基于物联网的海绵城市在线监测系统应用研究

贾新会， 冯竞楠，褚立波，杨文栋，王洁瑜

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065；2.中国电子科技集团公司第三十九研究所，陕西 西安 710065；3.中国水利水电第三工程局有限公司，陕西 西安 710065)

1 概述

近些年随着城市化进程的加快，我国多地实行海绵城市建设来降低城市洪涝风险，在取得海绵城市建设所带来的成果与经验的同时，不少城市形成规划管控缺失局面。小寨区域海绵城市工程作为首个非国家示范的实际工程应用，建设范围总面积为20.15 km2，在着重解决城市内涝、雨水收集利用等问题的同时，借助在线监测技术积累海绵城市建设的动态基础数据，加强海绵城市工程建设效果的跟踪评估。

目前海绵城市建设融合了低影响开发(LID)、城市排水防涝、超标雨水排放及面源污染防治等多重技术于一体，因此，在数据基础监测方面提出了更高的要求，常规的监测手段已不满足于海绵城市建设的复杂需求。本文依托该项目提出一套基于物联网的海绵城市在线监测系统平台构建方法，完整构建从感知、一体化的闭环应用[1]。

2 基于物联网的海绵城市在线监测系统研究目标

根据城乡建设颁布执行的《海绵城市建设绩效评价与考核办法(试行)》中关键指标的定量化计算要求，结合监测项目的选取依据及实际情况，以智能化监测为载体采集传输各项基础数据，以各项海绵城市指标考核为工程需求，建设以监测结果分析、判断为核心的数据大脑，全方位动态掌握海绵城市监测设施设备的运行状况及项目建设管控运维过程，同时为西安小寨区域海绵城市建设效果定量化考核评估提供动态持续的数据支撑及决策依据。

3 在线监测全要素研究

分别从海绵城市在线监测要素的基础、源头、过程及末端开展相关研究，根据监测布点原则确认涉及雨量监测、温度监测、易涝积水监测、雨水利用监测、排水口监测、典型海绵设施监测等在线监测内容。

3.1 基础要素监测

与水位流量同步监测的降雨数据是支持海绵城市设施效能分析的基础和径流控制及面源污染控制的考核评估依据。由于降雨具有随机性，结合布点原则，每2 km2设置一处雨量站，并采取冗余设置，进行分片区的雨量在线监测，测试不同区域及不同下垫面的降雨径流情况；同时监测不同区域的气温情况，提供准确气温数据，支持海绵城市热岛效应缓解效能分析及考核评估，结合布点原则，气温测点按照每4 km2设置一个温度监测站在区域范围外周边适量布置2个～3个站点。

3.2 源头、过程及末端要素监测

该项目构建“源头-过程-末端”在线监测体系，通过对项目的排水口流量及水质进行监测，作为年径流总量控制率城市面源污染控制率等指标的源头计算依据，同时对生态滞留设施、植草沟、绿色屋顶、雨水花园等LID低影响开发实现源头监测；根据雨水汇集过程及管网节点流量进行过程要素监测；结合降雨径流的汇集过程，对河道、易涝积水点进行水量、水质监测，实现最终评估。

4 物联网传感技术工程应用研究

根据该海绵城市工程项目需求及实际情况选择合适的温湿度传感器、雨量传感器、超声波液位计及流量传感器等高精度海绵城市在线监测系统数据摄取必备的智能监测设备，基于物联网的海绵城市在线监测体系架构如图1所示。其中感知层基于RS485串口与传感器连接，远程读取降雨量、水位、流量等参数，并借助GPRS无线通信模块将数据传输至远程服务器端；智能决策层主要包括环境监测服务端和远程控制服务端。环境监测服务端主要对上传的信息进行分析和存储，远程控制服务端主要负责感知层和用户层的实时通信，实现远程控制；应用层主要实现测控系统与用户的交互工作，涉及在线监测上位机软件系统设计[2]。

本项目将智能传感器、采集控制模块和通信模块进行集成为智能传感单元。该智能传感单元具有良好的可移植性，如图2所示，能够实现传感器信号采集、转换及远程监控等功能。

该智能传感模块可实现对温湿度、雨量等传感器的控制，同时可通过GPRS无线通信方式与上位机进行数据交互。本次工程设计中需对水位、水质、雨量等信息进行采集，所选用传感性能如下所示[3-4]：

