基于GIS的城区积水防涝预警智能系统设计与应用

李津儀 黄琳翔 王俊玮 刘靖熙 刘辉 池佳颖

摘 要：本文着眼于广西区内城市道路积水监测、报警现存问题，研究建立基于GIS实时汛况图的多维数据获取积水监测预警系统，实现通过跟踪降水集中区域的雨量变化和城市积水区的实况演变过程，利用公众号对积水情况实时推送、及时发布预警，为居民、市政以及抢修部门提供决策依据和科学指挥。

关键词：道路积水;GIS;监测预警;系统设计;

1、项目背景

近年来，伴随着全球气候变暖趋势愈强，加之城市化水平发展愈快，我国大部分城市因暴雨等极端天气内涝频发，具有迅速、季节性强、时间持续等明显特征，城市内涝所导致的道路塌陷、财产损失、人身伤害等恶劣影响严重危害居民人身财产安全，也不利于城市化建设的完善。

城市暴雨内涝的频发及其对城市的破坏程度引起了广大国内外学者的高度关注，如何避免城市暴雨内涝的发生、降低内涝发生频率、以及减轻内涝所带来的恶劣影响并对其进行预警和实时监测成为国内外学者与专家研究的热点问题。

2、国内外研究概述

对比分析可知，国外各国的城市雨水道设计依据本国实际采用不同重现期，欧美国家以10 a为标准，日本以5～10 a为区间，干管的重现期甚至达到50 a以上。对比我国历版《室外排水设计规范》所用重现期1～3 a（实际常用1 a），相差显著。

2.1 国外研究综述

经查询澳大利亚、德国和英国等国家的大型排水系统和排水案例后发现，国外的桥下、坑洼处等积水预警大量采取互联网实时预警系统，加以自身城市蛛网错节的地下管道网络进行配合，通过绿化水池、湿地和公园等配合建设在大型桥梁以及洪涝高发区附近，在汛期通过预警系统和大型排水系统联动，建立实时可控的及时排水全方位系统，以预警-自动排水-控制泄水的方式以保证积水流动、防止内涝。同时积水还可流动到各处蓄水池中，作为流动保障用水。

2.2 国内研究综述

国内目前排水系统多数属大型政府惠民工程，住建局积极致力于实地排摸工作，以推进辖区内积水点整治进程，保障汛期内群众出行及公共财产安全。除此之外，国内目前大量使用的皆是移动防汛车于雨季巡逻预警，结合一些系统的汛期桥下重点积水预警方式。

由于暴雨频发及监测预警系统的缺失，我国城市内涝愈发严峻，针对此现象的研究数量虽多，但道路积水预警系统实际应用偏少，且主要存在以下问题：

（1）部分系统未结合实际，所选择的积水测量设备并不适用于道路积水特征。

（2）部分系統运行效率不高，系统通讯费用昂贵。

（3）部分系统提供积水信息的形式低效。

（4）现用多数积水报警系统成本较高、设备复杂不利于安装、维护，容易被盗。

3、重要技术及解决问题

针对以上所存在问题，本系统采用多传感器协同工作，利用精确数模转换技术进行水位数据实时传输，与此同时实现多平台数据同步实时获取，将数据进行存储、分析、处理。

（1）为提高系统对积水深度测量的准确性，本系统采用多传感器协同工作方式，同时使用了投入式液体压力传感器、吊顶式超声波传感器、浮子传感器等3个传感器协同工作，同时获取多个传感器的实时数据，有效降低了因单个传感器数据单一而导致测量数据无参考、存在误差或者某个传感器故障导致数据错误等一系列不精确的可能性，有效解决单个传感器带来的误差以及不精确的问题。

（2）使用高精度数模转换模块，同时使用成熟稳定的信号放大电路，提高数模转换的精度，确保测量准确性，有效提供积水信息的形式并提高精准度。

（3）使用独特创新的长连接维继技术及改进型心跳包监测机制，充分保障了网络连接的实时性与稳定性，有效避免了网络连接时间过长导致的连接套接字不可用等网络通病，以此解决网络通病，使用户实时获取检测设备上报的数据。

（4）采用信息实时推送技术，可以保证中央调度系统的实时消息能零延迟的推送到用户手机端，确保在关键时刻用户能无延迟的在手机移动客户端微信公众号处接收到重要信息，提高了防涝信息的及时性和时效性。

（5）采用MongoDB大数据数据库，轻易解决大数据冗杂情况，利用数据库管理系统和挖掘系统对数据统一组织、管理、存储，充分发挥大数据处理的优势。

（6）结合太阳能供电系统供应能源。内建改进的算法，确保系统智能调节传感器运行及网络传输的频率，在保证系统功能性的同时降低功耗，供电系统的设计容量能保证连续无日照情况下系统依然能稳定运行一个月左右。由于采用太阳能供电方式，对安装现场无要求，安装过程简易。各个监测节点安装完成后系统即可正常运行，后续添加安装的节点不会影响之前节点及整个系统的正常运行，需要更新维护的工作简单。

（7）实时监测道路低洼处、下穿式立交桥和隧道的积水水位，并通过GPRS或光纤网络远程传送至城市内涝监测预警中心。

（8）采用棒体结构，结合不锈钢防护外壳，内部使用高性能密封材料进行特殊处理，使其可在泥桨、污液和腐蚀性液体等恶劣环境工作，提高了产品防腐、防冻、耐热、抗老化水平。

（9）预警服务平台传感器将通过移动互联网和物联网的联动实时将采集到的数据上传至服务器端，当其中某监测点探测数值超出提前设定预警值时，采集端即将预警信息传送至服务器，服务器再将数据通过中央调度系统推送至公众号。

（10）运用公众号反馈数据，解决了用户获取信息的便捷问题和信息来源需要付费问题。现阶段各式各样的软件APP使用在一定程度上导致内存运行不佳和高额收费等问题，使人们反感，本系统采用公众号的形式将实时数据免费分享给用户，提高用户的整体使用感。

4、研究意义

本系统针对广西区内各城市道路积水监测与报警尚未形成完整体系，且无法对道路行人和车辆及时警示的问题，深入研究建立基于GIS实时汛况图的多维数据获取积水检测预警系统，跟踪降水集中区域的雨量变化和城市积水区的实况演变过程，综合数值降水预报，实现通过微信公众号对积水情况的实时推送、及时发布对易涝区的预警、告知过往行人和车辆，为交管、市政以及抢修部门提供决策依据和科学指挥。

5、结语

基于GIS的城区积水防涝预警智能系统利用海绵城市建设的契机，进一步提高城市综合防灾减灾能力。城区积水防涝预警智能系统依托气象监测预报系统、水文雨水情信息系统，综合管线实时监测系统，构建适应当前城市环境的洪涝模拟模型，实现监测及预警预报功能，为城市防洪排涝体系的改造提升提供技术支持，为城市防汛预警和应急响应积极建言献策，共同助力打造“健全高效”的海绵防涝城市。

参考文献

[1]位路阳. 基于WebGIS的郑州市区暴雨洪水预警系统设计与实现[D].郑州大学，2017.

[2]刘嘉晨. 基于多技术的路面积水监测预警系统的设计与实现[D].内蒙古大学，2019.

[3]段丽瑶， 天津城市自动化积水监测预警技术及系统的研究. 天津市，天津市突发公共事件预警信息发布中心，2020-11-18.

本文是2021年广西大学生创新训练项目“基于GIS的城区积水防涝预警智能系统”（项目编号：S202110595194）项目成果。