基于雨量传感器的城市防汛精细化监测和预警——以北京市西城区为例

◎ 北京市西城区城市管理监督指挥中心 白 云

1、前言

近年来，随着极端降雨天气经常发生，我国的很多城市防汛形势十分严峻且严重威胁着城市运行安全。但城市防汛体系建设是个复杂的系统工程，涉及城市防汛规划、防汛工程设施、灾后恢复重建及公众参与等各个方面。其中最基本，也是相当重要的工作就是对城市雨情的实时监测和预警。

对于雨情的监测和预警，许多城市也都建立起防汛监测系统，并结合3S（GPS，GIS,RS），以及历史信息情况综合得到监测和预警的结果。但从监测和预警的结果来看，效果并不十分理想。其主要的问题是监测数据本身现势性以及准确性上都不足以满足当前的监测和预警的需求。如北京市西城区60余平方公里的地区只有2～3个监测点，这样的数据精度是不够用的。

针对当前城市防汛监测和预警工作的精细化需要，充分发挥物联网与3G传输手段的技术优势，利用传感器技术建立自主的雨情无线监测网络，并在此基础上研发城市雨情精细化监测和预警系统，为城市防汛精细化管理提供可靠、准确的实时雨情信息支持。

2、概述

选择城市低洼平房院落，建设由若干个雨量传感器组成的自主雨量监测网络，并通过无线网络实时传输降雨量数据；在此基础上建立起城市防汛监测与预警平台，实现实时降雨量信息的浏览，历史降雨量信息查询统计，在雨量达到一定级别（例如中雨以上）时，结合气象部门的降雨量预报信息，通过短信平台自动向相关人员发送雨情预警信息，为城市防汛及应急工作提供及时可靠的降雨量信息支持，具体如图1所示：

3、自主雨情监测网的建设

3.1 雨量传感器

雨量传感器是雨情数据源监测的基本工具。而数据传输装置主要是利用安装有手机卡，通过以手机接入移动网络(3G网络或GPRS网络) 的形式把雨量测量装置获取的雨量数据以一定时间隔发送指定IP地址的服务器上。（如图2）

本自主雨情监测网采用了3G和物联网相关技术用于雨量信息的收集、传输、雨量计设备的运行状态实时监测等，真正实现了无人值守的物物相连、信息互通，具有物联网基本概念，属于物联网基本应用之一。

3.2 监测点布控原则

以下原则为我区开展雨量布控建设的一些经验，仅供参考：

图1 基于传感器技术的城市雨情精细化监测和预警流程图

图 2雨量传感器（左侧为雨量测量装置和右侧为数据发送装置）

⑴总体设计原则：首先根据以往掌握的情况，如低洼区，积水点等，考虑监测区域的总体情况，确定部署监测点的总个数，此时应该以地形图为参考，而且比例以1:500或1:1000为宜。

⑵分级分层原则：确定了总个数后，要进行分级分层，一般以街道、社区为分级分层标志，尽量要布满上级层次，下级层次以后还可以继续细化，体现可扩充性。

⑶地理布局原则：参考城市中的街巷、院落、空地等自然地理布局进行布控，并选在高处（屋顶，楼顶），防止树叶等遮挡。

⑷方便管理原则：为方便实施管理，应该尽量选择有人值守的单位或位置布设监测点，也避免发生危险。

⑸负载均衡原则：如果采用电源供电的雨量传感器，则发送数据的间隔时间可以设置短些；而采用电池供电的雨量传感器，则发送数据的间隔尽量长些。

⑹相对稳定原则：布控结束后不同层次的监测点最好少调整，同一层次的监测点则可无限制。

图3 西城区布设情况

3.3 西城区布设情况

应用上述原则，在北京市西城区15个街道（保证每个街道至少有一个监测点），选择城低洼平房院落或者长期积水点附近进行雨情监测点布控，具体布设情况如图3所示。

4、雨情监测和预警系统的建立和应用

4.1 系统结构

西城区雨情监测和预警系统采用分布式三层体系结构，三层体系结构包括数据层（Data Layer）、业务逻辑层（Business Logic Layer）和表现层（Presentation Layer）。（如图4）

