基于物聯網的海綿城市在線監測系統應用研究

賈新會， 馮競楠，褚立波，楊文棟，王潔瑜

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065；2.中國電子科技集團公司第三十九研究所，陜西 西安 710065；3.中國水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安 710065)

1 概述

近些年隨著城市化進程的加快，我國多地實行海綿城市建設來降低城市洪澇風險，在取得海綿城市建設所帶來的成果與經驗的同時，不少城市形成規劃管控缺失局面。小寨區域海綿城市工程作為首個非國家示范的實際工程應用，建設范圍總面積為20.15 km2，在著重解決城市內澇、雨水收集利用等問題的同時，借助在線監測技術積累海綿城市建設的動態基礎數據，加強海綿城市工程建設效果的跟蹤評估。

目前海綿城市建設融合了低影響開發(LID)、城市排水防澇、超標雨水排放及面源污染防治等多重技術于一體，因此，在數據基礎監測方面提出了更高的要求，常規的監測手段已不滿足于海綿城市建設的復雜需求。本文依托該項目提出一套基于物聯網的海綿城市在線監測系統平臺構建方法，完整構建從感知、一體化的閉環應用[1]。

2 基于物聯網的海綿城市在線監測系統研究目標

根據城鄉建設頒布執行的《海綿城市建設績效評價與考核辦法(試行)》中關鍵指標的定量化計算要求，結合監測項目的選取依據及實際情況，以智能化監測為載體采集傳輸各項基礎數據，以各項海綿城市指標考核為工程需求，建設以監測結果分析、判斷為核心的數據大腦，全方位動態掌握海綿城市監測設施設備的運行狀況及項目建設管控運維過程，同時為西安小寨區域海綿城市建設效果定量化考核評估提供動態持續的數據支撐及決策依據。

3 在線監測全要素研究

分別從海綿城市在線監測要素的基礎、源頭、過程及末端開展相關研究，根據監測布點原則確認涉及雨量監測、溫度監測、易澇積水監測、雨水利用監測、排水口監測、典型海綿設施監測等在線監測內容。

3.1 基礎要素監測

與水位流量同步監測的降雨數據是支持海綿城市設施效能分析的基礎和徑流控制及面源污染控制的考核評估依據。由于降雨具有隨機性，結合布點原則，每2 km2設置一處雨量站，并采取冗余設置，進行分片區的雨量在線監測，測試不同區域及不同下墊面的降雨徑流情況；同時監測不同區域的氣溫情況，提供準確氣溫數據，支持海綿城市熱島效應緩解效能分析及考核評估，結合布點原則，氣溫測點按照每4 km2設置一個溫度監測站在區域范圍外周邊適量布置2個～3個站點。

3.2 源頭、過程及末端要素監測

該項目構建“源頭-過程-末端”在線監測體系，通過對項目的排水口流量及水質進行監測，作為年徑流總量控制率城市面源污染控制率等指標的源頭計算依據，同時對生態滯留設施、植草溝、綠色屋頂、雨水花園等LID低影響開發實現源頭監測；根據雨水匯集過程及管網節點流量進行過程要素監測；結合降雨徑流的匯集過程，對河道、易澇積水點進行水量、水質監測，實現最終評估。

4 物聯網傳感技術工程應用研究

根據該海綿城市工程項目需求及實際情況選擇合適的溫濕度傳感器、雨量傳感器、超聲波液位計及流量傳感器等高精度海綿城市在線監測系統數據攝取必備的智能監測設備，基于物聯網的海綿城市在線監測體系架構如圖1所示。其中感知層基于RS485串口與傳感器連接，遠程讀取降雨量、水位、流量等參數，并借助GPRS無線通信模塊將數據傳輸至遠程服務器端；智能決策層主要包括環境監測服務端和遠程控制服務端。環境監測服務端主要對上傳的信息進行分析和存儲，遠程控制服務端主要負責感知層和用戶層的實時通信，實現遠程控制；應用層主要實現測控系統與用戶的交互工作，涉及在線監測上位機軟件系統設計[2]。

本項目將智能傳感器、采集控制模塊和通信模塊進行集成為智能傳感單元。該智能傳感單元具有良好的可移植性，如圖2所示，能夠實現傳感器信號采集、轉換及遠程監控等功能。

該智能傳感模塊可實現對溫濕度、雨量等傳感器的控制，同時可通過GPRS無線通信方式與上位機進行數據交互。本次工程設計中需對水位、水質、雨量等信息進行采集，所選用傳感性能如下所示[3-4]：

