城市防汛內澇預警預報系統的設計與實現

袁青濤，周文，劉旭，段彤

(1.正元地理信息有限責任公司，北京 101300； 2.正元地理信息研究開發中心，北京 101300)

城市防汛內澇預警預報系統的設計與實現

袁青濤1，2*，周文1，2，劉旭1，2，段彤1，2

(1.正元地理信息有限責任公司，北京 101300； 2.正元地理信息研究開發中心，北京 101300)

采用GIS技術、GPRS技術及物聯網傳感等技術實現對城區“雨情”實時發布、“澇情”及時預警、“排澇”資源科學調度。并結合WebGIS地理技術設計和大型應用數據庫系統，在此基礎之上，對各種信息資源進行全面的整合和重組。本系統在東營市上線運行以來，對大、暴雨監測，多次利用排水模型進行預警，針對實時降雨強度進行報警，通過短信、LED顯示大屏等多種渠道對廣大市民進行提醒，對人民大眾出行和生產帶來了很大的方便和指導意義。

防汛內澇；實時監測；MongoDB；GIS

1 引 言

隨著我國經濟社會的不斷發展和城市化進程的不斷推進，人們對居住環境的要求逐步提高。但是，排水管網設施的老化和排水管網連接關系的復雜化，城市內澇問題日益突出。特別是近年來，突發性暴雨襲擊了我國眾多城市，導致了嚴重的城市污染災害，造成了巨大的經濟損失，對社會秩序、城市功能、環境與資源等造成了不同程度的破壞，給人們的生活、經濟社會發展和城市的正常運轉帶來了十分嚴重的影響。如何科學有效對城市內澇的發生進行監控、預警、調度成為亟待解決的問題。

2.1 系統架構

城市防汛排澇預警系統采用物聯網技術與無線電低功耗技術相結合，通過雨量站、積水監測點、排水泵站自動化改造；借助GIS、GPRS與物聯網的數據傳輸與數據集成，實現了對城區“雨情”實時發布、“澇情”及時預警、“排澇”資源科學調度。既可以為決策機構的領導提供城市道路、下沉式立交橋、地下停車場、排水管道、渠道、檢查井、排水口、城市河流水系等監測點的實時信息，又能夠為市政排水調度管理機構提供數據支持，還可以通過廣播、電視等媒體為人民群眾提供出行指南。硬件系統架構如圖1所示。

整個系統架構圖(如圖2)從層次上可以劃分為4個層次：物聯網感知層、數據存儲層、信息集成層、管理決策層；包括三個支撐系統平臺：一是以太網絡系統平臺；二是數據庫管理系統平臺；三是數據運維服務平臺。以太網絡是系統的傳輸平臺；數據庫是所有決策管理的基礎數據平臺；數據運維服務平臺為GIS系統提供數據服務。這三個平臺的先進性、高效性、可靠性、安全性就決定了整個系統的性能，具體結構如圖2所示。

圖1 硬件系統架構

圖2 系統架構圖

信息集成層和物聯網感知層構成了整個系統的主體，用來實現系統的核心功能，其服務的對象是負責生產和調度的職能部門。決策層是系統窗口，使該系統和其他部門有機地聯系起來，服務于決策管理層。數據中心是系統的數據存儲中心，網絡平臺是系統的連接通道。

2.2 數據庫設計

東營市智慧城市暨城市內澇預警預報系統采用先進的MongoDB數據，均采用雙機熱備的功能。能夠功能夠好的與第三方系統提供對外接口。

MongoDB是一個基于分布式文件存儲的數據庫。旨在為WEB應用提供可擴展的高性能數據存儲解決方案。

特點：高性能、易部署、易使用，存儲數據非常方便。

主要功能特性是：面向集合存儲，易存儲對象類型的數據；支持復制和故障恢復；使用高效的二進制數據存儲，包括大型對象(如視頻等)；自動處理碎片，以支持云計算層次的擴展性；支持RUBY，PYTHON，JAVA，C++，PHP等多種語言；文件存儲格式為BSON(一種JSON的擴展)；

與關系型數據庫相比，MongoDB更能保證用戶的訪問速度，在處理實時存儲和訪問的并發性能上效果優于關系型數據庫；文檔結構的存儲方式，能夠更便捷的獲取數據；內置GridFS，支持大容量的存儲；性能優越，在使用場合下，千萬級別的文檔對象，近 10 G的數據，對有索引的ID的查詢不會比mysql慢，而對非索引字段的查詢，則是全面勝出。

