城市内涝监测系统建设方案.docx
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城市内涝监测系统建设方案
城市内涝监测系统
建
设
方
案
2019年8月
一、项目概述
1.1项目背景
随着我国经济的不断繁荣，大中城市的建设也在突飞猛进地高速发展，城市圈也在已经不断扩大。
为了缓解交通压力和保证出行的畅通，许多城市建设了不少的立交桥和下穿隧道。
近年来，由强降雨引起的城市下穿隧道及立交桥下低洼处存在大量积水的现象时有发生，且有愈演愈烈的趋势，随之而来的诸多效应中，有许多因素加剧了汛期街道积涝的情况。
城市积水造成公用设施受损，使交通、电力、通讯、网络传输、水源等受到了严重影响或损坏，给人们的生产生活带来诸多不便。
另外随着城市人口资产密度的提高，同等淹没情况下损失增加；且城市的中枢作用使得次生影响和间接损失加大，严重时可能造成重大的经济损失和人员伤亡，目前我国城市抗涝形势非常严峻。
因此，已经引起市政、城管、防汛、路政等政府有关部门的高度关注：
一方面要积极修建并管理好排水设施，另一方面建设城市内涝监测系统，也极为必要，它既可以为决策机构的领导提供道路积水的实时信息，也为市政排水调度管理机构提供支持，还可以通过广播、电视等媒体为广大老百姓提供出行指南。
逢大雨必涝，已成为我国城市的一种通病。
1.2内涝现状
城市内涝是指由于强降水或连续性降水超过城市排水能力致使城市内产生积水灾害的现象。
目前我国城市化发展迅速，随之而来的诸多效应中，有许多因素加剧了汛期街道积涝的情况。
城市积水造成公用设施受损，使交通、电力、通讯、网络传输、水源等受到了严重影响或损坏，给人们的生产生活带来诸多不便。
另外随着城市人口资产密度的提高，同等淹没情况下损失增加；且城市的中枢作用使得次生影响和间接损失加大，严重时可能造成重大的经济损失和人员伤亡。
目前我国城市抗涝形势非常严峻。
造成内涝的几项主要原因：
1.城市化进程发展，没有充分考虑到排水系统的负荷能力，道路不断扩建改造以及地面不断硬化，导致自然渗水能力大大降低，城市周边农田、湖泊减少，导致自然储水能力减低，遭遇到瞬时强降水时，排水量远远超过了排水系统承受的压力，道路改建甚至破坏了原有排水系统，遇到降水造成内涝现场。
2.城市排水系统存在问题，排水措施不够完善，或者道路排水系统设计缺失，路段遭遇到瞬时强降水或连续降水的时候，极易造成排水缓慢淤塞，因而造成了内涝现象。
由于排水系统不完善，排水管道管径偏小造成排水缓慢，降水时形成道路积水。
3．道路地理位置以及一些自然、人为因素的影响，瞬时雨量容易造成积水。
1.3建设目标
根据城市内涝积水的特点，结合水文局内涝监测站点建设取得的宝贵经验，弥补当前内涝监测系统存在的不足，在不改变当前城市排水系统的情况下，通过传感数据监测，实时监测涝情，建设一套城市内涝线监测系统及内涝信息推送配套软件，用于对水浸黑点的监测预警，以及解决城市内涝提供科学依据及有效的信息共享判断排水通道的排水状况，建立量化、直观的涝情监测平台与WEB发布平台。
利用传感器技术、信号传输技术，以及网络技术和软件技术从宏观、微观相结合的全方位角度，来监测影响道路积水通行安全的各种关键技术指标；记录历史数据和现有的数据，分析未来的走势，以便辅助政府决策，提升安全管理保障水平，有效防范和遏制重特大事故发生，保障人民群众的生命与财产安全。
二、项目需求
1、建立基于传感网络技术的实时、可靠的涝情数据监测系统。
为涝情应急决策提供数据支持。
主要包括降雨量监测、积水深度监测、积水面积监测、风速风向监测、GPS地理位置信息。
2、建立基于传感器技术的排水通道监测系统可在排水通道出现堵塞情况时第一时间发现、排除堵情。
3、通过智能远程电气控制器建立远程控制系统可实现闸门、泵站等排水设备的远程控制。
