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

普大喜奔！

我司撰寫的《“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)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(shí)踐，具有學(xué)術(shù)參考價(jià)值， 經(jīng)《水利建設(shè)與管理優(yōu)秀論文集》編委會(huì)評(píng)審錄用于此論文集中。中國(guó)水利水電出版社是中國(guó)水利水電出版社水利部直屬的中央一級(jí)專業(yè)科技出版社，出版了大量?jī)?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(shí)、培養(yǎng)水利水電科技人才作出了重要的貢獻(xiàn)。

下面就讓我們先睹為快吧！

“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)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(jì)研究院有限公司，北京 100124；2.北京城市排水集團(tuán)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(duì)全國(guó)349個(gè)城市的內(nèi)澇情況調(diào)研，2008-2010年共有289個(gè)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(duì)嚴(yán)峻的防汛形勢(shì)，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(tái)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(guò)工程措施與非工程措施并舉來(lái)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(tái)等新興計(jì)算機(jī)技術(shù)探索出一條以把握全局形勢(shì)為前提，科學(xué)分析為基礎(chǔ)，實(shí)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(cè)、洪水預(yù)報(bào)及風(fēng)險(xiǎn)分析、災(zāi)情評(píng)估、決策支持，從而實(shí)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(hù)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(qiáng)降水或連續(xù)性降水超過(guò)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(yán)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(cái)產(chǎn)安全。

面對(duì)嚴(yán)峻的城市內(nèi)澇問(wèn)題，2013年12月，習(xí)近平總書記在中央城鎮(zhèn)化工作會(huì)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(tái)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(lái)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(kuò)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(yùn)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(duì)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(shí)踐和應(yīng)用進(jìn)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(guó)城市化進(jìn)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(qiáng)，城區(qū)空氣中含有較多的凝結(jié)核，促進(jìn)降雨的形成。同時(shí)由于城市的下墊面粗糙度大，使得降水雨系減慢，延長(zhǎng)城區(qū)降水時(shí)間，形成“城市雨島”^[iii]。故在降雨時(shí)，城市相比農(nóng)村更容易形成持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、降雨強(qiáng)度大的極端降水。

城市化過(guò)程中硬化路面和建筑物的面積不斷擴(kuò)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(shí)間縮短。此外,由于經(jīng)濟(jì)水平的限制，我國(guó)城市建設(shè)長(zhǎng)期以來(lái)“重地上輕地下”,對(duì)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(hù)不及時(shí)，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(cè)站點(diǎn)覆蓋不健全，信息傳遞不及時(shí)等客觀因素的制約，相關(guān)部門難以及時(shí)把握城市內(nèi)澇產(chǎn)生、發(fā)展的具體情況，不利于及時(shí)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(bào)還未解除”的尷尬局面。另一方面，防汛物資和防汛力量無(wú)法及時(shí)有效地分配和部署，使得城市防汛排澇的效率不能達(dá)到最佳狀態(tài)。我國(guó)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(tái)，從而使防汛應(yīng)急響應(yīng)的統(tǒng)一調(diào)度難以有效進(jìn)行。部分城市難以達(dá)到防汛搶險(xiǎn)的應(yīng)急保障要求。應(yīng)急預(yù)案對(duì)通信、信息、供電、運(yùn)輸、物資設(shè)備、搶險(xiǎn)隊(duì)伍等各項(xiàng)保障措施職責(zé)分工不夠明確，嚴(yán)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(dòng)互聯(lián)為工具進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握雨情與汛情，準(zhǔn)確獲悉河湖水位，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)防汛設(shè)備與設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)“洞察”；以區(qū)域排水模型為基礎(chǔ)進(jìn)行汛情預(yù)測(cè)，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(guò)區(qū)域排水模型對(duì)可能的積水敏感點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，將預(yù)測(cè)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(shí)，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(shí)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(lái)組織整個(gè)防汛工作的知識(shí)管理；以設(shè)備管理為手段進(jìn)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(yùn)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(lái)統(tǒng)籌防汛事務(wù)；為了迅速響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)突發(fā)情況，保證防汛指令的下達(dá)準(zhǔn)確、高效，可運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)及通訊技術(shù)，以移動(dòng)控制為方式進(jìn)行實(shí)時(shí)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(diǎn)，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(lái)組織防汛工作，亦即以系統(tǒng)為對(duì)象進(jìn)行綜合調(diào)度；在防汛工作當(dāng)中，特別是在泵站運(yùn)行中，也需要根據(jù)積水量?jī)?yōu)化泵組的運(yùn)行，同時(shí)在汛期中也可以根據(jù)排水量以及污水廠的運(yùn)行處理能力合理調(diào)度水量，從而以優(yōu)化控制為思路進(jìn)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(duì)不同雨情汛情的應(yīng)對(duì)策略，可以為之后的防汛工作積累堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，即以大數(shù)據(jù)為抓手實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析。

