北京市内涝积水监测预警系统设计与实现

孙永尚，刘 扬，赵军合，王帅帅

（1.北京建筑大学 测绘与城市空间信息学院 现代城市测绘国家测绘地理信息局重点实验室，北京 100044）

北京市内涝积水监测预警系统设计与实现

孙永尚1，刘 扬1，赵军合1，王帅帅1

（1.北京建筑大学 测绘与城市空间信息学院 现代城市测绘国家测绘地理信息局重点实验室，北京 100044）

针对北京市近几年出现的路面逢暴雨必积水问题，通过水位传感器等物联网技术构建路面积水监测网络，并在此基础上研发北京市内涝积水监测预警系统，实现了积水深度信息的实时获取、快速查询统计、短信预警等功能，便于各级防汛指挥部门第一时间掌握路面积水情况，启动相应的应急预案，减轻突发恶劣天气对公众出行安全造成的影响。

北京市；暴雨；积水监测；预警；系统

为缓解交通压力，保证出行畅通，北京市内建设了一些下凹式立交桥和下穿隧道。但近几年灾害性天气时有发生，特别是在“7·21”特大自然灾害中，北京市内37处城市道路交通中断，其中桥下积水中断27处，交通瘫痪长达6 h，甚至有驾车人淹死在“大水坑”里。出现这些现象的原因一方面是由于城市排水体系规划不够合理，另一方面是因为城市的道路积水监测没有形成体系[1]，无法实时监测和传输积水数据，导致预警不及时。

本文针对以上问题，依托传感器物联网技术[2]构建了北京市内涝积水监测预警系统。该系统既可以为决策机构领导提供道路积水的实时信息，也可为市政排水调度管理机构提供技术支持[3]，还可以通过微博等时讯性强的媒体向公众发布积水监测信息，从而引导出行。

1 系统监测方法概述

如图1所示，通过在下凹式立交桥或低洼院落等经常积水区域安装水位传感器的方式建立起由若干个监测点组成的积水监测网络。该监测网络利用移动的GMS/GPRS通信网络[4]，按照预设定的时间间隔向监测中心发送积水信息。并在此基础上开发路面积水监测系统，实现积水点GIS图形化展示、统计查询以及汛情预警。把已开发的路面积水监测系统软件安装在Web服务器上，发布服务，防汛部门只需1台可以上网的电脑，通过IE登陆指定网址即可操作该软件系统，实现了实时积水查询、积水存留时间查询、积水预警信息提醒、超标积水站点查询、展示12 h内站点积水值变化图等功能。

图1 积水监测与预警方法示意图

2 系统设计

2.1 系统结构设计

北京市内涝积水监测预警系统包括道路积水监测站和监测中心两部分。

1）道路积水监测站负责积水数据采集以及数据传输，由电子水尺[5]、无线端机组成。

2）监测中心负责数据接收、数据处理以及数据展示，硬件设备为数据库服务器、Web服务器，安装软件为数据接收软件和应用软件。其中数据接收软件负责实时积水数据的接收、解码、校验与入库。

2.2 积水预警算法

1）积水预警等级设置。系统设计了4个预警等级：蓝色预警、黄色预警、橙色预警、红色预警。其中，单个监测站点的实时积水预警根据积水时间以及积水深度来判断（积水深度小于5 cm，不预警），判断标准如表1所示。所有监测站的实时积水综合预警根据预警等级站点所占比例判断，判断标准如表2所示。积水存留预警只涉及单个监测点预警，依据积水水位下降速率判定(积水水位下降速率大于等于5 cm/h，不预警)，判断标准如表3所示。

表1 单个监测点预警[6]

表2 综合预警

表3 积水存留预警等级表

2）积水预警等级判断。在数据库里预先建一个历史表和一个实时表，监测站传输回来的GPRS信号经处理后依次存储到历史表中，实时表中只存储最新发回来的各个站点的积水数据。单个监测站实时积水的预警等级判定需从实时表中查询出当前积水值，再根据历史表计算出达到此积水值的积水时间，然后得出相应的预警等级。

实时积水的综合预警等级判定公式为：

式中，M为监测点总数；m1、m2、m3、m4分别为蓝色、黄色、橙色、红色预警等级的监测点数量，据此可得出各等级预警监测点的比例，从而判定综合预警的等级。

积水存留预警中积水水位下降速率Vfow为：

式中，Xmax为积水水位最高值（研究中以30 min内水位没有增加的最大值视为积水水位最高值），单位为cm；Xnow为计算时刻的当前水位值，单位为cm；Tduring为计算时刻与积水水位最高值的时间间隔，单位为h。

