基于移動(dòng)式搶險(xiǎn)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(shù)學(xué)院，福建莆田，351119）

0 前言

隨著當(dāng)前急端的氣候變化越來越頻繁以及社會(huì)城市化程度越來越高，由于自然及人為因素導(dǎo)致的極端氣候造成的自然災(zāi)害事件的也越來越多，城市發(fā)生自然災(zāi)害的頻率、強(qiáng)度及因?yàn)?zāi)造成的各類損失也越來越嚴(yán)重[1]。由于城市防澇排水系統(tǒng)能力的有限性，當(dāng)連續(xù)下大暴雨時(shí)，雨水不能通過原有的排水系統(tǒng)及時(shí)排出，就會(huì)在城市的低洼處形成大量積水，引發(fā)城市內(nèi)澇，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，影響了整個(gè)城市的交通出行和居民的日常生活[2]。由暴雨引發(fā)的內(nèi)澇，是許多城市主要自然災(zāi)害類型之一。當(dāng)前政府已經(jīng)把城市內(nèi)澇災(zāi)害管理策略已從應(yīng)急響應(yīng)及災(zāi)后影響分析調(diào)整為對(duì)內(nèi)澇防御系統(tǒng)規(guī)劃，因此排水防澇系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、提前預(yù)警將為成為內(nèi)澇防治研究熱點(diǎn)。近年來，傳統(tǒng)雨季和極端氣候引起的城市內(nèi)澇給市政部門帶來了巨大的壓力，由強(qiáng)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(jīng)濟(jì)損失和生命安全隱患。綜上所述，內(nèi)澇排水問題的確值得有關(guān)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(jù)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)澇排水的智能監(jiān)控管理。

1 系統(tǒng)概述

基于移動(dòng)式搶險(xiǎn)排水裝置的防澇智能管理系統(tǒng)針對(duì)頻繁發(fā)生的城市內(nèi)澇現(xiàn)象而設(shè)計(jì)，系統(tǒng)以水文、氣象、排水設(shè)施、水利工程、物資、人員、視頻、遙感等信息為基礎(chǔ)，基于城市地表產(chǎn)匯流、排水管網(wǎng)等模型和GIS，建立內(nèi)澇監(jiān)測、信息發(fā)布、物資管理、管網(wǎng)管理、內(nèi)澇模擬與分析、溢流和內(nèi)澇的預(yù)測預(yù)警、內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、應(yīng)急預(yù)案管理、排水調(diào)度管理、應(yīng)急指揮與決策會(huì)商平臺(tái)，提高城市防澇應(yīng)急搶險(xiǎn)能力，盡可能的減少內(nèi)澇災(zāi)害損失；同時(shí)為城市排水系統(tǒng)的能力建設(shè)，相關(guān)規(guī)劃的制定、排水管網(wǎng)的合理改造提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)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(dòng)式搶險(xiǎn)防澇裝置設(shè)計(jì)

當(dāng)前很多內(nèi)澇搶險(xiǎn)裝置一般都采用固定式的結(jié)構(gòu)形式，攜帶不夠方便，而且在對(duì)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的互聯(lián)互通，監(jiān)測不夠及時(shí)響應(yīng)時(shí)間長等。為了解決現(xiàn)有的技術(shù)問題，現(xiàn)設(shè)計(jì)一種便于攜帶的內(nèi)澇搶險(xiǎn)裝置，能靈活移動(dòng)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(fēng)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(dòng)式的內(nèi)澇搶險(xiǎn)裝置，使用者可以通過遠(yuǎn)端移動(dòng)設(shè)備內(nèi)部的APP 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端實(shí)時(shí)信息查看和遠(yuǎn)端控制操作，便于隨時(shí)隨地可以查看監(jiān)控各類信息，縮短內(nèi)澇搶險(xiǎn)整個(gè)過程的響應(yīng)時(shí)間。

圖2 移動(dòng)式搶險(xiǎn)防澇裝置系統(tǒng)

■2.1 移動(dòng)式搶險(xiǎn)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(nèi)核。該芯片標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)包括10 個(gè)定時(shí)器、兩個(gè)12 位1-Msample/s 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(交錯(cuò)模式下2-Msample/s)、兩個(gè)12 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器、兩個(gè)I2C 接口、五個(gè)USART 接口和三個(gè)SPI 端口。還具有USB OTG 和CAN2.0B 接口，并增加了以太網(wǎng)10/100 MAC模塊[3]。在使用時(shí)可重新優(yōu)化功能、存儲(chǔ)器、性能和引腳數(shù)量，以最小的硬件變化來滿足個(gè)性化的應(yīng)用需求。