2.3 系統功能設計

2.3.1 硬件接口

由于我們使用的通信協議是TCP/IP，因此這里的硬件接口問題主要就是TCP/IP層中的網絡接口層，它負責數據幀的發送和接收，幀是獨立的網絡信息傳輸單元。網絡接口層將幀放在網上，或從網上把幀取下來。這就要求IP使用網絡設備接口規范NDIS向網絡接口層提交幀，并且IP支持廣域網和本地網接口技術。在系統運行時要注意關閉那些容易受攻擊和入侵的端口號，在能保證帶寬的前提下僅開通系統運行所必需的端口。自定義通訊協議包(如圖3所示)。

(1)硬件通訊采用正元Socket通訊協議為，下面以質數據對接協議為例。

報文內容示例如下： EB 0A 01 01 1A 80 01 0B 14 76 33 56 98 40 0B 00 00 00 00 00 10 65 2C 00 FE ……00 88 1B 7C

(2)解析規則如圖3所示：

圖3 自定義通訊協議包

(3)補充說明：

把收到的數據放入數據1的標綠區域，解析一欄中會自動羅列出每一個自己的HEX值，對應前面的標識即可得出每位代表的含義。通訊協議(如圖4所示)。

圖4 通訊協議

2.3.2 前端采集

(1)采集點：

硬件設施對雨量站、泵站、雨水點、污水點等監測點進行數據采集。硬件系統數據采集采用Modbus通訊協議。

(2)監測項：

①泵站中所有雨水泵的水泵運行狀態、水泵故障、電流、遠程、運行時間及雨水池水位的水池液位數據情況進行監測。

②雨量站監測累計降雨量、降雨強度、5 min降雨量、實時雨量。

③窨井中水位、pH值、懸浮物(SS)、化學需氧量(COD)、氨氮(NH4+-N)、總磷(TP)、生化需氧量(BOD5)、動植物油、懸浮物(SS )、陰離子表面活性劑(LAS)、氨氮(NH3 -N )含量。

(3)硬件設備：

雨量計、傳感器、地面水位計、井內水位計、泵站的MYSCADA(如圖5所示)、水質檢測儀等硬件設施。示例：

圖5 泵站MYSCADA組成

①泵站

顯示泵站實時監測信息的界面，包括監測水池液位、排水流量、泵的啟停狀態、控制模式、電壓、電流、保護狀態等信息。點擊泵站按鈕后會彈出泵站列表，同時在地圖上標注泵站。在地圖上點擊泵站標注點或點擊泵站列表對應的泵站，彈窗顯示泵站詳細信息，顯示泵站的編碼、位置、備注以及關聯的水泵信息，如圖6所示。點擊對應水泵可遠程控制其開啟、關閉狀態。

圖6 泵站實時監測信息

查詢歷史曲線：可查看指定時間段、指定監測點、指定監測項的泵站運行歷史曲線。

②雨量站

雨量站標注點可查詢指定時間段的數據曲線，同時顯示關聯的泵站以及積水監測點信息，可點擊視頻按鈕查看接入的視頻信息。

③窨井

點擊窨井按鈕后會在地圖上標注窨井。點擊對應的窨井標注點在主地圖下方顯示窨井信息及關聯信息界面(如圖7所示)：

a.區域左側：顯示窨井當前的水深。

b.區域中側：顯示窨井當前實時監測數據曲線。

c.區域右側：顯示窨井關聯的泵站，點擊可地圖定位泵站位置。

圖7 窨井信息及關聯信息界面

可點擊右側LED 和視頻按鈕查看對應的信息。采集點一般位于城市樓層地下室、橋洞、城市內河、排水口等低洼區域，遙測終端RTU結合雨量計、水位計、攝像頭等傳感器，將現場的水位、雨量、實時圖片進行采集存儲和上報數據中心。且可擴展LED屏功能通過本地、GSM、GPRS等方式將現場相關信息同步發布到LED屏幕上，讓市民可以實時了解重要信息提前做好預防措施。

