基于移動式搶險排水裝置的防澇智能管理系統(tǒng)研究

邱興陽，鄭健，梁鋒林

（湄洲灣職業(yè)技術學院，福建莆田，351119）

0 前言

隨著當前急端的氣候變化越來越頻繁以及社會城市化程度越來越高，由于自然及人為因素導致的極端氣候造成的自然災害事件的也越來越多，城市發(fā)生自然災害的頻率、強度及因災造成的各類損失也越來越嚴重[1]。由于城市防澇排水系統(tǒng)能力的有限性，當連續(xù)下大暴雨時，雨水不能通過原有的排水系統(tǒng)及時排出，就會在城市的低洼處形成大量積水，引發(fā)城市內澇，造成嚴重的經濟損失，影響了整個城市的交通出行和居民的日常生活[2]。由暴雨引發(fā)的內澇，是許多城市主要自然災害類型之一。當前政府已經把城市內澇災害管理策略已從應急響應及災后影響分析調整為對內澇防御系統(tǒng)規(guī)劃，因此排水防澇系統(tǒng)的風險評估、提前預警將為成為內澇防治研究熱點。近年來，傳統(tǒng)雨季和極端氣候引起的城市內澇給市政部門帶來了巨大的壓力，由強降雨引發(fā)的河水倒灌、道路淹沒、交通堵塞、橋梁和建筑物損毀等，給國家和人民帶來了巨大的經濟損失和生命安全隱患。綜上所述，內澇排水問題的確值得有關部門高度重視，排水系統(tǒng)必須以安全、快速、高效、便捷為依據，實現(xiàn)內澇排水的智能監(jiān)控管理。

1 系統(tǒng)概述

基于移動式搶險排水裝置的防澇智能管理系統(tǒng)針對頻繁發(fā)生的城市內澇現(xiàn)象而設計，系統(tǒng)以水文、氣象、排水設施、水利工程、物資、人員、視頻、遙感等信息為基礎，基于城市地表產匯流、排水管網等模型和GIS，建立內澇監(jiān)測、信息發(fā)布、物資管理、管網管理、內澇模擬與分析、溢流和內澇的預測預警、內澇風險評估、應急預案管理、排水調度管理、應急指揮與決策會商平臺，提高城市防澇應急搶險能力，盡可能的減少內澇災害損失；同時為城市排水系統(tǒng)的能力建設，相關規(guī)劃的制定、排水管網的合理改造提供強有力的數(shù)據支撐和參考。其系統(tǒng)框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2 移動式搶險防澇裝置設計

當前很多內澇搶險裝置一般都采用固定式的結構形式，攜帶不夠方便，而且在對信息監(jiān)控方面不夠完善存在著一定的局限性，比如無法實現(xiàn)遠程的互聯(lián)互通，監(jiān)測不夠及時響應時間長等。為了解決現(xiàn)有的技術問題，現(xiàn)設計一種便于攜帶的內澇搶險裝置，能靈活移動使用，其系統(tǒng)框架如圖2所示。采用STM32F103 處理器，使用攝像頭、風速傳感器、液位傳感器、雨量傳感器、無線收發(fā)模塊以及GPS 模塊搭建成移動式的內澇搶險裝置，使用者可以通過遠端移動設備內部的APP 實現(xiàn)遠端實時信息查看和遠端控制操作，便于隨時隨地可以查看監(jiān)控各類信息，縮短內澇搶險整個過程的響應時間。

圖2 移動式搶險防澇裝置系統(tǒng)

■2.1 移動式搶險防澇裝置主要器件

(1)主控單元STM32 處理器

系統(tǒng)主控單元采用STM32F107 互連型芯片，是專門用于嵌入式開發(fā)的低功耗ARM Cortex-M3 內核。該芯片標準外設包括10 個定時器、兩個12 位1-Msample/s 模數(shù)轉換器(交錯模式下2-Msample/s)、兩個12 位數(shù)模轉換器、兩個I2C 接口、五個USART 接口和三個SPI 端口。還具有USB OTG 和CAN2.0B 接口，并增加了以太網10/100 MAC模塊[3]。在使用時可重新優(yōu)化功能、存儲器、性能和引腳數(shù)量，以最小的硬件變化來滿足個性化的應用需求。

