“互聯(lián)網(wǎng)+”時代下的城市智能防汛系統(tǒng)信息化建設(shè)

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我司撰寫的《“互聯(lián)網(wǎng)+”時代下的城市智能防汛系統(tǒng)信息化建設(shè)》一文理論結(jié)合實踐，具有學(xué)術(shù)參考價值， 經(jīng)《水利建設(shè)與管理優(yōu)秀論文集》編委會評審錄用于此論文集中。中國水利水電出版社是中國水利水電出版社水利部直屬的中央一級專業(yè)科技出版社，出版了大量優(yōu)秀的水利水電科技圖書和相關(guān)出版物，為傳播水利水電科技信息、推廣水利水電科技成果、普及水利水電科學(xué)知識、培養(yǎng)水利水電科技人才作出了重要的貢獻。

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“互聯(lián)網(wǎng)+”時代下的城市智能防汛系統(tǒng)信息化建設(shè)

高金華¹，呂放放¹，張娟²，胡俊¹，謝磊³，李鋼⁴

（1.北京北排水務(wù)設(shè)計研究院有限公司，北京 100124；2.北京城市排水集團有限責(zé)任公司客戶服務(wù)中心，北京 100068；3.上海昊滄系統(tǒng)控制技術(shù)有限責(zé)任公司，上海 200030；4.水利部水利信息中心，北京 10038）

摘要：根據(jù)2010年住建部對全國349個城市的內(nèi)澇情況調(diào)研，2008-2010年共有289個城市發(fā)生了不同程度的內(nèi)澇，占被調(diào)查城市總數(shù)的80%。面對嚴峻的防汛形勢，除了加快防汛設(shè)施建設(shè)外，充分利用非工程措施提高現(xiàn)有防汛設(shè)施的利用效率、合理配置防汛資源也是城市防汛的另一條出路。2014年11月，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部出臺了《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》中明確指出城市防汛應(yīng)通過工程措施與非工程措施并舉來保障。本文追根溯源，深度分析城市內(nèi)澇成因，并借助水利衛(wèi)星通信網(wǎng)和大數(shù)據(jù)、云平臺等新興計算機技術(shù)探索出一條以把握全局形勢為前提，科學(xué)分析為基礎(chǔ)，實現(xiàn)人員快速響應(yīng)、防汛物資高效調(diào)配的城市智能防汛之路。本次探索旨在充分利用現(xiàn)有防汛設(shè)施的基礎(chǔ)上，研究城市智能防汛，為防汛部門提供完善的信息服務(wù)、暴雨預(yù)測、洪水預(yù)報及風(fēng)險分析、災(zāi)情評估、決策支持，從而實現(xiàn)防汛預(yù)警減災(zāi)一體化，提高防汛決策指揮調(diào)度水平，并為防汛設(shè)施的建設(shè)與維護提供信息支撐及科學(xué)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞 城市內(nèi)澇 城市智能防汛

1.  前言

城市內(nèi)澇是指由于強降水或連續(xù)性降水超過城市排水能力，致使城市內(nèi)產(chǎn)生積水災(zāi)害的現(xiàn)象[i]。城市內(nèi)澇作為一種嚴重的城市災(zāi)害，輕則影響正常的公眾生活，重則威脅公眾生命財產(chǎn)安全。

面對嚴峻的城市內(nèi)澇問題，2013年12月，習(xí)近平總書記在中央城鎮(zhèn)化工作會議要求“建設(shè)自然積存、自然滲透、自然凈化的海綿城市”；2014年11月，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部出臺了《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》，提出應(yīng)綜合采用工程措施和信息技術(shù)手段等非工程措施來保障城市防汛，減少城市內(nèi)澇的危害[ii]。因此，除了充分利用、改擴建現(xiàn)有防汛設(shè)施之外，建設(shè)城市智能防汛信息系統(tǒng)，運用信息與通訊技術(shù)高效完成防汛、排澇任務(wù)是城市防汛的重要課題。

本文將對信息與通信技術(shù)（I&CT，Information& Communication Technology）在建設(shè)城市智能防汛系統(tǒng)領(lǐng)域的實踐和應(yīng)用進行探索。

