0 引言

我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展帶來了城市建設(shè)的熱潮，城市建設(shè)一方面改善了人的生活品質(zhì)，但另一方面，城市建設(shè)會大幅度地改變城市的地形/地貌，混凝土鋪蓋的不透水面積不斷增加；市區(qū)面積的大幅度擴(kuò)張以及密集的房屋建筑群會減弱地表滲透的能力。地表植被和坑塘日益減少會影響降水產(chǎn)匯流條件，造成短時期地表及河道徑流量猛增，滯水及暴雨時產(chǎn)匯流時間縮短，地表持水的能力下降，從而加劇了城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害。

以深圳市為例：深圳市降水充沛，市區(qū)遭受暴雨內(nèi)澇侵害的危害比較大，根據(jù)深圳市防汛抗旱總指揮部的統(tǒng)計，深圳市的內(nèi)澇點有300個左右，受影響的區(qū)域達(dá)到230平方公里，直接影響到的居民數(shù)量達(dá)到350萬人。市區(qū)暴雨內(nèi)澇災(zāi)害不僅會對市政設(shè)施造成極大的侵害，還會對人民群眾的生命財產(chǎn)造成嚴(yán)重的威脅，更會影響到整個城市的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

城市化人為加劇了城市內(nèi)澇災(zāi)害，致使地表的持水、內(nèi)澇災(zāi)害加劇，城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)能夠為城市的洪澇災(zāi)害提供預(yù)警，減輕內(nèi)澇災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。現(xiàn)代城市中，下挖式立交通道等的大量修建如地下室、地鐵、地下車庫等一旦進(jìn)水，損失巨大。

1 城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)原理

目前，城市內(nèi)澇實時監(jiān)測系統(tǒng)的作用是暴雨發(fā)生時給出及時、準(zhǔn)確的災(zāi)害預(yù)警信息，以便于當(dāng)?shù)厥姓�部門和救災(zāi)部門采取合理地應(yīng)對措施。從技術(shù)上講城市內(nèi)澇實時監(jiān)測系統(tǒng)主要通過收集和分析暴雨強(qiáng)度、管道流量、地面匯水面積、氣象預(yù)報、管網(wǎng)容量以及徑流系數(shù)等數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)預(yù)測當(dāng)?shù)爻鞘袃?nèi)澇發(fā)生的概率、發(fā)生的時間以及發(fā)生的強(qiáng)度等等[1]。

本文所述的城市內(nèi)澇災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)主要通過城市積澇風(fēng)險、排水管網(wǎng)分析模型、積澇和積水模型，對城市排水網(wǎng)絡(luò)的排水能力和暴雨氣象的徑流進(jìn)行實時分析，通過解析函數(shù)描述來獲得城市內(nèi)澇災(zāi)害的預(yù)警信息。

2 城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)的技術(shù)特點

城市內(nèi)澇實時監(jiān)測系統(tǒng)主要功能是通過傳感器實現(xiàn)關(guān)鍵節(jié)點的水位檢測，并通過通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳回數(shù)據(jù)處理中心，通過分析軟件完成城市內(nèi)澇災(zāi)害的預(yù)警，且系統(tǒng)要考慮低功耗和低成本的因素，保證網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的可擴(kuò)展性。城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)能夠完成可靠的數(shù)據(jù)傳輸，能夠執(zhí)行全天候的數(shù)據(jù)采集。觀測節(jié)點須具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，能夠在環(huán)境惡劣的排水井/下水道工作，監(jiān)控設(shè)備需要具備防泥沙、灰塵，防水，防潮的能力。另外城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)還要具備友好的人機(jī)界面，能夠無人值守下工作，具有可靠的數(shù)據(jù)存儲功能，能夠與數(shù)據(jù)挖掘設(shè)備進(jìn)行對接等優(yōu)點[2]。

3 城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)的總體設(shè)計

城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)的總體系統(tǒng)構(gòu)成由兩部分組成：觀測節(jié)點和監(jiān)控中心。監(jiān)控中心負(fù)責(zé)收集觀測節(jié)點的所有數(shù)據(jù)，并負(fù)責(zé)觀測節(jié)點數(shù)據(jù)的分析和結(jié)果的播報，觀測節(jié)點和監(jiān)控中心通過無線通信互傳數(shù)據(jù)。城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖1所示。

