基于移动式抢险排水装置的防涝智能管理系统研究

邱兴阳，郑健，梁锋林

（湄洲湾职业技术学院，福建莆田，351119）

0 前言

随着当前急端的气候变化越来越频繁以及社会城市化程度越来越高，由于自然及人为因素导致的极端气候造成的自然灾害事件的也越来越多，城市发生自然灾害的频率、强度及因灾造成的各类损失也越来越严重[1]。由于城市防涝排水系统能力的有限性，当连续下大暴雨时，雨水不能通过原有的排水系统及时排出，就会在城市的低洼处形成大量积水，引发城市内涝，造成严重的经济损失，影响了整个城市的交通出行和居民的日常生活[2]。由暴雨引发的内涝，是许多城市主要自然灾害类型之一。当前政府已经把城市内涝灾害管理策略已从应急响应及灾后影响分析调整为对内涝防御系统规划，因此排水防涝系统的风险评估、提前预警将为成为内涝防治研究热点。近年来，传统雨季和极端气候引起的城市内涝给市政部门带来了巨大的压力，由强降雨引发的河水倒灌、道路淹没、交通堵塞、桥梁和建筑物损毁等，给国家和人民带来了巨大的经济损失和生命安全隐患。综上所述，内涝排水问题的确值得有关部门高度重视，排水系统必须以安全、快速、高效、便捷为依据，实现内涝排水的智能监控管理。

1 系统概述

基于移动式抢险排水装置的防涝智能管理系统针对频繁发生的城市内涝现象而设计，系统以水文、气象、排水设施、水利工程、物资、人员、视频、遥感等信息为基础，基于城市地表产汇流、排水管网等模型和GIS，建立内涝监测、信息发布、物资管理、管网管理、内涝模拟与分析、溢流和内涝的预测预警、内涝风险评估、应急预案管理、排水调度管理、应急指挥与决策会商平台，提高城市防涝应急抢险能力，尽可能的减少内涝灾害损失；同时为城市排水系统的能力建设，相关规划的制定、排水管网的合理改造提供强有力的数据支撑和参考。其系统框架如图1 所示。

图1 系统框架图

2 移动式抢险防涝装置设计

当前很多内涝抢险装置一般都采用固定式的结构形式，携带不够方便，而且在对信息监控方面不够完善存在着一定的局限性，比如无法实现远程的互联互通，监测不够及时响应时间长等。为了解决现有的技术问题，现设计一种便于携带的内涝抢险装置，能灵活移动使用，其系统框架如图2所示。采用STM32F103 处理器，使用摄像头、风速传感器、液位传感器、雨量传感器、无线收发模块以及GPS 模块搭建成移动式的内涝抢险装置，使用者可以通过远端移动设备内部的APP 实现远端实时信息查看和远端控制操作，便于随时随地可以查看监控各类信息，缩短内涝抢险整个过程的响应时间。

图2 移动式抢险防涝装置系统

■2.1 移动式抢险防涝装置主要器件

(1)主控单元STM32 处理器

系统主控单元采用STM32F107 互连型芯片，是专门用于嵌入式开发的低功耗ARM Cortex-M3 内核。该芯片标准外设包括10 个定时器、两个12 位1-Msample/s 模数转换器(交错模式下2-Msample/s)、两个12 位数模转换器、两个I2C 接口、五个USART 接口和三个SPI 端口。还具有USB OTG 和CAN2.0B 接口，并增加了以太网10/100 MAC模块[3]。在使用时可重新优化功能、存储器、性能和引脚数量，以最小的硬件变化来满足个性化的应用需求。

(2)雨量传感器

雨量传感器采用ABS 高精度传感器，机械双稳态结构、RS485/模拟量信号输出、抗干扰能力强、测量误差小，用来遥测下雨时的降水量、降水强度、降水的起止时间。支持数据主动上报，可用于以供水调度、防洪及水库的水情管理等为目的水文情况自动测报系统、自动野外测报站。

(3)气泡式液位传感器

气泡式液位传感器是利用传感器进入被测的水体中，测量水中的静压力，水下通气管口的压力与压力控制单元的压力传感器所承受的压力相等，此压力和气泡室上的水位高度是成正比的，因此只要先后测定大气压和气泡压力，取两个信号之间的差值，从而便可得出测量水位值。气泡式液位传感器具有安装简单，操作、组网灵活，运用在遥测系统中进行水位监测，适合用在流动水体、大中小河流等水深比较大的场合。

(4)定位模块

定位模块采用GPS 北斗双模模块VD-G101，该模块是一款高性能GPS 模块，拥有-162dBm 的超高跟踪灵敏度，定位精度可达2.5 米，在复杂环境中也能精准定位。该模块功耗低、尺寸小，易于集成PND（便携式导航设备）中，使用NMEA-0183 协议或自定义协议记录位置、速度、时间等串行数据信息。

(5)监控摄像头

系统采用的摄像头能在无电无网的环境下可再监控10小时，还具有4G远程监控、全彩夜视、360 °全景、区域侦测、自动追踪、自动归位、声光警戒、防水防雷等优点。摄像头能够实时采集积水点附近状态影像资料，并进行压缩、编码，经4G 网络送到支持IOS 平台（手机或平板电脑）安装APP同步显示。通过手机及平板电脑可随时查看现场影像与相关数据，便于管理部门实时监控积水点附近路面状态，将很大程度上提高城市内涝排水应急响应效率。

