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(guó)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(dòng)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(qiáng)降水或連續(xù)性降水超過(guò)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(guó)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(duì)城市的影響。近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)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(huì)穩(wěn)定及經(jīng)濟(jì)發(fā)展。由暴雨引發(fā)的內(nèi)澇突發(fā)性強(qiáng)、預(yù)見(jiàn)性弱，目前防范與治理城市暴雨產(chǎn)生的漬澇問(wèn)題，已不僅僅是城市排水系統(tǒng)的問(wèn)題，而是城市發(fā)展規(guī)劃中必須綜合考慮與治理的問(wèn)題[1]。因此，在我國(guó)城市內(nèi)澇治理工作中，應(yīng)進(jìn)一步提高對(duì)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(cè)預(yù)警系統(tǒng)是城市內(nèi)澇防治的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此開展了卓有成效的探索。在國(guó)外，城市內(nèi)澇防治起步較早，美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(EPA)1971年就研發(fā)了世界首個(gè)基于計(jì)算機(jī)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(guó)內(nèi)，對(duì)城市監(jiān)測(cè)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(jì)了城市內(nèi)澇監(jiān)測(cè)預(yù)警信息系統(tǒng)；鄭姍姍等[9]通過(guò)構(gòu)建降雨積水的時(shí)空自相關(guān)移動(dòng)平均模型(STARMA)，實(shí)現(xiàn)了城區(qū)的暴雨積水點(diǎn)積水過(guò)程的短時(shí)預(yù)測(cè)功能；位路陽(yáng)[10]運(yùn)用WebGIS技術(shù)并結(jié)合暴雨洪水管理模型等手段，實(shí)現(xiàn)了城市內(nèi)澇的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警；覃東華等[11]基于ArcGIS Server設(shè)計(jì)了城市洪澇災(zāi)害應(yīng)急管理綜合系統(tǒng)，對(duì)相關(guān)系統(tǒng)的開發(fā)具有一定的參考價(jià)值。

綜上所述，相關(guān)研究都為建立滿足現(xiàn)實(shí)需要的城市內(nèi)澇監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)做出了貢獻(xiàn)。但是，從我國(guó)各地建立的城市內(nèi)澇監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)來(lái)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(diǎn)城市，近年來(lái)開展了一系列建設(shè)實(shí)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(duì)的現(xiàn)實(shí)情況來(lái)看，防災(zāi)應(yīng)急能力并沒(méi)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(shuō)，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市雨水資源的有效管理的前提是對(duì)城市雨水管理技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用[14]。為此，本文針對(duì)武漢城市內(nèi)澇監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)現(xiàn)狀，結(jié)合各地的現(xiàn)實(shí)情況，充分利用新一代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和GPRS技術(shù)對(duì)城市內(nèi)澇的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與處理，并提出了完善武漢市內(nèi)澇監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的優(yōu)化方案，對(duì)于增強(qiáng)我國(guó)城市應(yīng)急能力、減少內(nèi)澇帶來(lái)的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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

關(guān)于城市內(nèi)澇監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的研究，相對(duì)于國(guó)外來(lái)說(shuō)，我國(guó)的起步較晚，但是近年來(lái)也取得了不少的成果。我國(guó)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(lái)，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(cè)預(yù)警系統(tǒng)，用以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)城區(qū)雨量和特殊低洼區(qū)的漬水深度，并實(shí)現(xiàn)了信息的實(shí)時(shí)發(fā)布來(lái)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(cè)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(zhǎng)江與漢江在此交匯，且由于地勢(shì)原因，使武漢市成為我國(guó)受內(nèi)澇影響較為嚴(yán)重的一個(gè)城市。城市內(nèi)澇監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)一般由監(jiān)測(cè)中心、通信網(wǎng)絡(luò)、前端監(jiān)測(cè)設(shè)備和測(cè)量設(shè)備4個(gè)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(bào)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(bào)系統(tǒng)、內(nèi)澇等級(jí)判定系統(tǒng)3個(gè)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(cè)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(gè)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(diǎn)雨量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

