基于GIS的城區(qū)積水防澇預(yù)警智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李津儀 黃琳翔 王俊瑋 劉靖熙 劉輝 池佳穎

摘 要：本文著眼于廣西區(qū)內(nèi)城市道路積水監(jiān)測、報(bào)警現(xiàn)存問題，研究建立基于GIS實(shí)時(shí)汛況圖的多維數(shù)據(jù)獲取積水監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)通過跟蹤降水集中區(qū)域的雨量變化和城市積水區(qū)的實(shí)況演變過程，利用公眾號對積水情況實(shí)時(shí)推送、及時(shí)發(fā)布預(yù)警，為居民、市政以及搶修部門提供決策依據(jù)和科學(xué)指揮。

關(guān)鍵詞：道路積水;GIS;監(jiān)測預(yù)警;系統(tǒng)設(shè)計(jì);

1、項(xiàng)目背景

近年來，伴隨著全球氣候變暖趨勢愈強(qiáng)，加之城市化水平發(fā)展愈快，我國大部分城市因暴雨等極端天氣內(nèi)澇頻發(fā)，具有迅速、季節(jié)性強(qiáng)、時(shí)間持續(xù)等明顯特征，城市內(nèi)澇所導(dǎo)致的道路塌陷、財(cái)產(chǎn)損失、人身傷害等惡劣影響嚴(yán)重危害居民人身財(cái)產(chǎn)安全，也不利于城市化建設(shè)的完善。

城市暴雨內(nèi)澇的頻發(fā)及其對城市的破壞程度引起了廣大國內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注，如何避免城市暴雨內(nèi)澇的發(fā)生、降低內(nèi)澇發(fā)生頻率、以及減輕內(nèi)澇所帶來的惡劣影響并對其進(jìn)行預(yù)警和實(shí)時(shí)監(jiān)測成為國內(nèi)外學(xué)者與專家研究的熱點(diǎn)問題。

2、國內(nèi)外研究概述

對比分析可知，國外各國的城市雨水道設(shè)計(jì)依據(jù)本國實(shí)際采用不同重現(xiàn)期，歐美國家以10 a為標(biāo)準(zhǔn)，日本以5～10 a為區(qū)間，干管的重現(xiàn)期甚至達(dá)到50 a以上。對比我國歷版《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》所用重現(xiàn)期1～3 a（實(shí)際常用1 a），相差顯著。

2.1 國外研究綜述

經(jīng)查詢澳大利亞、德國和英國等國家的大型排水系統(tǒng)和排水案例后發(fā)現(xiàn)，國外的橋下、坑洼處等積水預(yù)警大量采取互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)，加以自身城市蛛網(wǎng)錯(cuò)節(jié)的地下管道網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配合，通過綠化水池、濕地和公園等配合建設(shè)在大型橋梁以及洪澇高發(fā)區(qū)附近，在汛期通過預(yù)警系統(tǒng)和大型排水系統(tǒng)聯(lián)動，建立實(shí)時(shí)可控的及時(shí)排水全方位系統(tǒng)，以預(yù)警-自動排水-控制泄水的方式以保證積水流動、防止內(nèi)澇。同時(shí)積水還可流動到各處蓄水池中，作為流動保障用水。

2.2 國內(nèi)研究綜述

國內(nèi)目前排水系統(tǒng)多數(shù)屬大型政府惠民工程，住建局積極致力于實(shí)地排摸工作，以推進(jìn)轄區(qū)內(nèi)積水點(diǎn)整治進(jìn)程，保障汛期內(nèi)群眾出行及公共財(cái)產(chǎn)安全。除此之外，國內(nèi)目前大量使用的皆是移動防汛車于雨季巡邏預(yù)警，結(jié)合一些系統(tǒng)的汛期橋下重點(diǎn)積水預(yù)警方式。

由于暴雨頻發(fā)及監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的缺失，我國城市內(nèi)澇愈發(fā)嚴(yán)峻，針對此現(xiàn)象的研究數(shù)量雖多，但道路積水預(yù)警系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用偏少，且主要存在以下問題：

（1）部分系統(tǒng)未結(jié)合實(shí)際，所選擇的積水測量設(shè)備并不適用于道路積水特征。

（2）部分系統(tǒng)運(yùn)行效率不高，系統(tǒng)通訊費(fèi)用昂貴。

（3）部分系統(tǒng)提供積水信息的形式低效。

（4）現(xiàn)用多數(shù)積水報(bào)警系統(tǒng)成本較高、設(shè)備復(fù)雜不利于安裝、維護(hù)，容易被盜。

3、重要技術(shù)及解決問題

針對以上所存在問題，本系統(tǒng)采用多傳感器協(xié)同工作，利用精確數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行水位數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，與此同時(shí)實(shí)現(xiàn)多平臺數(shù)據(jù)同步實(shí)時(shí)獲取，將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析、處理。

（1）為提高系統(tǒng)對積水深度測量的準(zhǔn)確性，本系統(tǒng)采用多傳感器協(xié)同工作方式，同時(shí)使用了投入式液體壓力傳感器、吊頂式超聲波傳感器、浮子傳感器等3個(gè)傳感器協(xié)同工作，同時(shí)獲取多個(gè)傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，有效降低了因單個(gè)傳感器數(shù)據(jù)單一而導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)無參考、存在誤差或者某個(gè)傳感器故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤等一系列不精確的可能性，有效解決單個(gè)傳感器帶來的誤差以及不精確的問題。

