城市內(nèi)澇預(yù)警系統(tǒng)方案

1、城市澇預(yù)警系統(tǒng)方案市寶安區(qū)污水設(shè)施管理中心工業(yè)大學研究生院2013-03-20目錄一、 研究背景3.（一）城市澇（waterlogging ） 3.（二）預(yù)警系統(tǒng)4.二、技術(shù)路線4.（一）功能描述 4.（二）總體設(shè)計5.三、關(guān)鍵技術(shù)9.四、經(jīng)費預(yù)算11五、項目實施工作計劃 124、研究背景（一）城市澇（waterlogging ）屬亞熱帶海洋性氣候，雨量充沛。據(jù)三防部門介紹，市有260多處澇點，澇面積180多平方公里，影響人口約280萬人。城市澇頻發(fā)， 不僅對居民生命財產(chǎn)安全造成威脅，也嚴重影響城市的正常運轉(zhuǎn)（見 圖1 ）。圖1城市澇破壞交通在經(jīng)濟高速發(fā)展時期，人類活動對城市澇災(zāi)害的影響日趨顯

2、著。首先城市化改變了城市的地形/地貌，進而影響降水產(chǎn)匯流條件。隨著 市區(qū)的擴，房屋建筑更加密集，混凝土鋪蓋的不透水面積不斷增加， 而地表植被和坑塘日益減少，致使地表的持水、滯水及滲透能力減弱。暴雨時產(chǎn)匯流時間縮短，地表及河道徑流量猛增，澇災(zāi)害加劇1,2同時，城市空間立體開發(fā)。如地下室、地下停車場、地鐵、道路的下 挖式立交通道等的大量修建，一旦進水積澇，其損失也是巨大。（二）預(yù)警系統(tǒng)目前，城市尚無專門的澇實時監(jiān)測系統(tǒng)，暴雨發(fā)生時往往不能給 出及時、準確澇情況，難以采取合理地應(yīng)對措施。從技術(shù)上講，對既 定的城市排水網(wǎng)絡(luò)，可用明確的解析函數(shù)描述：城市澇區(qū)域的積水模型; 積澇模型，涉及的參數(shù)包括管道流

3、量、暴雨強度、匯水面積、徑流系 數(shù)等2,3;城市積澇風險分析模型5。城市澇可以實時測量并預(yù)警。本案提出的澇預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計，根據(jù) 先驗知識實時監(jiān)測澇災(zāi)害最直觀的表現(xiàn)因素-排水井/檢查井（man hole ）的水位變化。在關(guān)鍵節(jié)點安裝水位監(jiān)測裝置，并與監(jiān)控 系統(tǒng)通信，實時監(jiān)測觀測區(qū)域水位的變化情況，并根據(jù)模糊邏輯為工 作人員提供預(yù)警決策。二、技術(shù)路線（一）功能描述針對實際問題，城市澇預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)具備如下指標：（1）實時水位監(jiān)控水位監(jiān)測是本系統(tǒng)應(yīng)要求的主要功能。要求該系統(tǒng)能夠快速有效 地實現(xiàn)關(guān)鍵節(jié)點的水位檢測，并通過無線通信完成可靠的數(shù)據(jù)傳輸。（2）低功耗本試驗系統(tǒng)的觀測節(jié)點可以采用兩種方式供電：（a）

4、直接利用下水井周邊市電；（b ）擬采用小型蓄電池配合太陽能電池獨立供電。無 論采用哪種供電方式，低功耗都是系統(tǒng)的考慮要素。（3）低成本考慮到一個實用的監(jiān)測系統(tǒng)必然是一個大規(guī)模的城市網(wǎng)絡(luò)，只有 控制觀測節(jié)點的成本才能保證網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的可擴展性。（4）良好的環(huán)境適應(yīng)性排水井/下水道環(huán)境惡劣，這就要求觀測節(jié)點須具有良好的環(huán)境適 應(yīng)性，基本的環(huán)境適應(yīng)性指標包括：-防泥沙、灰塵，防水，防潮（5 ）應(yīng)用方便監(jiān)控中心（如圖2所示）具有友好的人機界面，監(jiān)控軟件：A、能 夠近實時繪制排水井水位曲線；B、能夠根據(jù)用戶需要查詢?nèi)我夤?jié)點任 意時間段的水位監(jiān)測數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)分析和挖掘提供可靠的數(shù)據(jù)支持。（二）總體設(shè)計（1 ）