1)雨量傳感器測量精度雨強范圍不大于4 mm/min，測量準確度不大于±3%；水位傳感器量程為0 m～1 m，準確度為0.2 mm；液位傳感器量程0 m～10 m，準確度:0.1% F.S；水質傳感器包括常規水質參數SS、氨氮、COD及TP，測量范圍分別為0 mg/L～2 000 mg/L，0 mg/L～80 mg/L，0 mg/L～3 000 mg/L及0 mg/L～10 mg/L，測量精度分別為≤±2% F.S，≤5% F.S，≤10% F.S及≤±2% F.S(對應的采集硬件接口例如RS485等)。

2)為滿足上述多種傳感器的不同監控接口需求，智能傳感單元選由C8051F120作為主控控制器，如圖3所示，該單片機具有多路高精度AD采集、多路異步串行接口，以及獨立的溫度采集接口具備極強的擴展性。同時具備弱上拉控制，使其適應各類低功耗應用環境。

5 數據采集分析應用研究

基于海綿城市規劃建設需求，綜合運用物聯網數據采集、數據倉、數學模型等先進技術，利用在線監測系統多方位記錄海綿城市建設相關設施運行情況，同時在系統建設過程中融合“水彈性城市”理念，結合地理信息系統與物聯感知網絡研究構建海綿城市智慧系統，多角度全方位實時監測和記錄海綿城市建設過程及運行情況，通過多源數據融合技術及數據分析技術，實現對海綿城市在線監測、水量分析、運行管理及決策支持，具體所采用的技術主要包括如下：

1)物聯網數據采集。

針對監測數據種類包括管網監測、河道監測、水質監測、積水監測、雨量監測等通過標準的數據接口，獲取上述監測數據進行數據接入,并按照統一的數據要求遷移到數據中心服務器。接入不同監測數據源來調整遷移方式：包括通過MQTT協議標準、MODBUS協議標準、HJ212環保標準以及通過自身Netty等都可接入到大數據存儲環境中，滿足多種類型監測數據源來達到數據健壯性。

2)基于3NF數據倉庫模型技術建設海綿城市數據中心。

海綿城市信息化管理中的數據具有海量、多源、異構的特點。通過信息資源規劃的方法，結合3NF+星型結構模型技術，建設海綿城市大數據中心。通過數據中心提供標準的數據服務，并結合建模技術通過相應的管理和業務觸發機制保證信息的一致性、準確性、完整性、鮮活性。

數據倉庫可通過可視化界面的配置管理方式實現多源、多類型的數據集成，能實現簡單、快速的多數據格式間的相互轉換，為海綿城市數據管理創建統一的數據模型，可支持數據集，電子表格，XML，web服務，GIS，CAD以及許多其他數據類型。

利用數據交換系統、信息資源目錄等工具推動信息的共享和綜合協同性的管理維護。實現數據資源的統一管理、維護、更新和服務，為海綿城市的建設過程管理、運行維護、績效考核、應急指揮等等提供數據支撐服務。通過集中與分布式管理相結合、多級備份、相互印證、相對獨立的數據管理機制實現數據的統一管理、維護和服務。

3)智能模型應用。

借助一維水力學模型、二維水力學模型及防汛排水模型等，基于現有排水管網資料、在線監測數據，模擬排水管網運行工況，評估排水管網現狀，幫助管理人員對排水系統中薄弱區域進行判斷；根據西安市小寨區域地形數據資料，建立研究區域的地表漫流模型，模擬降雨徑流和管網溢流在地表的流態，以及易積水區域，并對現狀排水管網的排水能力及內澇風險進行評估，同時應用模型進行多預案分析，為管網管理、防洪規劃提供技術支持。將汛期應急被動控制模式轉換為主動預警模式，全面掌握排水系統整體運行情況，為防汛排澇工作提供決策支持。

6 在線監測系統管控平臺應用研究

建設生產數字化、管理協同化、決策科學化的信息化智能系統，用戶能夠通過登陸海綿城市在線監測管控平臺進行查詢在線監測的實時數據、查看水量水質分析情況、設備設施運行情況等。

6.1 平臺架構

海綿城市在線監測平臺綜合考慮數據維護和空間分析能力、通用性、可維護性、功能擴展性以及與當地情況的適用性等原則，滿足各項業務需求[5-6]。平臺采用B/S+M/S架構，實現web端和移動端的系統瀏覽與功能使用。

平臺總體技術架構如圖4所示。

1)物聯感知層。

感知層是海綿城市在線監測系統平臺建設的基礎，主要依靠監測現場的液位計、水質監測站、流量計、無人機等采集設施和各類感知設施設備，結合數據采集與傳輸協議，形成集約化、多功能監測體系，滿足全方位的監測需求，為海綿城市水環境模擬管控提供長期在線監測數據和計算依據，并且覆蓋全區域、多目標、多方位的數據信息系統，為海綿城市的管控運行應急管理提供依據支撐。