2.  內(nèi)澇成因

特大暴雨頻發(fā)等氣象因素，防汛工程建設(shè)滯后，非工程措施不完善是造成城市內(nèi)澇三大主要原因。

隨著中國城市化進程的不斷加快，城市中高樓不斷增多，使得城市空氣循環(huán)不暢形成城市熱島。熱島環(huán)流使市區(qū)內(nèi)的上升氣流加強，城區(qū)空氣中含有較多的凝結(jié)核，促進降雨的形成。同時由于城市的下墊面粗糙度大，使得降水雨系減慢，延長城區(qū)降水時間，形成“城市雨島”^[iii]。故在降雨時，城市相比農(nóng)村更容易形成持續(xù)時間長、降雨強度大的極端降水。

城市化過程中硬化路面和建筑物的面積不斷擴大，原有生態(tài)系統(tǒng)植被面積不斷減小，使得地表徑流系數(shù)增大、產(chǎn)流量加大、匯流時間縮短。此外,由于經(jīng)濟水平的限制，我國城市建設(shè)長期以來“重地上輕地下”,對地下排水設(shè)施建設(shè)的重視不夠,地下排水設(shè)施建設(shè)速度與城市發(fā)展的速度一直不能相互匹配；而且地下排水設(shè)施維護不及時，從而導(dǎo)致城市排水設(shè)施不完善以及排水管網(wǎng)布置不合理，難以滿足城市防汛的要求。

由于市政積水監(jiān)測站點覆蓋不健全，信息傳遞不及時等客觀因素的制約，相關(guān)部門難以及時把握城市內(nèi)澇產(chǎn)生、發(fā)展的具體情況，不利于及時發(fā)布預(yù)警信息，經(jīng)常出現(xiàn)諸如“內(nèi)澇形成后預(yù)警信息卻尚未發(fā)出”、“積水退去后防汛警報還未解除”的尷尬局面。另一方面，防汛物資和防汛力量無法及時有效地分配和部署，使得城市防汛排澇的效率不能達到最佳狀態(tài)。我國城市防汛業(yè)務(wù)多種管理模式并存，有的城市防汛業(yè)務(wù)劃歸水利部門，有的劃歸城建部門，有的劃歸市政部門，有的由水利部門和城建部門共管。在這種情況下，很難建立統(tǒng)一的信息共享平臺，從而使防汛應(yīng)急響應(yīng)的統(tǒng)一調(diào)度難以有效進行。部分城市難以達到防汛搶險的應(yīng)急保障要求。應(yīng)急預(yù)案對通信、信息、供電、運輸、物資設(shè)備、搶險隊伍等各項保障措施職責(zé)分工不夠明確，嚴重影響防汛工作的應(yīng)急處置效率。

3.  城市智能防汛信息系統(tǒng)

智能防汛信息系統(tǒng)應(yīng)充分利用信息與通訊技術(shù)，以移動互聯(lián)為工具進行實時監(jiān)測，及時掌握雨情與汛情，準確獲悉河湖水位，實時監(jiān)測防汛設(shè)備與設(shè)施運行狀態(tài)，實現(xiàn)“洞察”；以區(qū)域排水模型為基礎(chǔ)進行汛情預(yù)測，結(jié)合區(qū)域地形地貌及其高程數(shù)據(jù)、河湖水位、降雨數(shù)據(jù)，通過區(qū)域排水模型對可能的積水敏感點進行預(yù)測，將預(yù)測結(jié)果用于輔助決策；在智能防汛信息系統(tǒng)中應(yīng)提前預(yù)設(shè)多種防汛調(diào)度預(yù)案，在出現(xiàn)突發(fā)或緊急事件時，可根據(jù)具體雨情和汛情，激活與采用相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，實施防汛科學(xué)調(diào)度，應(yīng)急預(yù)案的管理是防汛信息系統(tǒng)的重要方面，可以以應(yīng)急預(yù)案的管理為核心來組織整個防汛工作的知識管理；以設(shè)備管理為手段進行全局統(tǒng)籌，設(shè)備（及設(shè)施）是防汛工作的重要工具，設(shè)備的正常運行是確保防汛工作能順利展開的基礎(chǔ)，所以必須以設(shè)備管理為基礎(chǔ)來統(tǒng)籌防汛事務(wù)；為了迅速響應(yīng)現(xiàn)場突發(fā)情況，保證防汛指令的下達準確、高效，可運用互聯(lián)網(wǎng)及通訊技術(shù)，以移動控制為方式進行實時管控；就整體防汛工作而言，不能僅僅局限于管網(wǎng)、泵站與積水敏感點，而應(yīng)該將上下游河道、湖泊等考慮在內(nèi)，以系統(tǒng)化的思維來組織防汛工作，亦即以系統(tǒng)為對象進行綜合調(diào)度；在防汛工作當(dāng)中，特別是在泵站運行中，也需要根據(jù)積水量優(yōu)化泵組的運行，同時在汛期中也可以根據(jù)排水量以及污水廠的運行處理能力合理調(diào)度水量，從而以優(yōu)化控制為思路進行節(jié)能減排；以大量的防汛數(shù)據(jù)積累及分析為手段，積累對不同雨情汛情的應(yīng)對策略，可以為之后的防汛工作積累堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，即以大數(shù)據(jù)為抓手實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析。