圖1 城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)

觀測節(jié)點的詳細(xì)功能框圖如圖2所示，包括水位監(jiān)控模塊、無線通信模塊控制模塊、以及獨立的安全供電模塊。為了維持觀測節(jié)點的穩(wěn)定工作，還需要有低電量預(yù)警模塊等其他確保工作連續(xù)性的功能。水位監(jiān)控模塊和控制模塊需要采用低功耗單片機(jī)，本文所述的控制模塊和水位監(jiān)控模塊采用MSP430系列的C8051F985單片機(jī)作為控制器，消耗功率僅為10mW，工作電流僅為3mA，能夠降低系統(tǒng)的整體功耗[3]。

圖2 城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)觀測節(jié)點的功能框圖

4 城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 預(yù)警系統(tǒng)的通信技術(shù)

本系統(tǒng)采用GPRS工業(yè)通信模塊提供“通用分組無線業(yè)務(wù)”，該系統(tǒng)的頻率為900/1800MHz，能夠?qū)崿F(xiàn)點到點的無線通信。GPRS是第2.5代移動通信，能夠做到永遠(yuǎn)在線、是一種先進(jìn)的高速傳輸，通過異步串行接口（EIA-232）通信與監(jiān)控中心通信。雖然目前無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)基本實現(xiàn)4G，并向5G技術(shù)發(fā)展，但GPRS模塊因為信號強(qiáng)大，數(shù)據(jù)傳輸功能實時等特點，完全滿足本系統(tǒng)的工作需要。

4.2 預(yù)警系統(tǒng)的決策技術(shù)

本系統(tǒng)的預(yù)警決策體系是根據(jù)先驗知識來決定預(yù)警信息的結(jié)果，數(shù)據(jù)來源包括檢查井的水位變化、實時監(jiān)測排水井的流量，這些信息的獲得來自于城市排澇的關(guān)鍵節(jié)點安裝的監(jiān)控系統(tǒng)和水位監(jiān)測裝置。本系統(tǒng)的決策分析利用模糊邏輯實現(xiàn)決策，通過實時監(jiān)測觀測區(qū)域內(nèi)水位的變化情況，輸入量為水位及其漲速，通過分析為城市提供城市內(nèi)澇預(yù)警。

4.4 水位采集模塊技術(shù)

水位采集模塊采用液位傳感器來實現(xiàn)水位的自動測量，測量設(shè)備為PTH-RS485數(shù)字壓力變送器，該器件功耗不大于20mA，可用太陽能或蓄電池供電，采用兩級防雷設(shè)計，具有高精度、高可靠性的特點。水位測量傳感器采用低功耗設(shè)計，最高采樣速度10 次/秒，能夠做到數(shù)據(jù)實時采集，使用和安裝方便。水位測量傳感器可以通過RS485通信協(xié)議組成通信網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)⑺�位信息轉(zhuǎn)化為可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，方便計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)。

4.5 災(zāi)害預(yù)警播報技術(shù)

城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)還需要播報系統(tǒng)將氣象災(zāi)害預(yù)警信息廣播和播報，以期為政府抗災(zāi)救災(zāi)和群眾自救提供災(zāi)害預(yù)警和災(zāi)害知道信息，因此氣象災(zāi)害預(yù)警播報需要保持一直在線。本系統(tǒng)采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)帶寬傳輸，播報數(shù)據(jù)廣播和關(guān)鍵節(jié)點數(shù)據(jù)上傳免費，不受用戶資費影響等特點，可以做到氣象災(zāi)害預(yù)警隨時發(fā)布和接收信息，不受距離和位置的限制，方便人民群眾和政府及時了解實時的災(zāi)情信息。

城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)通過操作和使用接入氣象災(zāi)害預(yù)警廣播平臺，將天氣預(yù)報、地質(zhì)災(zāi)害、與本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，經(jīng)監(jiān)控中心分析后發(fā)布暴雨內(nèi)澇災(zāi)害氣象，預(yù)警廣播信息便通過無線蜂窩寬帶網(wǎng)中以免費的方式進(jìn)行播報，進(jìn)而提醒災(zāi)害影響區(qū)域內(nèi)所有人員的關(guān)注。本網(wǎng)絡(luò)采用無線移動通信網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)�轄區(qū)內(nèi)的進(jìn)行良好的信號覆蓋，能夠?qū)崿F(xiàn)將文字、數(shù)據(jù)、短信息、直接電話撥號，將接收信息與否狀態(tài)上報氣象災(zāi)害預(yù)警廣播平臺。

