城市防汛内涝预警预报系统的设计与实现

袁青涛，周文，刘旭，段彤

(1.正元地理信息有限责任公司，北京 101300； 2.正元地理信息研究开发中心，北京 101300)

城市防汛内涝预警预报系统的设计与实现

袁青涛1，2*，周文1，2，刘旭1，2，段彤1，2

(1.正元地理信息有限责任公司，北京 101300； 2.正元地理信息研究开发中心，北京 101300)

采用GIS技术、GPRS技术及物联网传感等技术实现对城区“雨情”实时发布、“涝情”及时预警、“排涝”资源科学调度。并结合WebGIS地理技术设计和大型应用数据库系统，在此基础之上，对各种信息资源进行全面的整合和重组。本系统在东营市上线运行以来，对大、暴雨监测，多次利用排水模型进行预警，针对实时降雨强度进行报警，通过短信、LED显示大屏等多种渠道对广大市民进行提醒，对人民大众出行和生产带来了很大的方便和指导意义。

防汛内涝；实时监测；MongoDB；GIS

1 引 言

随着我国经济社会的不断发展和城市化进程的不断推进，人们对居住环境的要求逐步提高。但是，排水管网设施的老化和排水管网连接关系的复杂化，城市内涝问题日益突出。特别是近年来，突发性暴雨袭击了我国众多城市，导致了严重的城市污染灾害，造成了巨大的经济损失，对社会秩序、城市功能、环境与资源等造成了不同程度的破坏，给人们的生活、经济社会发展和城市的正常运转带来了十分严重的影响。如何科学有效对城市内涝的发生进行监控、预警、调度成为亟待解决的问题。

2.1 系统架构

城市防汛排涝预警系统采用物联网技术与无线电低功耗技术相结合，通过雨量站、积水监测点、排水泵站自动化改造；借助GIS、GPRS与物联网的数据传输与数据集成，实现了对城区“雨情”实时发布、“涝情”及时预警、“排涝”资源科学调度。既可以为决策机构的领导提供城市道路、下沉式立交桥、地下停车场、排水管道、渠道、检查井、排水口、城市河流水系等监测点的实时信息，又能够为市政排水调度管理机构提供数据支持，还可以通过广播、电视等媒体为人民群众提供出行指南。硬件系统架构如图1所示。

整个系统架构图(如图2)从层次上可以划分为4个层次：物联网感知层、数据存储层、信息集成层、管理决策层；包括三个支撑系统平台：一是以太网络系统平台；二是数据库管理系统平台；三是数据运维服务平台。以太网络是系统的传输平台；数据库是所有决策管理的基础数据平台；数据运维服务平台为GIS系统提供数据服务。这三个平台的先进性、高效性、可靠性、安全性就决定了整个系统的性能，具体结构如图2所示。

图1 硬件系统架构

图2 系统架构图

信息集成层和物联网感知层构成了整个系统的主体，用来实现系统的核心功能，其服务的对象是负责生产和调度的职能部门。决策层是系统窗口，使该系统和其他部门有机地联系起来，服务于决策管理层。数据中心是系统的数据存储中心，网络平台是系统的连接通道。

2.2 数据库设计

东营市智慧城市暨城市内涝预警预报系统采用先进的MongoDB数据，均采用双机热备的功能。能够功能够好的与第三方系统提供对外接口。

MongoDB是一个基于分布式文件存储的数据库。旨在为WEB应用提供可扩展的高性能数据存储解决方案。

特点：高性能、易部署、易使用，存储数据非常方便。

主要功能特性是：面向集合存储，易存储对象类型的数据；支持复制和故障恢复；使用高效的二进制数据存储，包括大型对象(如视频等)；自动处理碎片，以支持云计算层次的扩展性；支持RUBY，PYTHON，JAVA，C++，PHP等多种语言；文件存储格式为BSON(一种JSON的扩展)；

与关系型数据库相比，MongoDB更能保证用户的访问速度，在处理实时存储和访问的并发性能上效果优于关系型数据库；文档结构的存储方式，能够更便捷的获取数据；内置GridFS，支持大容量的存储；性能优越，在使用场合下，千万级别的文档对象，近 10 G的数据，对有索引的ID的查询不会比mysql慢，而对非索引字段的查询，则是全面胜出。

2.3 系统功能设计

2.3.1 硬件接口

由于我们使用的通信协议是TCP/IP，因此这里的硬件接口问题主要就是TCP/IP层中的网络接口层，它负责数据帧的发送和接收，帧是独立的网络信息传输单元。网络接口层将帧放在网上，或从网上把帧取下来。这就要求IP使用网络设备接口规范NDIS向网络接口层提交帧，并且IP支持广域网和本地网接口技术。在系统运行时要注意关闭那些容易受攻击和入侵的端口号，在能保证带宽的前提下仅开通系统运行所必需的端口。自定义通讯协议包(如图3所示)。

(1)硬件通讯采用正元Socket通讯协议为，下面以质数据对接协议为例。

报文内容示例如下： 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)解析规则如图3所示：

图3 自定义通讯协议包

(3)补充说明：

把收到的数据放入数据1的标绿区域，解析一栏中会自动罗列出每一个自己的HEX值，对应前面的标识即可得出每位代表的含义。通讯协议(如图4所示)。

图4 通讯协议

2.3.2 前端采集

(1)采集点：

硬件设施对雨量站、泵站、雨水点、污水点等监测点进行数据采集。硬件系统数据采集采用Modbus通讯协议。

(2)监测项：

①泵站中所有雨水泵的水泵运行状态、水泵故障、电流、远程、运行时间及雨水池水位的水池液位数据情况进行监测。

②雨量站监测累计降雨量、降雨强度、5 min降雨量、实时雨量。

③窨井中水位、pH值、悬浮物(SS)、化学需氧量(COD)、氨氮(NH4+-N)、总磷(TP)、生化需氧量(BOD5)、动植物油、悬浮物(SS )、阴离子表面活性剂(LAS)、氨氮(NH3 -N )含量。