多站點(diǎn)雨量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)城市內(nèi)澇實(shí)況的監(jiān)測(cè)主要通過(guò)降水實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行漬水點(diǎn)內(nèi)澇監(jiān)測(cè)和預(yù)警。降水實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源為武漢市區(qū)自動(dòng)氣象站，而自動(dòng)氣象站通過(guò)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(shí)從數(shù)據(jù)服務(wù)器中統(tǒng)計(jì)小時(shí)累計(jì)雨量來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)的城市內(nèi)澇動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)時(shí)段分為過(guò)去1小時(shí)、過(guò)去3小時(shí)、過(guò)去6小時(shí)、過(guò)去12小時(shí)和過(guò)去24小時(shí)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與城市內(nèi)澇密切相關(guān)的最新降水實(shí)況。

1.1.3內(nèi)澇等級(jí)判定系統(tǒng)

城市內(nèi)澇監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的核心是內(nèi)澇等級(jí)判定系統(tǒng)，該子系統(tǒng)基于漬水點(diǎn)積水深度、積水面積、影響程度等武漢市氣象臺(tái)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(diǎn)地理信息數(shù)據(jù)，對(duì)武漢城區(qū)所有漬水點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)降水過(guò)程分析，重點(diǎn)分析漬水點(diǎn)區(qū)域代表自動(dòng)站過(guò)程雨量、下墊面狀況、不同時(shí)段降水強(qiáng)度、海拔高度和地勢(shì)高低、排水設(shè)施等與漬水點(diǎn)積水深度、積水面積之間的關(guān)系，還通過(guò)討論不同時(shí)段漬水與降水強(qiáng)度之間的聯(lián)系，并利用相關(guān)分析方法建立漬水點(diǎn)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(cè)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(cè)預(yù)警系統(tǒng)仍然存在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度差、信息傳遞不及時(shí)、應(yīng)急處置效率低等問(wèn)題，其薄弱環(huán)節(jié)可歸納為以下幾點(diǎn)：

(1) 系統(tǒng)效率較低，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)共享性差?，F(xiàn)有系統(tǒng)監(jiān)測(cè)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(tái)，以實(shí)現(xiàn)各單位對(duì)信息的同步獲取。

(2) 系統(tǒng)自動(dòng)化程度較低，無(wú)法自動(dòng)采集并處理多種所需數(shù)據(jù)?，F(xiàn)有系統(tǒng)并未完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)獲取數(shù)據(jù)的功能，如衛(wèi)星云圖、雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等都需要通過(guò)其他系統(tǒng)查看，再人工錄入到預(yù)警平臺(tái)，對(duì)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(jìn)程越來(lái)越快，造成系統(tǒng)數(shù)據(jù)與實(shí)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?，F(xiàn)有系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)單一的預(yù)警預(yù)報(bào)功能，將監(jiān)測(cè)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(kù)為主的數(shù)據(jù)庫(kù)，同監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有效對(duì)接，形成決策支持模塊，以減少有關(guān)部門制定方案所花費(fèi)的時(shí)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(guò)預(yù)警發(fā)布平臺(tái)將信息傳達(dá)給防澇部門，無(wú)法確保市民對(duì)城市積水狀況等信息的及時(shí)獲取，需將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)預(yù)警發(fā)布平臺(tái)傳遞到移動(dòng)終端，市民可第一時(shí)間獲取信息并上報(bào)更新數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)同市民的雙向溝通。

2　武漢城市內(nèi)澇監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的總體優(yōu)化設(shè)計(jì)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(duì)城市重點(diǎn)易澇區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)分散在城市各個(gè)角落，因此還需要充分利用最新的傳感、云計(jì)算等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和GIS地理信息系統(tǒng)，實(shí)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(shí)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(duì)武漢市現(xiàn)有的城市內(nèi)澇監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2. 1　系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