(2)雨量傳感器

雨量傳感器采用ABS 高精度傳感器，機(jī)械雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)、RS485/模擬量信號(hào)輸出、抗干擾能力強(qiáng)、測量誤差小，用來遙測下雨時(shí)的降水量、降水強(qiáng)度、降水的起止時(shí)間。支持?jǐn)?shù)據(jù)主動(dòng)上報(bào)，可用于以供水調(diào)度、防洪及水庫的水情管理等為目的水文情況自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)、自動(dòng)野外測報(bào)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(jìn)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(gè)信號(hào)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(wǎng)靈活，運(yùn)用在遙測系統(tǒng)中進(jìn)行水位監(jiān)測，適合用在流動(dòng)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(dá)2.5 米，在復(fù)雜環(huán)境中也能精準(zhǔn)定位。該模塊功耗低、尺寸小，易于集成PND（便攜式導(dǎo)航設(shè)備）中，使用NMEA-0183 協(xié)議或自定義協(xié)議記錄位置、速度、時(shí)間等串行數(shù)據(jù)信息。

(5)監(jiān)控?cái)z像頭

系統(tǒng)采用的攝像頭能在無電無網(wǎng)的環(huán)境下可再監(jiān)控10小時(shí)，還具有4G遠(yuǎn)程監(jiān)控、全彩夜視、360 °全景、區(qū)域偵測、自動(dòng)追蹤、自動(dòng)歸位、聲光警戒、防水防雷等優(yōu)點(diǎn)。攝像頭能夠?qū)崟r(shí)采集積水點(diǎn)附近狀態(tài)影像資料，并進(jìn)行壓縮、編碼，經(jīng)4G 網(wǎng)絡(luò)送到支持IOS 平臺(tái)（手機(jī)或平板電腦）安裝APP同步顯示。通過手機(jī)及平板電腦可隨時(shí)查看現(xiàn)場影像與相關(guān)數(shù)據(jù)，便于管理部門實(shí)時(shí)監(jiān)控積水點(diǎn)附近路面狀態(tài)，將很大程度上提高城市內(nèi)澇排水應(yīng)急響應(yīng)效率。

(6)GPRS 無線收發(fā)模塊

GPRS 無線收發(fā)模塊是一款內(nèi)嵌GSM/GPRS 核心單元的無線Modem，具有完備的電源管理系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)的串行數(shù)據(jù)接口，外觀小巧，軟件接口簡單易用。運(yùn)用GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，基于移動(dòng)GSM 短消息收發(fā)平臺(tái)和GPRS 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的工業(yè)級(jí)通訊終端設(shè)備。利用GSM 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的信息收發(fā)平臺(tái)和GPRS 定位業(yè)務(wù)為用戶搭建了一個(gè)遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)中英文短信功能，彩信功能，GPRS 數(shù)據(jù)傳輸功能[4]。

■2.2 移動(dòng)式搶險(xiǎn)防澇裝置的優(yōu)點(diǎn)

移動(dòng)式搶險(xiǎn)防澇裝置的外觀如圖3 所示，裝置由傳統(tǒng)的三角型構(gòu)成，具有良好的穩(wěn)定性，可自由折疊，縮小了儲(chǔ)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(dòng)式搶險(xiǎn)防澇裝置

(1)定位精準(zhǔn)：通過GPS 定位功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)澇災(zāi)害嚴(yán)重地區(qū)的精確定位。

(2)拆裝便捷：設(shè)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(jī)構(gòu)底座隨意拆分裝卸，非常簡便輕盈，布置維護(hù)事半功倍。

(3)一架多用：系統(tǒng)搭配機(jī)構(gòu)底座三腳架不僅可在內(nèi)澇防洪工作中應(yīng)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(yù)防完善：液位監(jiān)測、雨水雨量監(jiān)測、風(fēng)向監(jiān)測、風(fēng)速監(jiān)測可以實(shí)時(shí)掌握檢測區(qū)域雨水過多、水量過大、風(fēng)力過強(qiáng)等情況，通過云端平臺(tái)內(nèi)澇模型與實(shí)際檢測數(shù)據(jù)對(duì)比，提前發(fā)出預(yù)警，為市政部門決策做參考。在災(zāi)情惡化前，及時(shí)、安全地轉(zhuǎn)移周邊地勢較低的房屋中的居民，預(yù)防內(nèi)澇而引發(fā)的各種事故。

(5)云端模型：接收數(shù)據(jù)上傳云端，存入數(shù)據(jù)庫。不僅可以進(jìn)行長時(shí)間的保留，還可以通過后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析，建立災(zāi)情數(shù)據(jù)模型，為救災(zāi)提供決策參考。

(6)遠(yuǎn)程監(jiān)控：利用物聯(lián)網(wǎng)終端視頻監(jiān)控傳輸功能，時(shí)刻觀察路面狀況。積水退去后，及時(shí)、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(dòng)式搶險(xiǎn)排水裝置的防澇智能管理系統(tǒng)