(2)雨量傳感器

雨量傳感器采用ABS 高精度傳感器，機械雙穩(wěn)態(tài)結構、RS485/模擬量信號輸出、抗干擾能力強、測量誤差小，用來遙測下雨時的降水量、降水強度、降水的起止時間。支持數(shù)據主動上報，可用于以供水調度、防洪及水庫的水情管理等為目的水文情況自動測報系統(tǒng)、自動野外測報站。

(3)氣泡式液位傳感器

氣泡式液位傳感器是利用傳感器進入被測的水體中，測量水中的靜壓力，水下通氣管口的壓力與壓力控制單元的壓力傳感器所承受的壓力相等，此壓力和氣泡室上的水位高度是成正比的，因此只要先后測定大氣壓和氣泡壓力，取兩個信號之間的差值，從而便可得出測量水位值。氣泡式液位傳感器具有安裝簡單，操作、組網靈活，運用在遙測系統(tǒng)中進行水位監(jiān)測，適合用在流動水體、大中小河流等水深比較大的場合。

(4)定位模塊

定位模塊采用GPS 北斗雙模模塊VD-G101，該模塊是一款高性能GPS 模塊，擁有-162dBm 的超高跟蹤靈敏度，定位精度可達2.5 米，在復雜環(huán)境中也能精準定位。該模塊功耗低、尺寸小，易于集成PND（便攜式導航設備）中，使用NMEA-0183 協(xié)議或自定義協(xié)議記錄位置、速度、時間等串行數(shù)據信息。

(5)監(jiān)控攝像頭

系統(tǒng)采用的攝像頭能在無電無網的環(huán)境下可再監(jiān)控10小時，還具有4G遠程監(jiān)控、全彩夜視、360 °全景、區(qū)域偵測、自動追蹤、自動歸位、聲光警戒、防水防雷等優(yōu)點。攝像頭能夠實時采集積水點附近狀態(tài)影像資料，并進行壓縮、編碼，經4G 網絡送到支持IOS 平臺（手機或平板電腦）安裝APP同步顯示。通過手機及平板電腦可隨時查看現(xiàn)場影像與相關數(shù)據，便于管理部門實時監(jiān)控積水點附近路面狀態(tài)，將很大程度上提高城市內澇排水應急響應效率。

(6)GPRS 無線收發(fā)模塊

GPRS 無線收發(fā)模塊是一款內嵌GSM/GPRS 核心單元的無線Modem，具有完備的電源管理系統(tǒng)，標準的串行數(shù)據接口，外觀小巧，軟件接口簡單易用。運用GSM/GPRS網絡傳輸技術，基于移動GSM 短消息收發(fā)平臺和GPRS 數(shù)據業(yè)務的工業(yè)級通訊終端設備。利用GSM 移動通信網絡的信息收發(fā)平臺和GPRS 定位業(yè)務為用戶搭建了一個遠程的數(shù)據傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)中英文短信功能，彩信功能，GPRS 數(shù)據傳輸功能[4]。

■2.2 移動式搶險防澇裝置的優(yōu)點

移動式搶險防澇裝置的外觀如圖3 所示，裝置由傳統(tǒng)的三角型構成，具有良好的穩(wěn)定性，可自由折疊，縮小了儲備空間。顏色由紅白相間，外部反光警示涂層，不僅簡潔大方，而且有很好的警示作用，其主要有以下六大優(yōu)勢。

圖3 移動式搶險防澇裝置

(1)定位精準：通過GPS 定位功能，實現(xiàn)對內澇災害嚴重地區(qū)的精確定位。

(2)拆裝便捷：設備采用多傳感器高集成終端，將多種檢測功能集于一身，可與機構底座隨意拆分裝卸，非常簡便輕盈，布置維護事半功倍。

(3)一架多用：系統(tǒng)搭配機構底座三腳架不僅可在內澇防洪工作中應用，也可用于公路維修，路線指引，道路事故等的警示、監(jiān)控。

(4)預防完善：液位監(jiān)測、雨水雨量監(jiān)測、風向監(jiān)測、風速監(jiān)測可以實時掌握檢測區(qū)域雨水過多、水量過大、風力過強等情況，通過云端平臺內澇模型與實際檢測數(shù)據對比，提前發(fā)出預警，為市政部門決策做參考。在災情惡化前，及時、安全地轉移周邊地勢較低的房屋中的居民，預防內澇而引發(fā)的各種事故。

(5)云端模型：接收數(shù)據上傳云端，存入數(shù)據庫。不僅可以進行長時間的保留，還可以通過后臺進行數(shù)據對比分析，建立災情數(shù)據模型，為救災提供決策參考。

