城市内涝监控预警与联合调度系统设计与开发

来丽芳，姜元军，李亚丹，李 娜

城市内涝监控预警与联合调度系统设计与开发

来丽芳1，姜元军2，李亚丹2，李 娜2

（1.浙江建设职业技术学院，浙江 杭州 311231；2.浙江正元地理信息有限责任公司，浙江 湖州 313200）

针对城市内涝积水问题，设计研发了基于物联网与GIS技术的城市内涝监控预警与联合调度系统，实现了对道路、下沉式立交桥等城市积水点的视频信息、积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实时监测与在线传输。将这些反映城市当前积水状况的数据与排水泵站进行链接，当监测数据达到系统设置的阈值时，可自动开启或关闭泵站，实现城市内涝排水的自动化、智能化管理，为及时有效解决城市内涝问题提供了高效的管理手段；同时，可在积水点周边路口对积水严重等级进行公示，给来往车辆及行人提供预警，以免造成不必要的人身财产损失，实现城市管理的智能化和人性化。

城市内涝；联合调度；监控预警；泵站；在线采集与监控

城市内涝主要指由于强降雨或连续性降雨超过城市排水能力引起的积水灾害现象[1]。随着城市化进程的不断加快，城市建设面貌日新月异，各种公共设施日益完善，但也导致地面硬化度不断提高，雨水无法通过地面下渗，地面径流急剧增加[2]，加上近年极端气候出现频繁，使得我国各大中小城市的排水系统面临严峻考验。城市内涝灾害频发，引起的城区严重积水，不仅影响社会经济正常运转，而且严重影响到城市居民的工作与日常生活，在造成经济损失的同时，也严重威胁着人民群众的生命财产安全[3-6]。

我国城市内涝积水问题由来已久，普遍存在于各大中小城市中[7]。当前我国各城市管理模式大都比较传统，没有充分结合现代化管理手段，在应对各种问题时，往往是心有余而力不足。城市内涝积水严重影响正常的交通运行，为原本拥堵的城市交通增加了额外负担，尤其是车辆在不明前方积水深度的情况下贸然前行，增加了安全隐患。泵站设施在城市防洪排涝中起到关键作用，随着经济建设和科技水平的提高，对水利设施和水环境提出了更高的要求[8-9]，虽然多数泵站已采用自动化监控，甚至已使用软件系统替代了手工操作记录和统计，但在泵站管控方面仍没有形成区域化网络，决策者无法及时准确地把控全局信息[10-11]。信息不畅导致指挥调度的时效性差，效率低下，成本较高[12-15]。

针对上述问题，本文研发了城市内涝监控预警与联合调度系统，以改变被动局面，主动监测城市积水情况，实现24 h监测与预警预报；并结合泵站的自动化管理与联合调度，科学管理市政内涝排水工作，为城市内涝管理提供科学、高效的管理手段。

1 物联网智能监控布设及泵站自动化改造

1.1 物联网智能监控布设

在积水监测点加装传感器，建立城市排水系统积水监测站，以实现对主城区积水情况的统一监测。

1）水位信息采集。安装水位数据采集设备，实时监测道路低洼处、下沉式立交桥和隧道的积水水位，并通过GPRS或光纤网络远程传送至积水监测预警中心。

2）车辆当行提示。在监测点前后50～200 m处设立显示屏，显示前方道路、立交桥和隧道的当前积水水位以及“允许通行”、“谨慎通行”、“禁止通行”等警示信息。显示屏上的内容可通过情报板自动提示，或监测中心远程手动提示。

1.2 泵站自动化改造

1）测控终端安装。在泵/闸站现场安装测控终端，监测水池水位，监测泵/电机的启停状态、控制模式、电流和保护状态。将泵/闸站的设备状态信号、开关量信号等上传到指挥中心，并能对设备实行远程联动与控制。

2）视频监测安装。将泵站重要位置的视频监控接入系统，监控泵站的运行情况。

1.3 监测点位置分布原则

监测设备一般安装在排水构筑物溢流井处（排水井、排水斜槽等）。水位监测点布置在低于地平面的重点低洼水位区域，如低洼路段、下沉式立交桥、隧道等极易积水，且车流量与人流量较大的重点区域，并能满足排洪预警管理和监测资料分析需要的地方以及排水管网重要节点位置，对排水管道当前水位信息进行在线监测，掌握其排水能力。

2 系统设计与功能实现

系统主要实现城市内涝在线监控与预警预报、泵站远程控制及联合调度等功能。将物联网技术与GIS技术相结合，研发了城市内涝监控预警与联合调度系统，实现对城市内涝积水情况实时全面的在线监测；并配合泵站的联合统一调度，及时对城区积水状况进行排除，对监测到的异常情况进行实时预警。根据城区实时的积水信息，远程控制泵站的合理启闭，将解决以往泵站分散管理、对城市积水信息掌握不及时和积水与泵站调度不能及时联动等管理问题，实现对城市内涝的智能化、高效化管理。

2.1 系统建设目标

1）建立排水管网、中水站、泵站、河道、技术资料等综合数据库，实现排水管网普查数据的入库和各类排水设施、设备的数字化存储。

2）建立在线监控指挥系统，实现对防汛、中水站、泵站以及河道的视频监控，与各类排水设施系统的对接和数据分析管理，与防汛预警系统数据对接以及对应急事件的指挥调度和综合评估。

