城市內澇監控預警與聯合調度系統設計與開發

來麗芳，姜元軍，李亞丹，李 娜

城市內澇監控預警與聯合調度系統設計與開發

來麗芳1，姜元軍2，李亞丹2，李 娜2

（1.浙江建設職業技術學院，浙江 杭州 311231；2.浙江正元地理信息有限責任公司，浙江 湖州 313200）

針對城市內澇積水問題，設計研發了基于物聯網與GIS技術的城市內澇監控預警與聯合調度系統，實現了對道路、下沉式立交橋等城市積水點的視頻信息、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時監測與在線傳輸。將這些反映城市當前積水狀況的數據與排水泵站進行鏈接，當監測數據達到系統設置的閾值時，可自動開啟或關閉泵站，實現城市內澇排水的自動化、智能化管理，為及時有效解決城市內澇問題提供了高效的管理手段；同時，可在積水點周邊路口對積水嚴重等級進行公示，給來往車輛及行人提供預警，以免造成不必要的人身財產損失，實現城市管理的智能化和人性化。

城市內澇；聯合調度；監控預警；泵站；在線采集與監控

城市內澇主要指由于強降雨或連續性降雨超過城市排水能力引起的積水災害現象[1]。隨著城市化進程的不斷加快，城市建設面貌日新月異，各種公共設施日益完善，但也導致地面硬化度不斷提高，雨水無法通過地面下滲，地面徑流急劇增加[2]，加上近年極端氣候出現頻繁，使得我國各大中小城市的排水系統面臨嚴峻考驗。城市內澇災害頻發，引起的城區嚴重積水，不僅影響社會經濟正常運轉，而且嚴重影響到城市居民的工作與日常生活，在造成經濟損失的同時，也嚴重威脅著人民群眾的生命財產安全[3-6]。

我國城市內澇積水問題由來已久，普遍存在于各大中小城市中[7]。當前我國各城市管理模式大都比較傳統，沒有充分結合現代化管理手段，在應對各種問題時，往往是心有余而力不足。城市內澇積水嚴重影響正常的交通運行，為原本擁堵的城市交通增加了額外負擔，尤其是車輛在不明前方積水深度的情況下貿然前行，增加了安全隱患。泵站設施在城市防洪排澇中起到關鍵作用，隨著經濟建設和科技水平的提高，對水利設施和水環境提出了更高的要求[8-9]，雖然多數泵站已采用自動化監控，甚至已使用軟件系統替代了手工操作記錄和統計，但在泵站管控方面仍沒有形成區域化網絡，決策者無法及時準確地把控全局信息[10-11]。信息不暢導致指揮調度的時效性差，效率低下，成本較高[12-15]。

針對上述問題，本文研發了城市內澇監控預警與聯合調度系統，以改變被動局面，主動監測城市積水情況，實現24 h監測與預警預報；并結合泵站的自動化管理與聯合調度，科學管理市政內澇排水工作，為城市內澇管理提供科學、高效的管理手段。

1 物聯網智能監控布設及泵站自動化改造

1.1 物聯網智能監控布設

在積水監測點加裝傳感器，建立城市排水系統積水監測站，以實現對主城區積水情況的統一監測。

1）水位信息采集。安裝水位數據采集設備，實時監測道路低洼處、下沉式立交橋和隧道的積水水位，并通過GPRS或光纖網絡遠程傳送至積水監測預警中心。

2）車輛當行提示。在監測點前后50～200 m處設立顯示屏，顯示前方道路、立交橋和隧道的當前積水水位以及“允許通行”、“謹慎通行”、“禁止通行”等警示信息。顯示屏上的內容可通過情報板自動提示，或監測中心遠程手動提示。

1.2 泵站自動化改造

1）測控終端安裝。在泵/閘站現場安裝測控終端，監測水池水位，監測泵/電機的啟停狀態、控制模式、電流和保護狀態。將泵/閘站的設備狀態信號、開關量信號等上傳到指揮中心，并能對設備實行遠程聯動與控制。

2）視頻監測安裝。將泵站重要位置的視頻監控接入系統，監控泵站的運行情況。

1.3 監測點位置分布原則

監測設備一般安裝在排水構筑物溢流井處（排水井、排水斜槽等）。水位監測點布置在低于地平面的重點低洼水位區域，如低洼路段、下沉式立交橋、隧道等極易積水，且車流量與人流量較大的重點區域，并能滿足排洪預警管理和監測資料分析需要的地方以及排水管網重要節點位置，對排水管道當前水位信息進行在線監測，掌握其排水能力。

2 系統設計與功能實現

系統主要實現城市內澇在線監控與預警預報、泵站遠程控制及聯合調度等功能。將物聯網技術與GIS技術相結合，研發了城市內澇監控預警與聯合調度系統，實現對城市內澇積水情況實時全面的在線監測；并配合泵站的聯合統一調度，及時對城區積水狀況進行排除，對監測到的異常情況進行實時預警。根據城區實時的積水信息，遠程控制泵站的合理啟閉，將解決以往泵站分散管理、對城市積水信息掌握不及時和積水與泵站調度不能及時聯動等管理問題，實現對城市內澇的智能化、高效化管理。

2.1 系統建設目標

1）建立排水管網、中水站、泵站、河道、技術資料等綜合數據庫，實現排水管網普查數據的入庫和各類排水設施、設備的數字化存儲。

2）建立在線監控指揮系統，實現對防汛、中水站、泵站以及河道的視頻監控，與各類排水設施系統的對接和數據分析管理，與防汛預警系統數據對接以及對應急事件的指揮調度和綜合評估。

