CN107656325A - 一种城市内涝自动预警系统及预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种城市内涝自动预警系统，包括监测设备、单片机、遥测终端机、监测预警平台、推送平台和客户端，监测设备采集水位和雨量信息，单片机将水位和雨量信息处理成数字信号，遥测终端机将水位和雨量数据通过GPRS信号实时传输至监测预警平台，监测预警平台对数据进行分析处理生成预警信息，推送平台接收监测预警平台的信息，并将信息广播给用户，用户通过客户端查看监测数据和订阅预警信息。本发明基于决策树分类算法，以大量历史监测数据为基础挖掘出自动预警策略模型，采用先进的信息处理与网络通信、计算机应用与大数据处理等技术，实现对城市内涝的全面监控及自动预警。此外，本发明还提供一种城市内涝自动预警方法。

Description

一种城市内涝自动预警系统及预警方法

技术领域

本发明属于城市防洪、智慧城市与城市精细化管理领域，尤其涉及一种城市内涝自动预警系统及预警方法。

背景技术

随着我国社会经济的快速发展，人民物质、经济和文化生活水平的日益提高，频发的洪涝灾害已经越来越困扰和阻碍社会经济的可持续发展、严重影响人民的正常生活。为了应对台风、暴雨、洪水及其诱发的滑坡泥石流等自然灾害，提升防灾减灾的科技水平，《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》在公共安全领域中明确规定了重大自然灾害监测与防御优先主题，要求重点研究开发地震、台风、暴雨、洪水、地质灾害等监测、预警和应急处置关键技术。

暴雨内涝灾害是由于雨量过多，地势低洼，积水不能及时排除而形成的自然灾害，城市是暴雨内涝灾害风险变化最迅速、最显著的区域。近年来，我国快速城市化进程引起城市水文特性产生显著变化，市区房屋建筑密集，混凝土覆盖面积增大，雨水渗透减少，雨水滞留与调蓄功能下降，而“城市热岛效应”又造成市区降水频率增大，雨时延长。因以往设计的排水系统排涝标准相对较低，造成雨水更易积漫，排涝历时加长。城市经济类型的多元化及资产的高密集性使城市的综合承灾能力脆弱，即使在同等致灾条件下其损失总量必然增大。因此，采用科学方法分析城市内涝灾害的成因、演变规律，建立城市内涝数值模型，开发城市内涝预警系统，研究城市内涝防治技术，提出城市内涝防治措施是十分必要和急需的。

随着内涝防治工作的深入以及内涝治理的要求越来越高，对城市内涝的科学技术需求也越来越迫切，在充分认识城市内涝形成机制的基础上，建立实用、精准的内涝预报预警技术，对于解决由城市内涝引起的一系列问题有着极其重要的意义。特别是对人口密集、社会经济发达地区，城市内涝的监测、预警水平的提高，将能更为有效地保护人民生命财产安全，减少损失，创建和谐的建设与投资环境，保障社会经济的快速健康发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种城市内涝自动预警系统及预警方法，以解决现有技术中存在的实用性差、不精准的技术问题。

为了解决上述问题，本发明提供一种城市内涝自动预警系统及预警方法，其技术方案如下：

一种城市内涝自动预警系统，包括监测设备，所述监测设备用于采集水位信息和雨量信息；单片机，所述单片机与所述监测设备实现网络连接，用于接收水位信息和雨量信息，所述单片机并将水位信息和雨量信息处理成数字信号，生成水位数据和雨量数据；遥测终端机，所述遥测终端机与所述单片机实现网络连接，所述单片机将水位数据和雨量数据传输至所述遥测终端机；监测预警平台，所述监测预警平台与所述遥测终端机实现网络连接，所述遥测终端机将水位数据和雨量数据实时传输至所述监测预警平台，所述监测预警平台对接收到的水位数据和雨量数据进行分析处理，用于生成预警信息；推送平台，所述推送平台与所述监测预警平台实现网络连接，所述监测预警平台将预警信息传输至所述推送平台，所述推送平台用于推送预警信息；客户端，所述客户端与所述监测预警平台实现网络连接，所述监测预警平台将水位数据和雨量数据传输至所述客户端，所述客户端用于接收和查看水位数据和雨量数据。

