城市內澇監(jiān)測預警系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

萬家權 薛豐昌 喻謙花 楊海山

前言

我國地形復雜，地處東亞季風區(qū)，暴雨頻繁發(fā)生，暴雨強度大、極值高、持續(xù)時間長，常常導致城市內澇。2021 年 7 月，河南遭受特大暴雨洪澇災害， 造成鄭州市重大人員傷亡與財產損失。

在城市內澇災害監(jiān)測、預報與面向社會提供信息服務過程中，需要應用氣象自動站觀測的氣象數(shù)據(jù)、氣象雷達觀測數(shù)據(jù)、氣象數(shù)值模式模擬的天氣預報產品以及城市管理部門對城市積澇點的積水監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)多源異構，觀測時點、觀測頻次各自不同；同時，由于城市內澇往往是由于短時強降水導致的，發(fā)生發(fā)展快，需要高效的數(shù)據(jù)監(jiān)測、分析、處理技術手段，盡快掌握已經(jīng)發(fā)生的城市內澇當前狀態(tài)及其造成的氣象危險性，對未來可能發(fā)生的城市內澇進行準確模擬預測。因此，需要一套功能齊備、高效運轉的自動化軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)對內澇災害相關數(shù)據(jù)的實時接收處理，實現(xiàn)災害監(jiān)測、預測模型算法的高效運行，進而實現(xiàn)對城市內澇發(fā)生發(fā)展整個過程的監(jiān)測、預警與預報。

設計實現(xiàn)的城市內澇監(jiān)測預警軟件系統(tǒng)主要包括基礎地理信息模塊、實況監(jiān)測模塊、降水預報模塊、積澇風險模塊、產品服務模塊、系統(tǒng)管理模塊，目前已經(jīng)在城市氣象服務業(yè)務中得到應用。

系統(tǒng)總體技術框架

“城市內澇監(jiān)測預報預警系統(tǒng)”基于組件化架構思想進行設計，采用插件式的系統(tǒng)整體框架，整個系統(tǒng)的功能、算法、流程、運行模式均可靈活配置，從而在保證整個平臺高可靠運行的同時，能為后續(xù)功能的完善和業(yè)務升級提供最大程度的便捷性和靈活性。其總體技術架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)技術框架

自上而下將整個系統(tǒng)劃分為應用管理層、應用組件層、集成調用層、平臺框架層、基礎環(huán)境層。應用管理層為人機交互視圖層，所有的人機交互活動都將基于該層實現(xiàn)。整個管理層都將基于B/S來實現(xiàn)，用戶都通過瀏覽器的方式以HTTP協(xié)議對平臺的結果進行訪問。應用組件層和集成調用層主要實現(xiàn)業(yè)務應用組件與平臺框架層之間的訪問和交互，通過訪問控制、組件調用、數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)業(yè)務應用組件對平臺框架組件的安全和可靠調用。平臺框架層通過服務注冊和服務發(fā)布實現(xiàn)對實際業(yè)務邏輯上的接口和功能擴展。作為系統(tǒng)的核心，平臺框架層為整個平臺提供所有框架層面的支撐，所有業(yè)務應用邏輯組件都將基于該層所提供的基礎框架設計開發(fā)。基礎環(huán)境層定義了平臺設計、開發(fā)、運行所依賴的基礎軟件環(huán)境。

功能模塊設計與實現(xiàn)

（一）功能模塊設置

城市內澇監(jiān)測預報預警系統(tǒng)包括基礎地理信息模塊、實況監(jiān)測模塊、預報信息模塊、積澇預警模塊、產品服務模塊和系統(tǒng)管理模塊（圖2）。基礎地理信息模塊主要實現(xiàn)離線三維地圖展示、集成原有系統(tǒng)基礎地理信息模塊中地理信息內容、積澇隱患點、攝像頭、積澇監(jiān)測點管理等功能。實況監(jiān)測模塊包括自動站降水監(jiān)測、積澇實況監(jiān)測產品集成等。預報模塊包括降水預報、積澇預報產品集成等功能。積澇預警模塊包括積澇預警規(guī)則管理、積澇預警提示等功能。產品服務模塊包括積澇服務產品制作、產品一鍵式多渠道發(fā)布等功能。系統(tǒng)管理模塊包括用戶信息管理、通信錄維護管理等功能。

圖2 系統(tǒng)功能模塊設置

（二）功能模塊實現(xiàn)

