“互联网+”时代下的城市智能防汛系统信息化建设
1高金华，1吕放放，2张娟，1胡俊，3谢磊，4李钢
（1北京北排水务设计研究院有限公司，北京 100038；2北京城市排水集团有限责任公司客户服务中心，北京 100068；3上海昊沧系统控制技术有限责任公司，上海 200030；4水利部水利信息中心，北京 100053）
作者简介：李钢 男，高级工程师，主要从事水利工程通信设计及应用。
摘要：根据2010年住建部对全国349个城市的内涝情况调研，2008～2010年共有289个城市发生了不同程度的内涝，占被调查城市总数的80%。面对严峻的防汛形势，除了加快防汛设施建设外，充分利用非工程措施提高现有防汛设施的利用效率、合理配置防汛资源也是城市防汛的另一条出路。2014年11月，住房城乡建设部出台了《海绵城市建设技术指南》中明确指出城市防汛应通过工程措施与非工程措施并举来保障。本文追根溯源，深度分析城市内涝成因，并借助水利卫星通信网和大数据、云平台等新兴计算机技术探索出一条以把握全局形势为前提，科学分析为基础，实现人员快速响应、防汛物资高效调配的城市智能防汛之路。本次探索旨在充分利用现有防汛设施的基础上，研究城市智能防汛，为防汛部门提供完善的信息服务、暴雨预测、洪水预报及风险分析、灾情评估、决策支持，从而实现防汛预警减灾一体化，提高防汛决策指挥调度水平，并为防汛设施的建设与维护提供信息支撑及科学指导。
关键词：城市内涝 城市智能防汛
1 引言
城市内涝是指由于强降水或连续性降水超过城市排水能力，致使城市内产生积水灾害的现象［1］。城市内涝作为一种严重的城市灾害，轻则影响正常的公众生活，重则威胁公众生命财产安全。
面对严峻的城市内涝问题，2013年12月，习近平总书记在中央城镇化工作会议要求“建设自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市”；2014年11月，住房城乡建设部出台了《海绵城市建设技术指南》，提出应综合采用工程措施和信息技术手段等非工程措施来保障城市防汛，减少城市内涝的危害［2］。因此，除了充分利用、改扩建现有防汛设施之外，建设城市智能防汛信息系统，运用信息与通讯技术高效完成防汛、排涝任务是城市防汛的重要课题。
本文将对信息与通信技术（I&CT，Information&Communication Technology）在建设城市智能防汛系统领域的实践和应用进行探索。
2 内涝成因
特大暴雨频发等气象因素，防汛工程建设滞后，非工程措施不完善是造成城市内涝三大主要原因。
随着中国城市化进程的不断加快，城市中高楼不断增多，使得城市空气循环不畅形成城市热岛。热岛环流使市区内的上升气流加强，城区空气中含有较多的凝结核，促进降雨的形成。同时由于城市的下垫面粗糙度大，使得降水雨系减慢，延长城区降水时间，形成“城市雨岛”［3］。故在降雨时，城市相比农村更容易形成持续时间长、降雨强度大的极端降水。
城市化过程中硬化路面和建筑物的面积不断扩大，原有生态系统植被面积不断减小，使得地表径流系数增大、产流量加大、汇流时间缩短。此外，由于经济水平的限制，我国城市建设长期以来“重地上轻地下”，对地下排水设施建设的重视不够，地下排水设施建设速度与城市发展的速度一直不能相互匹配；而且地下排水设施维护不及时，从而导致城市排水设施不完善以及排水管网布置不合理，难以满足城市防汛的要求。
由于市政积水监测站点覆盖不健全，信息传递不及时等客观因素的制约，相关部门难以及时把握城市内涝产生、发展的具体情况，不利于及时发布预警信息，经常出现诸如“内涝形成后预警信息却尚未发出”、“积水退去后防汛警报还未解除”的尴尬局面。另一方面，防汛物资和防汛力量无法及时有效地分配和部署，使得城市防汛排涝的效率不能达到最佳状态。我国城市防汛业务多种管理模式并存，有的城市防汛业务划归水利部门，有的划归城建部门，有的划归市政部门，有的由水利部门和城建部门共管。在这种情况下，很难建立统一的信息共享平台，从而使防汛应急响应的统一调度难以有效进行。部分城市难以达到防汛抢险的应急保障要求。应急预案对通信、信息、供电、运输、物资设备、抢险队伍等各项保障措施职责分工不够明确，严重影响防汛工作的应急处置效率。
