CN109814462A - 一种基于大数据的城市排水网络监控控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于大数据的城市排水网络监控控制系统，所述市级监控模块将该市的灾情数据上传至分布式服务器中，所述市级监控模块将城市分为若干个面积相同的监控分区，每个监控分区内都设置有区级监控模块和若干个数据采集模块，所述数据采集模块设置在监控分区中低洼的位置。能够对各个采集点进行监控，保证排水能力稳定。能够根据不同的实地情况进行划分，并做出针对性的应对措施，提高应对措施的准确度。对全国的监控分区进行排水能力的分级，为以后城市排水网络的改造提供模板和参考，同时能够为预警功能提供数据进行对比参考，提高预警功能的准确度。设置有预警功能，为抗洪抗积水争取准备时间，减少灾情带来的损失。

Description

一种基于大数据的城市排水网络监控控制系统

技术领域

本发明涉及排水监控领域，具体涉及一种基于大数据的城市排水网络监控控制系统。

背景技术

城市排水系统是处理和排除城市污水和雨水的工程设施系统，在长时间使用后，容易发生堵塞，导致在降雨时，形成局部积水，严重时，形成大范围的积水灾情，同时在雨季时，降雨量和降雨强度较大时，排水能力较弱的区域容易形成洪涝灾害，造成巨大的经济损失。

现有的方法是对排水网络进行定期疏导，并根据天气预报提前做出应对措施，但定期疏导费时费力，工程量较大，无法快速、准确的找出容易发生局部积水的地区，并及时进行检修。而天气预报就是应用大气变化的规律，根据当前及近期的天气形势，对某一地未来一定时期内的天气状况进行预测。它是根据对卫星云图和天气图的分析，结合有关气象资料、地形和季节特点、群众经验等综合研究后作出的。无法给出详尽的降雨数据，且通常为一至三天的预报，准确度较低，无法及时获取最新的降雨数据，导致应对措施与实际情况不匹配，导致预警效果不好。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的目的在于提供一种基于大数据的城市排水网络监控控制系统。

本发明所要解决的技术问题为：

(1)如何区分出非气象因素导致的局部灾情。

(2)如何针对不同位置做出不同灾情的判断。

(3)如何提供预警功能，并提高准确性。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种基于大数据的城市排水网络监控控制系统，包括数据采集模块、区级监控模块、市级监控模块和多个设置在全国各地的分布式服务器，所述市级监控模块将该市的灾情数据上传至分布式服务器中，所述市级监控模块将城市分为若干个面积相同的监控分区，每个监控分区内都设置有区级监控模块和若干个数据采集模块，所述数据采集模块设置在监控分区中低洼的位置，作为采集点，所述区级监控模块与所述监控分区内的所有数据采集模块无线通信连接，所述市级监控模块与该市内所有的区级监控模块通信连接，所述市级监控模块与最近的分布式服务器通信连接。

所述数据采集模块用于采集路面水位高度、排水井水位高度、采集点的降雨时长和平均降雨强度，所述区级监控模块包括数据分析单元和灾情处理单元，其中数据分析单元用于接收并处理数据采集模块采集到的数据，分析出各个采集点的灾情报告，所述灾情处理单元统计所属监控分区内的灾情报告，再根据灾情报告分析出洪涝程度，并根据洪涝程度实行不同等级的管控方案，所述市级监控模块包括雨洪预警单元和分级评估单元，其中所述分级评估单元根据历史灾情数据对每个监控分区的排水能力进行分级，所述雨洪预警单元从分布式服务器中获取一定距离范围外的位置的气象信息，并根据气象信息和各个监控分区的分级对每个监控分区做出针对性的预警。

