CN109326087A - 一种基于排水管网监测的城市内涝预警方法及装置 - Google Patents

Abstract

本公开公开了一种基于排水管网监测的城市内涝预警方法及装置，准确地分析出排水管网系统中管道冲刷、管道污染物积累、积水、溢流导致城市内涝原因的预警，通过实时采集排水管道的数据智能的迅速准确地分析出积水、溢流导致城市内涝原因，使城市管理者能够快速、精准、直观的对紧急情况做出决策判断，也可以实时的招到排水管网的薄弱环节，对城市的排水起到预警的作用，降低城市内涝的发生概率，提升城市管理人员的应急能力，减少了内涝的发生从而间接的提高了城市交通运输能力。

Description

一种基于排水管网监测的城市内涝预警方法及装置

技术领域

本公开涉及计算机数据处理技术领域，具体涉及一种基于排水管网监测的城市内涝预警方法及装置。

背景技术

当前，利用传感器技术、视频监控技术手段进行排水管网系统的检测与预警的建设在上世纪四五十年代开始就越来越成为一个热点问题，并且很多的研究都建立了自己的排水信息系统。通过结合排水管网信息系统与地理信息应用系统实现了对管网的空间属性数据的存储与表达，有利于排水管网的信息化管理，还可以对城市排水管网进行规划、设计、校核等。很多城市都先后的建立了各自的地下管网排水信息管理系统等。通过结合图表自动制作系统、专家评价系统、管网基础设施管理系统和技术决策支持系统。随着排水管网模型的发展，水力模型的研究应用越来越广泛，为以后管理部门的规划、改造、管理可提供一定的技术支持。

目前，传统技术无法对排水管网系统中的传感器实时检测到的数据与视频监控监测到的实时的监控画面的信息进行解析，也无法将这些采集到的信息数据进行叠加综合分析，这样就不能实现地质无法迅速准确地分析出排水管网系统中管道冲刷、管道污染物积累、积水、溢流导致城市内涝原因的预警，所以现有的方法针对城市内涝预警的时效性没有保证。

发明内容

本公开提供一种基于排水管网监测的城市内涝预警方法及装置，通过建立排水管网的内涝预警模型，根据内涝预警模型处理传感器数据得到趋势值判断是否发出预警信息，准确地分析出排水管网系统导致内涝的预警。

为了实现上述目的，根据本公开的一方面，提供一种基于排水管网监测的城市内涝预警方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，建立所述排水管网的传感器网络；

步骤2，通过传感器网络实时监测排水管网采集传感器数据；

步骤3，建立排水管网的内涝预警模型；

步骤4，根据内涝预警模型处理传感器数据得到趋势值判断是否发出预警信息；

步骤5，推送预警信息给城市管理者。

进一步地，在步骤1中，所述排水管网的传感器网络包括多个监测点和监测预警服务器，在排水管网每隔20～100米设置一个监测点，节点将管线连接在一起，监测点还设置在配水管网中的交叉点、排水点、分流器、储水点、外部进入排水的点，监测点之间通过有线网络通信，所述监测点包括水流量传感器、水压传感器、液位传感器，监测点用于采集排水管网运行过程中的各个监测点位置的水流量、水压、液位的物理量数据，并将物理量数据存储到预警数据库，所述监测预警服务器包括监测预警系统与预警数据库，所述监测预警系统用于处理监测点采集的数据，预警数据库用于存储设置监测点采集的数据；

进一步地，在步骤2中，传感器数据包括水流量、水压、液位的物理量数据，通过水流量传感器、水压传感器、液位传感器进行采集。

进一步地，在步骤3中，建立排水管网的内涝预警模型的方法为以下步骤，

步骤3.1间隔抽样水流量数据的抽样x1(t)、水压数据的抽样x2(t)、液位数据的抽样x3(t)，t是离散时间变量，即抽样间隔；

步骤3.2，求出水流量的趋势值的模型y1(n)，

步骤3.3，求出水压的趋势值的模型y2(n)，

步骤3.4，求出液位的趋势值的模型y3(n)，

其中，n是用于观测数据的窗长，u(x)为单位阶跃函数，即u(x)的取值范围为u(x)值的选择直接影响信号趋势计算的效果，窗长短，趋势值对信号变化很敏感，窗长短，则计算出的趋势值较平滑；

