第七章 物联网应用示范系统

7.2  系统二 城市防洪应急指挥系统

    城市是一个地域的经济、文化、政治中心和工商业集中地，人口密度大。纵观历史，许多城市靠近滨海、湖或依山傍水修建，都受到不同类型的洪水威胁，而很多城市由于发展较快，在排水防水方面也缺乏系统投入。大多数防洪系统中，部分电站数字自动化程度低，数据依靠人工采集，各自系统独立，难以统一管理和信息共享。系统没有建立统一的空间数据库，没有整合防汛抗旱指挥系统和会商系统。
    随着物联网技术的发展，利用传感器技术、无线自组网等物联网技术，全面感知防洪相关数据，实现自动化信息采集，提高辅助应急决策的水平，从而建立基于物联网技术的现代化城市洪水监测与应急指挥系统。本应用系统中所讨论的基于物联网的城市防洪应急指挥系统集城市洪涝的预警、监测及灾后应急指挥于一体，是城市保障系统的重要组成部分。

    1．系统概述

    近年来，我国城市化的步伐不断加快，但城市防洪指挥系统多年来却一直没有获得足够的重视，技术手段也显得相对落后，主要包括以下问题。
    1）部分电排站自动化程度低，数据大都靠人工采集，可靠性低。管理系统各自独立，数据的一致性管理难度大，共享程度低，严重影响科学系统的应急使用，而物联网的感知技术，通过各种传感和标识技术的应用，正好可以解决这一难题（注：电排站是通过水泵来排除低洼地带的积水，防止内涝发生的水利设施）。
    2）空间感知数据没有整合进防汛抗旱指挥系统，即没有建立统一的空间数据库，没有全面发挥3S技术（遥感技术（Remote Sensing，RS）、地理信息系统（Geography Information System，GIS）和全球定位系统（Global Positioning Systems，GPS））在防汛指挥中的积极作用。通过全面使用物联网及云计算技术，可以有效完成海量感知数据的管理与检索，不但可以积累大量有效信息，更是大大提升了它们的用武之地。
    3）各个应用系统所涉及的范围窄，有待拓宽，且相互独立，不协同工作。没有基于3S技术架构的防汛会商系统，目前的系统可视化程度不高，供所需的信息还不够全面，信息显示的方式没有利用GIS技术来增强展示效果。物联网的应用层可以提供有效的用户界面及数据共享方式，大大提高了整个系统的可用性。
    本节介绍物联网城市防洪应急指挥系统的一种实现方案，对电排站进行自动化升级改造并加装无线传感器设备（流量计、水位计、温度传感器、电流电压传感器等）、PLC编程，并开发部署物联网城市防洪监测预警和应急指挥平台，城市洪水淹没演进分析系统，防汛会商指挥系统。科学地确定洪水淹没范围和水深分布，为洪水风险图制作、防洪指挥调度和洪涝灾害的损失评估提供准确的评判依据。在利用各种水利数据的基础上，提供灾情预报、防洪防涝措施、调度预案、评估、灾害评估、会商决策支持等。

    2．系统架构

    基于物联网的城市防洪应急指挥系统平台基于传感器、视频、遥感等物联网感知技术、城市宽带无线通信技术、大型综合数据库和Web 技术、GIS技术等，采用多层架构体系，开发应用支持平台实现数据高度共享及预警分析（如图7-3所示）。
    系统集实时雨水情检测预报、防洪排涝措施、调度预案、评估、灾害评估、防汛会商决策支持、数据汇集、内外河水位检测、预警、响应等功能于一体。集成系统平台通过实时雨水情预报分析内外河水位是否已超过警戒水位，同时通过防汛会商决策支持平台去做相应响应流程的处理解决，比如内河水位超警戒，将水位数据及流程交与会商解决平台分析，会商平台则结合多方水位数据（内河水位、外河水位、最近水库水位），并通过定制解决数据模型，找出最好的排涝方式，是开闸放水，还是泵站抽水等操作。数据由各子系统提供，决策处理由会商平台来处理，同时可以利用多方数据做出洪水淹没演变过程。

    3．系统组成

    基于物联网的城市防洪应急指挥系统可以为城市防洪提供重要保障。城市防洪支持系统涵盖了信息采集、信息传输、信息集成、信息加工、方案生成、方案评估、方案发布、决策实施及信息反馈等内容，是防洪非工程措施中比较重要的部分。本系统可以分为5个紧密联系的子系统。

 

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    （1）城市防洪应急指挥系统感知前端
    系统前端主要通过多种传感器，采集与防洪相关的物理世界的信息，然后根据前端信息来控制电排站。前端主要感知的信息包括以下方面。
    电排站设备信息：设备基础信息、模拟量、开关量、脉冲量、数字量、信号量值及状态设定等。
    雨水情信息：雨量、流量、内河蓄水量、进出流量等。
    工情信息：大坝压力、应变参数、渗压参数等。前端系统中使用的传感器有水位传感器、流量传感器、渗压计、应变计、压力计。
    水位的测量通常采用浮子式水位计、超声波水位计、压力式水位计、气泡式水位计；而浮子式水位计因其仪器结构简单，性能稳定，工作可靠，得到广泛的应用，如图7-4所示。

    流量传感器分为4类：超声波管道流量计，测量技术的核心在于超声波传播时间的测量；旋涡 流量计，通过检测流量管中的旋涡个数来对过程流体进行流量测量；靶式流量计，通过流体队靶 的力感应技术来对过程流体进行流量测量；电磁流量计，依据电磁感应定律工作，当导电液体在 磁场中切割磁力线时，将产生与流速成正比的感应电势信号。上述4种流量计，以电磁流量计结 构简单、安装方便、性能稳定、工作可靠，得到广泛的应用。
    无线硅晶片渗压计是设计用于精确测量完全饱和或不完全饱和岩土中的孔隙水压力，用于基水坝中的孔隙水压力监测，渗压计顶端由透水石和与之相接的硅晶片振动膜传感器组成。应变计可直接埋设在大坝的混凝土内，用以监测混凝土内部的应变，内置的温度传感器可同时监测安装位置的温度。压力计用来测量填土和堤坝等软基的土体压力，主要部件均选用特殊钢材制造，适合在各种恶劣环境中使用。
    （2）城市防汛会商信息系统
    城市防汛会商系统由防汛会商核心系统、天气预报子系统、卫星云图子系统等子系统组成，它是整个系统的智能决策中心，可以提供多种定制服务。
    1）防汛会商核心系统。防汛会商核心系统包括了在线查询、工程图编辑和系统管理3大功能。
在线查询根据查询对象不同分为4类：河道水情查询（图7-5）、雨情查询（图7-6）、水库水情查询（图7-7）和工情查询（图7-8）。在线查询主要是由业务层的查询组件、等值线组件、地图组件等完成，往下调用通用模块，由业务模型提供查询的依据和标准。在线查询要求快速响应、查询结果准确；系统还需要提供各种错误处理，比如查询条件输入不合理或者查询结果异常等，保证在错误操作的情况下系统仍能稳定运行。在服务器和网络状况良好的情况下，可以实现查询的快速响应，各种业务组件和通用组件也易于移植、维护和扩展。

    工程图编辑和系统管理功能给用户提供了数据更新、维护、管理以及系统权限管理等接口（如图7-9所示），以方便用户进行日常维护。