優(yōu)化的系統(tǒng)在分析不同類型城市內(nèi)澇特點(diǎn)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(dú)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(cè)終端機(jī)(RTU)、電子水尺等多種物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(diǎn)雨量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提高了采集數(shù)據(jù)的可用性、精確性、即時(shí)性，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的智能化、自動(dòng)化；此外，還建立了具備數(shù)值模擬、仿真計(jì)算等功能的云處理平臺(tái)，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(tái)，實(shí)現(xiàn)了部門間的應(yīng)急聯(lián)動(dòng)。優(yōu)化的系統(tǒng)可用于輔助政府應(yīng)急部門進(jìn)行城市內(nèi)澇基礎(chǔ)信息采集、內(nèi)澇監(jiān)測(cè)預(yù)警與模擬仿真、城市內(nèi)澇應(yīng)急指揮和管網(wǎng)動(dòng)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(jì)見(jiàn)圖1。

圖1　城市內(nèi)澇監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)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(jì)

通過(guò)雨量桶接收到的實(shí)際降雨量，按照每小時(shí)進(jìn)行雨量統(tǒng)計(jì)，精度可達(dá)0.1 mm。為了準(zhǔn)確計(jì)量雨量，雨量計(jì)應(yīng)保持通電狀態(tài)，停電時(shí)的降雨量將不會(huì)被統(tǒng)計(jì)在內(nèi)，但以前的測(cè)量記錄不會(huì)丟失；雨量計(jì)內(nèi)有時(shí)鐘電路(自帶供電電池)，可將每日內(nèi)24 h的降雨量分別進(jìn)行記錄，并統(tǒng)計(jì)每日的降雨量；雨量計(jì)的內(nèi)存可記錄400 d的降雨量，超出時(shí)將循環(huán)覆蓋?？赏ㄟ^(guò)人工數(shù)據(jù)采集(即讀數(shù)儀讀取)、自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集(即直接掛接系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)采集)和獨(dú)立自記錄采集(即獨(dú)立工作、自動(dòng)采集和記錄)這三種方式采集雨量數(shù)據(jù)。

2.2.2液位計(jì)和電子水尺

系統(tǒng)采用電子水尺傳感器監(jiān)測(cè)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(jì)的，通過(guò)測(cè)量分布電極的電信號(hào)來(lái)測(cè)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(cè)。該傳感器是一種采用先進(jìn)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(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)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(cè)終端機(jī)上，即可實(shí)現(xiàn)各積水點(diǎn)積水信息及其變化情況的測(cè)定，并把測(cè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)、編碼、存儲(chǔ)，通過(guò)GSM/GPRS通信方式將數(shù)據(jù)傳輸給指定的中心。系統(tǒng)遙測(cè)站點(diǎn)采用自報(bào)式的工作體制，包括隨機(jī)自報(bào)和定時(shí)自報(bào)相結(jié)合，這種工作方式功耗低、便于供電，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，能很好地反映積水水位變化的全過(guò)程。

2.2.3流量計(jì)

