來(lái)麗芳，姜元軍，李亞丹，李 娜

城市內(nèi)澇監(jiān)控預(yù)警與聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

來(lái)麗芳1，姜元軍2，李亞丹2，李 娜2

（1.浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311231；2.浙江正元地理信息有限責(zé)任公司，浙江 湖州 313200）

針對(duì)城市內(nèi)澇積水問(wèn)題，設(shè)計(jì)研發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)與GIS技術(shù)的城市內(nèi)澇監(jiān)控預(yù)警與聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)道路、下沉式立交橋等城市積水點(diǎn)的視頻信息、積水深度以及城市排水管道水位信息、泵站蓄水池水位信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與在線(xiàn)傳輸。將這些反映城市當(dāng)前積水狀況的數(shù)據(jù)與排水泵站進(jìn)行鏈接，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到系統(tǒng)設(shè)置的閾值時(shí)，可自動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉泵站，實(shí)現(xiàn)城市內(nèi)澇排水的自動(dòng)化、智能化管理，為及時(shí)有效解決城市內(nèi)澇問(wèn)題提供了高效的管理手段；同時(shí)，可在積水點(diǎn)周邊路口對(duì)積水嚴(yán)重等級(jí)進(jìn)行公示，給來(lái)往車(chē)輛及行人提供預(yù)警，以免造成不必要的人身財(cái)產(chǎn)損失，實(shí)現(xiàn)城市管理的智能化和人性化。

城市內(nèi)澇；聯(lián)合調(diào)度；監(jiān)控預(yù)警；泵站；在線(xiàn)采集與監(jiān)控

城市內(nèi)澇主要指由于強(qiáng)降雨或連續(xù)性降雨超過(guò)城市排水能力引起的積水災(zāi)害現(xiàn)象[1]。隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，城市建設(shè)面貌日新月異，各種公共設(shè)施日益完善，但也導(dǎo)致地面硬化度不斷提高，雨水無(wú)法通過(guò)地面下滲，地面徑流急劇增加[2]，加上近年極端氣候出現(xiàn)頻繁，使得我國(guó)各大中小城市的排水系統(tǒng)面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。城市內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)，引起的城區(qū)嚴(yán)重積水，不僅影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而且嚴(yán)重影響到城市居民的工作與日常生活，在造成經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)，也嚴(yán)重威脅著人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全[3-6]。

我國(guó)城市內(nèi)澇積水問(wèn)題由來(lái)已久，普遍存在于各大中小城市中[7]。當(dāng)前我國(guó)各城市管理模式大都比較傳統(tǒng)，沒(méi)有充分結(jié)合現(xiàn)代化管理手段，在應(yīng)對(duì)各種問(wèn)題時(shí)，往往是心有余而力不足。城市內(nèi)澇積水嚴(yán)重影響正常的交通運(yùn)行，為原本擁堵的城市交通增加了額外負(fù)擔(dān)，尤其是車(chē)輛在不明前方積水深度的情況下貿(mào)然前行，增加了安全隱患。泵站設(shè)施在城市防洪排澇中起到關(guān)鍵作用，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科技水平的提高，對(duì)水利設(shè)施和水環(huán)境提出了更高的要求[8-9]，雖然多數(shù)泵站已采用自動(dòng)化監(jiān)控，甚至已使用軟件系統(tǒng)替代了手工操作記錄和統(tǒng)計(jì)，但在泵站管控方面仍沒(méi)有形成區(qū)域化網(wǎng)絡(luò)，決策者無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確地把控全局信息[10-11]。信息不暢導(dǎo)致指揮調(diào)度的時(shí)效性差，效率低下，成本較高[12-15]。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文研發(fā)了城市內(nèi)澇監(jiān)控預(yù)警與聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)，以改變被動(dòng)局面，主動(dòng)監(jiān)測(cè)城市積水情況，實(shí)現(xiàn)24 h監(jiān)測(cè)與預(yù)警預(yù)報(bào)；并結(jié)合泵站的自動(dòng)化管理與聯(lián)合調(diào)度，科學(xué)管理市政內(nèi)澇排水工作，為城市內(nèi)澇管理提供科學(xué)、高效的管理手段。

