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深圳市宏電技術股份有限公司
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閱讀：618發(fā)布時間：2020-7-10
0 引言
我國經濟的飛速發(fā)展帶來了城市建設的熱潮，城市建設一方面改善了人的生活品質，但另一方面，城市建設會大幅度地改變城市的地形/地貌，混凝土鋪蓋的不透水面積不斷增加；市區(qū)面積的大幅度擴張以及密集的房屋建筑群會減弱地表滲透的能力。地表植被和坑塘日益減少會影響降水產匯流條件，造成短時期地表及河道徑流量猛增，滯水及暴雨時產匯流時間縮短，地表持水的能力下降，從而加劇了城市暴雨內澇災害。
以深圳市為例：深圳市降水充沛，市區(qū)遭受暴雨內澇侵害的危害比較大，根據(jù)深圳市防汛抗旱總指揮部的統(tǒng)計，深圳市的內澇點有300個左右，受影響的區(qū)域達到230平方公里，直接影響到的居民數(shù)量達到350萬人。市區(qū)暴雨內澇災害不僅會對市政設施造成極大的侵害，還會對人民群眾的生命財產造成嚴重的威脅，更會影響到整個城市的正常運轉。
城市化人為加劇了城市內澇災害，致使地表的持水、內澇災害加劇，城市暴雨內澇災害氣象預警系統(tǒng)能夠為城市的洪澇災害提供預警，減輕內澇災害造成的經濟損失和人員傷亡?，F(xiàn)代城市中，下挖式立交通道等的大量修建如地下室、地鐵、地下車庫等一旦進水，損失巨大。
1 城市暴雨內澇災害氣象預警系統(tǒng)原理
目前，城市內澇實時監(jiān)測系統(tǒng)的作用是暴雨發(fā)生時給出及時、準確的災害預警信息，以便于當?shù)厥姓块T和救災部門采取合理地應對措施。從技術上講城市內澇實時監(jiān)測系統(tǒng)主要通過收集和分析暴雨強度、管道流量、地面匯水面積、氣象預報、管網容量以及徑流系數(shù)等數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)預測當?shù)爻鞘袃葷嘲l(fā)生的概率、發(fā)生的時間以及發(fā)生的強度等等[1]。
本文所述的城市內澇災害預警系統(tǒng)主要通過城市積澇風險、排水管網分析模型、積澇和積水模型，對城市排水網絡的排水能力和暴雨氣象的徑流進行實時分析，通過解析函數(shù)描述來獲得城市內澇災害的預警信息。
2 城市暴雨內澇災害氣象預警系統(tǒng)的技術特點
城市內澇實時監(jiān)測系統(tǒng)主要功能是通過傳感器實現(xiàn)關鍵節(jié)點的水位檢測，并通過通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳回數(shù)據(jù)處理中心，通過分析軟件完成城市內澇災害的預警，且系統(tǒng)要考慮低功耗和低成本的因素，保證網絡構建的可擴展性。城市暴雨內澇災害氣象預警系統(tǒng)能夠完成可靠的數(shù)據(jù)傳輸，能夠執(zhí)行全天候的數(shù)據(jù)采集。觀測節(jié)點須具有良好的環(huán)境適應性，能夠在環(huán)境惡劣的排水井/下水道工作，監(jiān)控設備需要具備防泥沙、灰塵，防水，防潮的能力。另外城市暴雨內澇災害氣象預警系統(tǒng)還要具備友好的人機界面，能夠無人值守下工作，具有可靠的數(shù)據(jù)存儲功能，能夠與數(shù)據(jù)挖掘設備進行對接等優(yōu)點[2]。
3 城市暴雨內澇災害氣象預警系統(tǒng)的總體設計