(3)硬件设备：

雨量计、传感器、地面水位计、井内水位计、泵站的MYSCADA(如图5所示)、水质检测仪等硬件设施。示例：

图5 泵站MYSCADA组成

①泵站

显示泵站实时监测信息的界面，包括监测水池液位、排水流量、泵的启停状态、控制模式、电压、电流、保护状态等信息。点击泵站按钮后会弹出泵站列表，同时在地图上标注泵站。在地图上点击泵站标注点或点击泵站列表对应的泵站，弹窗显示泵站详细信息，显示泵站的编码、位置、备注以及关联的水泵信息，如图6所示。点击对应水泵可远程控制其开启、关闭状态。

图6 泵站实时监测信息

查询历史曲线：可查看指定时间段、指定监测点、指定监测项的泵站运行历史曲线。

②雨量站

雨量站标注点可查询指定时间段的数据曲线，同时显示关联的泵站以及积水监测点信息，可点击视频按钮查看接入的视频信息。

③窨井

点击窨井按钮后会在地图上标注窨井。点击对应的窨井标注点在主地图下方显示窨井信息及关联信息界面(如图7所示)：

a.区域左侧：显示窨井当前的水深。

b.区域中侧：显示窨井当前实时监测数据曲线。

c.区域右侧：显示窨井关联的泵站，点击可地图定位泵站位置。

图7 窨井信息及关联信息界面

可点击右侧LED 和视频按钮查看对应的信息。采集点一般位于城市楼层地下室、桥洞、城市内河、排水口等低洼区域，遥测终端RTU结合雨量计、水位计、摄像头等传感器，将现场的水位、雨量、实时图片进行采集存储和上报数据中心。且可扩展LED屏功能通过本地、GSM、GPRS等方式将现场相关信息同步发布到LED屏幕上，让市民可以实时了解重要信息提前做好预防措施。

2.3.3 智能联动

预设相应的内涝防汛参数，在恶劣天气情况下可以提前判断内涝汛情的到来，联动LED实时发布信息，且可以联动现场排水设备进行及时排水，避免和延缓城市内涝的发生。

泵站采用集中控制器对水泵房设备运行实行在线监控，自动、手动控制水泵的启停及闸阀的开、关，并具有自诊断功能，可实现水泵房的无人值守。

在现场数据中心可以实现的具体功能如下：

①显示功能

a.动态显示井下泵房运行的工况以及水流量的大小。

b.实时显示各水泵的工作状态，并对过电流、流量开关、水位超限等故障类型进行诊断分析显示。

c.显示各水源井水位、清水池水位数据。

d.显示各管网监测信息，如管道压力、流量等数据。

②远程控制功能：

具有远程控制水泵的开/停功能以及泵房其他设备的远程控制功能。

2.3.4 防汛预警

LED大屏(如图8所示)、短信等功能，辐射功能。系统预先录入以往出现内涝的水雨情数据，将实时上报的水雨情信息进行科学化计算处理，在内涝情况未发生前提前预估和预警，更能对接第三方系统，让民众和相关单位更及时的获取汛情信息以做好提前准备措施。

系统预先录入以往出现内涝的水雨情数据，将实时上报的水雨情信息进行科学化计算处理，在内涝情况未发生前提前预估和预警，更能对接第三方系统，让民众和相关单位更及时的获取汛情信息以做好提前准备措施。

图8 LED大屏展示界面

2.3.5 热图雨量展示

东营市智慧城市暨城市内涝预警预报系统，集成了热图展示功能，能够根据时间来演变，在地图上相近的展示局部雨量及积水的变化情况。更为直观的为领导决策层显示空间地理、雨量的变化状况，从而为决策层提供有力的信息发布依据。

2.3.6 SWMM模型

SWMM(storm water management model，暴雨洪水管理模型)其径流模块部分综合处理各子流域所发生的降水，径流和污染负荷。其汇流模块部分则通过管网、渠道、蓄水和处理设施、水泵、调节闸等进行水量传输。该模型可以跟踪模拟不同时间步长任意时刻每个子流域所产生径流的水质和水量以及每个管道和河道中水的流量、水深及水质等情况。下面是管网水龄分布(如图9)和排水管网分布(如图10)示意图。

图9 管网水龄分布

图10 排水管网分布

3 系统特色

在各地掀起智慧城市建设浪潮的背景下，东营市紧随潮流，政府结合当地实际情况，建设本系统，在东营市建设运行以后，对大、暴雨监测，多次利用排水模型进行预警，针对实时降雨强度进行报警，通过短信、LED显示大屏、新闻等多种渠道对出行的广大市民进行提醒，有效避免了低洼路段造成的车辆淹没，窨井淹没行人等自然灾害事故发生。对人民大众出行和生产带来了很大的方便和指导，通过系统的实施运行，保障了人民的生命财产免受损失。

4 结 语

城市内涝防治是一项系统工程，需要城市的低影响开发从源头减小雨水径流量，提高排水管渠的设计标准，建设雨水调蓄设施和城市水系，加强雨水排水系统的维护和管理等方面建立起科学的城市防涝体系，才能从根本上防止城市内涝的发生。

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[8] 郭云飞. 基于SWMM的城市暴雨内涝研究[D]. 洙洲：湖南工业大学，2014.

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

袁青涛(1986—)，男，助理工程师，主要从事基于GIS的基础研发工作。