1 物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)控布設(shè)及泵站自動(dòng)化改造

1.1 物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)控布設(shè)

在積水監(jiān)測(cè)點(diǎn)加裝傳感器，建立城市排水系統(tǒng)積水監(jiān)測(cè)站，以實(shí)現(xiàn)對(duì)主城區(qū)積水情況的統(tǒng)一監(jiān)測(cè)。

1）水位信息采集。安裝水位數(shù)據(jù)采集設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)道路低洼處、下沉式立交橋和隧道的積水水位，并通過(guò)GPRS或光纖網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳送至積水監(jiān)測(cè)預(yù)警中心。

2）車(chē)輛當(dāng)行提示。在監(jiān)測(cè)點(diǎn)前后50～200 m處設(shè)立顯示屏，顯示前方道路、立交橋和隧道的當(dāng)前積水水位以及“允許通行”、“謹(jǐn)慎通行”、“禁止通行”等警示信息。顯示屏上的內(nèi)容可通過(guò)情報(bào)板自動(dòng)提示，或監(jiān)測(cè)中心遠(yuǎn)程手動(dòng)提示。

1.2 泵站自動(dòng)化改造

1）測(cè)控終端安裝。在泵/閘站現(xiàn)場(chǎng)安裝測(cè)控終端，監(jiān)測(cè)水池水位，監(jiān)測(cè)泵/電機(jī)的啟停狀態(tài)、控制模式、電流和保護(hù)狀態(tài)。將泵/閘站的設(shè)備狀態(tài)信號(hào)、開(kāi)關(guān)量信號(hào)等上傳到指揮中心，并能對(duì)設(shè)備實(shí)行遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)與控制。

2）視頻監(jiān)測(cè)安裝。將泵站重要位置的視頻監(jiān)控接入系統(tǒng)，監(jiān)控泵站的運(yùn)行情況。

1.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置分布原則

監(jiān)測(cè)設(shè)備一般安裝在排水構(gòu)筑物溢流井處（排水井、排水斜槽等）。水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在低于地平面的重點(diǎn)低洼水位區(qū)域，如低洼路段、下沉式立交橋、隧道等極易積水，且車(chē)流量與人流量較大的重點(diǎn)區(qū)域，并能滿(mǎn)足排洪預(yù)警管理和監(jiān)測(cè)資料分析需要的地方以及排水管網(wǎng)重要節(jié)點(diǎn)位置，對(duì)排水管道當(dāng)前水位信息進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，掌握其排水能力。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)城市內(nèi)澇在線(xiàn)監(jiān)控與預(yù)警預(yù)報(bào)、泵站遠(yuǎn)程控制及聯(lián)合調(diào)度等功能。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與GIS技術(shù)相結(jié)合，研發(fā)了城市內(nèi)澇監(jiān)控預(yù)警與聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市內(nèi)澇積水情況實(shí)時(shí)全面的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)；并配合泵站的聯(lián)合統(tǒng)一調(diào)度，及時(shí)對(duì)城區(qū)積水狀況進(jìn)行排除，對(duì)監(jiān)測(cè)到的異常情況進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警。根據(jù)城區(qū)實(shí)時(shí)的積水信息，遠(yuǎn)程控制泵站的合理啟閉，將解決以往泵站分散管理、對(duì)城市積水信息掌握不及時(shí)和積水與泵站調(diào)度不能及時(shí)聯(lián)動(dòng)等管理問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市內(nèi)澇的智能化、高效化管理。

2.1 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

1）建立排水管網(wǎng)、中水站、泵站、河道、技術(shù)資料等綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)排水管網(wǎng)普查數(shù)據(jù)的入庫(kù)和各類(lèi)排水設(shè)施、設(shè)備的數(shù)字化存儲(chǔ)。

2）建立在線(xiàn)監(jiān)控指揮系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)防汛、中水站、泵站以及河道的視頻監(jiān)控，與各類(lèi)排水設(shè)施系統(tǒng)的對(duì)接和數(shù)據(jù)分析管理，與防汛預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)接以及對(duì)應(yīng)急事件的指揮調(diào)度和綜合評(píng)估。