2)數據匯聚支撐層。

數據匯聚層是海綿城市在線監測系統平臺建設的重要一環，其通過移動網絡、快帶物聯網、視頻專網等與感知設備連接，然后利用中心機房、計算資源池等計算資源設備，對監測數據進行加工處理，將處理后的數據作為后續應用設備的數據依據。同時，還可以通過移動網絡等獲取外部資源數據，豐富在線監測系統平臺數據庫，更好地服務于海綿城市在線監測。

3)應用支撐層。

應用支撐層是海綿城市在線監測系統平臺的“智慧大腦”，通過人工智能算法、城市洪澇災害模型、水質模型、流域綜合模型等，將數據層加工處理后的數據進行建模分析，仿真模擬海綿城市真實場景，為決策者盡可能提供全方位的數據分析，使其作出最優的決策方案。

4)應用服務層。

服務層主要利用WebGIS、三維GIS引擎等技術手段，將支撐層的數據分析，進行多方面、多角度、多層次的直觀展示，其主要有“GIS一張圖”、在線監測、風險預報、水量分析、決策支持等功能模塊，幫助決策者更快、更好地作出決策。

6.2 在線監測系統平臺應用

基于物聯網的海綿城市在線監測系統平臺應用主要包括GIS一張圖、風險警報、設備設施管理、水量水質分析、決策支持等應用功能。

6.2.1 GIS一張圖

“GIS一張圖”以三維GIS作為可視化基礎，通過互聯感知網絡、視頻監控網絡等獲取到海綿城市建設地塊信息、下墊面屬性信息(植草溝、透水鋪裝、下沉式綠地、屋頂花園等)、調蓄站工程信息、監測信息(水位、流量、流速、雨量等)、設施設備信息(包括水位監測站、雨量監測站、視頻監測站等)、管網排口信息等，并針對以上不同數據對象進行分類后，完成空間可視化表達，為可視化海綿城市工程匯水、排水分區及其設計屬性信息。

6.2.2 風險警報

根據海綿城市在線監測數據，同時系統集成水文水動力模型對內澇進行預測分析，并且對各類數據提前進行閾值設定，結合內澇風險圖對各類異常情況進行風險預警預報。預警預報子系統包括水質預警、水位預警、風險等級劃分、設施設備運行情況預警、預警規則制定、預警統計分析等。

6.2.3 設備設施管理

實現對海綿城市工程建設所涉及的設備設施進行空間可視化管理，一方面實現在不同地塊上的設施設備空間查看，一方面實現對設施設備的分類查看，比如全域的雨量站點可視化分布及參數、監測數據等信息查看；該模塊便于管理者掌握監測設施設備運行狀態，監測數據異常情況等，從而為判定海綿城市建設成效提供依據支撐等，同時支持管理員權限對數據進行增刪改查。

6.2.4 水量水質分析

結合水文水動力模型，采取海綿建設工程評價標準對區域進行水質分析、水量分析等流域水環境評估及考核評估等，評價指標可根據需要通過水質分析界面的復選框自由選擇，同時通過圖表方式呈現監測數據變化及分析結果。

6.2.5 決策支持

利用城市防洪內澇模型，同時結合水質模型、流域綜合模型、供水調度模型等，仿真模擬10年一遇降雨情況、50年一遇降雨情況等，通過GIS圖展示和圖表分析等手段，分析不同降雨強度對城區的淹沒情況，幫助管理者做出最優決策。

6.3 平臺應用效果

本平臺是依托小寨區域海綿城市項目，分別從在線監測全要素、物聯網技術應用、數據分析應用等研究的基礎上，構建的從感知及數據處理分析一體化的應用。設計平臺最初的目的就是將其應用到項目工程上，服務和指導小寨海綿城市項目，目前平臺已經很好地服務于小寨海綿城市項目，借助一維水力學模型、二維水力學模型及防汛排水等模型，仿真模擬了10年一遇降雨、50年一遇降雨等情況，通過分析不同降雨強度對城區的淹沒情況，幫助小寨區域應對不同強降雨情況，為小寨實現區域智能化管控打下了堅實的基礎。

7 結論與展望

本文通過從在線監測要素研究、物聯網傳感技術應用、數據采集分析、在線監測體系系統平臺設計研究等方面進行闡述，構建了一套較為完善的海綿城市在線監測系統平臺，作為實現海綿城市各區域、多尺度的效果評價分析基礎，為海綿城市工程建設過程的運維管控等提供了決策依據。