基于物联网与GPRS技术对武汉市内涝监测预警系统的优化设计

张忠义，王　喆，方丹辉

(1.武汉理工大学管理学院，湖北 武汉 430070；2.武汉理工大学中国应急管理研究中心，湖北 武汉 430070；3.安全预警与应急联动技术湖北省协同创新中心，湖北 武汉 430070)

城市内涝是指由于强降水或连续性降水超过城市排水能力，从而致使城市内产生积水灾害的现象。目前国内许多城市地下管道老化严重，排水标准较低，排水设施建设滞后，为内涝的形成提供了孕灾环境；加之城市路面渗透性差，绿化不足，调蓄能力弱，加重了内涝对城市的影响。近年来，随着城市化进程的加快，城市内涝灾害频发，严重影响并制约着社会稳定及经济发展。由暴雨引发的内涝突发性强、预见性弱，目前防范与治理城市暴雨产生的渍涝问题，已不仅仅是城市排水系统的问题，而是城市发展规划中必须综合考虑与治理的问题[1]。因此，在我国城市内涝治理工作中，应进一步提高对暴雨内涝的重视程度，采取综合防洪排涝措施，提高城市防洪排涝能力[2]。

建立适应城市发展的内涝监测预警系统是城市内涝防治的关键环节，国内外学者对此开展了卓有成效的探索。在国外，城市内涝防治起步较早，美国环境保护署(EPA)1971年就研发了世界首个基于计算机的城市排水官网模型，即暴雨洪水管理模型(SWMM)；随后，城市径流模型(UCURM)、STROM模型、MIKE URBAN模型以及Info-Works等多种城市暴雨模拟软件开始研发成功并投入应用[3-5]；随着技术的不断革新，新一代RIA[6]和WebGIS[7]等技术逐渐被应用到城市内涝结果的显示、查询、分析以及预警等方面。在国内，对城市监测预警系统的研究主要集中在城市降雨和积水模型以及实时监测新技术的应用方面，如邵鹏飞等[8]结合GIS技术和云服务等手段设计了城市内涝监测预警信息系统；郑姗姗等[9]通过构建降雨积水的时空自相关移动平均模型(STARMA)，实现了城区的暴雨积水点积水过程的短时预测功能；位路阳[10]运用WebGIS技术并结合暴雨洪水管理模型等手段，实现了城市内涝的实时监测预警；覃东华等[11]基于ArcGIS Server设计了城市洪涝灾害应急管理综合系统，对相关系统的开发具有一定的参考价值。

综上所述，相关研究都为建立满足现实需要的城市内涝监测预警系统做出了贡献。但是，从我国各地建立的城市内涝监测预警系统来看，目前在数据采集和数据利用等方面还存在不足。武汉作为首批海绵城市建设试点城市，近年来开展了一系列建设实践，并有学者提出将“海绵城市”与“PPP模式”结合，提出了武汉市的内涝灾害防治体系[12]。而从2016年武汉城市洪涝应对的现实情况来看，防灾应急能力并没有与日新月异的城市建设发展相适应[13]。本质上说，实现对城市雨水资源的有效管理的前提是对城市雨水管理技术的科学应用[14]。为此，本文针对武汉城市内涝监测预警系统的建设现状，结合各地的现实情况，充分利用新一代物联网技术和GPRS技术对城市内涝的实时数据进行采集与处理，并提出了完善武汉市内涝监测预警系统的优化方案，对于增强我国城市应急能力、减少内涝带来的人员伤亡和财产损失具有重要的现实意义。

1　武汉城市内涝监测预警系统的建设现状

关于城市内涝监测预警系统的研究，相对于国外来说，我国的起步较晚，但是近年来也取得了不少的成果。我国在20世纪90年代后期开始了将数值模拟方法与GIS技术相结合用于城市暴雨内涝的研究开发工作[13]。自2013年以来，武汉市在武昌区、洪山区等地建设了城市暴雨渍水监测预警系统，用以实时监测城区雨量和特殊低洼区的渍水深度，并实现了信息的实时发布来提醒行人和车辆，取得了较好的效果[14]。

1.1　武汉市现有的城市内涝监测预警系统的构成

武汉市地理位置特殊，为北亚热带季风气候区，降水量丰沛，长江与汉江在此交汇，且由于地势原因，使武汉市成为我国受内涝影响较为严重的一个城市。城市内涝监测预警系统一般由监测中心、通信网络、前端监测设备和测量设备4个部分组成[14]。武汉市内涝区域主要是武汉三环线以内的中心城区，武汉市现有的城市内涝预警预报系统主要由数字化地理信息系统、精细化降水预报系统、内涝等级判定系统3个部分组成[15]。