5、系統(tǒng)構(gòu)成整個系統(tǒng)由兩大部分組成：監(jiān)控中心和位于現(xiàn)場的一系列觀測節(jié) 點。監(jiān)控中心：如圖2（a）所示，負責現(xiàn)場監(jiān)測的所有觀測節(jié)點。監(jiān) 控中心與觀測節(jié)點之間通過 GPRS的無線無線通信互傳數(shù)據(jù)。圖2（ b）為監(jiān)控軟件的模擬圖，主要功能是為工作人員提供一目 了然的水位、漲速以及預(yù)警系數(shù)（預(yù)警級別）。1觀觀觀觀 工X 二于rm w i： * iiQt' * a it w ir v # ：d » r圖2 (a)系統(tǒng)總體構(gòu)成圖2(b )軟件功能模擬圖觀觀觀觀觀觀觀觀觀觀觀觀(2 )觀測節(jié)點觀測節(jié)點：如圖3所示，主要包括三部分：低功耗控制器、水位 采集模塊和通信模塊。此外，為了維持觀測節(jié)點的

6、穩(wěn)定工作，微控制 器還要執(zhí)行一些其他輔助功能，例如，對于獨立供電的節(jié)點，需要檢 測蓄電池的電量，并在低電量時向監(jiān)控中心發(fā)出低電量警告。為了盡可能降低系統(tǒng)功耗，采用如下措施：A、觀測節(jié)點采用低功耗單片機，如 MSP430系列或C8051F的低功耗系列單片機，如C8051F985在20MHz時鐘工作時電流僅為3mA , 消耗功率10mW。B、根據(jù)水位變化率調(diào)節(jié)觀測節(jié)點的工作能耗：-水位變化率小，采用較長時間間隔觀測水位，如每1分鐘或每5分鐘觀測一次。-水位變化率較大時，實時觀測，適時預(yù)警。觀測節(jié)點的詳細功能框圖如圖 7所示。系統(tǒng)基本組件包括：蓄電 池、微控制器、水位測量模塊、GPRS通信模塊。圖3

7、觀測節(jié)點的功能框圖（3）預(yù)警決策：利用模糊邏輯實現(xiàn)決策，輸入量為水位及其漲速，輸出量為預(yù)警 級別。預(yù)警級別具體表征觀測節(jié)點處發(fā)生溢水的可能性。表1利用模糊邏輯計算預(yù)警級別漲速水位極低低中高極高負低低低中中低低低中高高中低中中高高高中中高高高(4)水位采集模塊水位采集模塊要完成水位測量以及水位信息轉(zhuǎn)化為可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。本項目采用液位傳感器來實現(xiàn)水位的自動測量。液位傳感器采用 PTH-RS485數(shù)字壓力變送器技術(shù)實現(xiàn)，具有高精度、高可靠性、使用 和安裝方便等特點。同時，傳感器采用低功耗、寬電壓設(shè)計。在不進 行數(shù)字通訊的情況下，功耗不大于20mA。電壓圍是直流7VDC 24VDC。既可用太陽能或蓄電池

8、供電，也可以采用工業(yè)現(xiàn)場的 24VDC 供電或市電220VAC帶變壓器供電，兩級防雷設(shè)計，提高了產(chǎn)品的防雷 能力。傳感器的通信采用RS485通信協(xié)議，半雙工工作方式，最高通訊 速率57600BPS。采用簡單的ASCII碼命令格式，方便使用。最高采 樣速度10次/秒。該傳感器可以通過RS485總線組成雙絞線網(wǎng)絡(luò)，用 GPRS模塊發(fā)射，只要您在能上網(wǎng)絡(luò)的地方，就可以隨時隨地讀取傳感 器返回來的數(shù)據(jù)，特別適用于計算機控制系統(tǒng)中。1*1 '圖4液位傳感器模塊(5 )通信模塊本系統(tǒng)采用GPRS工業(yè)通信模塊實現(xiàn)點到點、點到In ternet間的 通信。GPRS(Ge neral Packet Ra

9、dio Service) 指“通用分組無線業(yè)務(wù)”， 它是第2.5代移動通信，是GSM向3G過渡的一個協(xié)議；同GSM手 機工作頻率一樣，GPRS模塊頻率也為900/1800MHZ。GPRS作為一種先進的、全新的無線網(wǎng)絡(luò)承載手段，主要提升無線通訊的數(shù)據(jù)通信 服務(wù)，并且具有永遠在線、按通信流量計費、話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)自如切 換、高速傳輸?shù)忍攸c。GPRS模塊(GPRS Logger )通過異步串行接口( EIA-232 )與控 制器通信，使用SIM卡實現(xiàn)與監(jiān)控中心的短消息通信(本系統(tǒng)不使用 語音通信)，SIM卡同時也是該觀測節(jié)點的身份標識。 圖5為GPRS通 信模塊及其完整外圍電路板，后者包括電源、電平轉(zhuǎn)