3 城市智能防汛信息系统
智能防汛信息系统应充分利用信息与通信技术，以移动互联为工具进行实时监测，及时掌握雨情与汛情，准确获悉河湖水位，实时监测防汛设备与设施运行状态，实现“洞察”；以区域排水模型为基础进行汛情预测，结合区域地形地貌及其高程数据、河湖水位、降雨数据，通过区域排水模型对可能的积水敏感点进行预测，将预测结果用于辅助决策；在智能防汛信息系统中应提前预设多种防汛调度预案，在出现突发或紧急事件时，可根据具体雨情和汛情，激活与采用相应的应急预案，实施防汛科学调度，应急预案的管理是防汛信息系统的重要方面，可以以应急预案的管理为核心来组织整个防汛工作的知识管理；以设备管理为手段进行全局统筹，设备（及设施）是防汛工作的重要工具，设备的正常运行是确保防汛工作能顺利展开的基础，所以必须以设备管理为基础来统筹防汛事务；为了迅速响应现场突发情况，保证防汛指令的下达准确、高效，可运用互联网及通信技术，以移动控制为方式进行实时管控；就整体防汛工作而言，不能仅仅局限于管网、泵站与积水敏感点，而应该将上下游河道、湖泊等考虑在内，以系统化的思维来组织防汛工作，亦即以系统为对象进行综合调度；在防汛工作当中，特别是在泵站运行中，也需要根据积水量优化泵组的运行，同时在汛期中也可以根据排水量以及污水厂的运行处理能力合理调度水量，从而以优化控制为思路进行节能减排；以大量的防汛数据积累及分析为手段，积累对不同雨情汛情的应对策略，可以为之后的防汛工作积累坚实的数据基础，即以大数据为抓手实现数据分析。
下面将详细介绍数据采集传输的方式、数据分析展示以及辅助决策等模块。
3.1 数据采集传输系统
在防汛系统中，有很多设备仪表所处环境较为恶劣，不具备有线通信条件，这种情况下需要以移动互联为工具，通过GPRS、3G、4G以及卫星通信等方式向防汛指挥中心传输各类雨情、汛情、防汛设备仪表数据，实现实时监测。由于极端天气、特大雨情、自然灾害可能造成公网通信和常规通信手段失效，而卫星通信具有覆盖范围广、组网机动灵活、抗水毁能力强、不受地面通信管网限制、不受限于公网通信制约的独特优点，在传递雨情、汛情数据方面稳定可靠，让防汛指挥部门实时了解雨情汛情，有效组织和实施防汛指挥和抢险救援，可作为解决防汛信息传输和应急抢险机动通信的主要手段，也可作为地面通信网的重要补充和备份通信手段，是智能防汛系统获取可靠、有效信息的来源和保障，如图1所示。
图1 数据采集传输系统示意图
水利卫星通信网是由水利部水利信息中心负责规划设计和建设运维的通信网络，由水利卫星通信资源和远端地球站构成，目前采用亚洲五号卫星Ku波段转发器资源，增设了抗雨衰能力好的C波段转发器资源。其中采用了美国Idirect公司的DVB-S2系统，适用于水利信息传输，尤其适合水文测报、应急通信、数据广播、互联网接入、视频监视等业务的应用。
3.2 数据分析展示系统
在“互联网+”时代下，数据的价值越来越被人们重视。防汛过程中产生了大量的数据，通过对这些数据的长期积累和分析，对城市防汛有着很大的帮助。以大数据为手段对雨情、汛情、泵站运行、桥区液位等数据进行分析展示，以响应城市防汛应体现工程措施与非工程措施并举的要求。
如图2所示，汛情分析功能利用实际降雨和预测降雨，通过在线模型模拟预测将易发生积水的地区、积水发生的时间以及积水持续的时间，为防汛部门制定各种应急措施提供参考，提升城市的防汛应急管理水平；另一方面根据实时积水预报信息，进一步分析积水产生的原因，制定排水管网系统中的堰、泵和闸门的最佳运行方案。针对各桥区进行场积水分析、积水历时均值分析、积水频率分析，并显示各桥区的积水对比分析图，可让防汛指挥人员清楚了解到当前降雨的严重程度，便于及时、合理、高效调配调度防汛设备及物资，确保将降雨对人民群众生命财产安全的影响降到最低。
图2 汛情分析效果截图
3.3 辅助决策系统
如图3所示，以防汛预案为核心进行知识管理。智能防汛系统把各雨水泵站地理位置，各个雨水泵站的收水能力等信息进行系统分析和长期统计，结合气象数据及历史雨量分析，生成多种调度预案并保存。通过气象资料与降雨模式的匹配，与调度预案库中所有调度预案进行综合匹配并输出最适合当前降雨模式的最佳调度方案，自动生成辅助决策报告，辅助防汛中心决策。
