基于雨量傳感器的城市防汛精細化監測和預警
——以北京市西城區為例

◎ 北京市西城區城市管理監督指揮中心 白 云

1、前言

近年來，隨著極端降雨天氣經常發生，我國的很多城市防汛形勢十分嚴峻且嚴重威脅著城市運行安全。但城市防汛體系建設是個復雜的系統工程，涉及城市防汛規劃、防汛工程設施、災后恢復重建及公眾參與等各個方面。其中最基本，也是相當重要的工作就是對城市雨情的實時監測和預警。

對于雨情的監測和預警，許多城市也都建立起防汛監測系統，并結合3S（GPS，GIS,RS），以及歷史信息情況綜合得到監測和預警的結果。但從監測和預警的結果來看，效果并不十分理想。其主要的問題是監測數據本身現勢性以及準確性上都不足以滿足當前的監測和預警的需求。如北京市西城區60余平方公里的地區只有2～3個監測點，這樣的數據精度是不夠用的。

針對當前城市防汛監測和預警工作的精細化需要，充分發揮物聯網與3G傳輸手段的技術優勢，利用傳感器技術建立自主的雨情無線監測網絡，并在此基礎上研發城市雨情精細化監測和預警系統，為城市防汛精細化管理提供可靠、準確的實時雨情信息支持。

2、概述

選擇城市低洼平房院落，建設由若干個雨量傳感器組成的自主雨量監測網絡，并通過無線網絡實時傳輸降雨量數據；在此基礎上建立起城市防汛監測與預警平臺，實現實時降雨量信息的瀏覽，歷史降雨量信息查詢統計，在雨量達到一定級別（例如中雨以上）時，結合氣象部門的降雨量預報信息，通過短信平臺自動向相關人員發送雨情預警信息，為城市防汛及應急工作提供及時可靠的降雨量信息支持，具體如圖1所示：

3、自主雨情監測網的建設

3.1 雨量傳感器

雨量傳感器是雨情數據源監測的基本工具。而數據傳輸裝置主要是利用安裝有手機卡，通過以手機接入移動網絡(3G網絡或GPRS網絡) 的形式把雨量測量裝置獲取的雨量數據以一定時間隔發送指定IP地址的服務器上。（如圖2）

本自主雨情監測網采用了3G和物聯網相關技術用于雨量信息的收集、傳輸、雨量計設備的運行狀態實時監測等，真正實現了無人值守的物物相連、信息互通，具有物聯網基本概念，屬于物聯網基本應用之一。

3.2 監測點布控原則

以下原則為我區開展雨量布控建設的一些經驗，僅供參考：

圖1 基于傳感器技術的城市雨情精細化監測和預警流程圖

圖 2雨量傳感器（左側為雨量測量裝置和右側為數據發送裝置）

⑴總體設計原則：首先根據以往掌握的情況，如低洼區，積水點等，考慮監測區域的總體情況，確定部署監測點的總個數，此時應該以地形圖為參考，而且比例以1:500或1:1000為宜。

⑵分級分層原則：確定了總個數后，要進行分級分層，一般以街道、社區為分級分層標志，盡量要布滿上級層次，下級層次以后還可以繼續細化，體現可擴充性。

⑶地理布局原則：參考城市中的街巷、院落、空地等自然地理布局進行布控，并選在高處（屋頂，樓頂），防止樹葉等遮擋。

⑷方便管理原則：為方便實施管理，應該盡量選擇有人值守的單位或位置布設監測點，也避免發生危險。

⑸負載均衡原則：如果采用電源供電的雨量傳感器，則發送數據的間隔時間可以設置短些；而采用電池供電的雨量傳感器，則發送數據的間隔盡量長些。

⑹相對穩定原則：布控結束后不同層次的監測點最好少調整，同一層次的監測點則可無限制。

圖3 西城區布設情況

3.3 西城區布設情況

應用上述原則，在北京市西城區15個街道（保證每個街道至少有一個監測點），選擇城低洼平房院落或者長期積水點附近進行雨情監測點布控，具體布設情況如圖3所示。

4、雨情監測和預警系統的建立和應用

4.1 系統結構

西城區雨情監測和預警系統采用分布式三層體系結構，三層體系結構包括數據層（Data Layer）、業務邏輯層（Business Logic Layer）和表現層（Presentation Layer）。（如圖4）

