基于GIS的城區積水防澇預警智能系統設計與應用

李津儀 黃琳翔 王俊瑋 劉靖熙 劉輝 池佳穎

摘 要：本文著眼于廣西區內城市道路積水監測、報警現存問題，研究建立基于GIS實時汛況圖的多維數據獲取積水監測預警系統，實現通過跟蹤降水集中區域的雨量變化和城市積水區的實況演變過程，利用公眾號對積水情況實時推送、及時發布預警，為居民、市政以及搶修部門提供決策依據和科學指揮。

關鍵詞：道路積水;GIS;監測預警;系統設計;

1、項目背景

近年來，伴隨著全球氣候變暖趨勢愈強，加之城市化水平發展愈快，我國大部分城市因暴雨等極端天氣內澇頻發，具有迅速、季節性強、時間持續等明顯特征，城市內澇所導致的道路塌陷、財產損失、人身傷害等惡劣影響嚴重危害居民人身財產安全，也不利于城市化建設的完善。

城市暴雨內澇的頻發及其對城市的破壞程度引起了廣大國內外學者的高度關注，如何避免城市暴雨內澇的發生、降低內澇發生頻率、以及減輕內澇所帶來的惡劣影響并對其進行預警和實時監測成為國內外學者與專家研究的熱點問題。

2、國內外研究概述

對比分析可知，國外各國的城市雨水道設計依據本國實際采用不同重現期，歐美國家以10 a為標準，日本以5～10 a為區間，干管的重現期甚至達到50 a以上。對比我國歷版《室外排水設計規范》所用重現期1～3 a（實際常用1 a），相差顯著。

2.1 國外研究綜述

經查詢澳大利亞、德國和英國等國家的大型排水系統和排水案例后發現，國外的橋下、坑洼處等積水預警大量采取互聯網實時預警系統，加以自身城市蛛網錯節的地下管道網絡進行配合，通過綠化水池、濕地和公園等配合建設在大型橋梁以及洪澇高發區附近，在汛期通過預警系統和大型排水系統聯動，建立實時可控的及時排水全方位系統，以預警-自動排水-控制泄水的方式以保證積水流動、防止內澇。同時積水還可流動到各處蓄水池中，作為流動保障用水。

2.2 國內研究綜述

國內目前排水系統多數屬大型政府惠民工程，住建局積極致力于實地排摸工作，以推進轄區內積水點整治進程，保障汛期內群眾出行及公共財產安全。除此之外，國內目前大量使用的皆是移動防汛車于雨季巡邏預警，結合一些系統的汛期橋下重點積水預警方式。

由于暴雨頻發及監測預警系統的缺失，我國城市內澇愈發嚴峻，針對此現象的研究數量雖多，但道路積水預警系統實際應用偏少，且主要存在以下問題：

（1）部分系統未結合實際，所選擇的積水測量設備并不適用于道路積水特征。

（2）部分系統運行效率不高，系統通訊費用昂貴。

（3）部分系統提供積水信息的形式低效。

（4）現用多數積水報警系統成本較高、設備復雜不利于安裝、維護，容易被盜。

3、重要技術及解決問題

針對以上所存在問題，本系統采用多傳感器協同工作，利用精確數模轉換技術進行水位數據實時傳輸，與此同時實現多平臺數據同步實時獲取，將數據進行存儲、分析、處理。

（1）為提高系統對積水深度測量的準確性，本系統采用多傳感器協同工作方式，同時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個傳感器協同工作，同時獲取多個傳感器的實時數據，有效降低了因單個傳感器數據單一而導致測量數據無參考、存在誤差或者某個傳感器故障導致數據錯誤等一系列不精確的可能性，有效解決單個傳感器帶來的誤差以及不精確的問題。

（2）使用高精度數模轉換模塊，同時使用成熟穩定的信號放大電路，提高數模轉換的精度，確保測量準確性，有效提供積水信息的形式并提高精準度。

（3）使用獨特創新的長連接維繼技術及改進型心跳包監測機制，充分保障了網絡連接的實時性與穩定性，有效避免了網絡連接時間過長導致的連接套接字不可用等網絡通病，以此解決網絡通病，使用戶實時獲取檢測設備上報的數據。

（4）采用信息實時推送技術，可以保證中央調度系統的實時消息能零延遲的推送到用戶手機端，確保在關鍵時刻用戶能無延遲的在手機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性和時效性。

（5）采用MongoDB大數據數據庫，輕易解決大數據冗雜情況，利用數據庫管理系統和挖掘系統對數據統一組織、管理、存儲，充分發揮大數據處理的優勢。

（6）結合太陽能供電系統供應能源。內建改進的算法，確保系統智能調節傳感器運行及網絡傳輸的頻率，在保證系統功能性的同時降低功耗，供電系統的設計容量能保證連續無日照情況下系統依然能穩定運行一個月左右。由于采用太陽能供電方式，對安裝現場無要求，安裝過程簡易。各個監測節點安裝完成后系統即可正常運行，后續添加安裝的節點不會影響之前節點及整個系統的正常運行，需要更新維護的工作簡單。

（7）實時監測道路低洼處、下穿式立交橋和隧道的積水水位，并通過GPRS或光纖網絡遠程傳送至城市內澇監測預警中心。

（8）采用棒體結構，結合不銹鋼防護外殼，內部使用高性能密封材料進行特殊處理，使其可在泥槳、污液和腐蝕性液體等惡劣環境工作，提高了產品防腐、防凍、耐熱、抗老化水平。

（9）預警服務平臺傳感器將通過移動互聯網和物聯網的聯動實時將采集到的數據上傳至服務器端，當其中某監測點探測數值超出提前設定預警值時，采集端即將預警信息傳送至服務器，服務器再將數據通過中央調度系統推送至公眾號。

（10）運用公眾號反饋數據，解決了用戶獲取信息的便捷問題和信息來源需要付費問題。現階段各式各樣的軟件APP使用在一定程度上導致內存運行不佳和高額收費等問題，使人們反感，本系統采用公眾號的形式將實時數據免費分享給用戶，提高用戶的整體使用感。

4、研究意義

本系統針對廣西區內各城市道路積水監測與報警尚未形成完整體系，且無法對道路行人和車輛及時警示的問題，深入研究建立基于GIS實時汛況圖的多維數據獲取積水檢測預警系統，跟蹤降水集中區域的雨量變化和城市積水區的實況演變過程，綜合數值降水預報，實現通過微信公眾號對積水情況的實時推送、及時發布對易澇區的預警、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和科學指揮。

5、結語

基于GIS的城區積水防澇預警智能系統利用海綿城市建設的契機，進一步提高城市綜合防災減災能力。城區積水防澇預警智能系統依托氣象監測預報系統、水文雨水情信息系統，綜合管線實時監測系統，構建適應當前城市環境的洪澇模擬模型，實現監測及預警預報功能，為城市防洪排澇體系的改造提升提供技術支持，為城市防汛預警和應急響應積極建言獻策，共同助力打造“健全高效”的海綿防澇城市。

參考文獻

[1]位路陽. 基于WebGIS的鄭州市區暴雨洪水預警系統設計與實現[D].鄭州大學，2017.

[2]劉嘉晨. 基于多技術的路面積水監測預警系統的設計與實現[D].內蒙古大學，2019.

[3]段麗瑤， 天津城市自動化積水監測預警技術及系統的研究. 天津市，天津市突發公共事件預警信息發布中心，2020-11-18.

本文是2021年廣西大學生創新訓練項目“基于GIS的城區積水防澇預警智能系統”（項目編號：S202110595194）項目成果。