以设备管理为手段进行全局统筹，引入资产生命周期管理理念，对泵站、闸门、仪表的仪器仪表建立完善的设备设施档案信息，定期巡检、规范养护流程，全面建立以设备设施为中心的闭环管理机制，降低防汛设备的故障率。此外在防汛设备的管理中应该引入管控一体化如点检计划管理、保养计划管理等预防性维护，实现从计划、执行、反馈记录到维护工作流关闭的全流程、全生命周期跟踪管理。最终实现提高防汛设备设施完好率，实现经济效益和社会效益的最大化。
以移动控制为方式，运用互联网及通信技术进行实时管控，保证防汛指令的下达准确并高效，依托云技术、自动化控制技术、传感器技术，实现防汛设备设施的远程控制，初步实现防汛设备设施的少人甚至无人值守，降低城市防汛人员不足带来的影响防汛指令响应欠及时的问题。
图3 防汛辅助调度逻辑图
图4 城市防汛整体系统图
如图4所示，以整体系统为对象进行综合调度，在水资源可持续发展的原则之上，实施雨水管理和雨水资源的优化配置。以泵站、下游受纳水体、调蓄池、管网、汇水区域等构成的整体系统为对象，将河流、泵站液位、气象信息、模型信息、地理信息等全部纳入城市智能防汛系统，实现信息的全面共享和全局把控。实现将污染物含量高的雨水汇集到调蓄池，并在汛期后抽送至污水处理厂处理；将满足受纳水体排放要求的雨水直接排入河道或水体中，通过优化调度，实现雨水资源的优化配置。
以优化控制为思路进行节能减排，优化管网设计，减少水头损失；根据实际情况，科学、智能调节水泵等防汛设备的运行参数，降低电耗；根据降雨量大小，智能分析最优开泵组合，以最小的能耗完成泵送任务，将节能降耗落到实处。根据降雨的水质来确定雨水最终的排放去向。
4 城市防汛实践
在城市智能防汛实践中，最理想的情况是在城市的重点地区及易积水区域都部署相应的雨量监测设备，将采集到的数据全部接入智能防汛信息系统中进行展示、分析，为辅助决策调度提供参考依据。但由于城市重点地区及易积水点的划定需要长期摸索加之城市由于飞速发展产生的地形地貌改变，短时间内难以在城市所有重点地区及易积水区域都部署雨量监测设备。故选择汛期中最容易积水的下凹桥区、地势较低的河道以及重要排涝泵站作为监测关键点，通过对部署在以上关键点监测设备采集到的数据进行积累、分析，反应易积水点周边的雨情、汛情，及时准确做出响应，并通过历史数据的积累，将防汛调度方案逐步运用到其他相似的雨情、汛情中，为现阶段城市智能防汛的展开提供了可行之路。
以“洞察，深知，笃行”为核心理念，在国内某城市建立的智能防汛调度系统，为当地防汛指挥部门提供了雨情和积水预测、风险评估、调度决策等一系列智能化的防汛辅助决策手段，最终实现防汛管理水平、防汛事件处置效率的提高，保证了城镇基础排水设施建设资金的有效投入。
下面通过智能防汛系统的若干应用实例，简要说明智能化技术在城市防汛中实践中的应用：
图5为某桥区的实时监测效果界面，通过模型预测其下凹桥区的积水深度，可以为交通部门决定是否限制道路通行提供判断依据，保障市民的人身财产安全。
图5 实时积水效果监测图
图6 剩余泵送能力图
如图6所示，通过对河道积水深度、积水量的预测，结合对泵送能力的计算，可预测积水排干所需的时间，为市民正常出行、泵组的统筹调配提供了判断依据。
通过实时监测和展示各桥区、河道、排水渠、排水口液位，可便于防汛指挥部门协调各方工作。
5 结论
本文提出借助水利卫星通信网、信息化、数学模型、自动控制等先进技术，实现对城市防汛排涝设施与河道的现状、雨情、积水状况进行实时监测、预测。提出了城市智能防汛信息系统应以移动互联为工具进行实时监测，以排水模型为基础进行汛情预测，以防汛预案为核心进行知识管理，以大数据为手段进行数据分析，以设备管理为手段进行全局统筹，以移动控制为方式进行实时管控，以整体系统为对象进行综合调度，以优化控制为思路进行节能减排。在此基础上建立一套集信息采集、模型预测、结果展示与辅助决策于一体的城市智能防汛信息系统，实现了城市防汛排涝管理的数字化与智能化，有效保障了市民的生命财产安全。
参考文献
［1］ 周玉文.构建三套工程体系 确保城市洪涝安全.给水排水，2011,8.P138-P140.