1.1.1数字化地理信息系统

数字化地理信息子系统作为城市内涝监测预警系统的基础数据系统，由城市排水信息、基础地理信息和下垫面属性信息组成。其中，主要管网、泵站位置及其排水能力为城市排水信息；行政区划、行政村、高速、桥梁、水系、绿地等31个图层为基础地理信息；地形高程、地面糙率、下垫面属性等为下垫面属性信息。

1.1.2多站点雨量动态监测系统

多站点雨量动态监测系统对城市内涝实况的监测主要通过降水实时监测数据来进行渍水点内涝监测和预警。降水实时监测数据来源为武汉市区自动气象站，而自动气象站通过每分钟采集一次降水资料，传送到数据服务器，系统每小时从数据服务器中统计小时累计雨量来进行实时的城市内涝动态监测，监测时段分为过去1小时、过去3小时、过去6小时、过去12小时和过去24小时，动态监测与城市内涝密切相关的最新降水实况。

1.1.3内涝等级判定系统

城市内涝监测预警系统的核心是内涝等级判定系统，该子系统基于渍水点积水深度、积水面积、影响程度等武汉市气象台现有气象资料，结合水务、城管、交通等部门的历史内涝数据，基于综合考虑如地形高程、下垫面属性、排水管网等渍水点地理信息数据，对武汉城区所有渍水点进行强降水过程分析，重点分析渍水点区域代表自动站过程雨量、下垫面状况、不同时段降水强度、海拔高度和地势高低、排水设施等与渍水点积水深度、积水面积之间的关系，还通过讨论不同时段渍水与降水强度之间的联系，并利用相关分析方法建立渍水点的雨洪关系模型。

1.2　武汉市现有的城市内涝监测预警系统存在的薄弱环节

武汉市现有的城市内涝监测预警系统仍然存在监测数据精度差、信息传递不及时、应急处置效率低等问题，其薄弱环节可归纳为以下几点：

(1) 系统效率较低，监测数据共享性差。现有系统监测到的内涝信息数据往往以人工传达为主，市政及有关部门难以快速获取所需的全部信息，影响排涝效率，需建立科学的信息发布平台，以实现各单位对信息的同步获取。

(2) 系统自动化程度较低，无法自动采集并处理多种所需数据。现有系统并未完全实现自动获取数据的功能，如卫星云图、雷达监测数据等都需要通过其他系统查看，再人工录入到预警平台，对接不够紧密，影响排涝效率。

(3) 系统城市地理信息更新慢，可用性差。由于现有系统中的城市地理信息往往更新慢，而城市建设进程越来越快，造成系统数据与实际不符，难以精确反映城市的积水受灾情况，影响整体排涝工作。

(4) 系统与城市应急指挥联系不够紧密，影响了应急效率。现有系统只能实现单一的预警预报功能，将监测到的信息反馈给各有关部门，再由各部门讨论制定方案，需建立以预案库为主的数据库，同监测预警系统实现有效对接，形成决策支持模块，以减少有关部门制定方案所花费的时间，提高应急效率。

(5) 系统预警发布难以与市民双向沟通。现有系统通过预警发布平台将信息传达给防涝部门，无法确保市民对城市积水状况等信息的及时获取，需将实时数据通过预警发布平台传递到移动终端，市民可第一时间获取信息并上报更新数据，以实现系统同市民的双向沟通。

2　武汉城市内涝监测预警系统的总体优化设计方案

考虑到城市内涝数据采集范围太广，难以全面有效覆盖，因此需要对城市重点易涝区域进行监测，但由于监测点分散在城市各个角落，因此还需要充分利用最新的传感、云计算等物联网技术和GIS地理信息系统，实现数据处理和信息共享，既能减少建设投入，又可实现部门间的信息整合，以为应急决策支持提供有效支撑。为此，本研究对武汉市现有的城市内涝监测预警系统进行了优化设计。