4、建立稳健的无线通信网络实现传感数据与控制设备与指挥中心的连接。
5、结合当前已建成的视频监控系统并作适当的补充建立基于GIS的城市实景涝情平台。
6、建立涝情预警网络实现街道、小区、学校等人口集中区域的涝情预警。
主要包括广播、短信。
7、建立涝情WEB发布平台与移动设备访问终端实现市民的远程访问为市民提供直观的出行指南。
系统架构
城市内涝线监测系统分为两部分进行建设，包括城市内涝数据采集系统，城市内涝在线监测综合管理平台两大子系统。
结构如下图所示：
城市内涝数据采集系统
本项目的监测系统采用分层分布式系统结构，分监测中心、前端监测站组成。
前端监测站主要采集各个积水点数据，并通过4G无线传输方式上传至监测中心；监测中心服务器主要通过4G网络和光纤接收、处理和暂存原始数据，自动定时或随机召测系统中需查询的测站信息，并对所接收的数据进行检测、纠错和合理性判断，并对原始数据进行处理和入库。
城市内涝在线监测综合管理平台
该子系统由GIS展示、城市内涝监测站点台帐管理、预警发布、参数配置、站点维护与处理、数据采集、数据共享接口几大模块组成。
城市内涝监测站点台帐管理
建立我区城市内涝的各监测站点的台账信息，台账信息包括站点编号，站点名称，坐标，位置，报警值，运行参数，维护人，联系方式等信息。
当台账信息建立后，内涝站点的维护与事故处理系统也对应建立起来，用户可以在上面进行日常维护业务。
并且形成的台账信息以数据可视化方式显示出来。
城市内涝站点维护信息与事故处理信息管理
该功能模块将城市内涝站点的维护信息和事故处理信息包括站点的维护事件、维护时间、维护人员、处理事件、维护设备信息、维护过程以及事故发生时产生的事故原因、事故处理情况、处理时间、人员等进行记录和管理。
该功能包括：
任务分派，问题上报，处理跟踪功能。
内涝站点数据采集
通过数据采集模块与内涝设备进行连接，将数据以标准数据格式发送给服务器。
内涝站点数据采集分为水情数据采集与抓拍摄像机图片采集。
内涝站点参数远程配置管理
能够通过管理平台，对采集设备进行远程配置，减少维护人员到现场解决问题的频率。
城市内涝预警信息自动生成与发布
设置内涝预警信息发布模块，一旦发生内涝预警，通过审核后，以预先设置的发布模板，自动生成发布信息，通过接口发布到不同的发布渠道。
预报发布需要通过一定的审核流程进行发布，不能够信息直接发布给社会大众。
GIS信息展示
系统自身不部署地图应用，通过开发通用的地图接口，实现多种第三方地图服务接入支持，如我区地理信息平台、百度地图使各类地图服务之间能无缝切换。
系统接口支持地图浏览功能，自定义空间定位，搜索，导航图，图例，距离量算，面积量算，地图输出，信息标注等等用功能，实现GIS动态数据展示，视频监控gis整合等功能。
数据共享接口
实现信息资源共享，为其它业务系统提供数据支撑接口。
平台提供对外的数据检索接口，提供各监测点内涝水位信息、城市内涝预警预报信息。
各类信息发布渠道可以通过实现信息资源共享进行信息发布，也可以通过访问数据共享接口，获取我区城市实时的内涝情况。
三、总体规划
3.1设计原则
本项目是水务信息化建设规划中重要的阶段目标，在项目实施过程中应遵循以下基本原则：
1、开放性原则
在系统的设计和开发过程中，采用国际通用的标准和协议，保证系统的开放性和通用性，在以后的扩展和升级中在底层不会出现太大的改动，以达到保护前期的投资的目的。
2、先进的原则
采用行业中先进的中间件和数据库产品，保证系统有较长的使用生命周期。
采用信息交换技术，保持信息的一致性，保证信息统一公用的输出格式。
3、实用性原则
系统的设计必须能切实提高用户的工作效率，改善工作效能，或者通过系统的建设，能为其他系统提供有效的数据支持。
4、整体性原则
系统设计时必须立足于全局，从高处着眼，不单要考虑本系统的功能，还要考虑本系统与管理所其他在建系统的联系；不单要考虑管理所的总体信息化计划，还应考虑管理所与外部单位的联系。