步骤3.5，将水流量、水压、液位的物理量数据xi(h)(i＝1,2,3)进行映射变换，h是当前时间，

参数k决定了信号变化的最大或最小的上升或下降速率，i＝1,2,3，综合以上步骤3.2到步骤3.4中的趋势值模型，得到排水管网的内涝预警模型如下：

式中，sg(x)为表示并计算趋势值的信号的正、负两种变化趋势的符号函数，

其中，d1(n)、d2(n)与d3(n)分别为映射变换后的水流量、水压、液位的物理量数据。

进一步地，在步骤4中，根据内涝预警模型处理传感器数据得到趋势值判断是否发出预警信息的方法为，通过内涝预警模型处理水流量、水压、液位的物理量数据得到趋势值，判断趋势值为正趋势或负趋势判断是否发生内涝，即当趋势值为正数时判定为正常，当趋势值为负数时判定为异常并发出预警信息。

进一步地，在步骤5中，推送预警信息给城市管理者的方法为，将信息通过因特网推送到城市管理者或者环境监测人员的移动设备的应用系统或者台式电脑的操作系统的应用软件中，所述移动设备的应用系统包括安卓与IOS系统的应用软件。

本公开还提供了一种基于排水管网监测的城市内涝预警装置，所述装置包括：存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序运行在以下装置的单元中：

数据实时监测单元，用于通过传感器网络实时监测排水管网采集传感器数据；

内涝预警建模单元，用于建立排水管网的内涝预警模型；

趋势预警单元，用于根据内涝预警模型处理传感器数据得到趋势值判断是否发出预警信息；

预警信息推送单元，用于推送预警信息给城市管理者。

本公开的有益效果为：本公开提供一种基于排水管网监测的城市内涝预警方法及装置，通过实时采集排水管道的数据智能的迅速准确地分析出积水、溢流导致城市内涝原因，使城市管理者能够快速、精准、直观的对紧急情况做出决策判断，也可以实时的招到排水管网的薄弱环节，对城市的排水起到预警的作用，降低城市内涝的发生概率，提升城市管理人员的应急能力，减少了内涝的发生从而间接的提高了城市交通运输能力。

附图说明

通过对结合附图所示出的实施方式进行详细说明，本公开的上述以及其他特征将更加明显，本公开附图中相同的参考标号表示相同或相似的元素，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，在附图中：

图1所示为一种基于排水管网监测的城市内涝预警方法图；

图2所示为一种基于排水管网监测的城市内涝预警装置图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本公开的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本公开的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示为根据本公开的一种基于排水管网监测的城市内涝预警方法图，下面结合图1来阐述根据本公开的实施方式的一种基于排水管网监测的城市内涝预警方法。

本公开提出一种基于排水管网监测的城市内涝预警方法，具体包括以下步骤：

步骤1，建立所述排水管网的传感器网络；

步骤2，通过传感器网络实时监测排水管网采集传感器数据；

步骤3，建立排水管网的内涝预警模型；

步骤4，根据内涝预警模型处理传感器数据得到趋势值判断是否发出预警信息；

步骤5，推送预警信息给城市管理者。

进一步地，在步骤1中，所述排水管网的传感器网络包括多个监测点和监测预警服务器，在排水管网监测点的间隔为每隔20～100米设置一个监测点，节点将管线连接在一起，监测点还设置在配水管网中的交叉点、排水点、分流器、储水点、外部进入排水的点，监测点之间通过有线网络通信，所述监测点包括水流量传感器、水压传感器、液位传感器，监测点用于采集排水管网运行过程中的各个监测点位置的水流量、水压、液位的物理量数据，并将物理量数据存储到预警数据库，所述监测预警服务器包括监测预警系统与预警数据库，所述监测预警系统用于处理监测点采集的数据，预警数据库用于存储设置监测点采集的数据，优选地，根据实际应用中的管道长度，监测点的间隔为每隔50米设置一个监测点。