流量計(jì)可對(duì)各排水口和管道進(jìn)行流量監(jiān)測(cè)。為了確保管道流量的連續(xù)性監(jiān)測(cè)，流量監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)安裝在排水渠內(nèi)以及管道口，選點(diǎn)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮重點(diǎn)路段、內(nèi)澇多發(fā)地區(qū)和低洼處布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并注重監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)的均勻性和代表性，以提高監(jiān)測(cè)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(cè)站采集城市地面積水信息，再由分布在城市重點(diǎn)易澇區(qū)域的監(jiān)測(cè)站將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)GSM或GPRS無(wú)線傳輸?shù)街行恼?，為總系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)氣象局、智慧城管等部門調(diào)取動(dòng)態(tài)降水預(yù)報(bào)信息、數(shù)字化地理信息和視頻監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，集成到云端實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)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(cè)站由遙測(cè)終端、蓄電池、電子水尺、信號(hào)避雷器等組成，其支持GSM/GPRS無(wú)線通信技術(shù)，傳輸方式采用自報(bào)和召測(cè)的方式進(jìn)行，能夠確保自動(dòng)、及時(shí)、準(zhǔn)確地將動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至中心站；在中心站點(diǎn)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(chǔ)、測(cè)站監(jiān)控、運(yùn)行管理和信息查詢等任務(wù)；通過(guò)中心站計(jì)算機(jī)及相應(yīng)的應(yīng)用軟件系統(tǒng)，即可以把測(cè)量數(shù)據(jù)直接讀出來(lái)，也可以通過(guò)通訊模塊，按照?qǐng)?bào)汛機(jī)制和實(shí)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(guò)遙測(cè)站監(jiān)測(cè)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(bào)信息，進(jìn)行匹配分析計(jì)算，并將其結(jié)果上傳到云端，形成一個(gè)穩(wěn)定、安全、高效的包括動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)、云端案例庫(kù)和云端預(yù)案庫(kù)的云管理平臺(tái)，并將動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)與云端案例庫(kù)、云端預(yù)案庫(kù)相匹配，分析城市易澇重點(diǎn)區(qū)域的受災(zāi)情況，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行基礎(chǔ)信息分類、模擬仿真計(jì)算，篩除無(wú)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(tái)，直接為城市防澇排澇提供參考依據(jù)，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)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(jìn)行解碼，并對(duì)接收的數(shù)據(jù)信息進(jìn)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(cè)區(qū)域的積水水位要素變化過(guò)程的數(shù)據(jù)，并寫入云端綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合云端案例庫(kù)和云端預(yù)案庫(kù)，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(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，一旦在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)未采集到數(shù)據(jù)，將提供報(bào)警。該系統(tǒng)支持云端存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)庫(kù)匹配、文件格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)自動(dòng)分類、計(jì)算校驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成，便于數(shù)據(jù)共享；實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)隔離，防止在數(shù)據(jù)共享時(shí)破壞原始測(cè)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(dòng)錄入到預(yù)警發(fā)布平臺(tái)，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(kù)，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(duì)城市積水點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)降水過(guò)程分析，并利用相關(guān)性分析方法建立漬水點(diǎn)的雨洪關(guān)系模型，并判定內(nèi)澇等級(jí)。

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(cè)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(jí)、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(tái)，并及時(shí)傳導(dǎo)給有關(guān)部門，從而完成整個(gè)系統(tǒng)的工作流程，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)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(tái)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(hù)四大功能。其中，內(nèi)澇預(yù)警顯示模塊可通過(guò)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(shí)時(shí)、立體的展示，直觀顯示城市內(nèi)澇動(dòng)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(shí)現(xiàn)與政府有關(guān)部門及市民的雙向溝通，實(shí)現(xiàn)災(zāi)情上報(bào)及災(zāi)情統(tǒng)計(jì)功能；數(shù)據(jù)維護(hù)模塊可實(shí)現(xiàn)用戶管理及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的更新及修正。該平臺(tái)可在地圖上顯示各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的分布情況，以報(bào)圖和報(bào)表形式顯示積水站點(diǎn)當(dāng)前積水水位值、積水過(guò)程線等相關(guān)數(shù)據(jù)，并對(duì)超警戒的積水站點(diǎn)，以圖標(biāo)閃爍及聲音提醒的方式進(jìn)行預(yù)警，以便用戶及時(shí)了解預(yù)警信息，同時(shí)可對(duì)人工上報(bào)的全市范圍內(nèi)積水信息，通過(guò)后臺(tái)錄入展示，此外還可與現(xiàn)有系統(tǒng)視頻監(jiān)控模塊進(jìn)行關(guān)聯(lián)，對(duì)站點(diǎn)積水信息查詢的同時(shí)，也可對(duì)積水現(xiàn)場(chǎng)附近已有視頻點(diǎn)攝錄的視頻圖像進(jìn)行查看。