(6)GPRS 无线收发模块

GPRS 无线收发模块是一款内嵌GSM/GPRS 核心单元的无线Modem，具有完备的电源管理系统，标准的串行数据接口，外观小巧，软件接口简单易用。运用GSM/GPRS网络传输技术，基于移动GSM 短消息收发平台和GPRS 数据业务的工业级通讯终端设备。利用GSM 移动通信网络的信息收发平台和GPRS 定位业务为用户搭建了一个远程的数据传输系统，实现中英文短信功能，彩信功能，GPRS 数据传输功能[4]。

■2.2 移动式抢险防涝装置的优点

移动式抢险防涝装置的外观如图3 所示，装置由传统的三角型构成，具有良好的稳定性，可自由折叠，缩小了储备空间。颜色由红白相间，外部反光警示涂层，不仅简洁大方，而且有很好的警示作用，其主要有以下六大优势。

图3 移动式抢险防涝装置

(1)定位精准：通过GPS 定位功能，实现对内涝灾害严重地区的精确定位。

(2)拆装便捷：设备采用多传感器高集成终端，将多种检测功能集于一身，可与机构底座随意拆分装卸，非常简便轻盈，布置维护事半功倍。

(3)一架多用：系统搭配机构底座三脚架不仅可在内涝防洪工作中应用，也可用于公路维修，路线指引，道路事故等的警示、监控。

(4)预防完善：液位监测、雨水雨量监测、风向监测、风速监测可以实时掌握检测区域雨水过多、水量过大、风力过强等情况，通过云端平台内涝模型与实际检测数据对比，提前发出预警，为市政部门决策做参考。在灾情恶化前，及时、安全地转移周边地势较低的房屋中的居民，预防内涝而引发的各种事故。

(5)云端模型：接收数据上传云端，存入数据库。不仅可以进行长时间的保留，还可以通过后台进行数据对比分析，建立灾情数据模型，为救灾提供决策参考。

(6)远程监控：利用物联网终端视频监控传输功能，时刻观察路面状况。积水退去后，及时、合理、高效地安排人员处理井盖，避免意外发生。

3 基于移动式抢险排水装置的防涝智能管理系统

基于移动式抢险排水装置的防涝智能管理系统通过移动式抢险防涝装置的勘探现场水位、雨量、风速及实时监测积水等情况。系统具有数据云存储功能，可智能的将超标数据和当前现场画面记录下来，存在云端。管理员可随时查看历史记录，从而获取相关信息。遇上暴雨台风天，工作人员携带智能排涝装置前往现场监测水位、风速，解决排水问题。

■3.1 排水防涝智能化监测与应急指挥管理系统

排水防涝智能化监测与应急指挥管理系统利用GIS 与GPRS 技术由控制中心，监测查询各积水点的排水情况，其系统如图4 所示。利用远程视频传输技术可实现对突发事故的快速反映，快速决策。利用数据分析和模型计算分析出积水点排水管网的故障，精准快速的锁定故障，再由系统发出故障指令通知相关维修人员前往维修。按照“平战结合”的指导思想，基于日常监管的基础，结合物联网技术建设监测监控网络，做到“人防和技防”的有效结合，为应急抢险救援提供辅助决策和远程指挥等功能。建立完善城市综合管理信息平台，整合各部门防涝排水管理相关信息，在易涝积水点、排水设施关键节点布设必要的智能化感知终端设备，满足日常管理、灾情预判、预警预报、运行调度、防汛调度、应急抢险等功能需要[5]。

图4 排水防涝智能化监测与应急指挥管理系统

■3.2 手机监控系统

手机监控系统主要是实现对排水防涝现场的监测监控的雨量、风速、液位、场景等各类信息的随时随地移动化查询、使用和共享功能，且具有应急现场人员随时接收指挥中心调度指令，并快速反馈现场实时救援情况、GPS 定位、语音、数据、图像通信等信息交互功能。具体监控的参数和内容如图5 所示。管理员只需要一部手机，就可在地图上观察到所有设备，进入设备详细信息后，可进行观察现场视频、查看水位等传感数据、查询历史记录等操作。利用数据分析和模型计算分析出积水点排水管网的故障，精准快速的锁定故障，方便管理员及时做出决策，由系统发出故障指令通知相关维修人员前往维修，减少内涝带来的损失。

图5 手机监控系统

4 结语

本系统的移动式抢险防涝装置底部含有水位传感设备，顶部含有摄像头设备、电池、定位模块、雨量传感、风速传感设备。传感数据通过4G 模块，将数据实时传输至网络，通过GIS 与GPRS 技术在防涝智能管理系统中的应用，实现现场侦测的信息实时上传，包括文字、声音图片和视频等对防涝排水的日常管理和抢险应急管理提供更多的决策支持。为城市防涝排水提供全方位技术支撑，在当前的大数据时代，只有广泛收集各类信息并通过各种显示控制方式，实现对城市排水数据管理、监测预警、综合监管、应急决策一体化的管理，构建城市防涝应急抢险能力，提高城市防灾减灾能力和安全保障水平。通过排水信息化系统的建设和相关领域的发展，全面推动智慧城市建设，带动地方经济发展[6]。