基于物联网技术的城市下穿隧道水位预警监测系统研究

时间：2024-05-17

郭春权

（西安市市政设施管理中心，陕西西安 710016）

1 系统建设背景

1.1 技术应用背景

随着物联网技术的成熟和广泛应用，西安市市政部门为推进市政设施精细化管养，于近几年已建设完成了物联网+巡管、物联网+排水（水质）监测、物联网+车辆物资、物联网+检查井等系统，并集成在智慧市政平台中，初步形成了市政设施数字体系，推动了设施管养水平的提升。

1.2 需求研究

根据城市防汛工作的实际情况，进一步提升突发洪涝事件的预测、预警和应急能力，确保在汛期市政设施能够正常运行。城市低洼地、下穿隧道一直是主汛期内涝的重点严防部位，特别是城市下穿隧道，由于特殊的空间环境，出现险情时极易造成严重后果。目前汛期下穿通道水位的实时监测与排水情况，主要依靠人工目测及经验获取，缺乏科学有效的监测手段。因此，有必要利用物联网技术来减少人员财产损失，提高防汛应急的处置效率，实现积水处置透明化、数量化监控，有效提升城市防汛工作的管理水平。

2 系统体系研究

2.1 系统框架

基于物联网技术的城市下穿隧道水位预警监测系统在结构上采用应用层、网络层和感知层3 层体系架构[1]。其中应用层为系统的开发应用平台，主要用于防汛信息的处理和管理。网络层主要通过4G 无线网络和互联网，实现防汛信息的传输和交换。感知层主要是前端积水水位信息通过水位传感器进行采集，将数据通过GPRS 模块发送回市政指挥中心后台软件平台系统，同时将实时水位信息发布到LED 大屏上。

2.2 工作流程

下穿隧道水位监测系统基于物联网技术，采用信息化手段，结合GIS 展示，实现对下穿隧道积水点水位监测指标的实时监测，并在水位数据达到一定预警值后，将警示通行的信息发送至安装在通道两侧的LED 显示屏上，为广大百姓提供出行指南。

该系统通过构建积水水位预警平台，提高下穿通道积水的应急指挥及快速处置能力，提供科学、先进的积水信息监测、记录、分析及统计功能，结合现有的智慧市政管理平台、排水监测管理系统、气象雨量雨情情况，为城市排水、防汛预警、排水规划、应急指挥等提供决策依据。

2.3 技术要求

根据下穿隧道建设环境及积水、收水特点，首先，前端设备应满足以下3 个技术要求。1）水位传感器应便于安装、维护且精度高。2）数据采集设备应具备模拟信号转数字信号的功能。3）前端设备应具备无线传输的RTU 模块。其次，户外现场不具备有线上网条件，所以需要通过GSM 对LED大屏的控制卡进行无线网络连接。再次，西安市近几年空气污染较严重，降雨成弱酸性，前端设备应满足防腐要求。然后，水位传感器应有防堵塞保护。最后，根据汛情发布需要（市防办汛情标准），应保证水位传感器的探测精度。

3 水位预警监测系统的兼容性研究

综合考虑物联网+市政的建设要求，水位预警监测系统需集成在智慧市政平台中，软硬件应具备兼容性或通过中间设备实现兼容。西安市市政部门现有智慧市政平台，已经包含立交桥、高架桥、人行天桥、道路低洼地视频监控系统，井盖、排水监测系统，车辆人员物资管理系统等，是各类维护管理工作的主要系统平台，为便于操作和使用，下穿隧道水位预警监测系统与智慧市政的兼容，能够发挥系统的最大功能。

3.1 数据GIS展示接口

实现与智慧市政GIS 系统进行对接，将监测数据在地图上直观展示出来，并在地图上进行相关业务的查询操作。

数据GIS 展示接口功能可以实现基于电子地图的GIS 平台的可视化操作，支持监测点位在地图平台的地图缩放、漫游，数据实时调取、数据及时发布、设备状态查看、可视化统计等功能。实现水位预警监测点的图层输出、用户使用专题图层输出，也可选定指定区域，设定专题图层参数，实现特定的图层输出。在GIS 平台上通过点、线、面的形式对监测点位进行标注，同时对标注点位进行预案绑定，同时，预案以列表的形式展示选择。实现在GIS 平台上对已发布预案的监测点位的查询，同时显示预案名称、预案编码、建立时间、启动条件和使用范围等信息。可将预案、监测点作为查询条件，进行GIS 平台的信息查询。

实现区域发布，在地图上选取需发布的区域，右键启动发布后，该区域内相关监测点位的LED 屏即可统一进行信息发布。提供监测点一览表功能，选择需要查看的监测点，点击后即可查看到监测点的基本信息和监测数据，并可在地图上进行定位。

3.2 智慧市政综合接口

实现水位预警监测系统与智慧市政平台其他业务系统的对接。通过该接口实现其他系统调用查看水位预警监测数据，水位预警监测系统也可以调用其他系统的数据。实现组织机构、用户管理、角色权限依托智慧市政平台提供的基础模块功能。记录数据接口发送日志，统计日均接口请求数量请求次数。对接口信息进行过滤，实时监控接口数据内容，屏蔽敏感词。预留第三方接口地址，为天气预报等信息的接入预留系统资源。

4 系统主要功能

4.1 数据采集功能

通过水位传感器采集下穿隧道的实时水位、雨量等信息，并对结果进行分析[2]。数据采集系统采用最新的微控制器、超低功耗设计、接市电电源，使设备能够长期稳定运行。同时系统采用GPRS 模块进行数据传输，可实现数据远程无线传输。采用进水口采样，内部水位测试设计，避免外界环境对水位测量产生影响，提高了水位的测量精度。

同时结合现有下穿隧道视频监控系统（下穿隧道一般设置2 处）采集下穿隧道的实时图像信息。这些汛情数据实时传输至智慧市政平台，并根据实际需要设置存储时限。在主汛期（6 ～9 月）将作为防汛指挥的现场数据基础。

4.2 水位预警功能

通过在前端下穿隧道易积水位置安装积水监测设备，经无线网络实时回传积水监测数据，设置预警水位，一旦前端水位超过预警水位，系统立即产生报警信息，提醒相关部门采取相应的措施。地图上能够直接显示积水监测的报警位置、实时水位信息，为市政防汛提供了准确、有效的情报信息。预警功能提高了市政防汛的响应速度，降低了城市内涝的发生概率。下穿隧道积水报警流程如图1 所示。

图1 下穿隧道积水报警流程

4.3 信息发布功能

信息发布系统以LED 大屏作为信息发布的载体，大屏支持户外运行，具有防水功能。支持GPRS 数据传输，能够接受指挥中心发送的显示信息。在水位超过预警值时，大屏显示系统实时显示水位信息，为车辆行人提供实时信息。在平时无水的情况下，信息发布系统可作为市政部门的宣传信息屏，显示市政宣传信息，为市政工作提供宣传支持。

4.4 手机端软件平台

基于安卓系统开发，利用无线网络传输与智慧市政平台进行数据交互，实现移动办公，将市政日常办公延伸到第一线。并能实时定位人员位置，一键上报巡视工单，实现基本的业务处理及数据查询。主要包括3 个方面。1）信息查询。对监测设备的基本信息、已发布信息进行查询，并可以结合手机端地图对地理位置进行查询。2）信息发布。根据业务需要，实现对选中的监测设备进行LED 信息发布。3）信息提示接收水位处理指令，包括App 消息提示和短信提示。