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城市建筑防暴雨内涝灾害预警系统的设计与实现
(发布日期:2019/4/15) 来源: 深圳市宏电技术股份有限公司
 

0 引言

我国经济的飞速发展带来了城市建设的热潮,城市建设一方面改善了人的生活品质,但另一方面,城市建设会大幅度地改变城市的地形/地貌,混凝土铺盖的不透水面积不断增加;市区面积的大幅度扩张以及密集的房屋建筑群会减弱地表渗透的能力。地表植被和坑塘日益减少会影响降水产汇流条件,造成短时期地表及河道径流量猛增,滞水及暴雨时产汇流时间缩短,地表持水的能力下降,从而加剧了城市暴雨内涝灾害。

以深圳市为例:深圳市降水充沛,市区遭受暴雨内涝侵害的危害比较大,根据深圳市防汛抗旱总指挥部的统计,深圳市的内涝点有300个左右,受影响的区域达到230平方公里,直接影响到的居民数量达到350万人。市区暴雨内涝灾害不仅会对市政设施造成极大的侵害,还会对人民群众的生命财产造成严重的威胁,更会影响到整个城市的正常运转。

城市化人为加剧了城市内涝灾害,致使地表的持水、内涝灾害加剧,城市暴雨内涝灾害气象预警系统能够为城市的洪涝灾害提供预警,减轻内涝灾害造成的经济损失和人员伤亡。现代城市中,下挖式立交通道等的大量修建如地下室、地铁、地下车库等一旦进水,损失巨大。

城市建筑防暴雨内涝灾害预警系统的设计与实现


1 城市暴雨内涝灾害气象预警系统原理

目前,城市内涝实时监测系统的作用是暴雨发生时给出及时、准确的灾害预警信息,以便于当地市政部门和救灾部门采取合理地应对措施。从技术上讲城市内涝实时监测系统主要通过收集和分析暴雨强度、管道流量、地面汇水面积、气象预报、管网容量以及径流系数等数据,根据这些数据预测当地城市内涝发生的概率、发生的时间以及发生的强度等等[1]

本文所述的城市内涝灾害预警系统主要通过城市积涝风险、排水管网分析模型、积涝和积水模型,对城市排水网络的排水能力和暴雨气象的径流进行实时分析,通过解析函数描述来获得城市内涝灾害的预警信息。

2 城市暴雨内涝灾害气象预警系统的技术特点

城市内涝实时监测系统主要功能是通过传感器实现关键节点的水位检测,并通过通信系统将数据传回数据处理中心,通过分析软件完成城市内涝灾害的预警,且系统要考虑低功耗和低成本的因素,保证网络构建的可扩展性。城市暴雨内涝灾害气象预警系统能够完成可靠的数据传输,能够执行全天候的数据采集。观测节点须具有良好的环境适应性,能够在环境恶劣的排水井/下水道工作,监控设备需要具备防泥沙、灰尘,防水,防潮的能力。另外城市暴雨内涝灾害气象预警系统还要具备友好的人机界面,能够无人值守下工作,具有可靠的数据存储功能,能够与数据挖掘设备进行对接等优点[2]

3 城市暴雨内涝灾害气象预警系统的总体设计

城市暴雨内涝灾害气象预警系统的总体系统构成由两部分组成:观测节点和监控中心。监控中心负责收集观测节点的所有数据,并负责观测节点数据的分析和结果的播报,观测节点和监控中心通过无线通信互传数据。城市暴雨内涝灾害气象预警系统的总体设计如图1所示。


城市建筑防暴雨内涝灾害预警系统的设计与实现

图1 城市暴雨内涝灾害气象预警系统的系统架构

观测节点的详细功能框图如图2所示,包括水位监控模块、无线通信模块控制模块、以及独立的安全供电模块。为了维持观测节点的稳定工作,还需要有低电量预警模块等其他确保工作连续性的功能。水位监控模块和控制模块需要采用低功耗单片机,本文所述的控制模块和水位监控模块采用MSP430系列的C8051F985单片机作为控制器,消耗功率仅为10mW,工作电流仅为3mA,能够降低系统的整体功耗[3]

城市建筑防暴雨内涝灾害预警系统的设计与实现

图2 城市暴雨内涝灾害气象预警系统观测节点的功能框图


4 城市暴雨内涝灾害气象预警系统的关键技术

4.1 预警系统的通信技术

本系统采用GPRS工业通信模块提供“通用分组无线业务”,该系统的频率为900/1800MHz,能够实现点到点的无线通信。GPRS是第2.5代移动通信,能够做到永远在线、是一种先进的高速传输,通过异步串行接口(EIA-232)通信与监控中心通信。虽然目前无线数据网络基本实现4G,并向5G技术发展,但GPRS模块因为信号强大,数据传输功能实时等特点,完全满足本系统的工作需要。

