萬(wàn)家權(quán) 薛豐昌 喻謙花 楊海山

前言

我國(guó)地形復(fù)雜，地處東亞季風(fēng)區(qū)，暴雨頻繁發(fā)生，暴雨強(qiáng)度大、極值高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，常常導(dǎo)致城市內(nèi)澇。2021 年 7 月，河南遭受特大暴雨洪澇災(zāi)害， 造成鄭州市重大人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。

在城市內(nèi)澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)與面向社會(huì)提供信息服務(wù)過程中，需要應(yīng)用氣象自動(dòng)站觀測(cè)的氣象數(shù)據(jù)、氣象雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)值模式模擬的天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品以及城市管理部門對(duì)城市積澇點(diǎn)的積水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)多源異構(gòu)，觀測(cè)時(shí)點(diǎn)、觀測(cè)頻次各自不同；同時(shí)，由于城市內(nèi)澇往往是由于短時(shí)強(qiáng)降水導(dǎo)致的，發(fā)生發(fā)展快，需要高效的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、分析、處理技術(shù)手段，盡快掌握已經(jīng)發(fā)生的城市內(nèi)澇當(dāng)前狀態(tài)及其造成的氣象危險(xiǎn)性，對(duì)未來可能發(fā)生的城市內(nèi)澇進(jìn)行準(zhǔn)確模擬預(yù)測(cè)。因此，需要一套功能齊備、高效運(yùn)轉(zhuǎn)的自動(dòng)化軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)澇災(zāi)害相關(guān)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收處理，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)模型算法的高效運(yùn)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)城市內(nèi)澇發(fā)生發(fā)展整個(gè)過程的監(jiān)測(cè)、預(yù)警與預(yù)報(bào)。

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的城市內(nèi)澇監(jiān)測(cè)預(yù)警軟件系統(tǒng)主要包括基礎(chǔ)地理信息模塊、實(shí)況監(jiān)測(cè)模塊、降水預(yù)報(bào)模塊、積澇風(fēng)險(xiǎn)模塊、產(chǎn)品服務(wù)模塊、系統(tǒng)管理模塊，目前已經(jīng)在城市氣象服務(wù)業(yè)務(wù)中得到應(yīng)用。

系統(tǒng)總體技術(shù)框架

“城市內(nèi)澇監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)”基于組件化架構(gòu)思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用插件式的系統(tǒng)整體框架，整個(gè)系統(tǒng)的功能、算法、流程、運(yùn)行模式均可靈活配置，從而在保證整個(gè)平臺(tái)高可靠運(yùn)行的同時(shí)，能為后續(xù)功能的完善和業(yè)務(wù)升級(jí)提供最大程度的便捷性和靈活性。其總體技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)技術(shù)框架

自上而下將整個(gè)系統(tǒng)劃分為應(yīng)用管理層、應(yīng)用組件層、集成調(diào)用層、平臺(tái)框架層、基礎(chǔ)環(huán)境層。應(yīng)用管理層為人機(jī)交互視圖層，所有的人機(jī)交互活動(dòng)都將基于該層實(shí)現(xiàn)。整個(gè)管理層都將基于B/S來實(shí)現(xiàn)，用戶都通過瀏覽器的方式以HTTP協(xié)議對(duì)平臺(tái)的結(jié)果進(jìn)行訪問。應(yīng)用組件層和集成調(diào)用層主要實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用組件與平臺(tái)框架層之間的訪問和交互，通過訪問控制、組件調(diào)用、數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用組件對(duì)平臺(tái)框架組件的安全和可靠調(diào)用。平臺(tái)框架層通過服務(wù)注冊(cè)和服務(wù)發(fā)布實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際業(yè)務(wù)邏輯上的接口和功能擴(kuò)展。作為系統(tǒng)的核心，平臺(tái)框架層為整個(gè)平臺(tái)提供所有框架層面的支撐，所有業(yè)務(wù)應(yīng)用邏輯組件都將基于該層所提供的基礎(chǔ)框架設(shè)計(jì)開發(fā)。基礎(chǔ)環(huán)境層定義了平臺(tái)設(shè)計(jì)、開發(fā)、運(yùn)行所依賴的基礎(chǔ)軟件環(huán)境。