5、可靠性原则
在平台的具体实施过程中，采用的设计方案要保证应用系统多平台、高安全性等方面的要求。
6、安全保密原则
通过建立一套完整、合理的认证体系，对登陆的用户进行身份认证，确保身份的真实性。
在敏感信息的传送中采用加密技术，防止重要信息的泄露。
同时，对重要操作要进行日志记录，并对这些操作日志进行审计。
7、兼容性原则
采用统一灵活的数据交换机制保证平台与其他应用系统之间能轻松的做到松耦合；通过平台封装各种数据库的细节，保证应用层基本不改动即可兼容大多数数据库。
8、共享性原则
数据的设计必须考虑多种应用，保证为其他系统提供数据支持的能力。
9、实时性原则
系统的响应速度必须达到一定的标准，延迟必须在一个可接受的时间范围内。
10、可扩展性原则
采用基于组件的技术构造应用软件系统，便于系统裁剪，易于挂接现有的应用系统，保护用户以前的软件投资。
采用基于业界分布计算的工业标准实现，适应涉及面广，业务复杂的分布式应用环境。
11、可维护性原则
采用简单、直观的图形化界面和多种输入方式，最大程度方便非计算机人员的使用。
提供统一的图形化的维护界面，维护人员通过简单的操作即可完成对整个系统的配置、管理。
3.2设计依据
本方案的设计充分参照了下列国家标准及国际标准的有关内容：
国家防汛指挥系统工程总体大纲
国家防汛指挥系统工程总体设计实施纲要
国家防汛指挥系统工程设计概算编制指导书和实施办法
省三防指挥系统工程项目可行性研究报告
省信息系统工程建设设计指导书
水文情报预报规范SL250-2001
水文仪器总技术条件GB9359-88
水位观测标准GBJ138-90
水文测报装置监测水位计GB/T11830-1989
水利水电工程水情自动测报系统设计规定DL/T5051-1996
水文自动测报系统规范SL61-2003
水利水电工程通信设计技术规程DL/T5080-1997
水利水电工程通信设计技术条件SL/T102-1995
水文数据固态存储收集系统通用技术条件SL/T149-95
水文自动测报系统设备监测终端机SL/T180-1996
水文自动测报系统设备中继机SL/T181-1996
3.3系统组成
系统架构主要分为视频监控、涝情监测、远程控制、无线网络、服务平台五大部分
3.4监测站
监测站主要采集各个积水点数据，并通过4G无线传输方式上传至监测中心；监测中心服务器主要通过4G网络和光纤接收、处理和暂存原始数据，自动定时或随机召测系统中需查询的测站信息，并对所接收的数据进行检测、纠错和合理性判断，并对原始数据进行处理和入库。
监测站主要功能：
（1）随机自报：
监测小时平均水位数据（单位：
厘米）；当被测参数变化超过规定阈值时，监测通信终端设备及相关电路自动上电工作，将实时水位值发送至中心站；
（2）定时自报：
按设定的定时时间间隔（按照时段要求，如1小时、3小时、6小时、12小时、24小时等等，可任意设置），定时向中心站发送当前的水位数据。
发送的数据包括监测站站号、时间、电池电压、报文类型等参数。
时间间隔可在本地（通过置数键盘/计算机）或在中心站远程设置；
（3）蓄电池电压采集：
定时采集蓄电池电压，并在定时报时段自动向中心站报告并存入相应的数据库中，即可在中心站可查询测站的电压运行轨迹，可由中心站软件设置不同电压报警等级，方便运行维护人员提前作好维护决策；
（4）参数设置：
现场和远程可设置本站站号、初值、水位初值、传感器类别、水位采样间隔时间、报汛段次、水位变化阀值主备信道选择等参数；
（5）人工置数：
可通过RTU置数键盘将人工测量参数人工置数发送至分中心站，并接收中心站发回的数据接收成功的回执信号；
（6）数据存贮：
采集的水位数据具有现场存贮功能，其容量不小于32MB。
能响应分中心站召测指令，将现场存储的数据批量报送至中心站。
