城市内涝预警系统方案

城市涝预警系统方案
市宝安区污水设施管理中心
工业大学研究生院
2013-03-20
目录
一、研究背景 (3)
（一）城市涝（waterlogging） (3)
（二）预警系统 (4)
二、技术路线 (4)
（一）功能描述 (4)
（二）总体设计 (5)
三、关键技术 (9)
四、经费预算 (11)
五、项目实施工作计划 (12)
一、研究背景
（一）城市涝（waterlogging）
属亚热带海洋性气候，雨量充沛。

据三防部门介绍，市有260多处涝点，涝面积180多平方公里，影响人口约280万人。

城市涝频发，不仅对居民生命财产安全造成威胁，也严重影响城市的正常运转（见图1）。

图1 城市涝破坏交通
在经济高速发展时期，人类活动对城市涝灾害的影响日趋显著。

首先城市化改变了城市的地形/地貌，进而影响降水产汇流条件。

随着市区的扩，房屋建筑更加密集，混凝土铺盖的不透水面积不断增加，而地表植被和坑塘日益减少，致使地表的持水、滞水及渗透能力减弱。

暴雨时产汇流时间缩短，地表及河道径流量猛增，涝灾害加剧[1,2]。

同时，城市空间立体开发。

如地下室、地下停车场、地铁、道路的下挖式立交通道等的大量修建，一旦进水积涝，其损失也是巨大。

（二）预警系统
目前，城市尚无专门的涝实时监测系统，暴雨发生时往往不能给出及时、准确涝情况，难以采取合理地应对措施。

从技术上讲，对既定的城市排水网络，可用明确的解析函数描述:城市涝区域的积水模型;积涝模型，涉及的参数包括管道流量、暴雨强度、汇水面积、径流系数等[2,3]；城市积涝风险分析模型[5]。

城市涝可以实时测量并预警。

本案提出的涝预警系统设计，根据先验知识实时监测涝灾害最直观的表现因素-排水井/检查井（manhole）的水位变化。

在关键节点安装水位监测装置，并与监控系统通信，实时监测观测区域水位的变化情况，并根据模糊逻辑为工作人员提供预警决策。

二、技术路线
（一）功能描述
针对实际问题，城市涝预警系统应具备如下指标：
（1）实时水位监控
水位监测是本系统应要求的主要功能。

要求该系统能够快速有效地实现关键节点的水位检测，并通过无线通信完成可靠的数据传输。

（2）低功耗
本试验系统的观测节点可以采用两种方式供电：（a）直接利用下水井周边市电；（b）拟采用小型蓄电池配合太阳能电池独立供电。

无
论采用哪种供电方式，低功耗都是系统的考虑要素。

（3）低成本
考虑到一个实用的监测系统必然是一个大规模的城市网络，只有控制观测节点的成本才能保证网络构建的可扩展性。

（4）良好的环境适应性
排水井/下水道环境恶劣，这就要求观测节点须具有良好的环境适应性，基本的环境适应性指标包括：
-防泥沙、灰尘，防水，防潮
（5）应用方便
监控中心（如图2所示）具有友好的人机界面，监控软件：A、能够近实时绘制排水井水位曲线；B、能够根据用户需要查询任意节点任意时间段的水位监测数据，为数据分析和挖掘提供可靠的数据支持。

（二）总体设计
（1）系统构成
整个系统由两大部分组成：监控中心和位于现场的一系列观测节点。

监控中心：如图2（a）所示，负责现场监测的所有观测节点。

监控中心与观测节点之间通过GPRS的无线无线通信互传数据。

图2（b）为监控软件的模拟图，主要功能是为工作人员提供一目了然的水位、涨速以及预警系数（预警级别）。

观观观观
观观观观
观观观观观观观观……
图2（a）系统总体构成
图2 （b）软件功能模拟图
（2）观测节点
观测节点：如图3所示，主要包括三部分：低功耗控制器、水位采集模块和通信模块。

此外，为了维持观测节点的稳定工作，微控制器还要执行一些其他辅助功能，例如，对于独立供电的节点，需要检测蓄电池的电量，并在低电量时向监控中心发出低电量警告。

为了尽可能降低系统功耗，采用如下措施：
A、观测节点采用低功耗单片机，如MSP430系列或C8051F的低功
耗系列单片机，如C8051F985在20MHz 时钟工作时电流仅为3mA ，消耗功率10mW 。

B 、根据水位变化率调节观测节点的工作能耗：
-水位变化率小，采用较长时间间隔观测水位，如每1分钟或每5分钟观测一次。

-水位变化率较大时，实时观测，适时预警。

观测节点的详细功能框图如图7所示。

系统基本组件包括：蓄电池、微控制器、水位测量模块、GPRS 通信模块。

图3 观测节点的功能框图
（3）预警决策：
利用模糊逻辑实现决策，输入量为水位及其涨速，输出量为预警级别。

预警级别具体表征观测节点处发生溢水的可能性。

表1 利用模糊逻辑计算预警级别
负低低低中中
低低低中高高
中低中中高高
高中中高高高
（4）水位采集模块
水位采集模块要完成水位测量以及水位信息转化为可传输的数据。