1)雨量传感器测量精度雨强范围不大于4 mm/min，测量准确度不大于±3%；水位传感器量程为0 m～1 m，准确度为0.2 mm；液位传感器量程0 m～10 m，准确度:0.1% F.S；水质传感器包括常规水质参数SS、氨氮、COD及TP，测量范围分别为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，测量精度分别为≤±2% F.S，≤5% F.S，≤10% F.S及≤±2% F.S(对应的采集硬件接口例如RS485等)。

2)为满足上述多种传感器的不同监控接口需求，智能传感单元选由C8051F120作为主控控制器，如图3所示，该单片机具有多路高精度AD采集、多路异步串行接口，以及独立的温度采集接口具备极强的扩展性。同时具备弱上拉控制，使其适应各类低功耗应用环境。

5 数据采集分析应用研究

基于海绵城市规划建设需求，综合运用物联网数据采集、数据仓、数学模型等先进技术，利用在线监测系统多方位记录海绵城市建设相关设施运行情况，同时在系统建设过程中融合“水弹性城市”理念，结合地理信息系统与物联感知网络研究构建海绵城市智慧系统，多角度全方位实时监测和记录海绵城市建设过程及运行情况，通过多源数据融合技术及数据分析技术，实现对海绵城市在线监测、水量分析、运行管理及决策支持，具体所采用的技术主要包括如下：

1)物联网数据采集。

针对监测数据种类包括管网监测、河道监测、水质监测、积水监测、雨量监测等通过标准的数据接口，获取上述监测数据进行数据接入,并按照统一的数据要求迁移到数据中心服务器。接入不同监测数据源来调整迁移方式：包括通过MQTT协议标准、MODBUS协议标准、HJ212环保标准以及通过自身Netty等都可接入到大数据存储环境中，满足多种类型监测数据源来达到数据健壮性。

2)基于3NF数据仓库模型技术建设海绵城市数据中心。

海绵城市信息化管理中的数据具有海量、多源、异构的特点。通过信息资源规划的方法，结合3NF+星型结构模型技术，建设海绵城市大数据中心。通过数据中心提供标准的数据服务，并结合建模技术通过相应的管理和业务触发机制保证信息的一致性、准确性、完整性、鲜活性。

数据仓库可通过可视化界面的配置管理方式实现多源、多类型的数据集成，能实现简单、快速的多数据格式间的相互转换，为海绵城市数据管理创建统一的数据模型，可支持数据集，电子表格，XML，web服务，GIS，CAD以及许多其他数据类型。

利用数据交换系统、信息资源目录等工具推动信息的共享和综合协同性的管理维护。实现数据资源的统一管理、维护、更新和服务，为海绵城市的建设过程管理、运行维护、绩效考核、应急指挥等等提供数据支撑服务。通过集中与分布式管理相结合、多级备份、相互印证、相对独立的数据管理机制实现数据的统一管理、维护和服务。

3)智能模型应用。

借助一维水力学模型、二维水力学模型及防汛排水模型等，基于现有排水管网资料、在线监测数据，模拟排水管网运行工况，评估排水管网现状，帮助管理人员对排水系统中薄弱区域进行判断；根据西安市小寨区域地形数据资料，建立研究区域的地表漫流模型，模拟降雨径流和管网溢流在地表的流态，以及易积水区域，并对现状排水管网的排水能力及内涝风险进行评估，同时应用模型进行多预案分析，为管网管理、防洪规划提供技术支持。将汛期应急被动控制模式转换为主动预警模式，全面掌握排水系统整体运行情况，为防汛排涝工作提供决策支持。

6 在线监测系统管控平台应用研究

建设生产数字化、管理协同化、决策科学化的信息化智能系统，用户能够通过登陆海绵城市在线监测管控平台进行查询在线监测的实时数据、查看水量水质分析情况、设备设施运行情况等。

6.1 平台架构

海绵城市在线监测平台综合考虑数据维护和空间分析能力、通用性、可维护性、功能扩展性以及与当地情况的适用性等原则，满足各项业务需求[5-6]。平台采用B/S+M/S架构，实现web端和移动端的系统浏览与功能使用。

平台总体技术架构如图4所示。

1)物联感知层。

感知层是海绵城市在线监测系统平台建设的基础，主要依靠监测现场的液位计、水质监测站、流量计、无人机等采集设施和各类感知设施设备，结合数据采集与传输协议，形成集约化、多功能监测体系，满足全方位的监测需求，为海绵城市水环境模拟管控提供长期在线监测数据和计算依据，并且覆盖全区域、多目标、多方位的数据信息系统，为海绵城市的管控运行应急管理提供依据支撑。