城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)的播報功能包括文語轉(zhuǎn)換、LED顯示、定時播、 緊急播報、播報設(shè)置、顯示設(shè)置、循環(huán)設(shè)置、次數(shù)設(shè)置、身份鑒別，避免人工惡意干擾設(shè)置、狀態(tài)監(jiān)測、外設(shè)控制以及多元文本等。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動支持氣象等信息文字轉(zhuǎn)語音廣播輸出、LED顯示文字滾動速度設(shè)置、支持?jǐn)U音機(jī)電源自動播報功能、播報不受惡意干擾、以及支持多種內(nèi)碼格式文本等功能。城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)廣播的防火墻等級較高，并適度實行核心數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)的物理隔離，最大程度地保證該系統(tǒng)運(yùn)行過程的通信安全和系統(tǒng)安全。

5 城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)的技術(shù)改進(jìn)

本文所介紹的城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)還根據(jù)觀測和系統(tǒng)集成所面臨的問題，進(jìn)行了一系列的技術(shù)改進(jìn)。其中主要的技術(shù)改針對的是觀測節(jié)點通信技術(shù)問題。

城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)觀測節(jié)點的信號衰減嚴(yán)重，主要的信號衰減來自于：（1）井蓋（介質(zhì)）等金屬對無線信號的屏蔽；（2）路面積水、高大建筑對無線信號的反射和遮蔽；（3）觀測節(jié)點大多數(shù)位于地下，信號受土壤和地下水的遮蔽；（4）道路雨水將井蓋淹沒，進(jìn)而對無線信號產(chǎn)生屏蔽。

針對以上問題，本系統(tǒng)采取了下列改進(jìn)措施：（1）井蓋底部的觀測節(jié)點與節(jié)點設(shè)備主體做成一體，天線緊貼地面以減少無線信號的衰減；（2）針對金屬井蓋、土壤以及地下水具有一定的無線電遮蔽能力，將可能被洪水完全淹沒的水位探測設(shè)備天線進(jìn)行延長，以減少惡劣天氣和探測器位置對無線信號的遮蔽和影響。

對于金屬井蓋，由于金屬對無線信號的屏蔽作用，在洪水洪水淹沒導(dǎo)致無線信號減弱，如果天線安裝于檢查井的內(nèi)壁并距離地面的一定深度，則信號衰減強(qiáng)度將進(jìn)一步增大甚至發(fā)生信號丟失。這時候可能需要考慮其他的技術(shù)改進(jìn)措施，以保證通信的暢通，比如天線外漏于地面、信號轉(zhuǎn)接、探測系統(tǒng)信號發(fā)射系統(tǒng)冗余等措施。

6 結(jié)論

城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計遵循的原則是“系統(tǒng)可靠、信號穩(wěn)定、安全保密、方便擴(kuò)展”的原則。城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害氣象預(yù)警系統(tǒng)的總體系統(tǒng)構(gòu)成由兩部分組成：觀測節(jié)點和監(jiān)控中心。監(jiān)控中心負(fù)責(zé)收集觀測節(jié)點的所有數(shù)據(jù)，并負(fù)責(zé)觀測節(jié)點數(shù)據(jù)的分析和結(jié)果的播報，觀測節(jié)點和監(jiān)控中心通過無線通信互傳數(shù)據(jù)。觀測節(jié)點包括水位監(jiān)控模塊、無線通信模塊控制模塊、獨立的安全供電模塊，無線通信模塊。本系統(tǒng)還具備獨立供電的節(jié)點，具備友好的人機(jī)界面，能夠無人值守下工作，具有可靠的數(shù)據(jù)存儲功能，能夠與數(shù)據(jù)挖掘設(shè)備進(jìn)行對接等特點，能夠為城市洪澇災(zāi)害提供準(zhǔn)確的預(yù)警信息。