进一步地，在步骤2中，传感器数据包括水流量、水压、液位的物理量数据，通过水流量传感器、水压传感器、液位传感器进行采集。

进一步地，在步骤3中，建立排水管网的内涝预警模型的方法为以下步骤，

步骤3.1间隔抽样水流量数据的抽样x1(t)、水压数据的抽样x2(t)、液位数据的抽样x3(t)，t是离散时间变量，即抽样间隔；t为60分钟。

步骤3.2，求出水流量的趋势值的模型y1(n)，

步骤3.3，求出水压的趋势值的模型y2(n)，

步骤3.4，求出液位的趋势值的模型y3(n)，

其中，n是用于观测数据的窗长，u(x)为单位阶跃函数，即u(x)的取值范围为u(x)值的选择直接影响信号趋势计算的效果，窗长短，趋势值对信号变化很敏感，窗长短，则计算出的趋势值较平滑，优选地，u(x)值取1；

步骤3.5，将水流量、水压、液位的物理量数据xi(h)(i＝1,2,3)进行映射变换，h是当前时间，

参数k决定了信号变化的最大或最小的上升或下降速率，优选地，参数k＝120，i＝1,2,3，综合以上步骤3.2到步骤3.4中的趋势值模型，得到排水管网的内涝预警模型如下：

式中，sg(x)为表示并计算趋势值的信号的正、负两种变化趋势的符号函数，

其中，d1(n)、d2(n)与d3(n)分别为映射变换后的水流量、水压、液位的物理量数据。

进一步地，在步骤4中，根据内涝预警模型处理传感器数据得到趋势值判断是否发出预警信息的方法为，通过内涝预警模型处理水流量、水压、液位的物理量数据得到趋势值，判断趋势值为正趋势或负趋势判断是否发生内涝，即当趋势值为正数时判定为正常，当趋势值为负数时判定为异常并发出预警信息。

进一步地，在步骤5中，推送预警信息给城市管理者的方法为，将信息通过因特网推送到城市管理者或者环境监测人员的移动设备的应用系统或者台式电脑的操作系统的应用软件中，所述移动设备的应用系统包括安卓与IOS系统的应用软件。

本公开的实施例提供的一种基于排水管网监测的城市内涝预警装置，如图2所示为本公开的一种基于排水管网监测的城市内涝预警装置图，该实施例的一种基于排水管网监测的城市内涝预警装置包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述一种基于排水管网监测的城市内涝预警装置实施例中的步骤。

所述装置包括：存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序运行在以下装置的单元中：

数据实时监测单元，用于通过传感器网络实时监测排水管网采集传感器数据；

内涝预警建模单元，用于建立排水管网的内涝预警模型；

趋势预警单元，用于根据内涝预警模型处理传感器数据得到趋势值判断是否发出预警信息；

预警信息推送单元，用于推送预警信息给城市管理者。

所述一种基于排水管网监测的城市内涝预警装置可以运行于桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备中。所述一种基于排水管网监测的城市内涝预警装置，可运行的装置可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，所述例子仅仅是一种基于排水管网监测的城市内涝预警装置的示例，并不构成对一种基于排水管网监测的城市内涝预警装置的限定，可以包括比例子更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述一种基于排水管网监测的城市内涝预警装置还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述一种基于排水管网监测的城市内涝预警装置运行装置的控制中心，利用各种接口和线路连接整个一种基于排水管网监测的城市内涝预警装置可运行装置的各个部分。

所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述一种基于排水管网监测的城市内涝预警装置的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

尽管本公开的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或任何特殊实施例，而是应当将其视作是通过参考所附权利要求考虑到现有技术为这些权利要求提供广义的可能性解释，从而有效地涵盖本公开的预定范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本公开进行描述，其目的是为了提供有用的描述，而那些目前尚未预见的对本公开的非实质性改动仍可代表本公开的等效改动。