3）建立城市積水監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市積水點(diǎn)、低洼地、下沉立交橋等位置的水位監(jiān)測(cè)，根據(jù)降雨量和地面徑流分析預(yù)警城市內(nèi)澇，并架設(shè)相應(yīng)的視頻監(jiān)控設(shè)備，保障泵站的運(yùn)作、積水的及時(shí)排放以及行人的安全。

4）建立泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控管理平臺(tái)，自動(dòng)化監(jiān)控可實(shí)現(xiàn)泵站的自動(dòng)化控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。例如，泵站管理人員可在泵站管理處的監(jiān)控中心遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)站內(nèi)格柵機(jī)的工作狀態(tài)、污水池水位、提升泵組工作狀態(tài)、出站流量、池內(nèi)有害氣體濃度等；支持手動(dòng)控制、自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制格柵機(jī)、排風(fēng)機(jī)及提升泵的啟停；圖像監(jiān)視站內(nèi)全景及重要的工位。

5）建立智慧排水管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)數(shù)據(jù)管理、地形圖管理、設(shè)施管理、綜合查詢(xún)統(tǒng)計(jì)、空間分析、三維展示、數(shù)據(jù)輸出等功能，提升地下排水管網(wǎng)的管理水平，達(dá)到對(duì)地下排水管網(wǎng)的可視化管理。

2.2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

城市內(nèi)澇監(jiān)控預(yù)警與聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)是在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)的基礎(chǔ)上，由內(nèi)澇預(yù)警預(yù)報(bào)、泵站遠(yuǎn)程在線(xiàn)控制和信息維護(hù)等模塊組成。數(shù)據(jù)采集功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1）基于物聯(lián)網(wǎng)的積水?dāng)?shù)據(jù)在線(xiàn)采集，包括積水在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和泵站運(yùn)行狀態(tài)在線(xiàn)監(jiān)控兩大部分。積水在線(xiàn)監(jiān)測(cè)是指利用監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)積水點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)水位監(jiān)測(cè)，確定積水點(diǎn)水位，提供內(nèi)澇積水點(diǎn)的規(guī)模和范圍、淹沒(méi)水深、淹沒(méi)歷時(shí)、淹沒(méi)道路、淹沒(méi)單位，為實(shí)施排澇提供輔助決策；在線(xiàn)采集道路積水點(diǎn)、下沉式立交橋等內(nèi)澇易發(fā)地點(diǎn)的監(jiān)測(cè)站水位數(shù)據(jù)，以及排水管道水位信息，在地圖上標(biāo)注顯示，并提供以圖表方式查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史曲線(xiàn)的功能。泵站運(yùn)行狀態(tài)在線(xiàn)監(jiān)控是指監(jiān)測(cè)泵站及水泵的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)超出警戒值的監(jiān)測(cè)項(xiàng)進(jìn)行提示。監(jiān)測(cè)項(xiàng)涵蓋了所有關(guān)鍵參數(shù)，如泵站液位、流量，水泵的電流、電壓等。各種監(jiān)測(cè)項(xiàng)的實(shí)時(shí)或歷史數(shù)據(jù)都可以圖表的形式直觀(guān)展示。

圖1 數(shù)據(jù)采集功能

視頻監(jiān)控可對(duì)道路、下沉式立交橋等積水監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行視頻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)視頻監(jiān)控模塊，管理人員可實(shí)時(shí)查看泵站現(xiàn)場(chǎng)情況，也可對(duì)監(jiān)控視頻的歷史記錄進(jìn)行查詢(xún)回放。

2）數(shù)據(jù)查詢(xún)與統(tǒng)計(jì)分析。系統(tǒng)軟件具備地圖展示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢(xún)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、曲線(xiàn)分析等功能，可導(dǎo)出為Excel報(bào)表或直接打??；提供歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)功能，可根據(jù)時(shí)間、監(jiān)測(cè)點(diǎn)等參數(shù)查詢(xún)歷史數(shù)據(jù)，并能根據(jù)一定周期或以自定義形式導(dǎo)出監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)報(bào)表。