圖4 系統總體結構

1)數據層：包括城市基礎信息數據、防汛設施數據、雨量監測數據、預警預案數據等。

2)業務邏輯層：包含數據接收，基礎GIS功能，歷史數據管理，統計分析，實時雨情監測，預警分析，系統維護等服務和操作。

3)用戶層：通過將表現層與業務邏輯的分離處理，從而使得用戶界面與應用邏輯位于不同的平臺上。通過這樣的結構設計，使得業務邏輯被所有用戶共享。

4.2 系統核心功能

西城區雨情監測和預警系統是集成電子地圖、實時雨量監測、雨情預警分析等的數字城市防汛綜合應用平臺。該平臺分為3個主要部分：雨情信息接收子系統、雨情監測與預警子系統以及預警短信子系統。（如圖5）

系統主要功能包括：

⑴雨情信息接收

主要功能為：設置接收系統IP地址，端口號，存儲數據庫相關等參數；自動保存數據接收日志；保存接收的信息到數據庫中等。

⑵雨情監控與預警

本部分為系統核心功能，主要包括：

①監控點實時顯示當前監控點實時數值以及降雨等級；

②查詢各個監測點某個時段內降雨數值信息、等級信息并查詢結果、打印輸出；

③統計降雨量數據按時間（月，周）、空間（街道、社區），并以圖表的方式顯示；

④利用實時雨情數據以及城市防汛降雨量等級標準建立預警分析模型，確定是否預警以及當前預警范圍與級別；

⑤利用預警分析結果，根據啟動預案標準，提供應急預案支持。

⑶預警短信提醒

主要功能為：降雨量達到一定等級，則自動向相關管理人員發送降雨量實時信息短信；當預警分析完成后，向預警應急管理人員發送預警短信；當雨量傳感器設備故障了，自動向雨量設備管理人員發送提醒短信。

4.3 系統實現

西城區雨情監測和預警系統采用B/S（瀏覽器/服務器）軟件系統結構，采用Flex以及C#作為編程語言，SQL Server 2008作為后臺數據庫服務器。利用ArcSDE存儲空間數據、ArcServer提供地圖服務，通過UG/Open MenuScrip實現界面與系統緊密結合。

圖5 系統核心功能

圖6 實時雨量 覽

圖6為系統實現后效果。

4.4 應用效果

西城區雨情監測和預警系統引入了3G通信與物聯網相關技術作為主要技術支撐，采用了穩定成熟的富客戶技術和GIS技術實現城市雨情的豐富展現與圖形空間分析功能，從近半年的上線運行情況來開看，系統運行穩定，性能可靠，提供了及時準確的降雨量信息與預警服務，很好地滿足了西城區城市防汛及應急工作的需要。同時，系統界面設計簡潔，操作簡單，方便了城市日常防汛監管及各項專題分析業務的開展。

5、需要考慮的問題

對于采用傳感器技術的城市雨情精細化監測和預警，目前需要考慮2個主要問題：

1）雨情監測網建設、細化和維護

目前應用在城市防汛中的應用仍不多見，主要是許多城市的防汛部門沒有充分認識到自主建網的必要性，而仍采用與氣象部門協同獲取數據的方式，有些地區即使在監控網建成后，也要根據網點空間分布進一步細化原有監控網，使得監測數據更加精確。另外，對于監控網的維護需要重點考慮，要定期進行檢查、維修、保養，所有這些對于監測和預警準確與否相當重要。

2）深層次、有針對性的分析和預警

雨情數據獲取只是監測和預警的第一步，提供有效的決策支持才是最終目的。這里不應該建立大而全的分析和預警模型，而應該充分利用可靠基礎數據開展深層次和有針對性的分析和預警。

6、結論

本研究中的最大特點自主建立了由25個監測點組成的西城區雨情監控網絡。這樣，城市防汛監測和預警就可以形成以氣象部門降雨量信息為主的宏觀預測，和自主雨情監測網絡的實時降雨量數據為輔的微觀預報相結合的立體雨情預報體系，從而大大提高監測數據的可靠性和精度。另外，通過對當前實際需要的分析，明確下一步的工作是增加監控網絡中監控點數量，進一步提高數據精度；以及開展深層次和有針對性的分析和預警，提供有效的決策支持。