城内涝预警系统方案

1、城市内涝预警系统方案深圳市宝安区污水设施管理中心哈尔滨工业大学深圳研究生院2013-03-20目录一、研究背景 3（一）城市内涝（ 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 12144、研究背景（一）城市内涝（ waterl ogging ）深圳属亚热带海洋性气候，雨量充沛。据三防部门介绍，深圳市有260多处内涝点，内涝面积180多平方公里，影响人口约280万人城市内涝频发，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城市内涝破坏交通在经济高速发展时期，人

2、类活动对城市内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 市区的扩张，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，内涝灾害加剧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，城市尚无专门的内涝实时监测系统，暴雨发生时往往不能 给出及时、准确内涝情况，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

3、内涝区域的积 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 。城市内涝可以实时测量并预警。本案提出的内涝预警系统设计，根据先验知识实时监测内涝灾害最直观的表现因素-排水井 /检查井（man hole）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，实时监测观测区域内水位的变化情况，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，城市内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

4、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

5、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） 。图2 (b)软件功能模拟图图2 (a)系统总体构成观观观观观观观观观观观观观观观观(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

6、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20MH时钟工作时电流仅为 3mA消耗功率10mWJB、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

7、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涨速水位极低低中高极高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-RS48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。电压范围是直流7VD&24VDC 既可用太阳能或蓄电池供电，也可以采用工业现场的24VDC

8、供电或市电220VA(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GPRST业通信模块实现点到点、点到In ternet间的 通信。GPRS（General Packet Radio Service） 指“通用分组无线业务”, 它是第2.5

9、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块频率也为900/1800MHz GPRS乍为一种先进的、 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 Logge）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GPRS1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

10、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GPR信是首要的关键问题。GPRS1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；

11、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言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 于检查井内壁，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。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，哈工大深圳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

12、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，服务端主程序和网 站的开发和调试工作，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深圳研究生院；（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

13、见下表：表2.项目经费预算明细表项目费用经费说明一、软件及系统研发部分（委托哈工大深圳研究生院完成）整体设计2万元包括系统架构设计，数据库设计，传输模块设计，数据编码设计，用户界面设计等终端开发2万元包括电路图设计及实现，数据采集及转化，无线模块传输编程，系统调试服务端网站1.2万元包括后台管理，用户界面设计，动态数据显示页面设计，以及系统调试等服务端主程序2.4万元包括数据库开发，无线通信服务端开发，串口通信开发，报警模块开发，系统调试2万元包括系统整体调试，系统布署，系统培训二、硬件购买及施工（宝安区污水设施管理中心负责）终端购买6.4万元购买8套终端设备每套0.8万兀，其中6套用于布署到监测点，2套作为备用。现场施工2.2万元终端安放，管线购买，现场施工等维护费用1万元系统1年维护费用，包括：终端故障维护， 终端SIM卡月租费。其他0.8万结题报告编制及调试和交通及差旅等费用。表3.终端设备明细表项目型号单价数量总价压力传感器元8太阳能电池板元8太阳能电池控制器元8管材Pvc管，电线800元8短信设备西门子IGPRSMODEM500元1个五、项