(6)遠程監(jiān)控：利用物聯(lián)網終端視頻監(jiān)控傳輸功能，時刻觀察路面狀況。積水退去后，及時、合理、高效地安排人員處理井蓋，避免意外發(fā)生。

3 基于移動式搶險排水裝置的防澇智能管理系統(tǒng)

基于移動式搶險排水裝置的防澇智能管理系統(tǒng)通過移動式搶險防澇裝置的勘探現(xiàn)場水位、雨量、風速及實時監(jiān)測積水等情況。系統(tǒng)具有數(shù)據云存儲功能，可智能的將超標數(shù)據和當前現(xiàn)場畫面記錄下來，存在云端。管理員可隨時查看歷史記錄，從而獲取相關信息。遇上暴雨臺風天，工作人員攜帶智能排澇裝置前往現(xiàn)場監(jiān)測水位、風速，解決排水問題。

■3.1 排水防澇智能化監(jiān)測與應急指揮管理系統(tǒng)

排水防澇智能化監(jiān)測與應急指揮管理系統(tǒng)利用GIS 與GPRS 技術由控制中心，監(jiān)測查詢各積水點的排水情況，其系統(tǒng)如圖4 所示。利用遠程視頻傳輸技術可實現(xiàn)對突發(fā)事故的快速反映，快速決策。利用數(shù)據分析和模型計算分析出積水點排水管網的故障，精準快速的鎖定故障，再由系統(tǒng)發(fā)出故障指令通知相關維修人員前往維修。按照“平戰(zhàn)結合”的指導思想，基于日常監(jiān)管的基礎，結合物聯(lián)網技術建設監(jiān)測監(jiān)控網絡，做到“人防和技防”的有效結合，為應急搶險救援提供輔助決策和遠程指揮等功能。建立完善城市綜合管理信息平臺，整合各部門防澇排水管理相關信息，在易澇積水點、排水設施關鍵節(jié)點布設必要的智能化感知終端設備，滿足日常管理、災情預判、預警預報、運行調度、防汛調度、應急搶險等功能需要[5]。

圖4 排水防澇智能化監(jiān)測與應急指揮管理系統(tǒng)

■3.2 手機監(jiān)控系統(tǒng)

手機監(jiān)控系統(tǒng)主要是實現(xiàn)對排水防澇現(xiàn)場的監(jiān)測監(jiān)控的雨量、風速、液位、場景等各類信息的隨時隨地移動化查詢、使用和共享功能，且具有應急現(xiàn)場人員隨時接收指揮中心調度指令，并快速反饋現(xiàn)場實時救援情況、GPS 定位、語音、數(shù)據、圖像通信等信息交互功能。具體監(jiān)控的參數(shù)和內容如圖5 所示。管理員只需要一部手機，就可在地圖上觀察到所有設備，進入設備詳細信息后，可進行觀察現(xiàn)場視頻、查看水位等傳感數(shù)據、查詢歷史記錄等操作。利用數(shù)據分析和模型計算分析出積水點排水管網的故障，精準快速的鎖定故障，方便管理員及時做出決策，由系統(tǒng)發(fā)出故障指令通知相關維修人員前往維修，減少內澇帶來的損失。

圖5 手機監(jiān)控系統(tǒng)

4 結語

本系統(tǒng)的移動式搶險防澇裝置底部含有水位傳感設備，頂部含有攝像頭設備、電池、定位模塊、雨量傳感、風速傳感設備。傳感數(shù)據通過4G 模塊，將數(shù)據實時傳輸至網絡，通過GIS 與GPRS 技術在防澇智能管理系統(tǒng)中的應用，實現(xiàn)現(xiàn)場偵測的信息實時上傳，包括文字、聲音圖片和視頻等對防澇排水的日常管理和搶險應急管理提供更多的決策支持。為城市防澇排水提供全方位技術支撐，在當前的大數(shù)據時代，只有廣泛收集各類信息并通過各種顯示控制方式，實現(xiàn)對城市排水數(shù)據管理、監(jiān)測預警、綜合監(jiān)管、應急決策一體化的管理，構建城市防澇應急搶險能力，提高城市防災減災能力和安全保障水平。通過排水信息化系統(tǒng)的建設和相關領域的發(fā)展，全面推動智慧城市建設，帶動地方經濟發(fā)展[6]。