基于物聯網技術的城市下穿隧道水位預警監(jiān)測系統(tǒng)研究

郭春權

（西安市市政設施管理中心，陜西 西安 710016）

1 系統(tǒng)建設背景

1.1 技術應用背景

隨著物聯網技術的成熟和廣泛應用，西安市市政部門為推進市政設施精細化管養(yǎng)，于近幾年已建設完成了物聯網+巡管、物聯網+排水（水質）監(jiān)測、物聯網+車輛物資、物聯網+檢查井等系統(tǒng)，并集成在智慧市政平臺中，初步形成了市政設施數字體系，推動了設施管養(yǎng)水平的提升。

1.2 需求研究

根據城市防汛工作的實際情況，進一步提升突發(fā)洪澇事件的預測、預警和應急能力，確保在汛期市政設施能夠正常運行。城市低洼地、下穿隧道一直是主汛期內澇的重點嚴防部位，特別是城市下穿隧道，由于特殊的空間環(huán)境，出現險情時極易造成嚴重后果。目前汛期下穿通道水位的實時監(jiān)測與排水情況，主要依靠人工目測及經驗獲取，缺乏科學有效的監(jiān)測手段。因此，有必要利用物聯網技術來減少人員財產損失，提高防汛應急的處置效率，實現積水處置透明化、數量化監(jiān)控，有效提升城市防汛工作的管理水平。

2 系統(tǒng)體系研究

2.1 系統(tǒng)框架

基于物聯網技術的城市下穿隧道水位預警監(jiān)測系統(tǒng)在結構上采用應用層、網絡層和感知層3 層體系架構[1]。其中應用層為系統(tǒng)的開發(fā)應用平臺，主要用于防汛信息的處理和管理。網絡層主要通過4G 無線網絡和互聯網，實現防汛信息的傳輸和交換。感知層主要是前端積水水位信息通過水位傳感器進行采集，將數據通過GPRS 模塊發(fā)送回市政指揮中心后臺軟件平臺系統(tǒng)，同時將實時水位信息發(fā)布到LED 大屏上。

2.2 工作流程

下穿隧道水位監(jiān)測系統(tǒng)基于物聯網技術，采用信息化手段，結合GIS 展示，實現對下穿隧道積水點水位監(jiān)測指標的實時監(jiān)測，并在水位數據達到一定預警值后，將警示通行的信息發(fā)送至安裝在通道兩側的LED 顯示屏上，為廣大百姓提供出行指南。

該系統(tǒng)通過構建積水水位預警平臺，提高下穿通道積水的應急指揮及快速處置能力，提供科學、先進的積水信息監(jiān)測、記錄、分析及統(tǒng)計功能，結合現有的智慧市政管理平臺、排水監(jiān)測管理系統(tǒng)、氣象雨量雨情情況，為城市排水、防汛預警、排水規(guī)劃、應急指揮等提供決策依據。

2.3 技術要求

根據下穿隧道建設環(huán)境及積水、收水特點，首先，前端設備應滿足以下3 個技術要求。1）水位傳感器應便于安裝、維護且精度高。2） 數據采集設備應具備模擬信號轉數字信號的功能。3）前端設備應具備無線傳輸的RTU 模塊。其次，戶外現場不具備有線上網條件，所以需要通過GSM 對LED大屏的控制卡進行無線網絡連接。再次，西安市近幾年空氣污染較嚴重，降雨成弱酸性，前端設備應滿足防腐要求。然后，水位傳感器應有防堵塞保護。最后，根據汛情發(fā)布需要（市防辦汛情標準），應保證水位傳感器的探測精度。

3 水位預警監(jiān)測系統(tǒng)的兼容性研究

綜合考慮物聯網+市政的建設要求，水位預警監(jiān)測系統(tǒng)需集成在智慧市政平臺中，軟硬件應具備兼容性或通過中間設備實現兼容。西安市市政部門現有智慧市政平臺，已經包含立交橋、高架橋、人行天橋、道路低洼地視頻監(jiān)控系統(tǒng)，井蓋、排水監(jiān)測系統(tǒng)，車輛人員物資管理系統(tǒng)等，是各類維護管理工作的主要系統(tǒng)平臺，為便于操作和使用，下穿隧道水位預警監(jiān)測系統(tǒng)與智慧市政的兼容，能夠發(fā)揮系統(tǒng)的最大功能。

3.1 數據GIS展示接口

實現與智慧市政GIS 系統(tǒng)進行對接，將監(jiān)測數據在地圖上直觀展示出來，并在地圖上進行相關業(yè)務的查詢操作。

數據GIS 展示接口功能可以實現基于電子地圖的GIS 平臺的可視化操作，支持監(jiān)測點位在地圖平臺的地圖縮放、漫游，數據實時調取、數據及時發(fā)布、設備狀態(tài)查看、可視化統(tǒng)計等功能。實現水位預警監(jiān)測點的圖層輸出、用戶使用專題圖層輸出，也可選定指定區(qū)域，設定專題圖層參數，實現特定的圖層輸出。在GIS 平臺上通過點、線、面的形式對監(jiān)測點位進行標注，同時對標注點位進行預案綁定，同時，預案以列表的形式展示選擇。實現在GIS 平臺上對已發(fā)布預案的監(jiān)測點位的查詢，同時顯示預案名稱、預案編碼、建立時間、啟動條件和使用范圍等信息?？蓪㈩A案、監(jiān)測點作為查詢條件，進行GIS 平臺的信息查詢。