2. 1　系统框架设计

优化的系统在分析不同类型城市内涝特点的基础上，结合物联网技术，以GSM、GPRS通信技术为保障、应急决策支持为依托、云端综合信息处理为核心，具有独特的优越性，具体表现在：不同于以往人工录入的采集模式，利用遥测终端机(RTU)、电子水尺等多种物联网监测设备，以实现数据的动态监测及共享，大大提高了工作效率；改善以往以人工传达为主的信息传递方式，利用数字化地理信息系统、多站点雨量动态监测系统，提高了采集数据的可用性、精确性、即时性，实现了系统的智能化、自动化；此外，还建立了具备数值模拟、仿真计算等功能的云处理平台，参考各部门的历史案例数据及应急预案，将信息综合处理并发布到统一平台，实现了部门间的应急联动。优化的系统可用于辅助政府应急部门进行城市内涝基础信息采集、内涝监测预警与模拟仿真、城市内涝应急指挥和管网动态监控等应急处置工作。该系统共分为物联网设备端、数据采集模块、数据处理模块、预警发布模块和决策支持模块，其总体框架设计见图1。

图1　城市内涝监测预警系统总体框架设计Fig.1　　　　Overall framework design of urban waterlogging monitoring and early warning system

2. 2　物联网设备端

2.2.1雨量计

通过雨量桶接收到的实际降雨量，按照每小时进行雨量统计，精度可达0.1 mm。为了准确计量雨量，雨量计应保持通电状态，停电时的降雨量将不会被统计在内，但以前的测量记录不会丢失；雨量计内有时钟电路(自带供电电池)，可将每日内24 h的降雨量分别进行记录，并统计每日的降雨量；雨量计的内存可记录400 d的降雨量，超出时将循环覆盖。可通过人工数据采集(即读数仪读取)、自动化数据采集(即直接挂接系统进行数据自动采集)和独立自记录采集(即独立工作、自动采集和记录)这三种方式采集雨量数据。

2.2.2液位计和电子水尺

系统采用电子水尺传感器监测水位，电子水尺是一种新型数字式水位传感器，它是基于水的导电性原理设计的，通过测量分布电极的电信号来测量水位，适用于各种环境、水质条件下的水位、积水监测。该传感器是一种采用先进微处理器芯片为控制器、内置通讯电路的数字式水位传感器，具备高可靠性和抗干扰性能，可以垂直安装、倾斜安装或阶梯安装等。按照积水监测点现场情况应选择垂直安装方式，安装位置视情况选择安装在桥墩侧面或隧道墙壁上。将电子水尺传感器电缆连接至遥测终端机上，即可实现各积水点积水信息及其变化情况的测定，并把测定的数据进行纠错、编码、存储，通过GSM/GPRS通信方式将数据传输给指定的中心。系统遥测站点采用自报式的工作体制，包括随机自报和定时自报相结合，这种工作方式功耗低、便于供电，且结构简单、可靠性高、实时性强，能很好地反映积水水位变化的全过程。

2.2.3流量计

流量计可对各排水口和管道进行流量监测。为了确保管道流量的连续性监测，流量监测设备应安装在排水渠内以及管道口，选点时应优先考虑重点路段、内涝多发地区和低洼处布设监测点，并注重监测点布设的均匀性和代表性，以提高监测的科学性，并尽可能减少建设成本。

2. 3　数据采集模块

数据采集系统主要利用遥测站采集城市地面积水信息，再由分布在城市重点易涝区域的监测站将采集到的数据通过GSM或GPRS无线传输到中心站，为总系统提供实时数据，同时通过气象局、智慧城管等部门调取动态降水预报信息、数字化地理信息和视频监测数据，集成到云端实时数据库，其结构见图2。

图2　数据采集模块结构Fig.2　Structure of data acquisition module

遥测站由遥测终端、蓄电池、电子水尺、信号避雷器等组成，其支持GSM/GPRS无线通信技术，传输方式采用自报和召测的方式进行，能够确保自动、及时、准确地将动态监测数据传输至中心站；在中心站点部署数据采集服务器，完成网络接入、协议转换、数据校检、数据存储、测站监控、运行管理和信息查询等任务；通过中心站计算机及相应的应用软件系统，即可以把测量数据直接读出来，也可以通过通讯模块，按照报汛机制和实际需要，向需要数据的管理部门发送。

2. 4　数据处理模块

数据处理系统通过遥测站监测的地面积水信息，结合智慧城管系统中的数字化地理信息以及气象局的精细化降水预报信息，进行匹配分析计算，并将其结果上传到云端，形成一个稳定、安全、高效的包括动态数据库、云端案例库和云端预案库的云管理平台，并将动态数据与云端案例库、云端预案库相匹配，分析城市易涝重点区域的受灾情况，对实时数据进行基础信息分类、模拟仿真计算，筛除无效数据，并将加工处理后的数据传输到内涝预警发布平台，直接为城市防涝排涝提供参考依据，其结构见图3。

