賈新會， 馮競楠，褚立波，楊文棟，王潔瑜

(1.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065；2.中國電子科技集團(tuán)公司第三十九研究所，陜西 西安 710065；3.中國水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安 710065)

1 概述

近些年隨著城市化進(jìn)程的加快，我國多地實行海綿城市建設(shè)來降低城市洪澇風(fēng)險，在取得海綿城市建設(shè)所帶來的成果與經(jīng)驗的同時，不少城市形成規(guī)劃管控缺失局面。小寨區(qū)域海綿城市工程作為首個非國家示范的實際工程應(yīng)用，建設(shè)范圍總面積為20.15 km2，在著重解決城市內(nèi)澇、雨水收集利用等問題的同時，借助在線監(jiān)測技術(shù)積累海綿城市建設(shè)的動態(tài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，加強(qiáng)海綿城市工程建設(shè)效果的跟蹤評估。

目前海綿城市建設(shè)融合了低影響開發(fā)(LID)、城市排水防澇、超標(biāo)雨水排放及面源污染防治等多重技術(shù)于一體，因此，在數(shù)據(jù)基礎(chǔ)監(jiān)測方面提出了更高的要求，常規(guī)的監(jiān)測手段已不滿足于海綿城市建設(shè)的復(fù)雜需求。本文依托該項目提出一套基于物聯(lián)網(wǎng)的海綿城市在線監(jiān)測系統(tǒng)平臺構(gòu)建方法，完整構(gòu)建從感知、一體化的閉環(huán)應(yīng)用[1]。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的海綿城市在線監(jiān)測系統(tǒng)研究目標(biāo)

根據(jù)城鄉(xiāng)建設(shè)頒布執(zhí)行的《海綿城市建設(shè)績效評價與考核辦法(試行)》中關(guān)鍵指標(biāo)的定量化計算要求，結(jié)合監(jiān)測項目的選取依據(jù)及實際情況，以智能化監(jiān)測為載體采集傳輸各項基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以各項海綿城市指標(biāo)考核為工程需求，建設(shè)以監(jiān)測結(jié)果分析、判斷為核心的數(shù)據(jù)大腦，全方位動態(tài)掌握海綿城市監(jiān)測設(shè)施設(shè)備的運(yùn)行狀況及項目建設(shè)管控運(yùn)維過程，同時為西安小寨區(qū)域海綿城市建設(shè)效果定量化考核評估提供動態(tài)持續(xù)的數(shù)據(jù)支撐及決策依據(jù)。

3 在線監(jiān)測全要素研究

分別從海綿城市在線監(jiān)測要素的基礎(chǔ)、源頭、過程及末端開展相關(guān)研究，根據(jù)監(jiān)測布點原則確認(rèn)涉及雨量監(jiān)測、溫度監(jiān)測、易澇積水監(jiān)測、雨水利用監(jiān)測、排水口監(jiān)測、典型海綿設(shè)施監(jiān)測等在線監(jiān)測內(nèi)容。

3.1 基礎(chǔ)要素監(jiān)測

與水位流量同步監(jiān)測的降雨數(shù)據(jù)是支持海綿城市設(shè)施效能分析的基礎(chǔ)和徑流控制及面源污染控制的考核評估依據(jù)。由于降雨具有隨機(jī)性，結(jié)合布點原則，每2 km2設(shè)置一處雨量站，并采取冗余設(shè)置，進(jìn)行分片區(qū)的雨量在線監(jiān)測，測試不同區(qū)域及不同下墊面的降雨徑流情況；同時監(jiān)測不同區(qū)域的氣溫情況，提供準(zhǔn)確氣溫數(shù)據(jù)，支持海綿城市熱島效應(yīng)緩解效能分析及考核評估，結(jié)合布點原則，氣溫測點按照每4 km2設(shè)置一個溫度監(jiān)測站在區(qū)域范圍外周邊適量布置2個～3個站點。