基于移動(dòng)式搶險(xiǎn)排水裝置的防澇智能管理系統(tǒng)通過移動(dòng)式搶險(xiǎn)防澇裝置的勘探現(xiàn)場水位、雨量、風(fēng)速及實(shí)時(shí)監(jiān)測積水等情況。系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)功能，可智能的將超標(biāo)數(shù)據(jù)和當(dāng)前現(xiàn)場畫面記錄下來，存在云端。管理員可隨時(shí)查看歷史記錄，從而獲取相關(guān)信息。遇上暴雨臺(tái)風(fēng)天，工作人員攜帶智能排澇裝置前往現(xiàn)場監(jiān)測水位、風(fēng)速，解決排水問題。

■3.1 排水防澇智能化監(jiān)測與應(yīng)急指揮管理系統(tǒng)

排水防澇智能化監(jiān)測與應(yīng)急指揮管理系統(tǒng)利用GIS 與GPRS 技術(shù)由控制中心，監(jiān)測查詢各積水點(diǎn)的排水情況，其系統(tǒng)如圖4 所示。利用遠(yuǎn)程視頻傳輸技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)突發(fā)事故的快速反映，快速?zèng)Q策。利用數(shù)據(jù)分析和模型計(jì)算分析出積水點(diǎn)排水管網(wǎng)的故障，精準(zhǔn)快速的鎖定故障，再由系統(tǒng)發(fā)出故障指令通知相關(guān)維修人員前往維修。按照“平戰(zhàn)結(jié)合”的指導(dǎo)思想，基于日常監(jiān)管的基礎(chǔ)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建設(shè)監(jiān)測監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，做到“人防和技防”的有效結(jié)合，為應(yīng)急搶險(xiǎn)救援提供輔助決策和遠(yuǎn)程指揮等功能。建立完善城市綜合管理信息平臺(tái)，整合各部門防澇排水管理相關(guān)信息，在易澇積水點(diǎn)、排水設(shè)施關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)布設(shè)必要的智能化感知終端設(shè)備，滿足日常管理、災(zāi)情預(yù)判、預(yù)警預(yù)報(bào)、運(yùn)行調(diào)度、防汛調(diào)度、應(yīng)急搶險(xiǎn)等功能需要[5]。

圖4 排水防澇智能化監(jiān)測與應(yīng)急指揮管理系統(tǒng)

■3.2 手機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

手機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)排水防澇現(xiàn)場的監(jiān)測監(jiān)控的雨量、風(fēng)速、液位、場景等各類信息的隨時(shí)隨地移動(dòng)化查詢、使用和共享功能，且具有應(yīng)急現(xiàn)場人員隨時(shí)接收指揮中心調(diào)度指令，并快速反饋現(xiàn)場實(shí)時(shí)救援情況、GPS 定位、語音、數(shù)據(jù)、圖像通信等信息交互功能。具體監(jiān)控的參數(shù)和內(nèi)容如圖5 所示。管理員只需要一部手機(jī)，就可在地圖上觀察到所有設(shè)備，進(jìn)入設(shè)備詳細(xì)信息后，可進(jìn)行觀察現(xiàn)場視頻、查看水位等傳感數(shù)據(jù)、查詢歷史記錄等操作。利用數(shù)據(jù)分析和模型計(jì)算分析出積水點(diǎn)排水管網(wǎng)的故障，精準(zhǔn)快速的鎖定故障，方便管理員及時(shí)做出決策，由系統(tǒng)發(fā)出故障指令通知相關(guān)維修人員前往維修，減少內(nèi)澇帶來的損失。

圖5 手機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

4 結(jié)語

本系統(tǒng)的移動(dòng)式搶險(xiǎn)防澇裝置底部含有水位傳感設(shè)備，頂部含有攝像頭設(shè)備、電池、定位模塊、雨量傳感、風(fēng)速傳感設(shè)備。傳感數(shù)據(jù)通過4G 模塊，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至網(wǎng)絡(luò)，通過GIS 與GPRS 技術(shù)在防澇智能管理系統(tǒng)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場偵測的信息實(shí)時(shí)上傳，包括文字、聲音圖片和視頻等對(duì)防澇排水的日常管理和搶險(xiǎn)應(yīng)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(shù)支撐，在當(dāng)前的大數(shù)據(jù)時(shí)代，只有廣泛收集各類信息并通過各種顯示控制方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市排水?dāng)?shù)據(jù)管理、監(jiān)測預(yù)警、綜合監(jiān)管、應(yīng)急決策一體化的管理，構(gòu)建城市防澇應(yīng)急搶險(xiǎn)能力，提高城市防災(zāi)減災(zāi)能力和安全保障水平。通過排水信息化系統(tǒng)的建設(shè)和相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，全面推動(dòng)智慧城市建設(shè)，帶動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展[6]。