淹死在“大水坑”里。出現這些現象的原因一方面是由于城市排水體系規劃不夠合理，另一方面是因為城市的道路積水監測沒有形成體系[1]，無法實時監測和傳輸積水數據，導致預警不及時。

本文針對以上問題，依托傳感器物聯網技術[2]構建了北京市內澇積水監測預警系統。該系統既可以為決策機構領導提供道路積水的實時信息，也可為市政排水調度管理機構提供技術支持[3]，還可以通過微博等時訊性強的媒體向公眾發布積水監測信息，從而引導出行。

1 系統監測方法概述

如圖1所示，通過在下凹式立交橋或低洼院落等經常積水區域安裝水位傳感器的方式建立起由若干個監測點組成的積水監測網絡。該監測網絡利用移動的GMS/GPRS通信網絡[4]，按照預設定的時間間隔向監測中心發送積水信息。并在此基礎上開發路面積水監測系統，實現積水點GIS圖形化展示、統計查詢以及汛情預警。把已開發的路面積水監測系統軟件安裝在Web服務器上，發布服務，防汛部門只需1臺可以上網的電腦，通過IE登陸指定網址即可操作該軟件系統，實現了實時積水查詢、積水存留時間查詢、積水預警信息提醒、超標積水站點查詢、展示12 h內站點積水值變化圖等功能。

圖1 積水監測與預警方法示意圖

2 系統設計

2.1 系統結構設計

北京市內澇積水監測預警系統包括道路積水監測站和監測中心兩部分。

1）道路積水監測站負責積水數據采集以及數據傳輸，由電子水尺[5]、無線端機組成。

2）監測中心負責數據接收、數據處理以及數據展示，硬件設備為數據庫服務器、Web服務器，安裝軟件為數據接收軟件和應用軟件。其中數據接收軟件負責實時積水數據的接收、解碼、校驗與入庫。

2.2 積水預警算法

1）積水預警等級設置。系統設計了4個預警等級：藍色預警、黃色預警、橙色預警、紅色預警。其中，單個監測站點的實時積水預警根據積水時間以及積水深度來判斷（積水深度小于5 cm，不預警），判斷標準如表1所示。所有監測站的實時積水綜合預警根據預警等級站點所占比例判斷，判斷標準如表2所示。積水存留預警只涉及單個監測點預警，依據積水水位下降速率判定(積水水位下降速率大于等于5 cm/h，不預警)，判斷標準如表3所示。

表1 單個監測點預警[6]

表2 綜合預警

表3 積水存留預警等級表

2）積水預警等級判斷。在數據庫里預先建一個歷史表和一個實時表，監測站傳輸回來的GPRS信號經處理后依次存儲到歷史表中，實時表中只存儲最新發回來的各個站點的積水數據。單個監測站實時積水的預警等級判定需從實時表中查詢出當前積水值，再根據歷史表計算出達到此積水值的積水時間，然后得出相應的預警等級。

實時積水的綜合預警等級判定公式為：

式中，M為監測點總數；m1、m2、m3、m4分別為藍色、黃色、橙色、紅色預警等級的監測點數量，據此可得出各等級預警監測點的比例，從而判定綜合預警的等級。

積水存留預警中積水水位下降速率Vfow為：

式中，Xmax為積水水位最高值（研究中以30 min內水位沒有增加的最大值視為積水水位最高值），單位為cm；Xnow為計算時刻的當前水位值，單位為cm；Tduring為計算時刻與積水水位最高值的時間間隔，單位為h。

2.3 系統功能設計

北京市內澇積水監測預警軟件系統是集成電子地圖、實時積水監測、積水預警分析等的數字城市防汛綜合應用平臺。如圖2所示，該平臺核心功能可分為3 個子系統都有其相應功能，這里著重介紹積水監測與預警子系統實現的功能。

圖2 系統核心功能

1）實時積水查詢：此功能主要實現各監測站實時積水情況的查詢，如城市遭遇突發暴雨，相關部門可在第一時間掌握橋下積水出現的時間、深度等情況，方便有關部門采取禁行、繞行等措施，確保不必要的災難發生[7]。

