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深圳市宏電技術股份有限公司
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閱讀：589發布時間：2020-7-10
0 引言
我國經濟的飛速發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，市區遭受暴雨內澇侵害的危害比較大，根據深圳市防汛抗旱總指揮部的統計，深圳市的內澇點有300個左右，受影響的區域達到230平方公里，直接影響到的居民數量達到350萬人。市區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。現代城市中，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原理
目前，城市內澇實時監測系統的作用是暴雨發生時給出及時、準確的災害預警信息，以便于當地市政部門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測系統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等數據，根據這些數據預測當地城市內澇發生的概率、發生的時間以及發生的強度等等[1]。
本文所述的城市內澇災害預警系統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的技術特點
城市內澇實時監測系統主要功能是通過傳感器實現關鍵節點的水位檢測，并通過通信系統將數據傳回數據處理中心，通過分析軟件完成城市內澇災害的預警，且系統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能夠完成可靠的數據傳輸，能夠執行全天候的數據采集。觀測節點須具有良好的環境適應性，能夠在環境惡劣的排水井/下水道工作，監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，具有可靠的數據存儲功能，能夠與數據挖掘設備進行對接等優點[2]。
3 城市暴雨內澇災害氣象預警系統的總體設計
城市暴雨內澇災害氣象預警系統的總體系統構成由兩部分組成：觀測節點和監控中心。監控中心負責收集觀測節點的所有數據，并負責觀測節點數據的分析和結果的播報，觀測節點和監控中心通過無線通信互傳數據。城市暴雨內澇災害氣象預警系統的總體設計如圖1所示。
圖1 城市暴雨內澇災害氣象預警系統的系統架構
觀測節點的詳細功能框圖如圖2所示，包括水位監控模塊、無線通信模塊控制模塊、以及獨立的安全供電模塊。為了維持觀測節點的穩定工作，還需要有低電量預警模塊等其他確保工作連續性的功能。水位監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，能夠降低系統的整體功耗[3]。
圖2 城市暴雨內澇災害氣象預警系統觀測節點的功能框圖
4 城市暴雨內澇災害氣象預警系統的關鍵技術
4.1 預警系統的通信技術
本系統采用GPRS工業通信模塊提供“通用分組無線業務”，該系統的頻率為900/1800MHz，能夠實現點到點的無線通信。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）通信與監控中心通信。雖然目前無線數據網絡基本實現4G，并向5G技術發展，但GPRS模塊因為信號強大，數據傳輸功能實時等特點，*本系統的工作需要。
4.2 預警系統的決策技術
本系統的預警決策體系是根據先驗知識來決定預警信息的結果，數據來源包括檢查井的水位變化、實時監測排水井的流量，這些信息的獲得來自于城市排澇的關鍵節點安裝的監控系統和水位監測裝置。本系統的決策分析利用模糊邏輯實現決策，通過實時監測觀測區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水位的自動測量，測量設備為PTH-RS485數字壓力變送器，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，能夠做到數據實時采集，使用和安裝方便。水位測量傳感器可以通過RS485通信協議組成通信網絡，能夠將水位信息轉化為可傳輸的數據，方便計算機聯網。
4.5 災害預警播報技術
城市暴雨內澇災害氣象預警系統還需要播報系統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。本系統采用蜂窩網絡帶寬傳輸，播報數據廣播和關鍵節點數據上傳免費，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、與本系統的數據進行匯總分析，經監控中心分析后發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，能夠對轄區內的進行良好的信號覆蓋，能夠實現將文字、數據、短信息、直接電話撥號，將接收信息與否狀態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、循環設置、次數設置、身份鑒別，避免人工惡意干擾設置、狀態監測、外設控制以及多元文本等。該系統能夠實現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廣播的防火墻等級較高，并適度實行核心數據采集和分析系統的物理隔離，保證該系統運行過程的通信安全和系統安全。
5 城市暴雨內澇災害氣象預警系統的技術改進
本文所介紹的城市暴雨內澇災害氣象預警系統還根據觀測和系統集成所面臨的問題，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點通信技術問題。
城市暴雨內澇災害氣象預警系統觀測節點的信號衰減嚴重，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）觀測節點大多數位于地下，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，本系統采取了下列改進措施：（1）井蓋底部的觀測節點與節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、探測系統信號發射系統冗余等措施。
6 結論
城市暴雨內澇災害氣象預警系統設計遵循的原則是“系統可靠、信號穩定、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的總體系統構成由兩部分組成：觀測節點和監控中心。監控中心負責收集觀測節點的所有數據，并負責觀測節點數據的分析和結果的播報，觀測節點和監控中心通過無線通信互傳數據。觀測節點包括水位監控模塊、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。本系統還具備獨立供電的節點，具備友好的人機界面，能夠無人值守下工作，具有可靠的數據存儲功能，能夠與數據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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