3.2 源頭、過程及末端要素監(jiān)測

該項目構(gòu)建“源頭-過程-末端”在線監(jiān)測體系，通過對項目的排水口流量及水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，作為年徑流總量控制率城市面源污染控制率等指標(biāo)的源頭計算依據(jù)，同時對生態(tài)滯留設(shè)施、植草溝、綠色屋頂、雨水花園等LID低影響開發(fā)實現(xiàn)源頭監(jiān)測；根據(jù)雨水匯集過程及管網(wǎng)節(jié)點流量進(jìn)行過程要素監(jiān)測；結(jié)合降雨徑流的匯集過程，對河道、易澇積水點進(jìn)行水量、水質(zhì)監(jiān)測，實現(xiàn)最終評估。

4 物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)工程應(yīng)用研究

根據(jù)該海綿城市工程項目需求及實際情況選擇合適的溫濕度傳感器、雨量傳感器、超聲波液位計及流量傳感器等高精度海綿城市在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)攝取必備的智能監(jiān)測設(shè)備，基于物聯(lián)網(wǎng)的海綿城市在線監(jiān)測體系架構(gòu)如圖1所示。其中感知層基于RS485串口與傳感器連接，遠(yuǎn)程讀取降雨量、水位、流量等參數(shù)，并借助GPRS無線通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程服務(wù)器端；智能決策層主要包括環(huán)境監(jiān)測服務(wù)端和遠(yuǎn)程控制服務(wù)端。環(huán)境監(jiān)測服務(wù)端主要對上傳的信息進(jìn)行分析和存儲，遠(yuǎn)程控制服務(wù)端主要負(fù)責(zé)感知層和用戶層的實時通信，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；應(yīng)用層主要實現(xiàn)測控系統(tǒng)與用戶的交互工作，涉及在線監(jiān)測上位機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計[2]。

本項目將智能傳感器、采集控制模塊和通信模塊進(jìn)行集成為智能傳感單元。該智能傳感單元具有良好的可移植性，如圖2所示，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器信號采集、轉(zhuǎn)換及遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。

該智能傳感模塊可實現(xiàn)對溫濕度、雨量等傳感器的控制，同時可通過GPRS無線通信方式與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。本次工程設(shè)計中需對水位、水質(zhì)、雨量等信息進(jìn)行采集，所選用傳感性能如下所示[3-4]：

1)雨量傳感器測量精度雨強(qiáng)范圍不大于4 mm/min，測量準(zhǔn)確度不大于±3%；水位傳感器量程為0 m～1 m，準(zhǔn)確度為0.2 mm；液位傳感器量程0 m～10 m，準(zhǔn)確度:0.1% F.S；水質(zhì)傳感器包括常規(guī)水質(zhì)參數(shù)SS、氨氮、COD及TP，測量范圍分別為0 mg/L～2 000 mg/L，0 mg/L～80 mg/L，0 mg/L～3 000 mg/L及0 mg/L～10 mg/L，測量精度分別為≤±2% F.S，≤5% F.S，≤10% F.S及≤±2% F.S(對應(yīng)的采集硬件接口例如RS485等)。

2)為滿足上述多種傳感器的不同監(jiān)控接口需求，智能傳感單元選由C8051F120作為主控控制器，如圖3所示，該單片機(jī)具有多路高精度AD采集、多路異步串行接口，以及獨(dú)立的溫度采集接口具備極強(qiáng)的擴(kuò)展性。同時具備弱上拉控制，使其適應(yīng)各類低功耗應(yīng)用環(huán)境。

5 數(shù)據(jù)采集分析應(yīng)用研究

基于海綿城市規(guī)劃建設(shè)需求，綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)倉、數(shù)學(xué)模型等先進(jìn)技術(shù)，利用在線監(jiān)測系統(tǒng)多方位記錄海綿城市建設(shè)相關(guān)設(shè)施運(yùn)行情況，同時在系統(tǒng)建設(shè)過程中融合“水彈性城市”理念，結(jié)合地理信息系統(tǒng)與物聯(lián)感知網(wǎng)絡(luò)研究構(gòu)建海綿城市智慧系統(tǒng)，多角度全方位實時監(jiān)測和記錄海綿城市建設(shè)過程及運(yùn)行情況，通過多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)及數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實現(xiàn)對海綿城市在線監(jiān)測、水量分析、運(yùn)行管理及決策支持，具體所采用的技術(shù)主要包括如下：