2)数据汇聚支撑层。

数据汇聚层是海绵城市在线监测系统平台建设的重要一环，其通过移动网络、快带物联网、视频专网等与感知设备连接，然后利用中心机房、计算资源池等计算资源设备，对监测数据进行加工处理，将处理后的数据作为后续应用设备的数据依据。同时，还可以通过移动网络等获取外部资源数据，丰富在线监测系统平台数据库，更好地服务于海绵城市在线监测。

3)应用支撑层。

应用支撑层是海绵城市在线监测系统平台的“智慧大脑”，通过人工智能算法、城市洪涝灾害模型、水质模型、流域综合模型等，将数据层加工处理后的数据进行建模分析，仿真模拟海绵城市真实场景，为决策者尽可能提供全方位的数据分析，使其作出最优的决策方案。

4)应用服务层。

服务层主要利用WebGIS、三维GIS引擎等技术手段，将支撑层的数据分析，进行多方面、多角度、多层次的直观展示，其主要有“GIS一张图”、在线监测、风险预报、水量分析、决策支持等功能模块，帮助决策者更快、更好地作出决策。

6.2 在线监测系统平台应用

基于物联网的海绵城市在线监测系统平台应用主要包括GIS一张图、风险警报、设备设施管理、水量水质分析、决策支持等应用功能。

6.2.1 GIS一张图

“GIS一张图”以三维GIS作为可视化基础，通过互联感知网络、视频监控网络等获取到海绵城市建设地块信息、下垫面属性信息(植草沟、透水铺装、下沉式绿地、屋顶花园等)、调蓄站工程信息、监测信息(水位、流量、流速、雨量等)、设施设备信息(包括水位监测站、雨量监测站、视频监测站等)、管网排口信息等，并针对以上不同数据对象进行分类后，完成空间可视化表达，为可视化海绵城市工程汇水、排水分区及其设计属性信息。

6.2.2 风险警报

根据海绵城市在线监测数据，同时系统集成水文水动力模型对内涝进行预测分析，并且对各类数据提前进行阈值设定，结合内涝风险图对各类异常情况进行风险预警预报。预警预报子系统包括水质预警、水位预警、风险等级划分、设施设备运行情况预警、预警规则制定、预警统计分析等。

6.2.3 设备设施管理

实现对海绵城市工程建设所涉及的设备设施进行空间可视化管理，一方面实现在不同地块上的设施设备空间查看，一方面实现对设施设备的分类查看，比如全域的雨量站点可视化分布及参数、监测数据等信息查看；该模块便于管理者掌握监测设施设备运行状态，监测数据异常情况等，从而为判定海绵城市建设成效提供依据支撑等，同时支持管理员权限对数据进行增删改查。

6.2.4 水量水质分析

结合水文水动力模型，采取海绵建设工程评价标准对区域进行水质分析、水量分析等流域水环境评估及考核评估等，评价指标可根据需要通过水质分析界面的复选框自由选择，同时通过图表方式呈现监测数据变化及分析结果。

6.2.5 决策支持

利用城市防洪内涝模型，同时结合水质模型、流域综合模型、供水调度模型等，仿真模拟10年一遇降雨情况、50年一遇降雨情况等，通过GIS图展示和图表分析等手段，分析不同降雨强度对城区的淹没情况，帮助管理者做出最优决策。

6.3 平台应用效果

本平台是依托小寨区域海绵城市项目，分别从在线监测全要素、物联网技术应用、数据分析应用等研究的基础上，构建的从感知及数据处理分析一体化的应用。设计平台最初的目的就是将其应用到项目工程上，服务和指导小寨海绵城市项目，目前平台已经很好地服务于小寨海绵城市项目，借助一维水力学模型、二维水力学模型及防汛排水等模型，仿真模拟了10年一遇降雨、50年一遇降雨等情况，通过分析不同降雨强度对城区的淹没情况，帮助小寨区域应对不同强降雨情况，为小寨实现区域智能化管控打下了坚实的基础。

7 结论与展望

本文通过从在线监测要素研究、物联网传感技术应用、数据采集分析、在线监测体系系统平台设计研究等方面进行阐述，构建了一套较为完善的海绵城市在线监测系统平台，作为实现海绵城市各区域、多尺度的效果评价分析基础，为海绵城市工程建设过程的运维管控等提供了决策依据。