（2）使用高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，同時(shí)使用成熟穩(wěn)定的信號放大電路，提高數(shù)模轉(zhuǎn)換的精度，確保測量準(zhǔn)確性，有效提供積水信息的形式并提高精準(zhǔn)度。

（3）使用獨(dú)特創(chuàng)新的長連接維繼技術(shù)及改進(jìn)型心跳包監(jiān)測機(jī)制，充分保障了網(wǎng)絡(luò)連接的實(shí)時(shí)性與穩(wěn)定性，有效避免了網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)間過長導(dǎo)致的連接套接字不可用等網(wǎng)絡(luò)通病，以此解決網(wǎng)絡(luò)通病，使用戶實(shí)時(shí)獲取檢測設(shè)備上報(bào)的數(shù)據(jù)。

（4）采用信息實(shí)時(shí)推送技術(shù)，可以保證中央調(diào)度系統(tǒng)的實(shí)時(shí)消息能零延遲的推送到用戶手機(jī)端，確保在關(guān)鍵時(shí)刻用戶能無延遲的在手機(jī)移動客戶端微信公眾號處接收到重要信息，提高了防澇信息的及時(shí)性和時(shí)效性。

（5）采用MongoDB大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫，輕易解決大數(shù)據(jù)冗雜情況，利用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和挖掘系統(tǒng)對數(shù)據(jù)統(tǒng)一組織、管理、存儲，充分發(fā)揮大數(shù)據(jù)處理的優(yōu)勢。

（6）結(jié)合太陽能供電系統(tǒng)供應(yīng)能源。內(nèi)建改進(jìn)的算法，確保系統(tǒng)智能調(diào)節(jié)傳感器運(yùn)行及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)念l率，在保證系統(tǒng)功能性的同時(shí)降低功耗，供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)容量能保證連續(xù)無日照情況下系統(tǒng)依然能穩(wěn)定運(yùn)行一個(gè)月左右。由于采用太陽能供電方式，對安裝現(xiàn)場無要求，安裝過程簡易。各個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)安裝完成后系統(tǒng)即可正常運(yùn)行，后續(xù)添加安裝的節(jié)點(diǎn)不會影響之前節(jié)點(diǎn)及整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需要更新維護(hù)的工作簡單。

（7）實(shí)時(shí)監(jiān)測道路低洼處、下穿式立交橋和隧道的積水水位，并通過GPRS或光纖網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳送至城市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警中心。

（8）采用棒體結(jié)構(gòu)，結(jié)合不銹鋼防護(hù)外殼，內(nèi)部使用高性能密封材料進(jìn)行特殊處理，使其可在泥槳、污液和腐蝕性液體等惡劣環(huán)境工作，提高了產(chǎn)品防腐、防凍、耐熱、抗老化水平。

（9）預(yù)警服務(wù)平臺傳感器將通過移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)動實(shí)時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器端，當(dāng)其中某監(jiān)測點(diǎn)探測數(shù)值超出提前設(shè)定預(yù)警值時(shí)，采集端即將預(yù)警信息傳送至服務(wù)器，服務(wù)器再將數(shù)據(jù)通過中央調(diào)度系統(tǒng)推送至公眾號。

（10）運(yùn)用公眾號反饋數(shù)據(jù)，解決了用戶獲取信息的便捷問題和信息來源需要付費(fèi)問題。現(xiàn)階段各式各樣的軟件APP使用在一定程度上導(dǎo)致內(nèi)存運(yùn)行不佳和高額收費(fèi)等問題，使人們反感，本系統(tǒng)采用公眾號的形式將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)免費(fèi)分享給用戶，提高用戶的整體使用感。

4、研究意義

本系統(tǒng)針對廣西區(qū)內(nèi)各城市道路積水監(jiān)測與報(bào)警尚未形成完整體系，且無法對道路行人和車輛及時(shí)警示的問題，深入研究建立基于GIS實(shí)時(shí)汛況圖的多維數(shù)據(jù)獲取積水檢測預(yù)警系統(tǒng)，跟蹤降水集中區(qū)域的雨量變化和城市積水區(qū)的實(shí)況演變過程，綜合數(shù)值降水預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)通過微信公眾號對積水情況的實(shí)時(shí)推送、及時(shí)發(fā)布對易澇區(qū)的預(yù)警、告知過往行人和車輛，為交管、市政以及搶修部門提供決策依據(jù)和科學(xué)指揮。

5、結(jié)語

基于GIS的城區(qū)積水防澇預(yù)警智能系統(tǒng)利用海綿城市建設(shè)的契機(jī)，進(jìn)一步提高城市綜合防災(zāi)減災(zāi)能力。城區(qū)積水防澇預(yù)警智能系統(tǒng)依托氣象監(jiān)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)、水文雨水情信息系統(tǒng)，綜合管線實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，構(gòu)建適應(yīng)當(dāng)前城市環(huán)境的洪澇模擬模型，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測及預(yù)警預(yù)報(bào)功能，為城市防洪排澇體系的改造提升提供技術(shù)支持，為城市防汛預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)積極建言獻(xiàn)策，共同助力打造“健全高效”的海綿防澇城市。

參考文獻(xiàn)

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[3]段麗瑤， 天津城市自動化積水監(jiān)測預(yù)警技術(shù)及系統(tǒng)的研究. 天津市，天津市突發(fā)公共事件預(yù)警信息發(fā)布中心，2020-11-18.

本文是2021年廣西大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目“基于GIS的城區(qū)積水防澇預(yù)警智能系統(tǒng)”（項(xiàng)目編號：S202110595194）項(xiàng)目成果。