本项目采用液位传感器来实现水位的自动测量。

液位传感器采用PTH-RS485数字压力变送器技术实现，具有高精度、高可靠性、使用和安装方便等特点。

同时，传感器采用低功耗、宽电压设计。

在不进行数字通讯的情况下，功耗不大于20mA 。

电压围是直流7VDC～24VDC。

既可用太阳能或蓄电池供电，也可以采用工业现场的24VDC 供电或市电220VAC带变压器供电，两级防雷设计，提高了产品的防雷能力。

传感器的通信采用RS485 通信协议，半双工工作方式，最高通讯速率57600BPS 。

采用简单的ASCII 码命令格式，方便使用。

最高采样速度10 次/秒。

该传感器可以通过RS485 总线组成双绞线网络，用GPRS模块发射，只要您在能上网络的地方，就可以随时随地读取传感器返回来的数据，特别适用于计算机控制系统中。

图4 液位传感器模块
（5）通信模块
本系统采用GPRS工业通信模块实现点到点、点到Internet间的通信。

GPRS(General Packet Radio Service)指“通用分组无线业务”，它是第2.5代移动通信，是GSM向3G过渡的一个协议；同GSM手机工作频率一样，GPRS模块频率也为900/1800MHz。

GPRS作为一种先进的、全新的无线网络承载手段，主要提升无线通讯的数据通信服务，并且具有永远在线、按通信流量计费、话音和数据业务自如切换、高速传输等特点。

GPRS模块（GPRS Logger）通过异步串行接口（EIA-232）与控制器通信，使用SIM卡实现与监控中心的短消息通信（本系统不使用语音通信），SIM卡同时也是该观测节点的身份标识。

图5为GPRS通信模块及其完整外围电路板，后者包括电源、电平转换，SIM卡接口，通信接口等外围电路（详见图3）。

图5 GPRS通信模块及其完整外围电路板
三、关键技术
由于观测节点所处位置的特殊性，保证稳定的GPRS通信是首要
的关键问题。

GPRS通信主要受两方面因素的制约：A、井盖（介质）对无线信号的衰减；B、井盖周围环境的影响，例如路面积水、高大建筑物。

观测节点的安装方式有两种，一种是安装在井盖底部，如图7所示，该方式的优点在于，可将天线与节点设备主体做成一体，结构紧凑，由于天线紧贴地面，故信号强度更大，缺点是需要在即有井盖上安装紧固装置（如螺栓），会影响原有的井盖强度。

另一种将观测节点固定于排水井侧壁上，如图8所示，该方式的优点在于，可将观测节点的设备主体进行牢固固定，有效避免来自井盖的震动，安全性也更好；缺点是需要将通信天线与主体分离连接，设备拆装维护稍有不便。

由于GPRS信号具有较强的穿透能力，对于厚度约为10cm的非金属井盖，理论上完全可以实现与外界通信，但信号衰减强度量尚需现场测量。

对于金属井盖，由于金属对无线信号的屏蔽作用，如果天线安装于检查井壁，则信号衰减强度将进一步增大，可能需要考虑特殊的安装措施，以保证通信的畅通。

在最坏的情况：道路雨水将井盖淹没，通信状况将取决于水层的厚度。

观观观观
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图6 观测节点安装于井盖底部图图7 观测节点安装于侧壁四、经费预算
本项目涉及到大量的软硬件开发，通信系统调试，现场施工等工作。

前期，哈工大研究生院根据系统需求，组成了由机电学科和计算机学科组成的联合开发小组进行了完整的系统设计和开发。

项目组包含博士后1名，博士1名，硕士研究生2名，经过2年来的开发实验，项目组已经完成了终端的硬件设计和开发，服务端主程序和的开发和调试工作，基本实现了项目的各项功能。

宝安区污水设施管理中心派出专人跟进项目的开发，结合一线实际工作经验，把握项目的需求，共同完成了项目前期的研究工作。

根据合作双方承担的实际工作，结合未来项目实施，现将项目经费分为两部分：（1）软件及系统研发，此项费用以项目委托形式拨付给哈工大研究生院；（2）硬件购买及施工，此项费用由宝安区污水设施管理中心支配，主要用于设备购买，系统实施中终端施工等费用。

具体费用明细见下表：
表2. 项目经费预算明细表
表3. 终端设备明细表
五、项目实施工作计划
经过前期的研发和实验，项目已经可以进入实施阶段。

为切实做好系统部署，使其达到预期的目标，系统需要在雨季到来之前安装调试完毕。

本次实施，我们选择了六个典型的监测点：
项目的整体实施计划如下表所示：
表3. 项目实施时间表。