同时，能提供现场人员在现场进行数据查看和下载，存储数据数据能用于资料收集和整编；
（7）硬件自动开关通信终端：
通过监测终端硬件控制，具有自动开关通信终端功能；
（8）本地实时显示：
在本地通过置数键盘能实时显示水位、时间、电压等参数；
（9）调试开关功能：
通过软件设置，保证监测终端和分中心站接收终端在存贮和接收处理时能判断调试报文和正常报文；
（10）所有外部接口具有光电隔离防雷电破坏及防外部电磁信号影响。
单个前端监测站主要由以下设备组成：
序号
设备名称
单位
数量
1
智能遥测终端
台
1
2
遥测水位计
个
1
3
遥测摄像机
套
1
4
太阳能电池板
块
1
5
蓄电池
只
1
6
充电控制器
个
1
7
通讯模块
个
1
8
室外机箱
台
1
9
水尺标识
套
1
10
立杆支架
套
1
11
线缆、辅材、接插件
批
1
3.5系统软件平台
该系统由在线监测、数据分析、排涝管理、预报预警、体统管理五大模块组成。
软件平台组成结构如下图所示。
●在线监测：
以GIS地理信息系统、模拟数据图在线视频等多种方式，全方位体现低洼区域积水的实际运行参数情况，保证监测信息全面、及时、准确。
●数据分析：
针对排涝运行中的各项指标集中分析，提供历史数据查询及多个安全指标数据对比的功能。
●排涝管理：
对排涝及其相应的预案信息、基础资料、周边环境、数据报表等进行集中管理，使排涝管理更加信息化、自动化。
●预报预警：
实时分析和解读各监测数据，做出单项或多项对比报警功能，对出现的预报预警情况，进行在低洼区LED提示屏，并在预报预警的处理过程中建立消除机制，保证预报预警得到及时的处理。
●系统管理：
为信息发布平台提供了良好管理支持，使信息发布平台更加灵活、更易扩展。
3.6主要设备技术指标和产品性能
遥测终端机
智能遥测终端（RTU），用于水情测报、水雨情监测等应用场合；产品采用GPRS\3G\4G网络传输，将站点实时数据信息传输至信息中心。
数据采集：
支持一路雨量计信号输入、一路水位计信号输入（浮子式/串行接口/模拟接口可选）、两路串口摄像头图像信息采集输入、一路量水堰计信号输入（串行/模拟接口可选）。
工作模式：
可设置自报模式、应答模式和混合模式。
自报模式，只在需要进行远程数据编报时才开启通信模块进行通信，通信完成后设备进入低功耗模式。
应答模式，一直开启无线通信模块，随时应答远程信息中心查询操作。
定时存储数据。
混合模式，既有自报模式的定时数据编报功能，又具有应答模式的随时应答中心的查询功能。
远程通讯功能：
通过无线网络传输实时采集数据和图像采集数据；
支持电源切断控制，在应答模式下具有长时间无通信重启功能，在自报模式和混合模式下，具有通信失败重启功能。
具有数据补招功能，当某些时候进行的数据通信后没有正常将数据编报到中心，则将再下次通信成功时刻将原先未编报的数据记录进行重新上报。
支持远程参数修改，在ZKMC-300进行数据通信完成后，中心可回复请求额外通信命令，此时RVU将根据命令设定的时间延时关闭通信模块，以便顺利完成参数设置。
支持远程数据记录读取，操作方式同远程参数配置。
支持定时自报，水位加报，雨量加报功能，渗流加报。
支持自动对时功能。
存储功能：
具有定时存储数据记录功能，可存储两年的综合数据，数据记录采用循环存储方式。
人机界面：
显示：
128*64点阵液晶；
按键：
6个；
功能：
支持本地参数设置，本地采集数据显示，以及人工观测数据录入等。
技术参数
供电电压：
默认12VDC，供电范围：
9～18VDC；功耗：
待机功耗≤2mA（12VDC）；
水位计接口类型：
模拟水位计：
信号类型：
4-20mA（1-5V）；接口方式：
两线式，三线式；配电电压：
24VDC；
配电电流：
>50mA；测量精度：
0.1%F.S；
RS485接口水位计：
通信参数：