如上述的城市内涝自动预警系统，进一步优选为：所述推送平台内设有短信系统和消息发布系统，所述推送平台通过所述短信系统和消息发布系统将预警信息推送给用户。

如上述的城市内涝自动预警系统，进一步优选为：在所述客户端内设有订阅模块，所述订阅模块和所述消息发布系统实现网络连接，用于订阅在所述消息发布系统上推送的预警信息。

如上述的城市内涝自动预警系统，进一步优选为：所述监测预警平台内设有数据存储模块，用于存储水位数据和雨量数据；数据分析模块，用于运算分析水位数据和雨量数据，生成预警信息。

如上述的城市内涝自动预警系统，进一步优选为：所述数据分析模块通过决策树分类算法进行数据分析。

如上述的城市内涝自动预警系统，进一步优选为：所述遥测终端机包括GPRS通信模块，所述GPRS通信模块和所述监测预警平台实现网络连接；485总线模块，所述485总线模块和所述单片机实现网络连接；ARM处理器，所述ARM处理器的数据通信端和所述GPRS模块相连，所述ARM处理器的485通信接口和所述485总线模块相连。

如上述的城市内涝自动预警系统，进一步优选为：还包括视频监控器，所述视频监控器的信号输出端和所述485总线模块相连。

如上述的城市内涝自动预警系统，进一步优选为：还包括LED显示屏，所述LED显示屏的信号输入端和所述485总线模块相连。

如上述的城市内涝自动预警系统，进一步优选为：还包括监测站，优选地，监测站分布在所在城市的各个内涝监控区，每个监测站均包括监测设备、单片机、遥测终端机、视频监控器和LED显示屏。

如上述的城市内涝自动预警系统，进一步优选为：所述客户端安装在手机终端或其他手持终端内。

如上述的城市内涝自动预警系统的预警方法，包括如下步骤：

步骤一、将所述监测设备安置在城市的内涝监控区，实时采集水位信息和雨量信息，同时所述监测设备将水位信息和雨量信息实时传输至所述单片机；

步骤二、所述单片机将水位信息和雨量信息处理成数字信号，并将生成的水位数据和雨量数据传输至所述遥测终端机；

步骤三、所述遥测终端机将水位数据和雨量数据通过GPRS信号实时传输至所述监测预警平台；

步骤四、所述监测预警平台对水位数据和雨量数据进行分析处理，设定警戒值，生成预警模型，当水位数据超出警戒值时，所述监测预警平台生成预警信息，并将预警信息传输至推送平台；

步骤五、所述推送平台将预警信息推送给用户；

步骤六、用户通过所述客户端查看水位数据和雨量数据，以及订阅预警信息。

如上述的预警方法，进一步优选为：

在步骤四中，所述监测预警平台通过决策树分类算法对水位数据和雨量数据进行分析处理。

本发明中，通过计算机程序提取监测设备发回来的水位、雨量等数据，包括实时数据和历史数据，然后将数据分为分析集和测试集，利用决策树分类算法对分析集进行训练，用测试集对决策树进行修剪，最终将积水和滑动雨量过程分为非预警过程、单次预警过程、单次增量过程、连续增量预警过程，再根据模型运算结果构建预警策略，将预警策略嵌入软件系统，实现实时预警过程。同时，本发明中构建了城市内涝自动预警分布式平台，实现雨量、积水的在线监测和实时自动预警。