10、換，SIM卡接口，通信接口等外圍電路(詳見圖3 )。圖5 GPRS通信模塊及其完整外圍電路板三、關(guān)鍵技術(shù)由于觀測節(jié)點所處位置的特殊性，保證穩(wěn)定的GPRS通信是首要 的關(guān)鍵問題。GPRS通信主要受兩方面因素的制約：A、井蓋（介質(zhì)） 對無線信號的衰減；B、井蓋周圍環(huán)境的影響，例如路面積水、高大建 筑物。觀測節(jié)點的安裝方式有兩種，一種是安裝在井蓋底部，如圖7所示，該方式的優(yōu)點在于，可將天線與節(jié)點設(shè)備主體做成一體，結(jié)構(gòu)緊 湊，由于天線緊貼地面，故信號強度更大，缺點是需要在即有井蓋上 安裝緊固裝置（如螺栓），會影響原有的井蓋強度。另一種將觀測節(jié)點 固定于排水井側(cè)壁上，如圖8所示，該方式的優(yōu)點在于，可將觀

11、測節(jié) 點的設(shè)備主體進行牢固固定，有效避免來自井蓋的震動，安全性也更 好；缺點是需要將通信天線與主體分離連接，設(shè)備拆裝維護稍有不便。由于GPRS信號具有較強的穿透能力，對于厚度約為 10cm的非 金屬井蓋，理論上完全可以實現(xiàn)與外界通信，但信號衰減強度量尚需 現(xiàn)場測量。對于金屬井蓋，由于金屬對無線信號的屏蔽作用，如果天線安裝 于檢查井壁，則信號衰減強度將進一步增大，可能需要考慮特殊的安 裝措施，以保證通信的暢通。在最壞的情況：道路雨水將井蓋淹沒， 通信狀況將取決于水層的厚度。圖6觀測節(jié)點安裝于井蓋底部圖圖7觀測節(jié)點安裝于側(cè)壁四、經(jīng)費預(yù)算本項目涉及到大量的軟硬件開發(fā)，通信系統(tǒng)調(diào)試，現(xiàn)場施工等工 作。

12、前期，哈工大研究生院根據(jù)系統(tǒng)需求，組成了由機電學科和計算 機學科組成的聯(lián)合開發(fā)小組進行了完整的系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)。項目組包 含博士后1名，博士 1名，碩士研究生2名，經(jīng)過2年來的開發(fā)實驗, 項目組已經(jīng)完成了終端的硬件設(shè)計和開發(fā)，服務(wù)端主程序和的開發(fā)和 調(diào)試工作，基本實現(xiàn)了項目的各項功能。寶安區(qū)污水設(shè)施管理中心派 出專人跟進項目的開發(fā)，結(jié)合一線實際工作經(jīng)驗，把握項目的需求， 共同完成了項目前期的研究工作。根據(jù)合作雙方承擔的實際工作，結(jié) 合未來項目實施，現(xiàn)將項目經(jīng)費分為兩部分：（1 ）軟件及系統(tǒng)研發(fā)，此項費用以項目委托形式撥付給哈工大研究生院；（2）硬件購買及施工，此項費用由寶安區(qū)污水設(shè)施管理中心支配

13、，主要用于設(shè)備購買， 系統(tǒng)實施中終端施工等費用。具體費用明細見下表：表2.項目經(jīng)費預(yù)算明細表項目費用經(jīng)費說明一、軟件及系統(tǒng)研發(fā)部分（委托哈工大研究生院完成）整體設(shè)計2萬元包括系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，數(shù)據(jù)庫設(shè)計，傳輸模塊設(shè)計，數(shù)據(jù)編碼設(shè)計，用戶界面設(shè)計等終端開發(fā)2萬元包括電路圖設(shè)計及實現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)化，無線模塊傳輸編程，系統(tǒng)調(diào)試服務(wù)端1.2萬元包括后臺管理，用戶界面設(shè)計，動態(tài)數(shù)據(jù)顯示頁面設(shè)計，以及系統(tǒng)調(diào)試等服務(wù)端主程序2.4萬元包括數(shù)據(jù)庫開發(fā)，無線通信服務(wù)端開發(fā)，串口通信開發(fā)，報警模塊開發(fā)，系統(tǒng)調(diào)試2萬元包括系統(tǒng)整體調(diào)試，系統(tǒng)布署，系統(tǒng)培訓二、硬件購買及施工（寶安區(qū)污水設(shè)施管理中心負責）終端購買6.4萬元購買8套終端設(shè)備每套0.8萬兀，其中6套用于布署到監(jiān)測點，2套作為備用?，F(xiàn)場施工2.2萬元終端安放，管線購買，現(xiàn)場施工等維護費用1萬元系統(tǒng)1年維護費用，包括：終端故障維護， 終端SIM卡月租費。其他0.8萬結(jié)題報告編制及調(diào)試和交通及差旅等費用。表3.終端設(shè)備明細表項目型號單價數(shù)量總價壓力傳感器元8太陽能電池板元8太陽能電池控制器元8管材Pvc管，電線800元8短信設(shè)備西門子GPRS500元1個MODEM五