2. 6　決策支持模塊

傳統(tǒng)的城市內(nèi)澇監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)單一的預(yù)警預(yù)報(bào)功能。而將應(yīng)急決策支持系統(tǒng)嵌入監(jiān)測(cè)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(fèi)的時(shí)間，提高應(yīng)急處置效率，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)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(guò)云端數(shù)據(jù)處理平臺(tái)的案例庫(kù)、預(yù)案庫(kù)、模型庫(kù)和方法庫(kù)對(duì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，并引入應(yīng)急調(diào)度指揮機(jī)制、部門應(yīng)急決策和協(xié)調(diào)機(jī)制、分級(jí)負(fù)責(zé)與響應(yīng)機(jī)制和社會(huì)動(dòng)員機(jī)制，形成專項(xiàng)應(yīng)急方案，集成到模擬決策會(huì)商平臺(tái)，明確各部門職責(zé)，為城市應(yīng)急聯(lián)動(dòng)指揮中心提供決策支持，大大提高了城市應(yīng)急聯(lián)動(dòng)能力。

3　武漢城市內(nèi)澇監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

為了更好地了解優(yōu)化的武漢城市內(nèi)澇監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)情況，本文對(duì)基于系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)所實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行了具體說(shuō)明，該系統(tǒng)的功能框架見(jiàn)圖6。

圖6　城市內(nèi)澇監(jiān)測(cè)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(dòng)化的數(shù)據(jù)采集

基礎(chǔ)澇情數(shù)據(jù)是實(shí)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(diǎn)分布數(shù)據(jù)，在各地進(jìn)行遙測(cè)站點(diǎn)建設(shè)，同時(shí)在相關(guān)負(fù)責(zé)部門構(gòu)建中心站點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各地內(nèi)澇數(shù)據(jù)的自動(dòng)接收。遙測(cè)站根據(jù)設(shè)定通過(guò)通信模塊向中心站進(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)發(fā)送，中心站可通過(guò)計(jì)算機(jī)及相應(yīng)的應(yīng)用軟件系統(tǒng)，即可以把測(cè)量數(shù)據(jù)直接讀出來(lái)；進(jìn)一步也可以通過(guò)通訊模塊，按照?qǐng)?bào)汛機(jī)制和實(shí)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(cè)預(yù)報(bào)

通過(guò)雷達(dá)圖數(shù)據(jù)的分析，可以滿足對(duì)短時(shí)強(qiáng)降雨的有效預(yù)測(cè)，結(jié)合其他技術(shù)，可以進(jìn)一步推算出未來(lái)一段時(shí)間的降雨情況，其中未來(lái)一小時(shí)的降水預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)是最為重要的。降水監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)將采用新一代多普勒天氣雷達(dá)圖分析技術(shù)，在平臺(tái)開發(fā)過(guò)程中將雷達(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化操作。具體的操作是將源圖和電子地圖進(jìn)行同比例網(wǎng)絡(luò)化分割，讀取源圖回波像素的位置、強(qiáng)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(qiáng)度圖，而該基于GIS的雷達(dá)回波強(qiáng)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(lái)的各點(diǎn)回波值信息以及相應(yīng)的位置范圍信息保存于二進(jìn)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(shí)際范圍與面積，對(duì)雷達(dá)回波強(qiáng)度圖進(jìn)行疊加，通過(guò)對(duì)回波值的讀取確定未來(lái)一小時(shí)一定區(qū)域范圍內(nèi)的降雨情況。雷達(dá)回波強(qiáng)度定量估算降雨量的公式如下：

Z=aIb

其中，回波強(qiáng)度Z(單位為dBZ)是一個(gè)與降雨粒子大小、密度相關(guān)的量，降雨強(qiáng)度I(單位為mm/h)與回波強(qiáng)度Z之間存在一定聯(lián)系，通過(guò)a、b參數(shù)的確定即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)兩者關(guān)系的了解，進(jìn)而通過(guò)雷達(dá)回波強(qiáng)度圖的查看來(lái)對(duì)降雨強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)報(bào)。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(guò)對(duì)武漢市歷史降雨強(qiáng)度與歷史雷達(dá)圖對(duì)比分析而獲得[16]。

在系統(tǒng)建設(shè)中通過(guò)構(gòu)建內(nèi)部模型，并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)分析，可實(shí)現(xiàn)雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)的開發(fā)，滿足當(dāng)?shù)貙?duì)短時(shí)強(qiáng)降雨的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，進(jìn)而為防內(nèi)澇工作的開展?fàn)幦「嗟臅r(shí)間。