4.2 预警系统的决策技术

本系统的预警决策体系是根据先验知识来决定预警信息的结果,数据来源包括检查井的水位变化、实时监测排水井的流量,这些信息的获得来自于城市排涝的关键节点安装的监控系统和水位监测装置。本系统的决策分析利用模糊逻辑实现决策,通过实时监测观测区域内水位的变化情况,输入量为水位及其涨速,通过分析为城市提供城市内涝预警。

4.4 水位采集模块技术

水位采集模块采用液位传感器来实现水位的自动测量,测量设备为PTH-RS485数字压力变送器,该器件功耗不大于20mA,可用太阳能或蓄电池供电,采用两级防雷设计,具有高精度、高可靠性的特点。水位测量传感器采用低功耗设计,最高采样速度10 次/秒,能够做到数据实时采集,使用和安装方便。水位测量传感器可以通过RS485通信协议组成通信网络,能够将水位信息转化为可传输的数据,方便计算机联网。

4.5 灾害预警播报技术

城市暴雨内涝灾害气象预警系统还需要播报系统将气象灾害预警信息广播和播报,以期为政府抗灾救灾和群众自救提供灾害预警和灾害知道信息,因此气象灾害预警播报需要保持一直在线。本系统采用蜂窝网络带宽传输,播报数据广播和关键节点数据上传免费,不受用户资费影响等特点,可以做到气象灾害预警随时发布和接收信息,不受距离和位置的限制,方便人民群众和政府及时了解实时的灾情信息。

城市暴雨内涝灾害气象预警系统通过操作和使用接入气象灾害预警广播平台,将天气预报、地质灾害、与本系统的数据进行汇总分析,经监控中心分析后发布暴雨内涝灾害气象,预警广播信息便通过无线蜂窝宽带网中以免费的方式进行播报,进而提醒灾害影响区域内所有人员的关注。本网络采用无线移动通信网络,能够对辖区内的进行良好的信号覆盖,能够实现将文字、数据、短信息、直接电话拨号,将接收信息与否状态上报气象灾害预警广播平台。

城市暴雨内涝灾害气象预警系统的播报功能包括文语转换、LED显示、定时播、 紧急播报、播报设置、显示设置、循环设置、次数设置、身份鉴别,避免人工恶意干扰设置、状态监测、外设控制以及多元文本等。该系统能够实现自动支持气象等信息文字转语音广播输出、LED显示文字滚动速度设置、支持扩音机电源自动播报功能、播报不受恶意干扰、以及支持多种内码格式文本等功能。城市暴雨内涝灾害气象预警系统广播的防火墙等级较高,并适度实行核心数据采集和分析系统的物理隔离,最大程度地保证该系统运行过程的通信安全和系统安全。

5 城市暴雨内涝灾害气象预警系统的技术改进

本文所介绍的城市暴雨内涝灾害气象预警系统还根据观测和系统集成所面临的问题,进行了一系列的技术改进。其中主要的技术改针对的是观测节点通信技术问题。

城市暴雨内涝灾害气象预警系统观测节点的信号衰减严重,主要的信号衰减来自于:(1)井盖(介质)等金属对无线信号的屏蔽;(2)路面积水、高大建筑对无线信号的反射和遮蔽;(3)观测节点大多数位于地下,信号受土壤和地下水的遮蔽;(4)道路雨水将井盖淹没,进而对无线信号产生屏蔽。

针对以上问题,本系统采取了下列改进措施:(1)井盖底部的观测节点与节点设备主体做成一体,天线紧贴地面以减少无线信号的衰减;(2)针对金属井盖、土壤以及地下水具有一定的无线电遮蔽能力,将可能被洪水完全淹没的水位探测设备天线进行延长,以减少恶劣天气和探测器位置对无线信号的遮蔽和影响。

对于金属井盖,由于金属对无线信号的屏蔽作用,在洪水洪水淹没导致无线信号减弱,如果天线安装于检查井的内壁并距离地面的一定深度,则信号衰减强度将进一步增大甚至发生信号丢失。这时候可能需要考虑其他的技术改进措施,以保证通信的畅通,比如天线外漏于地面、信号转接、探测系统信号发射系统冗余等措施。

6 结论

城市暴雨内涝灾害气象预警系统设计遵循的原则是“系统可靠、信号稳定、安全保密、方便扩展”的原则。城市暴雨内涝灾害气象预警系统的总体系统构成由两部分组成:观测节点和监控中心。监控中心负责收集观测节点的所有数据,并负责观测节点数据的分析和结果的播报,观测节点和监控中心通过无线通信互传数据。观测节点包括水位监控模块、无线通信模块控制模块、独立的安全供电模块,无线通信模块。本系统还具备独立供电的节点,具备友好的人机界面,能够无人值守下工作,具有可靠的数据存储功能,能够与数据挖掘设备进行对接等特点,能够为城市洪涝灾害提供准确的预警信息。

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