都市淹水感知器實戰驗證與淹水預警資料開放資訊室、水利規劃試驗所

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  發刊期數:第0453期/ 發布日期:2021/09/17

都市淹水感知器實戰驗證與淹水預警資料開放_pic

一個橫跨20年的夢想

試想,在傾盆大雨的上班途中,車上導航系統自動引導駕駛迴避淹水路段。智慧防災系統自動建議移動式抽水機部署地點、數量,以及預告解除淹水的時間。購屋看房,快速查詢歷年淹水次數與詳盡記載。店家購買淹水保險,於遭受洪災損失時獲得補償。水利工程師,透過詳盡的淹水歷史紀錄,進行更精準的防洪規劃。黑客松參賽者,使用二維淹水開放資料,完成行動淹水警報小幫手。

實現以上的情境,需整合前端即時淹水觀測,穩定物聯網通訊,高速雲端資料處理及淹水模式運算,進而精準、快速即時產製二維淹水範圍圖資,這一步,走了20年。

難以跨越的難題

水利署過去20幾年來,持續嘗試使用新模型,新演算法,期以建立更快速、更精準的淹水預報,從早期的機率模型,物理模型,至近期的物理模式配合人工智慧演算,持續提升預報準確度與空間解析度,並縮短預警產出的時間,但仍缺乏連續性實際淹水觀測資料以詳盡驗證各模式的良窳,僅能透過災中人工回報、災後訪談、洪痕尺等間接資料,進行粗略驗證。然而,有效驗證模式仍是一道難以跨越的難題。

契機 - 物聯網、雲端運算時代來臨

104年竹科MG+4C垂直整合研發計畫中,整合微型感測、物聯網通訊、邊緣運算以及雲端運算等技術,研發出臺灣第一支都市淹水感知器,並於105年臺南市安南區進行無償實驗性佈建,成功捕捉0611豪雨事件,完整呈現淹水歷線,成功開啟都市淹水感知器回饋校正淹水模式的契機。

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此研發計畫的成功,吸引日本、泰國等學研、防災單位相繼參訪,並成功擴散到亞洲各國。而部署都市淹水感知器的概念,亦納入水利署前瞻計畫,達成驗證模式的第一塊拼圖。

巨量資料,何去何從?

沒有妥善整理的資料,是無法使用的,在建立都市淹水感知器的同時,需同步建立一個開放、高速、動態與垂直強化功能的雲端作業系統。

前瞻數位建設計畫於納入民生公共物聯網,收集並開放水資源、空氣、地震、防救災四大主題資料,其中水資源資料是最具挑戰的。水資源機關包括水利署行政體系內的河川局、水資源局,體系外的縣市政府、農田水利署、氣象局、營建署、自來水公司等,水資源物理量種類高達幾百種,所需介接的資料庫與通訊協定種類數量更是難以計算。對於規劃此雲端作業系統的水利署來說,幾乎是完成不可能的任務。

水資源物聯網平台(簡稱IoW)-因應而生。

萬丈高樓平地起,勿在浮沙築高台

水資源物聯網,屬於超大型資訊系統開發,需要建置堅實的基礎工程,才能持續開發各種應用,且不需大幅修改底層結構,歷經開發團隊逐年縝密的規劃與實作,雲端資訊技術已臻於成熟,包括分散式運算、MQTTs,LoRaWAN、NB-IoT、CAT-M1、Web API、Sensorthings、Docker、Tensorflow、Reverse Proxy、Micro service、時間序列資料庫、OData、NetCDF、Time Series Analysis,AI 演算法、DDD…等。系統運作至今,可即時處理近5萬筆感測資料讀寫,每日接收近千萬次來自外部各系統與感測器的存取,仍然游刃有餘,面對各單位持續的需求變動,也都能夠即時進行調整並進行功能擴充。

  • 圖 1-1水資源物聯網平台(IoW)每日存取量統計情形圖 1-1水資源物聯網平台(IoW)每日存取量統計情形

淹水模式整合

過往各縣市政府、水利署防災中心、河川局水利規劃試驗所、各大學以及NCDR都曾開發符合自己需求的淹水預報模式,但缺乏可供大眾或其他單位讀取與應用的開放資料介接標準及介面。

水利規劃試驗所,至今已經完成臺北、新北、基隆、宜蘭、桃園、新竹、苗栗、臺中、彰化、雲林、嘉義、臺南、高雄、屏東等行政區域的即時二維淹水模式演算,透過分散式處理,並整合QPESUMS及全臺灣1400餘組即時淹水感知器資料,全天候每小時產出當下及未來6小時的預報結果,為目前臺灣二維淹水模擬涵蓋面積最大,使用物理模式產出最快速的系統。但此系統要轉型為可以接收大量使用者存取的穩定系統,需要全面重新設計,曠日廢時且所費不貲。

因此,透過水資源物聯網所打下的基礎,110年首度將水利規劃試驗所的淹水模擬系統,整合至水資源物聯網平台,將即時淹水感測資料與淹水預報成果,透過水資源物聯網,以開放資料圖層方式,分享給其他水利單位。

水資源物聯網平台全時同步介接氣象局即時與預報網格資料,供淹水模擬系統使用。除此之外,透過平台預先建置的大型資料倉儲系統(S3),將前述每小時淹水模擬成果以及雨量網格資料,完整且永久保存,並提供事件調閱及打包功能,未來可於水資源物聯網平台,快速取得任一颱洪事件之二維淹水歷程、二維降雨歷程,以及全臺灣所有都市淹水感知器淹水事件歷程。

最後一哩–應用、應用、應用

淹水模擬圖層與淹水感知器即時資料的產製與開放,是實現這個20年夢想的起點而不是終點,最後一哩的應用系統,也許會是某個新創團隊的創意,也許是導航公司的產品,或是產險公司的保單,但成就這一切的關鍵基礎,卻是在背後默默運行的水資源物聯網,未來此系統將成為民生公共物聯網不可或缺的一環,水利署IoW團隊亦將隨應用端的需求,持續調整並精進IoW的能力。

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