功能模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（一）功能模塊設(shè)置

城市內(nèi)澇監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)包括基礎(chǔ)地理信息模塊、實(shí)況監(jiān)測(cè)模塊、預(yù)報(bào)信息模塊、積澇預(yù)警模塊、產(chǎn)品服務(wù)模塊和系統(tǒng)管理模塊（圖2）?；A(chǔ)地理信息模塊主要實(shí)現(xiàn)離線三維地圖展示、集成原有系統(tǒng)基礎(chǔ)地理信息模塊中地理信息內(nèi)容、積澇隱患點(diǎn)、攝像頭、積澇監(jiān)測(cè)點(diǎn)管理等功能。實(shí)況監(jiān)測(cè)模塊包括自動(dòng)站降水監(jiān)測(cè)、積澇實(shí)況監(jiān)測(cè)產(chǎn)品集成等。預(yù)報(bào)模塊包括降水預(yù)報(bào)、積澇預(yù)報(bào)產(chǎn)品集成等功能。積澇預(yù)警模塊包括積澇預(yù)警規(guī)則管理、積澇預(yù)警提示等功能。產(chǎn)品服務(wù)模塊包括積澇服務(wù)產(chǎn)品制作、產(chǎn)品一鍵式多渠道發(fā)布等功能。系統(tǒng)管理模塊包括用戶信息管理、通信錄維護(hù)管理等功能。

圖2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)置

（二）功能模塊實(shí)現(xiàn)

1.基礎(chǔ)地理信息模塊

基礎(chǔ)地理信息按照政府、事業(yè)單位、交通、綠地、橋、學(xué)校、管道等類型在地理信息面板上以類別按鈕形式進(jìn)行排布。點(diǎn)擊某一按鈕后，自動(dòng)獲取原系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容，并在三維地圖上以三維立體標(biāo)簽加信息內(nèi)容的形式進(jìn)行展示，再次點(diǎn)擊后，則可以將顯示的標(biāo)簽圖層刪除。功能效果如圖3所示。

圖3 基礎(chǔ)地理信息模塊

2. 實(shí)況監(jiān)測(cè)模塊

實(shí)況監(jiān)測(cè)模塊包括自動(dòng)站降水監(jiān)測(cè)、積澇實(shí)況監(jiān)測(cè)。點(diǎn)擊實(shí)況監(jiān)測(cè)菜單進(jìn)入實(shí)況監(jiān)測(cè)模塊，點(diǎn)擊自動(dòng)站降水監(jiān)測(cè)中不同時(shí)次按鈕，便可以在地圖上以三維標(biāo)簽形式展示對(duì)應(yīng)的自動(dòng)站降水實(shí)況，點(diǎn)擊某一標(biāo)簽，可展示該自動(dòng)站過去24小時(shí)降水時(shí)間序列圖（圖4）。

圖4 降水實(shí)況監(jiān)測(cè)模塊

點(diǎn)擊積水監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)按鈕，便可以在地圖上以三維標(biāo)簽形式展示對(duì)應(yīng)的積水監(jiān)測(cè)實(shí)況，點(diǎn)擊某一標(biāo)簽，可展示該站過去2小時(shí)積水監(jiān)測(cè)時(shí)間序列圖（圖5）。

圖5 積水實(shí)況監(jiān)測(cè)

3. 降水預(yù)報(bào)模塊

點(diǎn)擊降水預(yù)報(bào)菜單進(jìn)入降水預(yù)報(bào)模塊，選擇某一時(shí)間后，點(diǎn)擊短臨按鈕，可實(shí)現(xiàn)該時(shí)次對(duì)應(yīng)的未來2小時(shí)逐12分鐘短臨預(yù)報(bào)降水結(jié)果自動(dòng)播放顯示。點(diǎn)擊敏感點(diǎn)按鈕，可顯示短臨敏感點(diǎn)，點(diǎn)擊某一敏感點(diǎn)，可顯示該點(diǎn)未來2小時(shí)逐12分鐘短臨預(yù)報(bào)降水時(shí)間序列圖。點(diǎn)擊短臨告警按鈕，可顯示選擇的時(shí)次未來2小時(shí)短臨告警結(jié)果（圖6～圖8）。

圖6 降水短臨預(yù)報(bào)

圖8 短臨降水告警

圖7 短臨降水敏感點(diǎn)

選擇格點(diǎn)預(yù)報(bào)時(shí)間，點(diǎn)擊格點(diǎn)預(yù)報(bào)中不同時(shí)效按鈕，便可實(shí)現(xiàn)格點(diǎn)預(yù)報(bào)結(jié)果在地圖上的展示（圖9）。

