基于GIS与物联网技术的防汛预警系统

刘清松+刘扬+杜萌+张蕴明

摘 要：基于GIS与物联网技术，结合城市防汛应急管理业务流程、框架及软件平台架构分析设计的防汛预警系统可实现北京市西城区城市防汛应急管理的数字化和地图化，有利于增强城市防汛基础管理、提高应急响应能力，同时对于流域或其他城市的防汛应急管理辅助决策研究也具有一定借鉴意义。

关键词：GIS；物联网技术；防汛；数字化；地图化

中图分类号：TV877；TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）05-00-03

0 引 言

我国是世界上洪水灾害最频繁的国家之一，有10%的国土面积、5亿人口、5亿亩耕地、100多座大中城市受到洪水灾害的威胁[1]。每年因洪水灾害造成的直接经济损失高达数百亿元，尤其进入90年代后，洪灾损失更呈上升趋势：1991年洪涝灾害直接损失779.08亿元，1993年为630亿元，1994年为1 700亿元，1996年达到2 200亿元，而1998年据民政部1998年10月12日统计更达到了创记录的2 460亿[2]。近年来，随着极端降雨天气的发生，市区道路因积水瘫痪，车辆无法通行，地铁出入口、地下室、商场乃至其他一切地势低矮的各类建筑被积水侵袭，城市防汛形势十分严峻，严重威胁着城市的运行安全。7·21特大暴雨造成北京77人死亡和重大财产损失，引发社会各界的广泛关注和对城市安全的担忧。因此，尽快提高城市防汛预警能力已成为我国城市化发展的当务之急。而城市防汛体系建设是项复杂的系统工程，涉及城市防汛规划、工程建设、防汛工程设施的日常管理维护及暴雨等条件下的城市防汛应急响应、灾后恢复重建及公众参与等方面。因此对于城市防汛管理精细化的要求越来越高。可靠的防汛监测和预警信息管理是城市防汛工作实现全面、协调、可持续发展的基石。现代城市防汛管理的复杂性，要求必须运用科技手段，对城市防汛整体以及细节状况进行总体态势识别、综合管理评估和决策问题诊断，通过对各类相关信息的采集和分析，进一步完善城市防汛的数据标准、信息规范、特征识别、预警预报等内容，为城市防汛的指挥、控制和沟通工作提供依据[3]。

1 系统概述

针对西城区现有降雨监测预警工作继续拓展的需要，市政管委业务发展的需要，并配合北京市、西城区“十二五”发展战略中精细化、智能化管理创新应用工作继续拓展的需要，文中设计了基于GIS与物联网技术的防汛预警系统。该防汛预警系统包括防汛应急数据分发预警系统、防汛宣传管理系统、防汛应急减灾移动App、防汛数据入库与管理系统、防汛综合查询系统，防汛与市防办、排水、管委、气象等数据共享。系统应适应西城区的特殊区情，集防汛与城市运行管理数据共享与应用于一体，符合社会经济发展以数字化技术和信息技术为基础的防汛应急数据标准与规范，开展数据入库与管理工作，加强防汛宣传，不仅符合北京市和西城区经济形势与防汛指挥的需要，更是物联网理念在城市管理中的拓展以及管理方式继续深入的需要，有助于提升城市运行管理的科学化、智能化水平。西城区在科委课题的支持下，利用传感器物联网技术于2011年底初步建立了一个由34个雨量传感器监测点组成的降雨量监测网络，实现了西城区50平方千米15个街道的全面覆盖，但在低洼院落、易积水区域监测降雨的设施还需进一步完善，因此本项目提出建立城市内涝积水监测网络，并计划在全区易积水点（2012年统计有12处）选择布设5个积水传感监测器。计划在易积水区域、低洼院落、重点区域等三类区域部署，从而更好的为防汛预警提供数据支持。

2 防汛预警系统框架

系统建设基于一系列标准规范体系以及安全防护体系。为了便于设计与管理，将系统主体划分为5个层次，即物联网传感层、基础设施层、数据资源层、业务逻辑层以及服务对象层。在安全防护体系下，系统可与城市运行管理平台以及其他部门系统进行数据和服务的共享与交换[4]。防汛系统总体框架如图1所示。