1)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集。

針對監(jiān)測數(shù)據(jù)種類包括管網(wǎng)監(jiān)測、河道監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測、積水監(jiān)測、雨量監(jiān)測等通過標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口，獲取上述監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)接入,并按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)要求遷移到數(shù)據(jù)中心服務(wù)器。接入不同監(jiān)測數(shù)據(jù)源來調(diào)整遷移方式：包括通過MQTT協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、MODBUS協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、HJ212環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)以及通過自身Netty等都可接入到大數(shù)據(jù)存儲環(huán)境中，滿足多種類型監(jiān)測數(shù)據(jù)源來達(dá)到數(shù)據(jù)健壯性。

2)基于3NF數(shù)據(jù)倉庫模型技術(shù)建設(shè)海綿城市數(shù)據(jù)中心。

海綿城市信息化管理中的數(shù)據(jù)具有海量、多源、異構(gòu)的特點。通過信息資源規(guī)劃的方法，結(jié)合3NF+星型結(jié)構(gòu)模型技術(shù)，建設(shè)海綿城市大數(shù)據(jù)中心。通過數(shù)據(jù)中心提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)服務(wù)，并結(jié)合建模技術(shù)通過相應(yīng)的管理和業(yè)務(wù)觸發(fā)機(jī)制保證信息的一致性、準(zhǔn)確性、完整性、鮮活性。

數(shù)據(jù)倉庫可通過可視化界面的配置管理方式實現(xiàn)多源、多類型的數(shù)據(jù)集成，能實現(xiàn)簡單、快速的多數(shù)據(jù)格式間的相互轉(zhuǎn)換，為海綿城市數(shù)據(jù)管理創(chuàng)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，可支持?jǐn)?shù)據(jù)集，電子表格，XML，web服務(wù)，GIS，CAD以及許多其他數(shù)據(jù)類型。

利用數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)、信息資源目錄等工具推動信息的共享和綜合協(xié)同性的管理維護(hù)。實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的統(tǒng)一管理、維護(hù)、更新和服務(wù)，為海綿城市的建設(shè)過程管理、運(yùn)行維護(hù)、績效考核、應(yīng)急指揮等等提供數(shù)據(jù)支撐服務(wù)。通過集中與分布式管理相結(jié)合、多級備份、相互印證、相對獨(dú)立的數(shù)據(jù)管理機(jī)制實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、維護(hù)和服務(wù)。

3)智能模型應(yīng)用。

借助一維水力學(xué)模型、二維水力學(xué)模型及防汛排水模型等，基于現(xiàn)有排水管網(wǎng)資料、在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，模擬排水管網(wǎng)運(yùn)行工況，評估排水管網(wǎng)現(xiàn)狀，幫助管理人員對排水系統(tǒng)中薄弱區(qū)域進(jìn)行判斷；根據(jù)西安市小寨區(qū)域地形數(shù)據(jù)資料，建立研究區(qū)域的地表漫流模型，模擬降雨徑流和管網(wǎng)溢流在地表的流態(tài)，以及易積水區(qū)域，并對現(xiàn)狀排水管網(wǎng)的排水能力及內(nèi)澇風(fēng)險進(jìn)行評估，同時應(yīng)用模型進(jìn)行多預(yù)案分析，為管網(wǎng)管理、防洪規(guī)劃提供技術(shù)支持。將汛期應(yīng)急被動控制模式轉(zhuǎn)換為主動預(yù)警模式，全面掌握排水系統(tǒng)整體運(yùn)行情況，為防汛排澇工作提供決策支持。

6 在線監(jiān)測系統(tǒng)管控平臺應(yīng)用研究

建設(shè)生產(chǎn)數(shù)字化、管理協(xié)同化、決策科學(xué)化的信息化智能系統(tǒng)，用戶能夠通過登陸海綿城市在線監(jiān)測管控平臺進(jìn)行查詢在線監(jiān)測的實時數(shù)據(jù)、查看水量水質(zhì)分析情況、設(shè)備設(shè)施運(yùn)行情況等。