波特率：
9600数据位：
8停止位：
1校验位：
无
对外供电：
供电电压：
5VDC供电电流：
>50mA
雨量计类型：
增量式（翻斗式）雨量计。
串口摄像头接口：
像素：
130万；最大分辨率：
1280*1024；焦距：
2.8mm（可按实际拍摄距离选择镜头）；传感器：
CMOS；图片格式：
JPEG；波特率：
9600～115200可选；通讯方式：
RS485接口；传输距离：
大于20米；工作电流：
（IROFF）200-230mA，（IRON）320-350mA；
存储功能：
最高支持16M字节数据存储容量，可存储2年的采集数据。
远程通信接口：
接口类型：
RS232接口；
配电电压：
12V（同蓄电池输入）；
配电电流：
平均值>200mA；
前导时间：
1～120秒；
设备平均无故障工作时间：
MTBF＞30，000小时。
工作温度：
－20℃～＋60℃；
工作湿度：
20～95％。
遥测水位计
雷达式电子水尺，是基于TDR时域反射和ETS等效时间采样技术的接触式雷达水位计，俗称雷达式电子水尺，或雷达水尺。
电子仓发射微波脉冲，沿着导波杆传输。
当微波遇到水面时，反射波沿导波杆传回电子仓，超高速计时电路精确计算出传导时间，实现水位的精确测量。
雷达式电子水尺，是工业测距雷达在水位测量领域的创新应用，实现了电子水尺向高精度（毫米级），大量程（30米），高可靠，安装简便，免维护的技术跨越。
雷达式电子水尺通过标准信号接口，与计算机、PLC等连接，也可以与相应的显示、记录、控制装置（如RTU）连接，构成水位监测系统。
主要用途及适用范围雷达式电子水尺有多种安装方式（可立装可斜坡安装），不锈钢管构成电磁波稳定传输的同轴结构，同时有效隔离波浪对测试数据的干扰，外观协调美观。
雷达式电子水尺适用于河道、湖泊、水库、船闸、灌区等水利工程，尤其适合水务、污水处理、城市道路积水，橡胶坝、下水道等市政工程的水位监测。
产品实物图及型号规格
雷达水尺实物图
测控单元实物图过滤口实物图
功能特点：
1）安装简单，无需分段串接，可方便实现大量程
2）采用毫米级工业雷达测距传感器，内置通讯电路、防雷设计
3）不锈钢管式防护外壳，过滤波浪干扰
4）电子仓采用铸铝结构，IP67等级防护，适应恶劣气候
5）雷达波不受压力，温度、污染物，湿度，含沙量的影响
6）水尺可以单独使用，也可以级联使用每一套水尺可以通过计算机按软件设置ID编号
7）信号输出方式：
RS485（标准MODBUS协议）、4~20mA供选择
8）低功耗，适合太阳能供电
技术参数：
名称
参数
备注
量程
2米、3米、6米等可定制
最大30米
精度
10米量程小于+/-5MM
供电电压
两线DC18-30V，四线DC6.8-28V
输出信号
RS485（Modbus-RTU）模拟4~20mA
推荐4-20mA
数字滤波
程序设置
工作电流
≤24mA（DC24V供电）
功耗
最大功耗0.5W，待机功耗0.1W
工作温度
-20℃~80℃
固定方式
金属卡箍
遥测摄像机
主要技术指标如下：
1）像素：
130万像素；
2）格式：
JPEG格式的图像；
3）分辨率为：
支持：
320×240、640×480、1280×960；
4）通讯方式：
485通讯；
5）视觉角度：
70度；
6）拍照距离：
100米以内清晰；
7）工作电压：
直流12V±15%；
8）工作温度：
-20℃～+75℃；
9）工作湿度：
≤95%（40℃）。
通信模块
4G通讯模块采用稳定可靠的传输方式，并通过MODBUS串行通信与监测终端机（RTU）进行通讯，4G通讯模块支持透明传输和加密传输等方式上传数据。
兼容2G/3G信号。
4G通讯模块应具有3C认证。
其主要性能指标如下：
支持GSM/4G/CDMA（EVDO/WCDMA可选）
SIM卡3V/1.8V