图4 系统总体结构

1)数据层：包括城市基础信息数据、防汛设施数据、雨量监测数据、预警预案数据等。

2)业务逻辑层：包含数据接收，基础GIS功能，历史数据管理，统计分析，实时雨情监测，预警分析，系统维护等服务和操作。

3)用户层：通过将表现层与业务逻辑的分离处理，从而使得用户界面与应用逻辑位于不同的平台上。通过这样的结构设计，使得业务逻辑被所有用户共享。

4.2 系统核心功能

西城区雨情监测和预警系统是集成电子地图、实时雨量监测、雨情预警分析等的数字城市防汛综合应用平台。该平台分为3个主要部分：雨情信息接收子系统、雨情监测与预警子系统以及预警短信子系统。（如图5）

系统主要功能包括：

⑴雨情信息接收

主要功能为：设置接收系统IP地址，端口号，存储数据库相关等参数；自动保存数据接收日志；保存接收的信息到数据库中等。

⑵雨情监控与预警

本部分为系统核心功能，主要包括：

①监控点实时显示当前监控点实时数值以及降雨等级；

②查询各个监测点某个时段内降雨数值信息、等级信息并查询结果、打印输出；

③统计降雨量数据按时间（月，周）、空间（街道、社区），并以图表的方式显示；

④利用实时雨情数据以及城市防汛降雨量等级标准建立预警分析模型，确定是否预警以及当前预警范围与级别；

⑤利用预警分析结果，根据启动预案标准，提供应急预案支持。

⑶预警短信提醒

主要功能为：降雨量达到一定等级，则自动向相关管理人员发送降雨量实时信息短信；当预警分析完成后，向预警应急管理人员发送预警短信；当雨量传感器设备故障了，自动向雨量设备管理人员发送提醒短信。

4.3 系统实现

西城区雨情监测和预警系统采用B/S（浏览器/服务器）软件系统结构，采用Flex以及C#作为编程语言，SQL Server 2008作为后台数据库服务器。利用ArcSDE存储空间数据、ArcServer提供地图服务，通过UG/Open MenuScrip实现界面与系统紧密结合。

图5 系统核心功能

图6 实时雨量 览

图6为系统实现后效果。

4.4 应用效果

西城区雨情监测和预警系统引入了3G通信与物联网相关技术作为主要技术支撑，采用了稳定成熟的富客户技术和GIS技术实现城市雨情的丰富展现与图形空间分析功能，从近半年的上线运行情况来开看，系统运行稳定，性能可靠，提供了及时准确的降雨量信息与预警服务，很好地满足了西城区城市防汛及应急工作的需要。同时，系统界面设计简洁，操作简单，方便了城市日常防汛监管及各项专题分析业务的开展。

5、需要考虑的问题

对于采用传感器技术的城市雨情精细化监测和预警，目前需要考虑2个主要问题：

1）雨情监测网建设、细化和维护

目前应用在城市防汛中的应用仍不多见，主要是许多城市的防汛部门没有充分认识到自主建网的必要性，而仍采用与气象部门协同获取数据的方式，有些地区即使在监控网建成后，也要根据网点空间分布进一步细化原有监控网，使得监测数据更加精确。另外，对于监控网的维护需要重点考虑，要定期进行检查、维修、保养，所有这些对于监测和预警准确与否相当重要。

2）深层次、有针对性的分析和预警

雨情数据获取只是监测和预警的第一步，提供有效的决策支持才是最终目的。这里不应该建立大而全的分析和预警模型，而应该充分利用可靠基础数据开展深层次和有针对性的分析和预警。

6、结论

本研究中的最大特点自主建立了由25个监测点组成的西城区雨情监控网络。这样，城市防汛监测和预警就可以形成以气象部门降雨量信息为主的宏观预测，和自主雨情监测网络的实时降雨量数据为辅的微观预报相结合的立体雨情预报体系，从而大大提高监测数据的可靠性和精度。另外，通过对当前实际需要的分析，明确下一步的工作是增加监控网络中监控点数量，进一步提高数据精度；以及开展深层次和有针对性的分析和预警，提供有效的决策支持。