（1）物联网传感层

物联网传感层是本项目的最底层，主要包含各类感知设备，如雨量计（雨情监测）、电子水位计（积水监测）等，这些设备为数据采集服务提供了良好的硬件支撑。

（2）基础设施层

基础设施层是指项目的运行环境，具体包括硬件（存储设备，安全设备，大屏幕等）、基础软件（操作系统，GIS系统，数据管理系统等）和网络通信部分。

（3）数据资源层

数据资源层指系统运行所需数据资源，具体为基础数据（地形、道路、防汛隐患点、宣传屏等）、防汛宣传数据（用于宣传的发布、历史查询等）、防汛业务数据（各应用系统的业务所需数据）、防汛预案数据、防汛监测数据（监测传感器实时获取的监测数据）以及其他相关数据。

（4）业务逻辑层

业务逻辑层对应所有的应用子系统，是本系统的核心层。系统的复杂性也主要体现在业务逻辑层，面向城市运行的防汛应急与指挥调度系统。主要包括7个子系统，即城市内涝积水监测网络建设、城市防汛应急监测系统、防汛信息采集与报送系统、防汛数据入库与管理系统、防汛综合查询系统、防汛通信管理系统、防汛宣传管理系统。

（5）服务对象层

分别针对监督指挥中心、区防汛办，其他政府部门乃至领导、公众、气象局提供不同的监测信息内容和功能服务。项目同时也将与其他部门和部分系统实现资源和数据共享[5]。系统网络结构图如图2所示。

3 系统网络结构

依托西城区现有网络安全设施与制度，在本项目的网络设计中将网络设计分为基础层、数据层、应用层和用户设施层。基础层为项目的运行提供了最基础的数据信息；数据层是主要用来存储各种类型数据的数据库，为应用层提供数据服务；应用层为一系列的防汛系统，是本项目建设的核心内容；用户设施层包括了显示终端、防汛部门、人民群众以及防汛相关人员和领導[6]。系统总体技术路线如图3所示

防汛預警系统以城市防汛业务需求为基础，以城市管理相关数据规范、标准、安全体系等为设计依据[7]，以项目总体设计为框架，通过综合应用传感器技术、无线通信技术等多技术集成手段，研究防汛数据GIS可视化技术，GIS数据更新与综合查询技术，自动生成汛情快报、通报、表格等技术，数据共享接口与数据规范技术，防汛信息3G传输技术，传感器实时监测、实时信息发布等关键技术，并将研究成果作为技术研究支撑，主要在6个方面展开系统建设与应用，分别建立“防汛应急数据分发预警系统”，“防汛数据入库与管理系统”，“防汛宣传管理系统”，“防汛应急减灾移动App”，“防汛综合查询系统”，“防汛与管委、城管、气象等的数据资源共享”，服务于城市内涝防汛预警需求，保障平安西城建设的需要。这个目前困扰城市运行管理与防汛业务的主要问题解决后，可大大提升城市运行管理的科学化、智能化水平，实现防汛信息的数字化、规范化、防汛业务的高效科学化，极大地提高人民群众的满意度。

4 结 语

防汛预警系统借助物联网、GIS等最新科学技术，在降雨、积水的防汛研究问题上深度结合城市运行的物联网应用，以达到投资少、见效快、成果显著等目的。研究成果可全面提升西城区的城市精细化、智能化管理水平。提升防洪排涝数字化管理水平，提高防洪排涝应急保障能力，以有效降低劳动强度，提高工作效率，保证工作的时效性并通过建立防汛数据管理中心，实现信息资源的全面整合，有效管理各种结构化与非结构化信息资源，实现数据、文本、图片、音频、视频等信息的关联管理，创建各类防汛信息资源库，为防汛决策指挥提供信息支撑。

参考文献

[1]国家科委全国重大自然灾害综合研究组.中国重大自然灾害及减灾对策（总论）[M].北京：科学出版社，1994.

[2]张业成.中国洪涝灾害的地质因素与减灾对策建议[J].地质灾害与环境保护，1999，10（1）：1-13.

[3]孟波.大城市防汛自动化管理系统与决策支持系统[J].系统工程，1993，11（1）：27-30.

[4]吕文斌，郑晓阳，高芳琴，等.防汛“一网四库”管理系统设计[J].上海水务，2007， 23（4）：53-56.

[5]吴微微，李谊瑞，范灵春，等.基于.Net 的Web GIS城市防震减灾服务系统[J].世界地震工程，2009，25（2）：125-129.

[6]余达征，索丽生.关于防洪调度智能决策支持系统的分析与设计[J].水文，1999 （2）： 18-23.

[7]龚伟.针对暴雨积水灾害的城市防汛决策支持系统研究[D].南京：河海大学，2007.

[8]陈永峰，刘扬，鲍庆雪，等.短信平台的设计与实现[J].物联网技术，2016，6（7）：34-36.