下面將詳細(xì)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(dòng)互聯(lián)為工具，通過(guò)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。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(jī)動(dòng)靈活、抗水毀能力強(qiáng)、不受地面通信管網(wǎng)限制、不受限于公網(wǎng)通信制約的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，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(shí)時(shí)了解雨情汛情，有效組織和實(shí)施防汛指揮和搶險(xiǎn)救援，可作為解決防汛信息傳輸和應(yīng)急搶險(xiǎn)機(jī)動(dòng)通信的主要手段，也可作為地面通信網(wǎng)的重要補(bǔ)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(lái)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(fù)責(zé)規(guī)劃設(shè)計(jì)和建設(shè)運(yùn)維的通訊網(wǎng)絡(luò)，由水利衛(wèi)星通信資源和遠(yuǎn)端地球站構(gòu)成，目前采用亞洲五號(hào)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(guó)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(cè)報(bào)、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(shí)代下，數(shù)據(jù)的價(jià)值越來(lái)越被人們重視。防汛過(guò)程中產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期積累和分析，對(duì)城市防汛有著很大的幫助。以大數(shù)據(jù)為手段對(duì)雨情、汛情、泵站運(yùn)行、橋區(qū)液位等數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)際降雨和預(yù)測(cè)降雨，通過(guò)在線模型模擬預(yù)測(cè)將易發(fā)生積水的地區(qū)、積水發(fā)生的時(shí)間以及積水持續(xù)的時(shí)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(shí)時(shí)積水預(yù)報(bào)信息，進(jìn)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(yùn)行方案。針對(duì)各橋區(qū)進(jìn)行場(chǎng)積水分析、積水歷時(shí)均值分析、積水頻率分析，并顯示各橋區(qū)的積水對(duì)比分析圖，可讓防汛指揮人員清楚了解到當(dāng)前降雨的嚴(yán)重程度，便于及時(shí)、合理、高效調(diào)配調(diào)度防汛設(shè)備及物資，確保將降雨對(duì)人民群眾生命財(cái)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(jìn)行知識(shí)管理。智能防汛系統(tǒng)把各雨水泵站地理位置，各個(gè)雨水泵站的收水能力等信息進(jìn)行系統(tǒng)分析和長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)，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(guò)氣象資料與降雨模式的匹配，與調(diào)度預(yù)案庫(kù)中所有調(diào)度預(yù)案進(jìn)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(dòng)生成輔助決策報(bào)告，輔助防汛中心決策。

以設(shè)備管理為手段進(jìn)行全局統(tǒng)籌，引入資產(chǎn)生命周期管理理念，對(duì)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(hù)流程，全面建立以設(shè)備設(shè)施為中心的閉環(huán)管理機(jī)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(diǎn)檢計(jì)劃管理、保養(yǎng)計(jì)劃管理等預(yù)防性維護(hù)，實(shí)現(xiàn)從計(jì)劃、執(zhí)行、反饋記錄到維護(hù)工作流關(guān)閉的全流程、全生命周期跟蹤管理。最終實(shí)現(xiàn)提高防汛設(shè)備設(shè)施完好率，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的最大化。