附图说明

图1为本发明的一种实施例在一段时间的积水变化过程及预警过程图；

图2为本发明的分布式系统逻辑图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，本发明的一种城市内涝自动预警系统，包括监测设备，用于采集水位信息和雨量信息；单片机，与监测设备实现网络连接，用于接收水位信息和雨量信息，并将水位信息和雨量信息处理成数字信号，生成水位数据和雨量数据；遥测终端机，与单片机实现网络连接，单片机将水位数据和雨量数据传输至遥测终端机；监测预警平台，与遥测终端机实现网络连接，遥测终端机将水位数据和雨量数据实时传输至监测预警平台，监测预警平台对接收到的水位数据和雨量数据进行分析处理，用于生成预警信息；推送平台，与监测预警平台实现网络连接，监测预警平台将预警信息传输至推送平台，推送平台用于推送预警信息；客户端，与监测预警平台实现网络连接，监测预警平台将水位数据和雨量数据传输至客户端，客户端用于接收和查看水位数据和雨量数据。

总而言之，本发明创新性地从城市内涝发生的时空独特性出发，通过该自动预警策略及系统，为城市管理相关单位工作人员特别是工作在抢险前线的工作人员动态提供雨量和积水水位的动态变化过程，为抢险人员既节省了时间也争取了时间，最终实现达到最大程度降低损失、减少社会总体成本的目的。

如图2所示，为了便于通过短信和网络推送预警信息，本发明中，推送平台内设有短信系统和消息发布系统，优选地，推送平台通过短信系统和消息发布系统将预警信息推送给用户。

优选地，为了便于用户订阅预警信息，本发明中，在客户端内设有订阅模块，订阅模块和消息发布系统实现网络连接，用于订阅在消息发布系统上推送的预警信息。

优选地，为了便于分析处理水位数据和雨量数据，进一步生成预警信息，本发明中，监测预警平台内设有数据存储模块，用于存储水位数据和雨量数据；数据分析模块，用于运算分析水位数据和雨量数据，生成预警信息。

优选地，本发明中，数据分析模块通过决策树分类算法进行数据分析。

优选地，为了便于网络传输数据，本发明中，遥测终端机包括GPRS通信模块，GPRS通信模块和监测预警平台实现网络连接；485总线模块，485总线模块和单片机实现网络连接；ARM处理器，ARM处理器的数据通信端和GPRS模块相连，ARM处理器的485通信接口和485总线模块相连，优选地，485总线模块接收来自于单片机的水位数据和雨量数据，并将水位数据和雨量数据传输至ARM处理器，ARM处理器将水位数据和雨量数据通过GPRS模块实时传输至监测预警平台。

优选地，为了便于采集内涝监控区的视频信息，本发明还包括视频监控器，优选地，视频监控器的信号输出端和485总线模块实现网络连接，485总线模块接收来自于视频监控器的视频信号，并将视频信号传输至ARM处理器，ARM处理器通过GPRS模块将视频信息传输至监测预警平台，监测预警平台将视频信息传输至推送平台，经推送平台将视频信息推送给用户，同时监测预警平台将视频信息传输至客户端，用户可通过客户端进行查看。

优选地，为了便于显示内涝监控区的实时积水水位和雨量，本发明还包括LED显示屏，优选地，LED显示屏的信号输入端和485总线模块实现网络连接，485总线模块接收来自于单片机的水位数据和雨量数据以及来自于视频监控器的视频信号，并将水位数据、雨量数据及视频信号传输至ARM处理器，ARM处理器将水位数据、雨量数据及视频信号传输至LED显示屏进行显示。

优选地，为了便于构建城市内涝自动预警分布式平台，实现对城市内各个内涝区域的积水、雨量的在线监测和实时自动预警，本发明还包括监测站，优选地，监测站分布在所在城市的各个内涝监控区，每个监测站均包括监测设备、单片机、遥测终端机、视频监控器和LED显示屏。