3）建立城市積水監控系統，實現對城市積水點、低洼地、下沉立交橋等位置的水位監測，根據降雨量和地面徑流分析預警城市內澇，并架設相應的視頻監控設備，保障泵站的運作、積水的及時排放以及行人的安全。

4）建立泵站遠程監控管理平臺，自動化監控可實現泵站的自動化控制和遠程監控管理。例如，泵站管理人員可在泵站管理處的監控中心遠程監測站內格柵機的工作狀態、污水池水位、提升泵組工作狀態、出站流量、池內有害氣體濃度等；支持手動控制、自動控制、遠程控制格柵機、排風機及提升泵的啟停；圖像監視站內全景及重要的工位。

5）建立智慧排水管網信息管理系統，實現管網數據管理、地形圖管理、設施管理、綜合查詢統計、空間分析、三維展示、數據輸出等功能，提升地下排水管網的管理水平，達到對地下排水管網的可視化管理。

2.2 系統功能實現

城市內澇監控預警與聯合調度系統是在基礎數據采集平臺的基礎上，由內澇預警預報、泵站遠程在線控制和信息維護等模塊組成。數據采集功能結構如圖1所示。

1）基于物聯網的積水數據在線采集，包括積水在線監測和泵站運行狀態在線監控兩大部分。積水在線監測是指利用監測設備，對積水點進行實時水位監測，確定積水點水位，提供內澇積水點的規模和范圍、淹沒水深、淹沒歷時、淹沒道路、淹沒單位，為實施排澇提供輔助決策；在線采集道路積水點、下沉式立交橋等內澇易發地點的監測站水位數據，以及排水管道水位信息，在地圖上標注顯示，并提供以圖表方式查看實時數據和歷史曲線的功能。泵站運行狀態在線監控是指監測泵站及水泵的運行狀態，對超出警戒值的監測項進行提示。監測項涵蓋了所有關鍵參數，如泵站液位、流量，水泵的電流、電壓等。各種監測項的實時或歷史數據都可以圖表的形式直觀展示。

圖1 數據采集功能

視頻監控可對道路、下沉式立交橋等積水監測點進行視頻實時監測。通過視頻監控模塊，管理人員可實時查看泵站現場情況，也可對監控視頻的歷史記錄進行查詢回放。

2）數據查詢與統計分析。系統軟件具備地圖展示、數據存儲、數據查詢、數據統計、曲線分析等功能，可導出為Excel報表或直接打印；提供歷史數據查詢功能，可根據時間、監測點等參數查詢歷史數據，并能根據一定周期或以自定義形式導出監測數據的統計報表。

3）預警預報。積水點水位或泵站污水池水位過高以及設備異常時系統會自動報警，并向責任人手機發送預警短信。當預測或監測到險情時，可第一時間將各類預警信息通過網絡、短信、LED大屏等方式發送給值班人員或普通群眾，以便于其對災情的處置和應對。另外，可在積水點附近路口設立警示牌，對過往車輛和行人給予提示與導向，以免造成積水路段的道路擁堵和車輛、人員的意外傷害。

4）泵站遠程在線控制，主要包括泵站遠程控制、積水信息與泵站開啟的自動聯動、泵站間聯動3個功能。泵站遠程控制，即指揮調度人員可對泵站啟停進行實時控制，結合內澇監控信息，選擇需開啟的泵站。管理人員也可在移動端登錄系統，實現對泵站開啟的遠程控制，進而有效提高工作效率，對于及時排除險情有積極作用。積水信息與泵站開啟的自動聯動，即立交橋、隧道等處的積水監測信息與本地排水泵站實現聯動，可根據需要進行設置，當路面、管道、泵站污水池水深達到設定的閾值時，泵站可自動開啟或關閉，實現自動化、智能化管理，節省了人力，提高了效率。泵站間聯動，即根據自動控制排水泵組各臺泵站的啟停切換實現泵站均衡磨損。通過泵站間的聯合調度與相互協調，做到泵站的最佳運行。

5）防汛內澇數據接入。系統軟件支持OPC接口，可接入上一級綜合指揮調度平臺。該模塊提供外部數據的接入功能，可接入氣象部門的天氣數據（雨量數據等）、水利部門的水情信息、交通部門的視頻信息以及其他工情災情信息。

6）信息維護與泵站人員、設備和運營指標管理，主要負責對道路積水監測站的各類監測點信息和相關硬件的維護以及泵站值班人員、值班計劃、附屬設備、運營指標等內容的管理。系統界面如圖2所示。

圖2 系統主界面

3 結 語

基于物聯網的積水在線監測與泵站聯合調度管理技術是現代化城市內澇管理工作的重要支撐，也是智慧城市建設不可缺少的一部分。隨著我國經濟與科技水平的不斷提高，對城市服務管理水平的要求也必然逐步提高，如何科學高效地解決城市內澇問題將是我們面臨的重要挑戰。將積水在線監測技術與城市排水管網以及雨量信息結合起來，將為城市內澇預警預報系統提供有力的數據與平臺支撐。

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P208

B

1672-4623（2017）05-0088-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.0052.7

來麗芳，碩士研究生，教授，研究方向為地理信息管理系統。

2016-12-30。

項目來源：浙江省科技廳公益技術研究社會發展項目（2015C33052）。