實現區(qū)域發(fā)布，在地圖上選取需發(fā)布的區(qū)域，右鍵啟動發(fā)布后，該區(qū)域內相關監(jiān)測點位的LED 屏即可統(tǒng)一進行信息發(fā)布。提供監(jiān)測點一覽表功能，選擇需要查看的監(jiān)測點，點擊后即可查看到監(jiān)測點的基本信息和監(jiān)測數據，并可在地圖上進行定位。

3.2 智慧市政綜合接口

實現水位預警監(jiān)測系統(tǒng)與智慧市政平臺其他業(yè)務系統(tǒng)的對接。通過該接口實現其他系統(tǒng)調用查看水位預警監(jiān)測數據，水位預警監(jiān)測系統(tǒng)也可以調用其他系統(tǒng)的數據。實現組織機構、用戶管理、角色權限依托智慧市政平臺提供的基礎模塊功能。記錄數據接口發(fā)送日志，統(tǒng)計日均接口請求數量請求次數。對接口信息進行過濾，實時監(jiān)控接口數據內容，屏蔽敏感詞。預留第三方接口地址，為天氣預報等信息的接入預留系統(tǒng)資源。

4 系統(tǒng)主要功能

4.1 數據采集功能

通過水位傳感器采集下穿隧道的實時水位、雨量等信息，并對結果進行分析[2]。數據采集系統(tǒng)采用最新的微控制器、超低功耗設計、接市電電源，使設備能夠長期穩(wěn)定運行。同時系統(tǒng)采用GPRS 模塊進行數據傳輸，可實現數據遠程無線傳輸。采用進水口采樣，內部水位測試設計，避免外界環(huán)境對水位測量產生影響，提高了水位的測量精度。

同時結合現有下穿隧道視頻監(jiān)控系統(tǒng)（下穿隧道一般設置2 處）采集下穿隧道的實時圖像信息。這些汛情數據實時傳輸至智慧市政平臺，并根據實際需要設置存儲時限。在主汛期（6 ～9 月）將作為防汛指揮的現場數據基礎。

4.2 水位預警功能

通過在前端下穿隧道易積水位置安裝積水監(jiān)測設備，經無線網絡實時回傳積水監(jiān)測數據，設置預警水位，一旦前端水位超過預警水位，系統(tǒng)立即產生報警信息，提醒相關部門采取相應的措施。地圖上能夠直接顯示積水監(jiān)測的報警位置、實時水位信息，為市政防汛提供了準確、有效的情報信息。預警功能提高了市政防汛的響應速度，降低了城市內澇的發(fā)生概率。下穿隧道積水報警流程如圖1 所示。

圖1 下穿隧道積水報警流程

4.3 信息發(fā)布功能

信息發(fā)布系統(tǒng)以LED 大屏作為信息發(fā)布的載體，大屏支持戶外運行，具有防水功能。支持GPRS 數據傳輸，能夠接受指揮中心發(fā)送的顯示信息。在水位超過預警值時，大屏顯示系統(tǒng)實時顯示水位信息，為車輛行人提供實時信息。在平時無水的情況下，信息發(fā)布系統(tǒng)可作為市政部門的宣傳信息屏，顯示市政宣傳信息，為市政工作提供宣傳支持。

4.4 手機端軟件平臺

基于安卓系統(tǒng)開發(fā)，利用無線網絡傳輸與智慧市政平臺進行數據交互，實現移動辦公，將市政日常辦公延伸到第一線。并能實時定位人員位置，一鍵上報巡視工單，實現基本的業(yè)務處理及數據查詢。主要包括3 個方面。1）信息查詢。對監(jiān)測設備的基本信息、已發(fā)布信息進行查詢，并可以結合手機端地圖對地理位置進行查詢。2） 信息發(fā)布。根據業(yè)務需要，實現對選中的監(jiān)測設備進行LED 信息發(fā)布。3）信息提示接收水位處理指令，包括App 消息提示和短信提示。

5 結語

城市下穿隧道水位預警系統(tǒng)借助物聯網技術實現了積水點實時數據采集、傳輸、分析、預警等功能，與市政部門原有的各子系統(tǒng)集成后，最大限度地發(fā)揮了智慧市政平臺在城市防汛、搶險方面的作用，確保了主汛期易積水路段、低洼地及下穿隧道信息化管控的全覆蓋，降低了巡管人員的勞動強度，為防災減災提供了有力保障。