下面將詳細介紹數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)姆绞?、?shù)據(jù)分析展示以及輔助決策等模塊。

3.1  數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)

在防汛系統(tǒng)中，有很多設(shè)備儀表所處環(huán)境較為惡劣，不具備有線通訊條件，這種情況下需要以移動互聯(lián)為工具，通過GPRS、3G、4G以及衛(wèi)星通訊等方式向防汛指揮中心傳輸各類雨情、汛情、防汛設(shè)備儀表數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時監(jiān)測。由于極端天氣、特大雨情、自然災(zāi)害可能造成公網(wǎng)通信和常規(guī)通信手段失效，而衛(wèi)星通訊具有覆蓋范圍廣、組網(wǎng)機動靈活、抗水毀能力強、不受地面通信管網(wǎng)限制、不受限于公網(wǎng)通信制約的獨特優(yōu)點，在傳遞雨情、汛情數(shù)據(jù)方面穩(wěn)定可靠，讓防汛指揮部門實時了解雨情汛情，有效組織和實施防汛指揮和搶險救援，可作為解決防汛信息傳輸和應(yīng)急搶險機動通信的主要手段，也可作為地面通信網(wǎng)的重要補充和備份通信手段，是智能防汛系統(tǒng)獲取可靠、有效信息的來源和保障，如圖2所示。

圖2數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)示意圖

水利衛(wèi)星通信網(wǎng)是由水利部水利信息中心負責(zé)規(guī)劃設(shè)計和建設(shè)運維的通訊網(wǎng)絡(luò)，由水利衛(wèi)星通信資源和遠端地球站構(gòu)成，目前采用亞洲五號衛(wèi)星Ku波段轉(zhuǎn)發(fā)器資源，增設(shè)了抗雨衰能力好的C波段轉(zhuǎn)發(fā)器資源。其中采用了美國Idirect公司的DVB-S2系統(tǒng)，適用于水利信息傳輸，尤其適合水文測報、應(yīng)急通信、數(shù)據(jù)廣播、互聯(lián)網(wǎng)接入、視頻監(jiān)視等業(yè)務(wù)的應(yīng)用。

3.2  數(shù)據(jù)分析展示系統(tǒng)

在“互聯(lián)網(wǎng)+聯(lián)時代下，數(shù)據(jù)的價值越來越被人們重視。防汛過程中產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)，通過對這些數(shù)據(jù)的長期積累和分析，對城市防汛有著很大的幫助。以大數(shù)據(jù)為手段對雨情、汛情、泵站運行、橋區(qū)液位等數(shù)據(jù)進行分析展示，以響應(yīng)城市防汛應(yīng)體現(xiàn)工程措施與非工程措施并舉的要求。