1.基礎地理信息模塊

基礎地理信息按照政府、事業(yè)單位、交通、綠地、橋、學校、管道等類型在地理信息面板上以類別按鈕形式進行排布。點擊某一按鈕后，自動獲取原系統(tǒng)對應的數(shù)據(jù)內容，并在三維地圖上以三維立體標簽加信息內容的形式進行展示，再次點擊后，則可以將顯示的標簽圖層刪除。功能效果如圖3所示。

圖3 基礎地理信息模塊

2. 實況監(jiān)測模塊

實況監(jiān)測模塊包括自動站降水監(jiān)測、積澇實況監(jiān)測。點擊實況監(jiān)測菜單進入實況監(jiān)測模塊，點擊自動站降水監(jiān)測中不同時次按鈕，便可以在地圖上以三維標簽形式展示對應的自動站降水實況，點擊某一標簽，可展示該自動站過去24小時降水時間序列圖（圖4）。

圖4 降水實況監(jiān)測模塊

點擊積水監(jiān)測對應按鈕，便可以在地圖上以三維標簽形式展示對應的積水監(jiān)測實況，點擊某一標簽，可展示該站過去2小時積水監(jiān)測時間序列圖（圖5）。

圖5 積水實況監(jiān)測

3. 降水預報模塊

點擊降水預報菜單進入降水預報模塊，選擇某一時間后，點擊短臨按鈕，可實現(xiàn)該時次對應的未來2小時逐12分鐘短臨預報降水結果自動播放顯示。點擊敏感點按鈕，可顯示短臨敏感點，點擊某一敏感點，可顯示該點未來2小時逐12分鐘短臨預報降水時間序列圖。點擊短臨告警按鈕，可顯示選擇的時次未來2小時短臨告警結果（圖6～圖8）。

圖6 降水短臨預報

圖8 短臨降水告警

圖7 短臨降水敏感點

選擇格點預報時間，點擊格點預報中不同時效按鈕，便可實現(xiàn)格點預報結果在地圖上的展示（圖9）。

圖9 降水格點預報

4. 積澇風險模塊

點擊積澇風險菜單進入積澇風險模塊，選擇某一時間后，點擊不同的時效，便可實現(xiàn)該時效對應的積澇風險結果以三維標簽的形式在地圖上進行展示（圖10）。

圖10 積澇風險展示

5. 產品服務模塊

點擊產品服務菜單進入產品服務模塊，可展示已經(jīng)制作生成的產品服務列表。點擊內澇預警制作按鈕，進入內澇預警制作頁面，選擇某一時間后，點擊制作按鈕，便可實現(xiàn)內澇預警產品的自動制作生成（圖11）。

圖11 服務產品制作

6. 系統(tǒng)管理模塊

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

圖12 系統(tǒng)管理

圖14 2小時積水深度實況監(jiān)測與預測對比

圖15 3小時積水深度實況監(jiān)測與預測對比

系統(tǒng)應用實例

2021年7月20日0時至21日8時開封遭遇極端強降雨。最大降水強度出現(xiàn)在7月20日22時，單站雨量達到 103.4 mm/h；最大3 h累計降水量達到 157.0 mm，最大 24 h累計降水量達到 276.2 mm。

以2021年7月20日20時作為監(jiān)測時點（命名降水過程為2021072020時次），利用安置在開封的12個積澇點積水監(jiān)測站觀測的積水深度數(shù)據(jù)（站點分布如圖5所示）與系統(tǒng)預測的積澇點積水深度進行相關性分析，驗證系統(tǒng)1小時、2小時、3小時、6小時積澇點積水深度預測能力。

圖13—圖16縱坐標為各積水監(jiān)測站實況監(jiān)測積水深度（單位cm）,橫坐標為系統(tǒng)預測積水深度（單位cm），其中1小時實況監(jiān)測與預測相關系數(shù)達到0.9438，2小時實況監(jiān)測與預測相關系數(shù)達到0.9739，3小時實況監(jiān)測與預測相關系數(shù)達到0.7648，6小時實況監(jiān)測與預測相關系數(shù)達到0.8238，表明系統(tǒng)具有較好積澇監(jiān)測預測能力。

圖13 1小時積水深度實況監(jiān)測與預測對比

圖16 6小時積水深度實況監(jiān)測與預測對比

結論

設計實現(xiàn)了城市內澇監(jiān)測預警軟件系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括基礎地理信息模塊、實況監(jiān)測模塊、降水預報模塊、積澇風險模塊、產品服務模塊、系統(tǒng)管理模塊，實現(xiàn)對內澇災害相關數(shù)據(jù)的實時接收處理，實現(xiàn)災害監(jiān)測、預測模型算法的高效運行，進而實現(xiàn)對城市內澇發(fā)生發(fā)展整個過程的監(jiān)測、預警與預報。