所述数据分析单元在路面水位高度不低于25cm时，将路面积水情况标记为高位，在路面水位高度大于5cm小于25cm时，将路面积水情况标记为中位，在路面水位不超过5cm时，将路面积水情况标记为正常。在排水井水位不低于设计的最高水位的80％时，将井下积水情况标记为高位，在排水井水位高度超过设计的最高水位的30％且小于80％时，将井下积水情况标记为中位，在排水井水位高度不超过设计的最高水位的30％时，将井下积水情况标记为正常。数据分析单元在路面积水情况与井下积水情况都正常时，将灾情报告标记为无灾害，在路面积水情况与井下积水情况中其中一个为正常，另一个为高位或中位时，将灾情报告并标记为待检修，在路面积水情况与井下积水情况均为中位或其中一个为高位，另一个为中位时，获取降雨时长和平均降雨强度并将灾情报告标记为积水，在路面积水情况与井下积水情况均为高位时，获取降雨时长和平均降雨强度并将灾情报告标记为洪涝。

所述灾情处理单元获取监控分区内所有采集点的灾情报告，当标记为洪涝的采集点的占比超过50％时，则向该监控分区发出洪涝警报并启动洪涝管控方案，并向市级监控模块发送包含该监控分区降雨时长和平均降雨强度的洪涝记录，当标记为积水的采集点的占比超过50％时，则该监控分区启动积水管控方案，并向市级监控模块发送包含该监控分区降雨时长和平均降雨强度的积水记录，当存在标记为待检修的采集点时，向城市排水管理部门发出检修申请和待检修采集点的位置。

所述分级评估单元获取各个监控分区最近十次的积水记录和洪涝记录，根据平均值计算公式，计算发生洪涝时，该监控分区降雨时长的平均值和平均降雨强度的平均值，以及发生积水时，该监控分区降雨时长的平均值和平均降雨强度的平均值，获取全国所有监控分区降雨时长的平均值和平均降雨强度的平均值，并对各个监控分区的抗洪涝能力以及抗积水能力进行排名，降雨强度越大，排位越前，相同降雨强度比较降雨时长，降雨时长越长，排名越前，将排名位于前10％的监控分区评级为一级，将排名位于前20％的监控分区评级为二级，将排名位于前30％的监控分区评级为三级，以此类推，共分为十个等级，并获取各个等级中降雨强度的最低值和降雨时长的最低值，作为该等级对应的洪涝预警值和积水预警值。

所述雨洪预警单元进行预警的步骤如下：

S1、天气预报预计有降雨后，选取n个监控分区作为预警区，所述预警区环状等距分布在以雨洪预警单元所属城市中心处为圆心，半径为r的圆上；

S2、雨洪预警单元实时监控各个预警区的气象信息，当某一预警区生成积水记录或洪涝记录后，从中获取预警区实时的降雨时长和平均降雨强度，并获取预警区相对雨洪预警单元所属城市的方向，作为雨云方向。

S3、雨洪预警单元再获取位于雨云方向上且距该预警区100km的监控分区作为对照区，并获取对照区的最新的积水记录或洪涝记录，并从中获取最近降雨的时间，根据速度公式计算雨云从对照区移动至该预警区的雨云移动速度，再根据雨云移动速度计算雨云从预警区移动至雨洪预警单元所属城市所需的时间，作为预计降雨时间。

S4、雨洪预警单元将获取到的降雨时长和平均降雨强度与该城市中各个监控分区对应自身等级的洪涝预警值和积水预警值进行对比，若降雨时长和平均降雨强度均大于积水预警值，则向监控分区对应的灾情处理单元发出进行积水预警以及预计降雨时间，若降雨时长和平均降雨强度均大于洪涝预警值，则向监控分区对应的灾情处理单元发出进行洪涝预警以及预计降雨时间。

进一步的，所述n和r满足公式[n]＝180°/arcsin(50/r)，其中r大于150km。

进一步的，所述数据采集模块与数据分析单元通过移动数据网络进行数据传输。

本发明的有益效果：

(1)能够对各个采集点进行监控，可发现需要检修的位置，及时解决非气象因素导致的局部积水，保证排水能力稳定。

(2)通过设置不同的监控分区，能够根据不同的实地情况进行划分，对每个监控分区的灾情进行判断，并做出针对性的应对措施，提高应对措施的准确度。

(3)根据监控分区的历史数据，对全国的监控分区进行排水能力的分级，为以后城市排水网络的改造提供模板和参考，同时能够为预警功能提供数据进行对比参考，提高预警功能的准确度。