如圖3所示，汛情分析功能利用實際降雨和預(yù)測降雨，通過在線模型模擬預(yù)測將易發(fā)生積水的地區(qū)、積水發(fā)生的時間以及積水持續(xù)的時間，為防汛部門制定各種應(yīng)急措施提供參考，提升城市的防汛應(yīng)急管理水平；另一方面根據(jù)實時積水預(yù)報信息，進一步分析積水產(chǎn)生的原因，制定排水管網(wǎng)系統(tǒng)中的堰、泵和閘門的最佳運行方案。針對各橋區(qū)進行場積水分析、積水歷時均值分析、積水頻率分析，并顯示各橋區(qū)的積水對比分析圖，可讓防汛指揮人員清楚了解到當(dāng)前降雨的嚴重程度，便于及時、合理、高效調(diào)配調(diào)度防汛設(shè)備及物資，確保將降雨對人民群眾生命財產(chǎn)安全的影響降到最低。

圖3 汛情分析圖

3.3  輔助決策系統(tǒng)

如圖4所示，以防汛預(yù)案為核心進行知識管理。智能防汛系統(tǒng)把各雨水泵站地理位置，各個雨水泵站的收水能力等信息進行系統(tǒng)分析和長期統(tǒng)計，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)及歷史雨量分析，生成多種調(diào)度預(yù)案并保存。通過氣象資料與降雨模式的匹配，與調(diào)度預(yù)案庫中所有調(diào)度預(yù)案進行綜合匹配并輸出最適合當(dāng)前降雨模式的最佳調(diào)度方案，自動生成輔助決策報告，輔助防汛中心決策。

以設(shè)備管理為手段進行全局統(tǒng)籌，引入資產(chǎn)生命周期管理理念，對泵站，閘門，儀表的儀器儀表建立完善的設(shè)備設(shè)施檔案信息，定期巡檢、規(guī)范養(yǎng)護流程，全面建立以設(shè)備設(shè)施為中心的閉環(huán)管理機制，降低防汛設(shè)備的故障率。此外在防汛設(shè)備的管理中應(yīng)該引入管控一體化如點檢計劃管理、保養(yǎng)計劃管理等預(yù)防性維護，實現(xiàn)從計劃、執(zhí)行、反饋記錄到維護工作流關(guān)閉的全流程、全生命周期跟蹤管理。最終實現(xiàn)提高防汛設(shè)備設(shè)施完好率，實現(xiàn)經(jīng)濟效益和社會效益的最大化。

以移動控制為方式，運用互聯(lián)網(wǎng)及通訊技術(shù)進行實時管控，保證防汛指令的下達準確并高效，依托云技術(shù)、自動化控制技術(shù)、傳感器技術(shù)，實現(xiàn)防汛設(shè)備設(shè)施的遠程控制，初步實現(xiàn)防汛設(shè)備設(shè)施的少人甚至無人值守，降低城市防汛人員不足帶來的影響防汛指令響應(yīng)欠及時的問題。

如圖5所示，以整體系統(tǒng)為對象進行綜合調(diào)度，在水資源可持續(xù)發(fā)展的原則之上，實施雨水管理和雨水資源的優(yōu)化配置。以泵站、下游受納水體、調(diào)蓄池、管網(wǎng)、匯水區(qū)域等構(gòu)成的整體系統(tǒng)為對象，將河流、泵站液位、氣象信息、模型信息、地理信息等全部納入城市智能防汛系統(tǒng)，實現(xiàn)信息的全面共享和全局把控。實現(xiàn)將污染物含量高的雨水匯集到調(diào)蓄池，并在汛期后抽送至污水處理廠處理；將滿足受納水體排放要求的雨水直接排入河道或水體中，通過優(yōu)化調(diào)度，實現(xiàn)雨水資源的優(yōu)化配置。

以優(yōu)化控制為思路進行節(jié)能減排，優(yōu)化管網(wǎng)設(shè)計，減少水頭損失；根據(jù)實際情況，科學(xué)、智能調(diào)節(jié)水泵等防汛設(shè)備的運行參數(shù)，降低電耗；根據(jù)降雨量大小，智能分析最優(yōu)開泵組合，以最小的能耗完成泵送任務(wù)，將節(jié)能降耗落到實處。根據(jù)降雨的水質(zhì)來確定雨水最終的排放去向。