2）積水存留時間查詢：此功能主要實現路面積水天數或者一天內積水小時數的查詢，根據各監測站排水情況可以判斷該橋排水系統設計是否合理，從而輔助積水原因調查。

3）積水預警信息提醒主要有3個方面：①單個監測站預警。若某監測站積水深度達到橙色預警即向負責人發預警短信。北京市積水監測點數量很多，為了防止防汛監察人員偶爾會疏忽而沒有上報，及時以短信方式提醒相關防汛負責人積水監測站的緊急情況，從而迅速采取有效措施，避免不必要的危險發生。②綜合預警。若綜合預警達到黃色預警等級即向負責人發送預警信息，根據綜合預警出現的等級，可以知道某片區域的緊急情況，以提醒有關部門采取綜合性治理和調度措施。③積水存留預警。若此預警達到紅色預警等級即向負責人發送預警信息，據此可以知道哪些監測站排水緩慢，以提醒有關部門查看排水系統是否發生堵塞等情況。

4）超標積水站點查詢。此功能實現積水深度超過某個值的監測站查詢，便于快速獲取出現緊急情況的位置信息，從而采取相應措施，防止補救一處而漏掉多處或者救急方法不當等情況發生。

5）12 h內站點積水值變化圖。此功能以圖片的方式呈現某監測點12 h內積水深度的變化。通過此功能可以對某監測點多次降雨之后的12 h積水深度變化圖進行對比，查看該監測點排水是否會出現異樣狀況。

3 系統實現

北京市內澇積水監測預警系統采用B/S軟件系統結構[8]；采用Flex框架以及C#作為編程語言；SQL Server 2008作為后臺數據庫服務器；ArcGIS Server提供地圖服務。

根據實際情況，現已在北京市西城區設置了8個道路積水監測站，圖3為系統部分站點截圖，顯示了站點的位置及屬性信息窗口，經過測試，該系統極大地提高了積水信息的獲取效率。

4 結 語

北京市內澇積水監測預警系統具有以下特點：

1）該系統實現了實時監測和傳輸積水數據，防汛部門可以在第一時間掌握路面積水的準確信息。

圖3 站點狀態

2）研發了很多新的功能，為防汛部門統計積水信息，及時發現問題，提供了可靠的技術服務和數據信息。

3）預警狀態提示和自動短信預警服務使得有關部門可以快速了解緊急情況，大大提升了工作效率。

北京市內澇積水監測預警系統的建立，為北京市防汛指揮部門提供了可靠的決策依據，提高了防汛指揮和交通指揮決策的科學性，從而保證廣大群眾的出行安全。

[1] 夏志川,鐘小建,阮飛,等.城市道路積水多點監測及預警系統設計[J].電子測試,2013(5):56-57

[2] 李成名,劉曉麗,印潔,等.數字城市到智慧城市的思考與探索[J].測繪通報,2013(3):1-3

[3] 沈煒城,舉輝.北京市城區立交橋積水自動監測系統概述[J].北京水務,2006(1):90-91

[4] 潘崇倫.上海市下立交積水自動監測系統設計[J].水利信息化,2010(3):42-44

[5] 徐海軍,劉林海.電子水尺在城市道路積水監測系統中的應用[J].水利信息化,2010(3):45-47

[6] 王輝,莊敏捷,劉波,等.上海下立交積水自動監測系統優化設計[J].給水排水,2011(12):117-118

[7] 萬勝磊,左林遠,王松吉.萊西市區道路積水監測系統設計[J].山東水利,2011(1):61-62

[8] 房國良,解以揚,李培彥,等.上海城市暴雨積澇預警系統研究[J].大氣科學研究與應用,2009(2):32-41

P208

B

1672-4623（2015）04-0117-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.04.042

孫永尚，碩士，主要研究方向為GIS技術研發和智慧城市建設。

2014-07-23。

項目來源：國家自然科學基金資助項目（41101444）；北京科技新星資助項目（Z121106002512025）。