2.3 系统功能设计

北京市内涝积水监测预警软件系统是集成电子地图、实时积水监测、积水预警分析等的数字城市防汛综合应用平台。如图2所示，该平台核心功能可分为3 个子系统都有其相应功能，这里着重介绍积水监测与预警子系统实现的功能。

图2 系统核心功能

1）实时积水查询：此功能主要实现各监测站实时积水情况的查询，如城市遭遇突发暴雨，相关部门可在第一时间掌握桥下积水出现的时间、深度等情况，方便有关部门采取禁行、绕行等措施，确保不必要的灾难发生[7]。

2）积水存留时间查询：此功能主要实现路面积水天数或者一天内积水小时数的查询，根据各监测站排水情况可以判断该桥排水系统设计是否合理，从而辅助积水原因调查。

3）积水预警信息提醒主要有3个方面：①单个监测站预警。若某监测站积水深度达到橙色预警即向负责人发预警短信。北京市积水监测点数量很多，为了防止防汛监察人员偶尔会疏忽而没有上报，及时以短信方式提醒相关防汛负责人积水监测站的紧急情况，从而迅速采取有效措施，避免不必要的危险发生。②综合预警。若综合预警达到黄色预警等级即向负责人发送预警信息，根据综合预警出现的等级，可以知道某片区域的紧急情况，以提醒有关部门采取综合性治理和调度措施。③积水存留预警。若此预警达到红色预警等级即向负责人发送预警信息，据此可以知道哪些监测站排水缓慢，以提醒有关部门查看排水系统是否发生堵塞等情况。

4）超标积水站点查询。此功能实现积水深度超过某个值的监测站查询，便于快速获取出现紧急情况的位置信息，从而采取相应措施，防止补救一处而漏掉多处或者救急方法不当等情况发生。

5）12 h内站点积水值变化图。此功能以图片的方式呈现某监测点12 h内积水深度的变化。通过此功能可以对某监测点多次降雨之后的12 h积水深度变化图进行对比，查看该监测点排水是否会出现异样状况。

3 系统实现

北京市内涝积水监测预警系统采用B/S软件系统结构[8]；采用Flex框架以及C#作为编程语言；SQL Server 2008作为后台数据库服务器；ArcGIS Server提供地图服务。

根据实际情况，现已在北京市西城区设置了8个道路积水监测站，图3为系统部分站点截图，显示了站点的位置及属性信息窗口，经过测试，该系统极大地提高了积水信息的获取效率。

4 结 语

北京市内涝积水监测预警系统具有以下特点：

1）该系统实现了实时监测和传输积水数据，防汛部门可以在第一时间掌握路面积水的准确信息。

图3 站点状态

2）研发了很多新的功能，为防汛部门统计积水信息，及时发现问题，提供了可靠的技术服务和数据信息。

3）预警状态提示和自动短信预警服务使得有关部门可以快速了解紧急情况，大大提升了工作效率。

北京市内涝积水监测预警系统的建立，为北京市防汛指挥部门提供了可靠的决策依据，提高了防汛指挥和交通指挥决策的科学性，从而保证广大群众的出行安全。

[1] 夏志川,钟小建,阮飞,等.城市道路积水多点监测及预警系统设计[J].电子测试,2013(5):56-57

[2] 李成名,刘晓丽,印洁,等.数字城市到智慧城市的思考与探索[J].测绘通报,2013(3):1-3

[3] 沈炜城,举辉.北京市城区立交桥积水自动监测系统概述[J].北京水务,2006(1):90-91

[4] 潘崇伦.上海市下立交积水自动监测系统设计[J].水利信息化,2010(3):42-44

[5] 徐海军,刘林海.电子水尺在城市道路积水监测系统中的应用[J].水利信息化,2010(3):45-47

[6] 王辉,庄敏捷,刘波,等.上海下立交积水自动监测系统优化设计[J].给水排水,2011(12):117-118

[7] 万胜磊,左林远,王松吉.莱西市区道路积水监测系统设计[J].山东水利,2011(1):61-62

[8] 房国良,解以扬,李培彦,等.上海城市暴雨积涝预警系统研究[J].大气科学研究与应用,2009(2):32-41

P208

B

1672-4623（2015）04-0117-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.04.042

孙永尚，硕士，主要研究方向为GIS技术研发和智慧城市建设。

2014-07-23。

项目来源：国家自然科学基金资助项目（41101444）；北京科技新星资助项目（Z121106002512025）。