4.  城市防汛實踐

在城市智能防汛實踐中，最理想的情況是在城市的重點地區(qū)及易積水區(qū)域都部署相應(yīng)的雨量監(jiān)測設(shè)備，將采集到的數(shù)據(jù)全部接入智能防汛信息系統(tǒng)中進行展示、分析，為輔助決策調(diào)度提供參考依據(jù)。但由于城市重點地區(qū)及易積水點的劃定需要長期摸索加之城市由于飛速發(fā)展產(chǎn)生的地形地貌改變，短時間內(nèi)難以在城市所有重點地區(qū)及易積水區(qū)域都部署雨量監(jiān)測設(shè)備。故選擇汛期中最容易積水的下凹橋區(qū)、地勢較低的河道以及重要排澇泵站作為監(jiān)測關(guān)鍵點，通過對部署在以上關(guān)鍵點監(jiān)測設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)進行積累、分析，反應(yīng)易積水點周邊的雨情、汛情，及時準確做出響應(yīng)，并通過歷史數(shù)據(jù)的積累，將防汛調(diào)度方案逐步運用到其他相似的雨情、汛情中，為現(xiàn)階段城市智能防汛的展開提供了可行之路。

以“洞察，深知，篤行”為核心理念，在國內(nèi)某城市建立的智能防汛調(diào)度系統(tǒng)，為當(dāng)?shù)胤姥粗笓]部門提供了雨情和積水預(yù)測、風(fēng)險評估、調(diào)度決策等一系列智能化的防汛輔助決策手段，最終實現(xiàn)防汛管理水平、防汛事件處置效率的提高，保證了城鎮(zhèn)基礎(chǔ)排水設(shè)施建設(shè)資金的有效投入。

下面通過智能防汛系統(tǒng)的若干應(yīng)用實例，簡要說明智能化技術(shù)在城市防汛中實踐中的應(yīng)用：

圖6 實時積水監(jiān)測圖

圖6為某橋區(qū)的實時監(jiān)測界面，通過模型預(yù)測其下凹橋區(qū)的積水深度，可以為交通部門決定是否限制道路通行提供判斷依據(jù)，保障市民的人身財產(chǎn)安全。

圖7 剩余泵送能力圖

如圖7所示，通過對河道積水深度、積水量的預(yù)測，結(jié)合對泵送能力的計算，可預(yù)測積水排干所需的時間，為市民正常出行、泵組的統(tǒng)籌調(diào)配提供了判斷依據(jù)。

通過實時監(jiān)測和展示各橋區(qū)、河道、排水渠、排水口液位，可便于防汛指揮部門協(xié)調(diào)各方工作。

5.  結(jié)論

本文提出借助水利衛(wèi)星通信網(wǎng)、信息化、數(shù)學(xué)模型、自動控制等先進技術(shù)，實現(xiàn)對城市防汛排澇設(shè)施與河道的現(xiàn)狀、雨情、積水狀況進行實時監(jiān)測、預(yù)測。提出了城市智能防汛信息系統(tǒng)應(yīng)以移動互聯(lián)為工具進行實時監(jiān)測，以排水模型為基礎(chǔ)進行汛情預(yù)測，以防汛預(yù)案為核心進行知識管理，以大數(shù)據(jù)為手段進行數(shù)據(jù)分析，以設(shè)備管理為手段進行全局統(tǒng)籌，以移動控制為方式進行實時管控，以整體系統(tǒng)為對象進行綜合調(diào)度，以優(yōu)化控制為思路進行節(jié)能減排。在此基礎(chǔ)上建立一套集信息采集、模型預(yù)測、結(jié)果展示與輔助決策于一體的城市智能防汛信息系統(tǒng)，實現(xiàn)了城市防汛排澇管理的數(shù)字化與智能化，有效保障了市民的生命財產(chǎn)安全。

參考文獻

[i]、周玉文《構(gòu)建三套工程體系 確保城市洪澇安全》《給水排水》2011年8期P138—P140

[ii]、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部 《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》

[iii]、曹琨 葛朝霞 薛梅 宋穎玲《水電能源科學(xué)》2009年5期 P31—P33,54