图3　数据处理模块结构Fig.3　Structure of data processing module

数据处理系统将收到的数据格式进行解码，并对接收的数据信息进行重新组织，去掉冗余和不合理数据，提取接收特征数据后加以处理，使之成为能正确反映监测区域的积水水位要素变化过程的数据，并写入云端综合数据库，结合云端案例库和云端预案库，为城市内涝的预警发布提供保障，并可供专业应用软件使用，最终实现对数据采集状态的监测，一旦在设定的时间内未采集到数据，将提供报警。该系统支持云端存储、数据库匹配、文件格式转换、数据自动分类、计算校验、统计分析、数据备份等功能，数据形式包括数字、表格、文本、图形、图像、声音等，能有效提供决策参考。嵌入云端技术的数据处理系统可实现数据集成，便于数据共享；实现数据隔离，防止在数据共享时破坏原始测量数据。

经云端处理后导出的数据，经相关程序自动录入到预警发布平台，可基于城市积水深度、积水范围、影响程度等现有气象资料，结合水务、交通、城管等部门的历史内涝数据及历史案例库，基于地形高程、下垫面属性、管网信息等地理信息数据，对城市积水点进行强降水过程分析，并利用相关性分析方法建立渍水点的雨洪关系模型，并判定内涝等级。

2. 5　预警发布模块

预警发布系统是城市内涝监测预警系统中最重要的部分，由数据处理模块生成或导出的城市积水数据、城市地理数据、内涝等级、相应应急预案等信息，最终将集成在预警发布平台，并及时传导给有关部门，从而完成整个系统的工作流程，其结构见图4。

图4　预警发布模块结构Fig.4　Early warning release module structure

该预警发布平台具有内涝预警显示、内涝信息查询、内涝灾情管理、数据维护四大功能。其中，内涝预警显示模块可通过模拟仿真等技术提供城市地面积水信息和降水信息的实时、立体的展示，直观显示城市内涝动态；内涝信息查询模块可为决策者提供精确的积水水位、管网状况、气象信息等数据，有效支撑应急决策；内涝灾情管理模块可实现与政府有关部门及市民的双向沟通，实现灾情上报及灾情统计功能；数据维护模块可实现用户管理及实时数据的更新及修正。该平台可在地图上显示各监测站点的分布情况，以报图和报表形式显示积水站点当前积水水位值、积水过程线等相关数据，并对超警戒的积水站点，以图标闪烁及声音提醒的方式进行预警，以便用户及时了解预警信息，同时可对人工上报的全市范围内积水信息，通过后台录入展示，此外还可与现有系统视频监控模块进行关联，对站点积水信息查询的同时，也可对积水现场附近已有视频点摄录的视频图像进行查看。

2. 6　决策支持模块

传统的城市内涝监测预警系统往往同城市应急指挥系统联系不够紧密，影响排涝效率，其主要实现单一的预警预报功能。而将应急决策支持系统嵌入监测预警系统，能有效减少城市应急部门制定排涝方案所花费的时间，提高应急处置效率，其结构见图5。

图5　决策支持模块结构Fig.5　Structure of decision support module

该系统通过云端数据处理平台的案例库、预案库、模型库和方法库对动态监测数据进行匹配，并引入应急调度指挥机制、部门应急决策和协调机制、分级负责与响应机制和社会动员机制，形成专项应急方案，集成到模拟决策会商平台，明确各部门职责，为城市应急联动指挥中心提供决策支持，大大提高了城市应急联动能力。

3　武汉城市内涝监测预警系统功能的实现

为了更好地了解优化的武汉城市内涝监测预警系统的建设情况，本文对基于系统优化设计所实现的功能进行了具体说明，该系统的功能框架见图6。

图6　城市内涝监测预警系统的功能框架图Fig.6　　　　Functional framework of urban waterlogging monitoring and early warning system

3. 1　自动化的数据采集

基础涝情数据是实现内涝监控防治的基础工作，系统开发将借鉴城市涝点分布数据，在各地进行遥测站点建设，同时在相关负责部门构建中心站点，实现对各地内涝数据的自动接收。遥测站根据设定通过通信模块向中心站进行数据自动发送，中心站可通过计算机及相应的应用软件系统，即可以把测量数据直接读出来；进一步也可以通过通讯模块，按照报汛机制和实际需要，向需要数据的管理部门发送。