Claims (7)

1.一种基于排水管网监测的城市内涝预警方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，建立所述排水管网的传感器网络；

步骤2，通过传感器网络实时监测排水管网采集传感器数据；

步骤3，建立排水管网的内涝预警模型；

步骤4，根据内涝预警模型处理传感器数据得到趋势值判断是否发出预警信息；

步骤5，推送预警信息给城市管理者。

2.根据权利要求1所述的一种基于排水管网监测的城市内涝预警方法，其特征在于，在步骤1中，所述排水管网的传感器网络包括多个监测点和监测预警服务器，在排水管网每隔20～100米设置一个监测点，节点将管线连接在一起，监测点还设置在配水管网中的交叉点、排水点、分流器、储水点、外部进入排水的点，监测点之间通过有线网络通信，所述监测点包括水流量传感器、水压传感器、液位传感器，监测点用于采集排水管网运行过程中的各个监测点位置的水流量、水压、液位的物理量数据，并将物理量数据存储到预警数据库，所述监测预警服务器包括监测预警系统与预警数据库，所述监测预警系统用于处理监测点采集的数据，预警数据库用于存储设置监测点采集的数据。

3.根据权利要求1所述的一种基于排水管网监测的城市内涝预警方法，其特征在于，在步骤2中，传感器数据包括水流量、水压、液位的物理量数据，通过水流量传感器、水压传感器、液位传感器进行采集。

4.根据权利要求1所述的一种基于排水管网监测的城市内涝预警方法，其特征在于，在步骤3中，建立排水管网的内涝预警模型的方法为以下步骤，

步骤3.1间隔抽样水流量数据的抽样x1(t)、水压数据的抽样x2(t)、液位数据的抽样x3(t)，t是离散时间变量，即抽样间隔；

步骤3.2，求出水流量的趋势值的模型y1(n)，

步骤3.3，求出水压的趋势值的模型y2(n)，

步骤3.4，求出液位的趋势值的模型y3(n)，

其中，n是用于观测数据的窗长，u(x)为单位阶跃函数，即u(x)的取值范围为

步骤3.5，将水流量、水压、液位的物理量数据xi(h)(i＝1,2,3)进行映射变换，h是当前时间，

参数k决定了信号变化的最大或最小的上升或下降速率，综合以上步骤3.2到步骤3.4中的趋势值模型，得到排水管网的内涝预警模型如下：

式中，sg(x)为表示并计算趋势值的信号的正、负两种变化趋势的符号函数，

其中，d1(n)、d2(n)与d3(n)分别为映射变换后的水流量、水压、液位的物理量数据。

5.根据权利要求1所述的一种基于排水管网监测的城市内涝预警方法，其特征在于，在步骤4中，根据内涝预警模型处理传感器数据得到趋势值判断是否发出预警信息的方法为，通过内涝预警模型处理水流量、水压、液位的物理量数据得到趋势值，判断趋势值为正趋势或负趋势判断是否发生内涝，即当趋势值为正数时判定为正常，当趋势值为负数时判定为异常并发出预警信息。

6.根据权利要求1所述的一种基于排水管网监测的城市内涝预警方法，其特征在于，在步骤5中，推送预警信息给城市管理者的方法为，将信息通过因特网推送到城市管理者或者环境监测人员的移动设备的应用系统或者台式电脑的操作系统的应用软件中，所述移动设备的应用系统包括安卓与IOS系统的应用软件。

7.一种基于排水管网监测的城市内涝预警装置，其特征在于，所述装置包括：存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序运行在以下装置的单元中：

数据实时监测单元，用于通过传感器网络实时监测排水管网采集传感器数据；

内涝预警建模单元，用于建立排水管网的内涝预警模型；

趋势预警单元，用于根据内涝预警模型处理传感器数据得到趋势值判断是否发出预警信息；

预警信息推送单元，用于推送预警信息给城市管理者。