优选地，为了便于用户查看和接收预警信息，本发明中，客户端安装在手机终端或其他手持终端内。

优选地，本发明中的城市内涝自动预警系统的预警方法，包括如下步骤：

步骤一、将监测设备安置在城市的内涝监控区，实时采集水位信息和雨量信息，同时监测设备将水位信息和雨量信息实时传输至单片机；

步骤二、单片机将水位信息和雨量信息处理成数字信号，并将生成的水位数据和雨量数据传输至遥测终端机；

步骤三、遥测终端机将水位数据和雨量数据通过GPRS信号实时传输至监测预警平台；

步骤四、监测预警平台对水位数据和雨量数据进行分析处理，设定警戒值，生成预警模型，当水位数据超出警戒值时，监测预警平台生成预警信息，并将预警信息传输至推送平台；

步骤五、推送平台将预警信息推送给用户；

步骤六、用户通过客户端查看水位数据和雨量数据，以及订阅预警信息。

优选地，本发明中，在上述预警方法的步骤四中，监测预警平台通过决策树分类算法对水位数据和雨量数据进行分析处理，优选地，决策树分类算法的步骤包括：

一、将历史水位数据(或雨量数据)分为分析集，将实时水位数据(或雨量数据)分为测试集，利用决策树分类算法对分析集进行训练，用测试集对决策树进行修剪，最终生成模型运算结果，即将积水和滑动雨量过程分为非预警过程、单次预警过程、单次增量过程、连续增量预警过程；

二、根据上述模型运算结果构建预警策略，将预警策略嵌入监测预警平台的软件系统，实现实时自动预警。

为了便于描述，本发明以2015年7月16日-7月19日某城区一个积水点的积水数据为例说明下整个系统预警流程。

该积水点的预设的预警指标如下：

水位警戒值：0.10m，指积水深度达到或超过0.10m时，触发第一次水位报警。

水位升高报警阈值：0.05m，指积水深度在超过0.10m的警戒值后，每升高0.05m触发一次水位报警。

如图1所示，图1中非预警区、单次预警区、单次增量预警区、连续增量预警区是对预警过程的划分，整个过程共有3段，其中第1段过程中水位最高值为(5)0.31m，第2段水位最高值为(8)0.16m，第3段水位两个波峰(11)和(13)均为0.18m。

在第1个积水过程中，只有(1)～(5)之间满足报警指标才触发报警，而(5)～(6)之间属于水位下降阶段不触发水位报警，该过程属于连续增量预警过程。

在第2个积水过程中，只有(7)～(8)之间满足报警指标才触发报警，而(8)～(9)之间不触发报警，该过程属于单次预警过程。

在第3个积水过程中，只有(10)～(11)之间满足报警指标才触发报警，而(11)～(13)之间不触发报警，该过程属于单次增量预警过程。

其他积水过程由于没有达到预警阈值，属于非预警过程。

如图2所示，描述的是上述实施例在系统中的实现过程，其中监测预警平台中管理历史数据、实时监控数据、预警策略，推送平台异步接收来自于监测预警平台的信息，通过消息发布系统和短信系统将信息广播给用户，客户端可以通过监测预警平台查看监测数据，同时在消息发布系统上订阅预警信息。

本发明基于决策树分类算法，以大量历史监测数据为基础挖掘出自动预警策略模型，采用先进的信息处理与网络通信、计算机应用与大数据处理等技术，结合城市内涝发生时的实际特点，提出一种城市内涝自动预警系统及预警方法，并据此设计开发一套分布式处理系统，实现对城市内涝的全面监控及自动预警，在此基础上，实现指导抢险队伍快速处理内涝事件，指导市民安全出行。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：

一、本发明的预警方法是动态的而不是静态的预警方法，既能将与城市内涝直接相关的雨量和水位数据的关键特征值抓住，又能大大降低预警信息发布的数量；

二、本发明的预警方法与模型具有自我学习能力，在系统开始运行时赋予一个预警初始指标以后，系统自动根据不断增加的海量监测数据，自动进行预警指标的优化计算，不断提高预警的效率与实用性。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (10)