串行数据及配置接口RS-232/RS485/SDI-12总线
串行数据速率300~115,200bits/s
电压+3.3~+35VDC
功耗（外供电压值：
12V/1.5A）
待机电流10mA
数传电流35~150mA
工作环境温度-30~+70ºC
储存温度-40~+85ºC
相对湿度95%（无凝结）
太阳能供电系统
太阳能供电系统包括太阳能电池板、铅酸蓄电池及太阳能充电控制器等设备。
太阳能电池板安装于立杆上，在安装时在支架上固定一根防盗信号线并接入RTU中。
铅酸蓄电池及太阳能充电控制器放置于密封箱内。
太阳能电池板主要技术指标：
材质：
单晶硅；
封装形式：
高透钢化玻璃层压；
功率：
30W
输出电压：
12VDC
峰值电压：
17.5V
峰值电流：
1.7A，3.4A
开路电压：
22V
短路电流：
2A，3.8A
太阳能电池组件：
1块（含支架）。
铅酸蓄电池为12V38AH免维护蓄电池，主要性能：
安全性能：
正常使用下无电解液漏出，无电池膨胀及破裂；
放电性能：
放电电压平稳，放电平台平缓；
耐震动性：
安全充电状态的电池完全固定，以3mm的振幅，16.7Hz的频率；震动一小时，无漏液，无电池膨胀及破裂，开路电压正常；
耐冲击性：
完全充电状态的电池从20cm高处自然落至1cm厚的硬木板上3次无漏液，无电池膨胀及破裂，开路电压正常；
耐过放电性：
25摄氏度，完全充电状态的电池进行定电阻放电3星期，恢复容量在75%以上；
耐充电性：
25摄氏度，完全充电状态的电池0.1CA充电48小时，无漏液，无电池膨胀及破裂，开路电压正常，容量维持率在95%以上；
耐大电流性：
完全充电状态的电池2CA充电5分钟或10AC放电5秒钟。
无导电部分熔断，无外观变形；
不同温度下的放电容量：
40℃时102%，25℃时100%，0℃时85%，-15℃时65%。
太阳能充电控制器主要技术指标：
最大充电电流（50℃）：
6A；
最大负载电流（50℃）：
6A；
系统电压：
12/24VDC；
最大自损耗：
4mA；
最终充电电压：
13.7V；
过放保护值：
11.1V（SOC=30%）；
过放恢复值：
12.6V（SOC=50%）；
温度补偿：
-3mV/K/Cell；
工作环境温度：
-25℃～50℃；
接线端子截面积：
4mm2；
四、城市内涝监测综合管理平台
该子系统由GIS展示、城市内涝监测站点台帐管理、预警发布、参数配置、站点维护与处理、数据采集、数据共享接口几大模块组成。
平台组成结构如下图所示。
4.1城市内涝监测站点台帐管理
建立我区城市内涝的各监测站点的台账信息，台账信息包括站点编号，站点名称，坐标，位置，报警值，运行参数，维护人，联系方式等信息。
当台账信息建立后，内涝站点的维护与事故处理系统也对应建立起来，用户可以在上面进行日常维护业务。
并且形成的台账信息以数据可视化方式显示出来。
4.2城市内涝站点维护信息与事故处理信息管理
该功能模块将城市内涝站点的维护信息和事故处理信息包括站点的维护事件、维护时间、维护人员、处理事件、维护设备信息、维护过程以及事故发生时产生的事故原因、事故处理情况、处理时间、人员等进行记录和管理。
该功能包括：
任务分派，问题上报，处理跟踪三个子功能。
●任务分派
系统通过定期分派巡查任务或用户通过手动指派任务，对相关设备进行日常巡查。
巡查任务包括巡查地点，巡查位置，巡查时间，巡查人员，巡查原因，巡查部门等信息，巡查信息生成后，相关职能部门调配巡查人员进行现场勘察拍照。
●问题上报
记录自查、巡查、投诉、自动监控等多种渠道的问题来源信息，该功能提供图文结合的操作界面，对问题信息详细描述。
并提供上报接口功能，可通过第三方的平台及其它应用端对问题信息进行上报。
●处理跟踪
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