3. 3　豐富的云端數(shù)據(jù)共享

系統(tǒng)可以對(duì)外提供豐富的實(shí)時(shí)內(nèi)澇澇情數(shù)據(jù)查看，通過(guò)對(duì)遙測(cè)站反饋的內(nèi)澇點(diǎn)災(zāi)情，基于GIS平臺(tái)進(jìn)行集中展示，針對(duì)內(nèi)澇點(diǎn)，可以快速查看該點(diǎn)內(nèi)澇的具體情況，包括澇點(diǎn)大概涉及范圍、澇點(diǎn)內(nèi)澇深度等信息，并結(jié)合內(nèi)澇信息及交通信息，對(duì)出行以及內(nèi)澇治理指揮做出合理計(jì)劃安排；同時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)內(nèi)澇等級(jí)條件的制定，對(duì)每次內(nèi)澇情況進(jìn)行分類管理，并基于分類管理結(jié)果實(shí)現(xiàn)歷史案例的條件查詢；此外，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)澇案件處理信息的記錄以及對(duì)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(guò)程中可以通過(guò)查看歷史內(nèi)澇案例，了解當(dāng)時(shí)內(nèi)澇應(yīng)對(duì)措施，進(jìn)而為現(xiàn)場(chǎng)指揮決策提供信息參考。

用戶可根據(jù)各個(gè)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(duì)預(yù)案，并將預(yù)案上傳，通過(guò)平臺(tái)還可以對(duì)預(yù)案進(jìn)行維護(hù)管理。系統(tǒng)通過(guò)構(gòu)建預(yù)案與內(nèi)澇實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果的關(guān)聯(lián)，并通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部對(duì)內(nèi)澇實(shí)時(shí)狀況的分析，提供預(yù)案建議，由工作人員對(duì)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(tái)，對(duì)內(nèi)澇監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及雨量監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行疊加展示，針對(duì)內(nèi)澇監(jiān)測(cè)點(diǎn)，將通過(guò)閃爍等突出顯示方式來(lái)進(jìn)行提醒，并可以根據(jù)澇情的實(shí)際情況，通過(guò)不同的圖標(biāo)進(jìn)行展示。系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)最近一段時(shí)間內(nèi)云圖、雷達(dá)圖分布進(jìn)行查看，并支持云圖、雷達(dá)圖的動(dòng)態(tài)播放，同時(shí)結(jié)合雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)測(cè)成果，可以在此系統(tǒng)上查看到短歷時(shí)強(qiáng)降雨預(yù)測(cè)信息。

此外，系統(tǒng)構(gòu)建了不同等級(jí)內(nèi)澇負(fù)責(zé)人之間的快速溝通渠道，下級(jí)對(duì)于發(fā)現(xiàn)的當(dāng)?shù)貎?nèi)澇澇情可以及時(shí)快速地向上級(jí)反饋，上級(jí)收到內(nèi)澇事件可以對(duì)各地內(nèi)澇事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，查看各澇點(diǎn)分布，進(jìn)而為下一步指揮協(xié)調(diào)提供依據(jù)。

4　結(jié)　語(yǔ)

隨著城市化的快速發(fā)展，近年來(lái)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(shí)，也引發(fā)了嚴(yán)重的生命及財(cái)產(chǎn)損失，城市內(nèi)澇問(wèn)題引發(fā)了社會(huì)公眾的強(qiáng)烈關(guān)注。在“海綿城市”建設(shè)的不斷推進(jìn)下，本文聚焦應(yīng)用雨水管理技術(shù)對(duì)城市內(nèi)澇進(jìn)行防治，在分析武漢城市內(nèi)澇監(jiān)測(cè)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(jì)算技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享，建立直觀的內(nèi)澇預(yù)警發(fā)布平臺(tái)，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(cè)預(yù)警系統(tǒng)的整體規(guī)劃，以期實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、實(shí)時(shí)更新、自動(dòng)化、智能化、雙向溝通、快速響應(yīng)、多部門應(yīng)急聯(lián)動(dòng)等功能，為各級(jí)政府及有關(guān)機(jī)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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