3. 2　基于雷达图的降水监测预报

通过雷达图数据的分析，可以满足对短时强降雨的有效预测，结合其他技术，可以进一步推算出未来一段时间的降雨情况，其中未来一小时的降水预报数据是最为重要的。降水监测预报将采用新一代多普勒天气雷达图分析技术，在平台开发过程中将雷达回波数据进行矢量化操作。具体的操作是将源图和电子地图进行同比例网络化分割，读取源图回波像素的位置、强度信息，并映射到电子地图相应单元格中，由此产生基于GIS的雷达回波强度图，而该基于GIS的雷达回波强度图是可查询、可换算的。系统将逐行遍历回波源图解析出来的各点回波值信息以及相应的位置范围信息保存于二进制文件中，以供系统调用查询。多普勒天气雷达反射率因子产品的空间分辨率为1 km×1 km，结合武汉市的实际范围与面积，对雷达回波强度图进行叠加，通过对回波值的读取确定未来一小时一定区域范围内的降雨情况。雷达回波强度定量估算降雨量的公式如下：

Z=aIb

其中，回波强度Z(单位为dBZ)是一个与降雨粒子大小、密度相关的量，降雨强度I(单位为mm/h)与回波强度Z之间存在一定联系，通过a、b参数的确定即可以实现对两者关系的了解，进而通过雷达回波强度图的查看来对降雨强度进行预报。然而，a、b值的确定是与降雨类型、季节以及武汉当地地域等因素息息相关的可变参数，其确定将通过对武汉市历史降雨强度与历史雷达图对比分析而获得[16]。

在系统建设中通过构建内部模型，并结合历史数据分析，可实现雷达预警系统的开发，满足当地对短时强降雨的准确预报，进而为防内涝工作的开展争取更多的时间。

3. 3　丰富的云端数据共享

系统可以对外提供丰富的实时内涝涝情数据查看，通过对遥测站反馈的内涝点灾情，基于GIS平台进行集中展示，针对内涝点，可以快速查看该点内涝的具体情况，包括涝点大概涉及范围、涝点内涝深度等信息，并结合内涝信息及交通信息，对出行以及内涝治理指挥做出合理计划安排；同时，系统通过对内涝等级条件的制定，对每次内涝情况进行分类管理，并基于分类管理结果实现历史案例的条件查询；此外，系统可实现对内涝案件处理信息的记录以及对应预案的关联，保证相关部门在内涝治理指挥工作开展过程中可以通过查看历史内涝案例，了解当时内涝应对措施，进而为现场指挥决策提供信息参考。

用户可根据各个行政区划区、社区、街道所在位置及其周边交通路线信息制定内涝应对预案，并将预案上传，通过平台还可以对预案进行维护管理。系统通过构建预案与内涝实时监测结果的关联，并通过系统内部对内涝实时状况的分析，提供预案建议，由工作人员对预案选择做出确认。

3. 4　快速多样化的预警发布

系统基于GIS平台，对内涝监测点以及雨量监测点进行叠加展示，针对内涝监测点，将通过闪烁等突出显示方式来进行提醒，并可以根据涝情的实际情况，通过不同的图标进行展示。系统还可以实现对最近一段时间内云图、雷达图分布进行查看，并支持云图、雷达图的动态播放，同时结合雷达预警系统的预测成果，可以在此系统上查看到短历时强降雨预测信息。

此外，系统构建了不同等级内涝负责人之间的快速沟通渠道，下级对于发现的当地内涝涝情可以及时快速地向上级反馈，上级收到内涝事件可以对各地内涝事件进行统计分析，查看各涝点分布，进而为下一步指挥协调提供依据。

4　结　语

随着城市化的快速发展，近年来由暴雨引发的城市内涝灾害频繁发生，在给市民的日常生活造成诸多困扰的同时，也引发了严重的生命及财产损失，城市内涝问题引发了社会公众的强烈关注。在“海绵城市”建设的不断推进下，本文聚焦应用雨水管理技术对城市内涝进行防治，在分析武汉城市内涝监测预警系统现状的基础上，尝试提出基于传感等物联网技术、GPRS技术和云计算技术等，实现数据实时共享，建立直观的内涝预警发布平台，制定科学的应急处置方案，构建了城市内涝监测预警系统的整体规划，以期实现数据共享、实时更新、自动化、智能化、双向沟通、快速响应、多部门应急联动等功能，为各级政府及有关机构提供决策参考的科学依据，以提升城市整体排涝能力。

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