城市暴雨內澇災害氣象預警系統(tǒng)的總體系統(tǒng)構成由兩部分組成：觀測節(jié)點和監(jiān)控中心。監(jiān)控中心負責收集觀測節(jié)點的所有數(shù)據(jù)，并負責觀測節(jié)點數(shù)據(jù)的分析和結果的播報，觀測節(jié)點和監(jiān)控中心通過無線通信互傳數(shù)據(jù)。城市暴雨內澇災害氣象預警系統(tǒng)的總體設計如圖1所示。
圖1 城市暴雨內澇災害氣象預警系統(tǒng)的系統(tǒng)架構
觀測節(jié)點的詳細功能框圖如圖2所示，包括水位監(jiān)控模塊、無線通信模塊控制模塊、以及獨立的安全供電模塊。為了維持觀測節(jié)點的穩(wěn)定工作，還需要有低電量預警模塊等其他確保工作連續(xù)性的功能。水位監(jiān)控模塊和控制模塊需要采用低功耗單片機，本文所述的控制模塊和水位監(jiān)控模塊采用MSP430系列的C8051F985單片機作為控制器，消耗功率僅為10mW，工作電流僅為3mA，能夠降低系統(tǒng)的整體功耗[3]。
圖2 城市暴雨內澇災害氣象預警系統(tǒng)觀測節(jié)點的功能框圖
4 城市暴雨內澇災害氣象預警系統(tǒng)的關鍵技術
4.1 預警系統(tǒng)的通信技術
本系統(tǒng)采用GPRS工業(yè)通信模塊提供“通用分組無線業(yè)務”，該系統(tǒng)的頻率為900/1800MHz，能夠實現(xiàn)點到點的無線通信。GPRS是第2.5代移動通信，能夠做到永遠在線、是一種*的高速傳輸，通過異步串行接口（EIA-232）通信與監(jiān)控中心通信。雖然目前無線數(shù)據(jù)網絡基本實現(xiàn)4G，并向5G技術發(fā)展，但GPRS模塊因為信號強大，數(shù)據(jù)傳輸功能實時等特點，*本系統(tǒng)的工作需要。
4.2 預警系統(tǒng)的決策技術
本系統(tǒng)的預警決策體系是根據(jù)先驗知識來決定預警信息的結果，數(shù)據(jù)來源包括檢查井的水位變化、實時監(jiān)測排水井的流量，這些信息的獲得來自于城市排澇的關鍵節(jié)點安裝的監(jiān)控系統(tǒng)和水位監(jiān)測裝置。本系統(tǒng)的決策分析利用模糊邏輯實現(xiàn)決策，通過實時監(jiān)測觀測區(qū)域內水位的變化情況，輸入量為水位及其漲速，通過分析為城市提供城市內澇預警。
4.4 水位采集模塊技術
水位采集模塊采用液位傳感器來實現(xiàn)水位的自動測量，測量設備為PTH-RS485數(shù)字壓力變送器，該器件功耗不大于20mA，可用太陽能或蓄電池供電，采用兩級防雷設計，具有高精度、高可靠性的特點。水位測量傳感器采用低功耗設計，采樣速度10 次/秒，能夠做到數(shù)據(jù)實時采集，使用和安裝方便。水位測量傳感器可以通過RS485通信協(xié)議組成通信網絡，能夠將水位信息轉化為可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，方便計算機聯(lián)網。
4.5 災害預警播報技術
城市暴雨內澇災害氣象預警系統(tǒng)還需要播報系統(tǒng)將氣象災害預警信息廣播和播報，以期為抗災救災和群眾自救提供災害預警和災害知道信息，因此氣象災害預警播報需要保持一直在線。本系統(tǒng)采用蜂窩網絡帶寬傳輸，播報數(shù)據(jù)廣播和關鍵節(jié)點數(shù)據(jù)上傳免費，不受用戶資費影響等特點，可以做到氣象災害預警隨時發(fā)布和接收信息，不受距離和位置的限制，方便人民群眾和管理部門及時了解實時的災情信息。
