基于物聯網的城市內澇在線預測預警系統

孫 偉，曹際良

（航天海鷹安全技術工程有限公司，北京 100074）

0 引 言

在城市的建設與發展中，低洼地帶積水也成為城市內澇的重要因素，這種情況每年汛期尤為突出。城市內澇現象的頻發以及其所帶來的交通堵塞、人員傷亡等危害，使得智慧城市的深入發展成為了剛需。在城市內澇面前，城市排水情況管理、道路交通的綜合調度和管控、突發狀況的應急處理等都考驗著智慧城市的“內功”，讓內澇監測預警最大限度的在城市應急預案中發揮作用成為了當下急需解決的問題。

城市部分低洼地帶由于缺乏對易積水點的水位、水量等實時、準確掌握，導致管理人員在汛期無法第一時間了解現場情況，無法根據降雨信息、管網系統運行狀況做出預警判斷并提前做出響應，造成掌握降雨情況滯后、汛期人員物資調配不合理，最終導致重大積水事件的產生，甚至發生重大人身財產安全事故。

隨著技術的發展，物聯網已成功應用于地下管網監測[1]和河流流量監測[2]等各領域，為積水點水位實時監測提供了解決方案。采用移動GIS和云服務[3-4]、物聯網[5-7]等技術提出了城市內澇監測預警信息系統。文獻[8]基于三維GIS平臺，調用SWMM模型動態鏈接庫，構建城市內澇監測預警系統。文獻[9]通過融合北斗衛星監控、大數據分析、云服務和綜合集成等技術，設計了城市內澇三維可視化應急管理信息系統。

為將降雨期間的被動應急處置模式轉換為主動預警，需要借助城市內澇在線預測預警系統。本文依托排洪防澇模型，通過大量歷史數據的積累及實時數據構建多情景降雨庫。采用J2EE技術架構，在線調用降雨情景庫，構建集監測、仿真、預測預警、信息展示及決策調度于一體化的城市內澇在線預測預警系統，為防汛排澇預案的制定提供決策支持。

1 系統架構

城市內澇在線預測預警系統依托于安裝在城市低洼地帶的積水監測設備實時采集積水情況。當發生城市內澇時，通過物聯網技術將信息傳輸至在線監測平臺，以便相關人員及時掌握城市易積水點的積水情況。但僅依靠在線監測系統不能很好解決積水安全隱患，最佳解決方案是將在線監測與預測預警相結合，在積水即將形成前通過排洪防澇模型完成預測預警分析提高應急指揮能力，幫助政府部門提早做好應對措施，合理分配搶救資源。為此，本文提出了模型預測與在線預警相結合的城市內澇在線預測預警系統，系統架構示意圖如圖1所示。

圖1 系統架構示意圖

基于城市內澇在線預測預警系統主要分兩部分應用：一是排洪防澇模型建模；二是城市內澇在線預測與預警系統。系統通過大量歷史數據的積累及實時數據構建的排洪防澇模型，可生成模型構建區域內現狀管網評估報告，對現有管網易溢和易澇部位進行匯總，分析管網結構瓶頸；并根據不同降雨歷時、不同重現期，形成49種多情景降雨庫，基本涵蓋了區域所有可能發生的致災降雨情境。

城市內澇在線預測與預警系統依托物聯網技術獲取實時積水和雨量數據，并根據監測數值的變化情況進行在線計算，分別預測致災時間、消災時間，以便調度人員參考。同時，根采集的積水和雨量數據，匹配相應多情景降雨庫，自動預測未來某時間段的積水內澇情況。

2 排洪防澇模型建模

排洪防澇模型的構建是在區域管網模型的基礎上，通過與地表二維模型耦合，模擬超標降雨情況下的地表內澇積水狀況。通過模擬積水變化的整個過程，從而分析計算得到內澇積水的影響范圍、積水的深度和時間等[7-8]。

本文采用DHI MIKE模型軟件與管網GIS相結合，定義了7種基礎情景，分別對應重現期從1年至50年的降雨情境，各種基礎情景中再根據降雨歷時劃分為7種子情景，共構建49種多情景降雨庫，基本涵蓋了區域所有可能發生的致災降雨情境，詳見圖1中情景庫表。

3 內澇在線預測預警系統

城市內澇在線預測預警系統原理為：一是根據現場采集狀態參數，如積水液位、降雨量，準確合理的匹配多情景降雨庫模擬數據，對當前雨情下未來一段時間內可能的積水內澇情況進行預測和模型計算結果進行動態展示；二是根據現場降雨量和積水情況，利用數據挖掘算法，在線計算致災時間和消災時間。整個在線計算流程如圖2所示。

圖2 情景庫在線調用處理流程

依托排洪防澇模型，采用了J2EE技術，結合物聯網技術構建的城市內澇在線預測預警系統應用結果如圖3～圖5所示。圖3展示了城市易澇點的積水液位和雨量的實時監測數據；圖4和圖5分別展示了模型區域內積水深度分布預測和區域內積水深度隨時間變化預測結果。由圖4可知，通過在線預測預警系統，可掌握模型區域內的積水分布情況，顏色越深表明積水情況嚴重。由圖5可知，可以預測積水深度隨時間的變化情況，可根據積水情況制定相預案，便于應急指揮。應用結果表明，該系統將降雨期間被動應急處置模式轉換為主動預警模式，能夠為科學應對城市內澇提供決策支持。

圖3 易澇點在線監測數據

圖4 模型區域積水深度分布圖

圖5 模型區域積水深度隨時間變化

5 結 語

本文在依托防洪排澇模型構建的49種多情景降雨庫基礎上，采用J2EE架構，結合物聯網積水液位和雨量的實時監測數據，在線匹配多情景降雨庫，構建了城市內澇在線預測預警系統。通過該系統在內澇形成前實現了對城市積水預測與安全預警。應用結果表明，本文設計的城市內澇在線預測預警系統能夠準確、有效、實時的提供內澇預測預警服務，能夠幫助政府部門提早做好應對措施提高應急指揮能力，并為應急資源的調配提供決策支持。