以移動(dòng)控制為方式，運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)及通訊技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)管控，保證防汛指令的下達(dá)準(zhǔn)確并高效，依托云技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)防汛設(shè)備設(shè)施的遠(yuǎn)程控制，初步實(shí)現(xiàn)防汛設(shè)備設(shè)施的少人甚至無(wú)人值守，降低城市防汛人員不足帶來(lái)的影響防汛指令響應(yīng)欠及時(shí)的問(wèn)題。

如圖5所示，以整體系統(tǒng)為對(duì)象進(jìn)行綜合調(diào)度，在水資源可持續(xù)發(fā)展的原則之上，實(shí)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(duì)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(shí)現(xiàn)信息的全面共享和全局把控。實(shí)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(guò)優(yōu)化調(diào)度，實(shí)現(xiàn)雨水資源的優(yōu)化配置。

以優(yōu)化控制為思路進(jìn)行節(jié)能減排，優(yōu)化管網(wǎng)設(shè)計(jì)，減少水頭損失；根據(jù)實(shí)際情況，科學(xué)、智能調(diào)節(jié)水泵等防汛設(shè)備的運(yùn)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(shí)處。根據(jù)降雨的水質(zhì)來(lái)確定雨水最終的排放去向。

4.  城市防汛實(shí)踐

在城市智能防汛實(shí)踐中，最理想的情況是在城市的重點(diǎn)地區(qū)及易積水區(qū)域都部署相應(yīng)的雨量監(jiān)測(cè)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(jìn)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(diǎn)地區(qū)及易積水點(diǎn)的劃定需要長(zhǎng)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(shí)間內(nèi)難以在城市所有重點(diǎn)地區(qū)及易積水區(qū)域都部署雨量監(jiān)測(cè)設(shè)備。故選擇汛期中最容易積水的下凹橋區(qū)、地勢(shì)較低的河道以及重要排澇泵站作為監(jiān)測(cè)關(guān)鍵點(diǎn)，通過(guò)對(duì)部署在以上關(guān)鍵點(diǎn)監(jiān)測(cè)設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行積累、分析，反應(yīng)易積水點(diǎn)周邊的雨情、汛情，及時(shí)準(zhǔn)確做出響應(yīng)，并通過(guò)歷史數(shù)據(jù)的積累，將防汛調(diào)度方案逐步運(yùn)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(guó)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(cè)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(shí)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(guò)智能防汛系統(tǒng)的若干應(yīng)用實(shí)例，簡(jiǎn)要說(shuō)明智能化技術(shù)在城市防汛中實(shí)踐中的應(yīng)用：

圖6 實(shí)時(shí)積水監(jiān)測(cè)圖

圖6為某橋區(qū)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面，通過(guò)模型預(yù)測(cè)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(cái)產(chǎn)安全。

圖7 剩余泵送能力圖

如圖7所示，通過(guò)對(duì)河道積水深度、積水量的預(yù)測(cè)，結(jié)合對(duì)泵送能力的計(jì)算，可預(yù)測(cè)積水排干所需的時(shí)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(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(dòng)控制等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市防汛排澇設(shè)施與河道的現(xiàn)狀、雨情、積水狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)。提出了城市智能防汛信息系統(tǒng)應(yīng)以移動(dòng)互聯(lián)為工具進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以排水模型為基礎(chǔ)進(jìn)行汛情預(yù)測(cè)，以防汛預(yù)案為核心進(jìn)行知識(shí)管理，以大數(shù)據(jù)為手段進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以設(shè)備管理為手段進(jìn)行全局統(tǒng)籌，以移動(dòng)控制為方式進(jìn)行實(shí)時(shí)管控，以整體系統(tǒng)為對(duì)象進(jìn)行綜合調(diào)度，以優(yōu)化控制為思路進(jìn)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(cè)、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(shí)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(cái)產(chǎn)安全。

參考文獻(xiàn)

[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