3）建立城市积水监控系统，实现对城市积水点、低洼地、下沉立交桥等位置的水位监测，根据降雨量和地面径流分析预警城市内涝，并架设相应的视频监控设备，保障泵站的运作、积水的及时排放以及行人的安全。

4）建立泵站远程监控管理平台，自动化监控可实现泵站的自动化控制和远程监控管理。例如，泵站管理人员可在泵站管理处的监控中心远程监测站内格栅机的工作状态、污水池水位、提升泵组工作状态、出站流量、池内有害气体浓度等；支持手动控制、自动控制、远程控制格栅机、排风机及提升泵的启停；图像监视站内全景及重要的工位。

5）建立智慧排水管网信息管理系统，实现管网数据管理、地形图管理、设施管理、综合查询统计、空间分析、三维展示、数据输出等功能，提升地下排水管网的管理水平，达到对地下排水管网的可视化管理。

2.2 系统功能实现

城市内涝监控预警与联合调度系统是在基础数据采集平台的基础上，由内涝预警预报、泵站远程在线控制和信息维护等模块组成。数据采集功能结构如图1所示。

1）基于物联网的积水数据在线采集，包括积水在线监测和泵站运行状态在线监控两大部分。积水在线监测是指利用监测设备，对积水点进行实时水位监测，确定积水点水位，提供内涝积水点的规模和范围、淹没水深、淹没历时、淹没道路、淹没单位，为实施排涝提供辅助决策；在线采集道路积水点、下沉式立交桥等内涝易发地点的监测站水位数据，以及排水管道水位信息，在地图上标注显示，并提供以图表方式查看实时数据和历史曲线的功能。泵站运行状态在线监控是指监测泵站及水泵的运行状态，对超出警戒值的监测项进行提示。监测项涵盖了所有关键参数，如泵站液位、流量，水泵的电流、电压等。各种监测项的实时或历史数据都可以图表的形式直观展示。

图1 数据采集功能

视频监控可对道路、下沉式立交桥等积水监测点进行视频实时监测。通过视频监控模块，管理人员可实时查看泵站现场情况，也可对监控视频的历史记录进行查询回放。

2）数据查询与统计分析。系统软件具备地图展示、数据存储、数据查询、数据统计、曲线分析等功能，可导出为Excel报表或直接打印；提供历史数据查询功能，可根据时间、监测点等参数查询历史数据，并能根据一定周期或以自定义形式导出监测数据的统计报表。

3）预警预报。积水点水位或泵站污水池水位过高以及设备异常时系统会自动报警，并向责任人手机发送预警短信。当预测或监测到险情时，可第一时间将各类预警信息通过网络、短信、LED大屏等方式发送给值班人员或普通群众，以便于其对灾情的处置和应对。另外，可在积水点附近路口设立警示牌，对过往车辆和行人给予提示与导向，以免造成积水路段的道路拥堵和车辆、人员的意外伤害。

4）泵站远程在线控制，主要包括泵站远程控制、积水信息与泵站开启的自动联动、泵站间联动3个功能。泵站远程控制，即指挥调度人员可对泵站启停进行实时控制，结合内涝监控信息，选择需开启的泵站。管理人员也可在移动端登录系统，实现对泵站开启的远程控制，进而有效提高工作效率，对于及时排除险情有积极作用。积水信息与泵站开启的自动联动，即立交桥、隧道等处的积水监测信息与本地排水泵站实现联动，可根据需要进行设置，当路面、管道、泵站污水池水深达到设定的阈值时，泵站可自动开启或关闭，实现自动化、智能化管理，节省了人力，提高了效率。泵站间联动，即根据自动控制排水泵组各台泵站的启停切换实现泵站均衡磨损。通过泵站间的联合调度与相互协调，做到泵站的最佳运行。

5）防汛内涝数据接入。系统软件支持OPC接口，可接入上一级综合指挥调度平台。该模块提供外部数据的接入功能，可接入气象部门的天气数据（雨量数据等）、水利部门的水情信息、交通部门的视频信息以及其他工情灾情信息。

6）信息维护与泵站人员、设备和运营指标管理，主要负责对道路积水监测站的各类监测点信息和相关硬件的维护以及泵站值班人员、值班计划、附属设备、运营指标等内容的管理。系统界面如图2所示。

图2 系统主界面

3 结 语

基于物联网的积水在线监测与泵站联合调度管理技术是现代化城市内涝管理工作的重要支撑，也是智慧城市建设不可缺少的一部分。随着我国经济与科技水平的不断提高，对城市服务管理水平的要求也必然逐步提高，如何科学高效地解决城市内涝问题将是我们面临的重要挑战。将积水在线监测技术与城市排水管网以及雨量信息结合起来，将为城市内涝预警预报系统提供有力的数据与平台支撑。

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1672-4623（2017）05-0088-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.0052.7

来丽芳，硕士研究生，教授，研究方向为地理信息管理系统。

2016-12-30。

项目来源：浙江省科技厅公益技术研究社会发展项目（2015C33052）。