6.1 平臺架構(gòu)

海綿城市在線監(jiān)測平臺綜合考慮數(shù)據(jù)維護(hù)和空間分析能力、通用性、可維護(hù)性、功能擴(kuò)展性以及與當(dāng)?shù)厍闆r的適用性等原則，滿足各項業(yè)務(wù)需求[5-6]。平臺采用B/S+M/S架構(gòu)，實現(xiàn)web端和移動端的系統(tǒng)瀏覽與功能使用。

平臺總體技術(shù)架構(gòu)如圖4所示。

1)物聯(lián)感知層。

感知層是海綿城市在線監(jiān)測系統(tǒng)平臺建設(shè)的基礎(chǔ)，主要依靠監(jiān)測現(xiàn)場的液位計、水質(zhì)監(jiān)測站、流量計、無人機(jī)等采集設(shè)施和各類感知設(shè)施設(shè)備，結(jié)合數(shù)據(jù)采集與傳輸協(xié)議，形成集約化、多功能監(jiān)測體系，滿足全方位的監(jiān)測需求，為海綿城市水環(huán)境模擬管控提供長期在線監(jiān)測數(shù)據(jù)和計算依據(jù)，并且覆蓋全區(qū)域、多目標(biāo)、多方位的數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)，為海綿城市的管控運(yùn)行應(yīng)急管理提供依據(jù)支撐。

2)數(shù)據(jù)匯聚支撐層。

數(shù)據(jù)匯聚層是海綿城市在線監(jiān)測系統(tǒng)平臺建設(shè)的重要一環(huán)，其通過移動網(wǎng)絡(luò)、快帶物聯(lián)網(wǎng)、視頻專網(wǎng)等與感知設(shè)備連接，然后利用中心機(jī)房、計算資源池等計算資源設(shè)備，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，將處理后的數(shù)據(jù)作為后續(xù)應(yīng)用設(shè)備的數(shù)據(jù)依據(jù)。同時，還可以通過移動網(wǎng)絡(luò)等獲取外部資源數(shù)據(jù)，豐富在線監(jiān)測系統(tǒng)平臺數(shù)據(jù)庫，更好地服務(wù)于海綿城市在線監(jiān)測。

3)應(yīng)用支撐層。

應(yīng)用支撐層是海綿城市在線監(jiān)測系統(tǒng)平臺的“智慧大腦”，通過人工智能算法、城市洪澇災(zāi)害模型、水質(zhì)模型、流域綜合模型等，將數(shù)據(jù)層加工處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析，仿真模擬海綿城市真實場景，為決策者盡可能提供全方位的數(shù)據(jù)分析，使其作出最優(yōu)的決策方案。

4)應(yīng)用服務(wù)層。

服務(wù)層主要利用WebGIS、三維GIS引擎等技術(shù)手段，將支撐層的數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行多方面、多角度、多層次的直觀展示，其主要有“GIS一張圖”、在線監(jiān)測、風(fēng)險預(yù)報、水量分析、決策支持等功能模塊，幫助決策者更快、更好地作出決策。

6.2 在線監(jiān)測系統(tǒng)平臺應(yīng)用

基于物聯(lián)網(wǎng)的海綿城市在線監(jiān)測系統(tǒng)平臺應(yīng)用主要包括GIS一張圖、風(fēng)險警報、設(shè)備設(shè)施管理、水量水質(zhì)分析、決策支持等應(yīng)用功能。

6.2.1 GIS一張圖

“GIS一張圖”以三維GIS作為可視化基礎(chǔ)，通過互聯(lián)感知網(wǎng)絡(luò)、視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等獲取到海綿城市建設(shè)地塊信息、下墊面屬性信息(植草溝、透水鋪裝、下沉式綠地、屋頂花園等)、調(diào)蓄站工程信息、監(jiān)測信息(水位、流量、流速、雨量等)、設(shè)施設(shè)備信息(包括水位監(jiān)測站、雨量監(jiān)測站、視頻監(jiān)測站等)、管網(wǎng)排口信息等，并針對以上不同數(shù)據(jù)對象進(jìn)行分類后，完成空間可視化表達(dá)，為可視化海綿城市工程匯水、排水分區(qū)及其設(shè)計屬性信息。