1.一种城市内涝自动预警系统，其特征在于，包括：

监测设备，所述监测设备用于采集水位信息和雨量信息；

单片机，所述单片机与所述监测设备实现网络连接，用于接收水位信息和雨量信息，所述单片机并将水位信息和雨量信息处理成数字信号，生成水位数据和雨量数据；

遥测终端机，所述遥测终端机与所述单片机实现网络连接，所述单片机将水位数据和雨量数据传输至所述遥测终端机；

监测预警平台，所述监测预警平台与所述遥测终端机实现网络连接，所述遥测终端机将水位数据和雨量数据实时传输至所述监测预警平台，所述监测预警平台对接收到的水位数据和雨量数据进行分析处理，用于生成预警信息；

推送平台，所述推送平台与所述监测预警平台实现网络连接，所述监测预警平台将预警信息传输至所述推送平台，所述推送平台用于推送预警信息；

客户端，所述客户端与所述监测预警平台实现网络连接，所述监测预警平台将水位数据和雨量数据传输至所述客户端，所述客户端用于接收和查看水位数据和雨量数据。

2.根据权利要求1所述的城市内涝自动预警系统，其特征在于：

所述推送平台内设有短信系统和消息发布系统，所述推送平台通过所述短信系统和所述消息发布系统将预警信息推送给用户。

3.根据权利要求2所述的城市内涝自动预警系统，其特征在于：

在所述客户端内设有订阅模块，所述订阅模块和所述消息发布系统实现网络连接，用于订阅在所述消息发布系统上推送的预警信息。

4.根据权利要求1或2所述的城市内涝自动预警系统，其特征在于：

所述监测预警平台内设有数据存储模块，用于存储水位数据和雨量数据；

数据分析模块，用于运算分析水位数据和雨量数据，生成预警信息。

5.根据权利要求4所述的城市内涝自动预警系统，其特征在于：

所述数据分析模块通过决策树分类算法进行数据分析。

6.根据权利要求1或2所述的城市内涝自动预警系统，其特征在于：

所述遥测终端机包括GPRS通信模块，所述GPRS通信模块与所述监测预警平台实现网络连接；

485总线模块，所述485总线模块与所述单片机实现网络连接；

ARM处理器，所述ARM处理器的数据通信端和所述GPRS模块相连，所述ARM处理器的485通信接口和所述485总线模块相连。

7.根据权利要求6所述的城市内涝自动预警系统，其特征在于，还包括：

视频监控器，所述视频监控器的信号输出端和所述485总线模块相连。

8.根据权利要求6所述的城市内涝自动预警系统，其特征在于，还包括：

LED显示屏，所述LED显示屏的信号输入端和所述485总线模块相连。

9.根据权利要求1至8任意一项所述的城市内涝自动预警系统的预警方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、将所述监测设备安置在城市的内涝监控区，实时采集水位信息和雨量信息，同时所述监测设备将水位信息和雨量信息实时传输至所述单片机；

步骤二、所述单片机将水位信息和雨量信息处理成数字信号，并将生成的水位数据和雨量数据传输至所述遥测终端机；

步骤三、所述遥测终端机将水位数据和雨量数据通过GPRS信号实时传输至所述监测预警平台；

步骤四、所述监测预警平台对水位数据和雨量数据进行分析处理，设定警戒值，生成预警模型，当水位数据超出警戒值时，所述监测预警平台生成预警信息，并将预警信息传输至推送平台；

步骤五、所述推送平台将预警信息推送给用户；

步骤六、用户通过所述客户端查看水位数据和雨量数据，以及订阅预警信息。

10.根据权利要求9所述的预警方法，其特征在于：

在步骤四中，所述监测预警平台通过决策树分类算法对水位数据和雨量数据进行分析处理。