基于物联网的城市内涝在线预测预警系统

孙 伟，曹际良

（航天海鹰安全技术工程有限公司，北京 100074）

0 引 言

在城市的建设与发展中，低洼地带积水也成为城市内涝的重要因素，这种情况每年汛期尤为突出。城市内涝现象的频发以及其所带来的交通堵塞、人员伤亡等危害，使得智慧城市的深入发展成为了刚需。在城市内涝面前，城市排水情况管理、道路交通的综合调度和管控、突发状况的应急处理等都考验着智慧城市的“内功”，让内涝监测预警最大限度的在城市应急预案中发挥作用成为了当下急需解决的问题。

城市部分低洼地带由于缺乏对易积水点的水位、水量等实时、准确掌握，导致管理人员在汛期无法第一时间了解现场情况，无法根据降雨信息、管网系统运行状况做出预警判断并提前做出响应，造成掌握降雨情况滞后、汛期人员物资调配不合理，最终导致重大积水事件的产生，甚至发生重大人身财产安全事故。

随着技术的发展，物联网已成功应用于地下管网监测[1]和河流流量监测[2]等各领域，为积水点水位实时监测提供了解决方案。采用移动GIS和云服务[3-4]、物联网[5-7]等技术提出了城市内涝监测预警信息系统。文献[8]基于三维GIS平台，调用SWMM模型动态链接库，构建城市内涝监测预警系统。文献[9]通过融合北斗卫星监控、大数据分析、云服务和综合集成等技术，设计了城市内涝三维可视化应急管理信息系统。

为将降雨期间的被动应急处置模式转换为主动预警，需要借助城市内涝在线预测预警系统。本文依托排洪防涝模型，通过大量历史数据的积累及实时数据构建多情景降雨库。采用J2EE技术架构，在线调用降雨情景库，构建集监测、仿真、预测预警、信息展示及决策调度于一体化的城市内涝在线预测预警系统，为防汛排涝预案的制定提供决策支持。

1 系统架构

城市内涝在线预测预警系统依托于安装在城市低洼地带的积水监测设备实时采集积水情况。当发生城市内涝时，通过物联网技术将信息传输至在线监测平台，以便相关人员及时掌握城市易积水点的积水情况。但仅依靠在线监测系统不能很好解决积水安全隐患，最佳解决方案是将在线监测与预测预警相结合，在积水即将形成前通过排洪防涝模型完成预测预警分析提高应急指挥能力，帮助政府部门提早做好应对措施，合理分配抢救资源。为此，本文提出了模型预测与在线预警相结合的城市内涝在线预测预警系统，系统架构示意图如图1所示。

图1 系统架构示意图

基于城市内涝在线预测预警系统主要分两部分应用：一是排洪防涝模型建模；二是城市内涝在线预测与预警系统。系统通过大量历史数据的积累及实时数据构建的排洪防涝模型，可生成模型构建区域内现状管网评估报告，对现有管网易溢和易涝部位进行汇总，分析管网结构瓶颈；并根据不同降雨历时、不同重现期，形成49种多情景降雨库，基本涵盖了区域所有可能发生的致灾降雨情境。

城市内涝在线预测与预警系统依托物联网技术获取实时积水和雨量数据，并根据监测数值的变化情况进行在线计算，分别预测致灾时间、消灾时间，以便调度人员参考。同时，根采集的积水和雨量数据，匹配相应多情景降雨库，自动预测未来某时间段的积水内涝情况。

2 排洪防涝模型建模

排洪防涝模型的构建是在区域管网模型的基础上，通过与地表二维模型耦合，模拟超标降雨情况下的地表内涝积水状况。通过模拟积水变化的整个过程，从而分析计算得到内涝积水的影响范围、积水的深度和时间等[7-8]。

本文采用DHI MIKE模型软件与管网GIS相结合，定义了7种基础情景，分别对应重现期从1年至50年的降雨情境，各种基础情景中再根据降雨历时划分为7种子情景，共构建49种多情景降雨库，基本涵盖了区域所有可能发生的致灾降雨情境，详见图1中情景库表。

3 内涝在线预测预警系统

城市内涝在线预测预警系统原理为：一是根据现场采集状态参数，如积水液位、降雨量，准确合理的匹配多情景降雨库模拟数据，对当前雨情下未来一段时间内可能的积水内涝情况进行预测和模型计算结果进行动态展示；二是根据现场降雨量和积水情况，利用数据挖掘算法，在线计算致灾时间和消灾时间。整个在线计算流程如图2所示。

图2 情景库在线调用处理流程

依托排洪防涝模型，采用了J2EE技术，结合物联网技术构建的城市内涝在线预测预警系统应用结果如图3～图5所示。图3展示了城市易涝点的积水液位和雨量的实时监测数据；图4和图5分别展示了模型区域内积水深度分布预测和区域内积水深度随时间变化预测结果。由图4可知，通过在线预测预警系统，可掌握模型区域内的积水分布情况，颜色越深表明积水情况严重。由图5可知，可以预测积水深度随时间的变化情况，可根据积水情况制定相预案，便于应急指挥。应用结果表明，该系统将降雨期间被动应急处置模式转换为主动预警模式，能够为科学应对城市内涝提供决策支持。

图3 易涝点在线监测数据

图4 模型区域积水深度分布图

图5 模型区域积水深度随时间变化

5 结 语

本文在依托防洪排涝模型构建的49种多情景降雨库基础上，采用J2EE架构，结合物联网积水液位和雨量的实时监测数据，在线匹配多情景降雨库，构建了城市内涝在线预测预警系统。通过该系统在内涝形成前实现了对城市积水预测与安全预警。应用结果表明，本文设计的城市内涝在线预测预警系统能够准确、有效、实时的提供内涝预测预警服务，能够帮助政府部门提早做好应对措施提高应急指挥能力，并为应急资源的调配提供决策支持。