3）預(yù)警預(yù)報(bào)。積水點(diǎn)水位或泵站污水池水位過(guò)高以及設(shè)備異常時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，并向責(zé)任人手機(jī)發(fā)送預(yù)警短信。當(dāng)預(yù)測(cè)或監(jiān)測(cè)到險(xiǎn)情時(shí)，可第一時(shí)間將各類(lèi)預(yù)警信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、短信、LED大屏等方式發(fā)送給值班人員或普通群眾，以便于其對(duì)災(zāi)情的處置和應(yīng)對(duì)。另外，可在積水點(diǎn)附近路口設(shè)立警示牌，對(duì)過(guò)往車(chē)輛和行人給予提示與導(dǎo)向，以免造成積水路段的道路擁堵和車(chē)輛、人員的意外傷害。

4）泵站遠(yuǎn)程在線(xiàn)控制，主要包括泵站遠(yuǎn)程控制、積水信息與泵站開(kāi)啟的自動(dòng)聯(lián)動(dòng)、泵站間聯(lián)動(dòng)3個(gè)功能。泵站遠(yuǎn)程控制，即指揮調(diào)度人員可對(duì)泵站啟停進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，結(jié)合內(nèi)澇監(jiān)控信息，選擇需開(kāi)啟的泵站。管理人員也可在移動(dòng)端登錄系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站開(kāi)啟的遠(yuǎn)程控制，進(jìn)而有效提高工作效率，對(duì)于及時(shí)排除險(xiǎn)情有積極作用。積水信息與泵站開(kāi)啟的自動(dòng)聯(lián)動(dòng)，即立交橋、隧道等處的積水監(jiān)測(cè)信息與本地排水泵站實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)路面、管道、泵站污水池水深達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)，泵站可自動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化管理，節(jié)省了人力，提高了效率。泵站間聯(lián)動(dòng)，即根據(jù)自動(dòng)控制排水泵組各臺(tái)泵站的啟停切換實(shí)現(xiàn)泵站均衡磨損。通過(guò)泵站間的聯(lián)合調(diào)度與相互協(xié)調(diào)，做到泵站的最佳運(yùn)行。

5）防汛內(nèi)澇數(shù)據(jù)接入。系統(tǒng)軟件支持OPC接口，可接入上一級(jí)綜合指揮調(diào)度平臺(tái)。該模塊提供外部數(shù)據(jù)的接入功能，可接入氣象部門(mén)的天氣數(shù)據(jù)（雨量數(shù)據(jù)等）、水利部門(mén)的水情信息、交通部門(mén)的視頻信息以及其他工情災(zāi)情信息。

6）信息維護(hù)與泵站人員、設(shè)備和運(yùn)營(yíng)指標(biāo)管理，主要負(fù)責(zé)對(duì)道路積水監(jiān)測(cè)站的各類(lèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息和相關(guān)硬件的維護(hù)以及泵站值班人員、值班計(jì)劃、附屬設(shè)備、運(yùn)營(yíng)指標(biāo)等內(nèi)容的管理。系統(tǒng)界面如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主界面

3 結(jié) 語(yǔ)

基于物聯(lián)網(wǎng)的積水在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與泵站聯(lián)合調(diào)度管理技術(shù)是現(xiàn)代化城市內(nèi)澇管理工作的重要支撐，也是智慧城市建設(shè)不可缺少的一部分。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)與科技水平的不斷提高，對(duì)城市服務(wù)管理水平的要求也必然逐步提高，如何科學(xué)高效地解決城市內(nèi)澇問(wèn)題將是我們面臨的重要挑戰(zhàn)。將積水在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)與城市排水管網(wǎng)以及雨量信息結(jié)合起來(lái)，將為城市內(nèi)澇預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)提供有力的數(shù)據(jù)與平臺(tái)支撐。

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P208

B

1672-4623（2017）05-0088-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.0052.7

來(lái)麗芳，碩士研究生，教授，研究方向?yàn)榈乩硇畔⒐芾硐到y(tǒng)。

2016-12-30。

項(xiàng)目來(lái)源：浙江省科技廳公益技術(shù)研究社會(huì)發(fā)展項(xiàng)目（2015C33052）。