城市暴雨內澇災害氣象預警系統(tǒng)通過操作和使用接入氣象災害預警廣播平臺，將天氣預報、地質災害、與本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行匯總分析，經監(jiān)控中心分析后發(fā)布暴雨內澇災害氣象，預警廣播信息便通過無線蜂窩寬帶網中以免費的方式進行播報，進而提醒災害影響區(qū)域內所有人員的關注。本網絡采用無線移動通信網絡，能夠對轄區(qū)內的進行良好的信號覆蓋，能夠實現(xiàn)將文字、數(shù)據(jù)、短信息、直接電話撥號，將接收信息與否狀態(tài)上報氣象災害預警廣播平臺。
城市暴雨內澇災害氣象預警系統(tǒng)的播報功能包括文語轉換、LED顯示、定時播、 緊急播報、播報設置、顯示設置、循環(huán)設置、次數(shù)設置、身份鑒別，避免人工惡意干擾設置、狀態(tài)監(jiān)測、外設控制以及多元文本等。該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)自動支持氣象等信息文字轉語音廣播輸出、LED顯示文字滾動速度設置、支持擴音機電源自動播報功能、播報不受惡意干擾、以及支持多種內碼格式文本等功能。城市暴雨內澇災害氣象預警系統(tǒng)廣播的防火墻等級較高，并適度實行核心數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)的物理隔離，保證該系統(tǒng)運行過程的通信安全和系統(tǒng)安全。
5 城市暴雨內澇災害氣象預警系統(tǒng)的技術改進
本文所介紹的城市暴雨內澇災害氣象預警系統(tǒng)還根據(jù)觀測和系統(tǒng)集成所面臨的問題，進行了一系列的技術改進。其中主要的技術改針對的是觀測節(jié)點通信技術問題。
城市暴雨內澇災害氣象預警系統(tǒng)觀測節(jié)點的信號衰減嚴重，主要的信號衰減來自于：（1）井蓋（介質）等金屬對無線信號的屏蔽；（2）路面積水、高大建筑對無線信號的反射和遮蔽；（3）觀測節(jié)點大多數(shù)位于地下，信號受土壤和地下水的遮蔽；（4）道路雨水將井蓋淹沒，進而對無線信號產生屏蔽。
針對以上問題，本系統(tǒng)采取了下列改進措施：（1）井蓋底部的觀測節(jié)點與節(jié)點設備主體做成一體，天線緊貼地面以減少無線信號的衰減；（2）針對金屬井蓋、土壤以及地下水具有一定的無線電遮蔽能力，將可能被洪水*淹沒的水位探測設備天線進行延長，以減少惡劣天氣和探測器位置對無線信號的遮蔽和影響。
對于金屬井蓋，由于金屬對無線信號的屏蔽作用，在洪水洪水淹沒導致無線信號減弱，如果天線安裝于檢查井的內壁并距離地面的一定深度，則信號衰減強度將進一步增大甚至發(fā)生信號丟失。這時候可能需要考慮其他的技術改進措施，以保證通信的暢通，比如天線外漏于地面、信號轉接、探測系統(tǒng)信號發(fā)射系統(tǒng)冗余等措施。
6 結論
城市暴雨內澇災害氣象預警系統(tǒng)設計遵循的原則是“系統(tǒng)可靠、信號穩(wěn)定、安全保密、方便擴展”的原則。城市暴雨內澇災害氣象預警系統(tǒng)的總體系統(tǒng)構成由兩部分組成：觀測節(jié)點和監(jiān)控中心。監(jiān)控中心負責收集觀測節(jié)點的所有數(shù)據(jù)，并負責觀測節(jié)點數(shù)據(jù)的分析和結果的播報，觀測節(jié)點和監(jiān)控中心通過無線通信互傳數(shù)據(jù)。觀測節(jié)點包括水位監(jiān)控模塊、無線通信模塊控制模塊、獨立的安全供電模塊，無線通信模塊。本系統(tǒng)還具備獨立供電的節(jié)點，具備友好的人機界面，能夠無人值守下工作，具有可靠的數(shù)據(jù)存儲功能，能夠與數(shù)據(jù)挖掘設備進行對接等特點，能夠為城市洪澇災害提供準確的預警信息。
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