2.3.3 智能聯動

預設相應的內澇防汛參數，在惡劣天氣情況下可以提前判斷內澇汛情的到來，聯動LED實時發布信息，且可以聯動現場排水設備進行及時排水，避免和延緩城市內澇的發生。

泵站采用集中控制器對水泵房設備運行實行在線監控，自動、手動控制水泵的啟停及閘閥的開、關，并具有自診斷功能，可實現水泵房的無人值守。

在現場數據中心可以實現的具體功能如下：

①顯示功能

a.動態顯示井下泵房運行的工況以及水流量的大小。

b.實時顯示各水泵的工作狀態，并對過電流、流量開關、水位超限等故障類型進行診斷分析顯示。

c.顯示各水源井水位、清水池水位數據。

d.顯示各管網監測信息，如管道壓力、流量等數據。

②遠程控制功能：

具有遠程控制水泵的開/停功能以及泵房其他設備的遠程控制功能。

2.3.4 防汛預警

LED大屏(如圖8所示)、短信等功能，輻射功能。系統預先錄入以往出現內澇的水雨情數據，將實時上報的水雨情信息進行科學化計算處理，在內澇情況未發生前提前預估和預警，更能對接第三方系統，讓民眾和相關單位更及時的獲取汛情信息以做好提前準備措施。

系統預先錄入以往出現內澇的水雨情數據，將實時上報的水雨情信息進行科學化計算處理，在內澇情況未發生前提前預估和預警，更能對接第三方系統，讓民眾和相關單位更及時的獲取汛情信息以做好提前準備措施。

圖8 LED大屏展示界面

2.3.5 熱圖雨量展示

東營市智慧城市暨城市內澇預警預報系統，集成了熱圖展示功能，能夠根據時間來演變，在地圖上相近的展示局部雨量及積水的變化情況。更為直觀的為領導決策層顯示空間地理、雨量的變化狀況，從而為決策層提供有力的信息發布依據。

2.3.6 SWMM模型

SWMM(storm water management model，暴雨洪水管理模型)其徑流模塊部分綜合處理各子流域所發生的降水，徑流和污染負荷。其匯流模塊部分則通過管網、渠道、蓄水和處理設施、水泵、調節閘等進行水量傳輸。該模型可以跟蹤模擬不同時間步長任意時刻每個子流域所產生徑流的水質和水量以及每個管道和河道中水的流量、水深及水質等情況。下面是管網水齡分布(如圖9)和排水管網分布(如圖10)示意圖。

圖9 管網水齡分布

圖10 排水管網分布

3 系統特色

在各地掀起智慧城市建設浪潮的背景下，東營市緊隨潮流，政府結合當地實際情況，建設本系統，在東營市建設運行以后，對大、暴雨監測，多次利用排水模型進行預警，針對實時降雨強度進行報警，通過短信、LED顯示大屏、新聞等多種渠道對出行的廣大市民進行提醒，有效避免了低洼路段造成的車輛淹沒，窨井淹沒行人等自然災害事故發生。對人民大眾出行和生產帶來了很大的方便和指導，通過系統的實施運行，保障了人民的生命財產免受損失。

4 結 語

城市內澇防治是一項系統工程，需要城市的低影響開發從源頭減小雨水徑流量，提高排水管渠的設計標準，建設雨水調蓄設施和城市水系，加強雨水排水系統的維護和管理等方面建立起科學的城市防澇體系，才能從根本上防止城市內澇的發生。

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Design and Implementation of Early Warning and Forecast System of City Flood and Waterlogging

Yuan Qingtao1，2，Zhou Wei1，2，Liu Xu1，2，Duan Tong1，2

(1.Zhengyuan Geographic Information Limited Liability Company，Beijing 101300，China；2.Zhengyuan Geographic Information Research and Development Center，Beijing 101300，China)

The GIS technology，GPRS technology and physical networking sensing technique was adopted to realize the city “rainfall” real-time release，“flood” timely warning，“drainage” science and resources scheduling. Combined with the WebGIS technology design and large-scale application database system，on this basis，a comprehensive integration of various information resources and restructuring. The system in Dongying City launched since，for large and heavy rain monitoring，repeatedly using the drainage model early warning，for real-time rainfall intensity alarm，via SMS，LED display screen，such as a variety of channels for the general public to remind，bring great convenience and guidance on the masses of people travel and production.

flood waterlogging；real-time monitoring；mongodb；GIS

1672-8262(2016)06-18-05

P208.2

A

2016—04—18

袁青濤(1986—)，男，助理工程師，主要從事基于GIS的基礎研發工作。