6.2.2 風(fēng)險警報

根據(jù)海綿城市在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時系統(tǒng)集成水文水動力模型對內(nèi)澇進(jìn)行預(yù)測分析，并且對各類數(shù)據(jù)提前進(jìn)行閾值設(shè)定，結(jié)合內(nèi)澇風(fēng)險圖對各類異常情況進(jìn)行風(fēng)險預(yù)警預(yù)報。預(yù)警預(yù)報子系統(tǒng)包括水質(zhì)預(yù)警、水位預(yù)警、風(fēng)險等級劃分、設(shè)施設(shè)備運(yùn)行情況預(yù)警、預(yù)警規(guī)則制定、預(yù)警統(tǒng)計分析等。

6.2.3 設(shè)備設(shè)施管理

實現(xiàn)對海綿城市工程建設(shè)所涉及的設(shè)備設(shè)施進(jìn)行空間可視化管理，一方面實現(xiàn)在不同地塊上的設(shè)施設(shè)備空間查看，一方面實現(xiàn)對設(shè)施設(shè)備的分類查看，比如全域的雨量站點可視化分布及參數(shù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)等信息查看；該模塊便于管理者掌握監(jiān)測設(shè)施設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)測數(shù)據(jù)異常情況等，從而為判定海綿城市建設(shè)成效提供依據(jù)支撐等，同時支持管理員權(quán)限對數(shù)據(jù)進(jìn)行增刪改查。

6.2.4 水量水質(zhì)分析

結(jié)合水文水動力模型，采取海綿建設(shè)工程評價標(biāo)準(zhǔn)對區(qū)域進(jìn)行水質(zhì)分析、水量分析等流域水環(huán)境評估及考核評估等，評價指標(biāo)可根據(jù)需要通過水質(zhì)分析界面的復(fù)選框自由選擇，同時通過圖表方式呈現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)變化及分析結(jié)果。

6.2.5 決策支持

利用城市防洪內(nèi)澇模型，同時結(jié)合水質(zhì)模型、流域綜合模型、供水調(diào)度模型等，仿真模擬10年一遇降雨情況、50年一遇降雨情況等，通過GIS圖展示和圖表分析等手段，分析不同降雨強(qiáng)度對城區(qū)的淹沒情況，幫助管理者做出最優(yōu)決策。

6.3 平臺應(yīng)用效果

本平臺是依托小寨區(qū)域海綿城市項目，分別從在線監(jiān)測全要素、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)分析應(yīng)用等研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)建的從感知及數(shù)據(jù)處理分析一體化的應(yīng)用。設(shè)計平臺最初的目的就是將其應(yīng)用到項目工程上，服務(wù)和指導(dǎo)小寨海綿城市項目，目前平臺已經(jīng)很好地服務(wù)于小寨海綿城市項目，借助一維水力學(xué)模型、二維水力學(xué)模型及防汛排水等模型，仿真模擬了10年一遇降雨、50年一遇降雨等情況，通過分析不同降雨強(qiáng)度對城區(qū)的淹沒情況，幫助小寨區(qū)域應(yīng)對不同強(qiáng)降雨情況，為小寨實現(xiàn)區(qū)域智能化管控打下了堅實的基礎(chǔ)。

7 結(jié)論與展望

本文通過從在線監(jiān)測要素研究、物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)采集分析、在線監(jiān)測體系系統(tǒng)平臺設(shè)計研究等方面進(jìn)行闡述，構(gòu)建了一套較為完善的海綿城市在線監(jiān)測系統(tǒng)平臺，作為實現(xiàn)海綿城市各區(qū)域、多尺度的效果評價分析基礎(chǔ)，為海綿城市工程建設(shè)過程的運(yùn)維管控等提供了決策依據(jù)。