圖9 降水格點(diǎn)預(yù)報(bào)

4. 積澇風(fēng)險(xiǎn)模塊

點(diǎn)擊積澇風(fēng)險(xiǎn)菜單進(jìn)入積澇風(fēng)險(xiǎn)模塊，選擇某一時(shí)間后，點(diǎn)擊不同的時(shí)效，便可實(shí)現(xiàn)該時(shí)效對(duì)應(yīng)的積澇風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果以三維標(biāo)簽的形式在地圖上進(jìn)行展示（圖10）。

圖10 積澇風(fēng)險(xiǎn)展示

5. 產(chǎn)品服務(wù)模塊

點(diǎn)擊產(chǎn)品服務(wù)菜單進(jìn)入產(chǎn)品服務(wù)模塊，可展示已經(jīng)制作生成的產(chǎn)品服務(wù)列表。點(diǎn)擊內(nèi)澇預(yù)警制作按鈕，進(jìn)入內(nèi)澇預(yù)警制作頁(yè)面，選擇某一時(shí)間后，點(diǎn)擊制作按鈕，便可實(shí)現(xiàn)內(nèi)澇預(yù)警產(chǎn)品的自動(dòng)制作生成（圖11）。

圖11 服務(wù)產(chǎn)品制作

6. 系統(tǒng)管理模塊

點(diǎn)擊系統(tǒng)管理菜單進(jìn)入系統(tǒng)管理模塊，可展示系統(tǒng)用戶列表，點(diǎn)擊新增按鈕，可實(shí)現(xiàn)用戶的新增，點(diǎn)擊刪除按鈕，可實(shí)現(xiàn)勾選的用戶刪除（圖12）。

圖12 系統(tǒng)管理

圖14 2小時(shí)積水深度實(shí)況監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)對(duì)比

圖15 3小時(shí)積水深度實(shí)況監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)對(duì)比

系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

2021年7月20日0時(shí)至21日8時(shí)開封遭遇極端強(qiáng)降雨。最大降水強(qiáng)度出現(xiàn)在7月20日22時(shí)，單站雨量達(dá)到 103.4 mm/h；最大3 h累計(jì)降水量達(dá)到 157.0 mm，最大 24 h累計(jì)降水量達(dá)到 276.2 mm。

以2021年7月20日20時(shí)作為監(jiān)測(cè)時(shí)點(diǎn)（命名降水過程為2021072020時(shí)次），利用安置在開封的12個(gè)積澇點(diǎn)積水監(jiān)測(cè)站觀測(cè)的積水深度數(shù)據(jù)（站點(diǎn)分布如圖5所示）與系統(tǒng)預(yù)測(cè)的積澇點(diǎn)積水深度進(jìn)行相關(guān)性分析，驗(yàn)證系統(tǒng)1小時(shí)、2小時(shí)、3小時(shí)、6小時(shí)積澇點(diǎn)積水深度預(yù)測(cè)能力。

圖13—圖16縱坐標(biāo)為各積水監(jiān)測(cè)站實(shí)況監(jiān)測(cè)積水深度（單位cm）,橫坐標(biāo)為系統(tǒng)預(yù)測(cè)積水深度（單位cm），其中1小時(shí)實(shí)況監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9438，2小時(shí)實(shí)況監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9739，3小時(shí)實(shí)況監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.7648，6小時(shí)實(shí)況監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.8238，表明系統(tǒng)具有較好積澇監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)能力。

圖13 1小時(shí)積水深度實(shí)況監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)對(duì)比

圖16 6小時(shí)積水深度實(shí)況監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)對(duì)比

結(jié)論

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了城市內(nèi)澇監(jiān)測(cè)預(yù)警軟件系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括基礎(chǔ)地理信息模塊、實(shí)況監(jiān)測(cè)模塊、降水預(yù)報(bào)模塊、積澇風(fēng)險(xiǎn)模塊、產(chǎn)品服務(wù)模塊、系統(tǒng)管理模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)澇災(zāi)害相關(guān)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收處理，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)模型算法的高效運(yùn)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)城市內(nèi)澇發(fā)生發(fā)展整個(gè)過程的監(jiān)測(cè)、預(yù)警與預(yù)報(bào)。