(4)设置有预警功能，能够实现预估降雨时间的功能，还能对降雨强度进行预估，做出匹配各个监控分区排水能力的预警，为抗洪抗积水争取准备时间，减少灾情带来的损失。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明的系统框图。

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1所示，本实施例提供了一种基于大数据的城市排水网络监控控制系统，包括数据采集模块、区级监控模块、市级监控模块和多个设置在全国各地的分布式服务器，市级监控模块将该市的灾情数据上传至分布式服务器中，所谓分布式资源共享服务器就是指数据和程序可以不位于一个服务器上，而是分散到多个服务器，以网络上分散分布的地理信息数据及受其影响的数据库操作为研究对象的一种理论计算模型服务器形式。分布式有利于任务在整个计算机系统上进行分配与优化，克服了传统集中式系统会导致中心主机资源紧张与响应瓶颈的缺陷，解决了网络GIS中存在的数据异构、数据共享、运算复杂等问题，是地理信息系统技术的一大进步，市级监控模块将城市分为若干个面积相同的监控分区，每个监控分区内都设置有区级监控模块和若干个数据采集模块，数据采集模块设置在监控分区中低洼的位置，作为采集点，区级监控模块与监控分区内的所有数据采集模块无线通信连接，市级监控模块与该市内所有的区级监控模块通信连接，市级监控模块与最近的分布式服务器通信连接。

数据采集模块用于采集路面水位高度、排水井水位高度、采集点的降雨时长和平均降雨强度，区级监控模块包括数据分析单元和灾情处理单元，其中数据采集模块与数据分析单元通过移动数据网络进行数据传输，数据分析单元用于接收并处理数据采集模块采集到的数据，分析出各个采集点的灾情报告，灾情处理单元统计所属监控分区内的灾情报告，再根据灾情报告分析出洪涝程度，并根据洪涝程度实行不同等级的管控方案，市级监控模块包括雨洪预警单元和分级评估单元，其中分级评估单元根据历史灾情数据对每个监控分区的排水能力进行分级，雨洪预警单元从分布式服务器中获取一定距离范围外的位置的气象信息，并根据气象信息和各个监控分区的分级对每个监控分区做出针对性的预警。

数据分析单元在路面水位高度不低于25cm时，将路面积水情况标记为高位，在路面水位高度大于5cm小于25cm时，将路面积水情况标记为中位，在路面水位不超过5cm时，将路面积水情况标记为正常。在排水井水位不低于设计的最高水位的80％时，将井下积水情况标记为高位，在排水井水位高度超过设计的最高水位的30％且小于80％时，将井下积水情况标记为中位，在排水井水位高度不超过设计的最高水位的30％时，将井下积水情况标记为正常。数据分析单元在路面积水情况与井下积水情况都正常时，说明路面和井下都无灾情，将灾情报告标记为无灾害，在路面积水情况与井下积水情况中其中一个为正常，另一个为高位或中位时，说明水从路面流入井下的通道出问题或是井内管道出问题，需要到现场确定情况，排除问题后，可恢复排水能力，因此将灾情报告并标记为待检修，在路面积水情况与井下积水情况均为中位或其中一个为高位，另一个为中位时，说明降雨量和降雨强度都大，产生了积水，但还有调节改进的空间，因此获取降雨时长和平均降雨强度并将灾情报告标记为积水，在路面积水情况与井下积水情况均为高位时，说明发生了严重的积水，且井下管道的排水能力也已达峰值，无法进一步增加排水能力，因此积水情况可能恶化，需要重点监控，因此获取降雨时长和平均降雨强度并将灾情报告标记为洪涝。

灾情处理单元获取监控分区内所有采集点的灾情报告，当标记为洪涝的采集点的占比超过50％时，说明该区域内大部分地区出现了严重积水的情况，需要实施针对性的解决方案，则向该监控分区发出洪涝警报并启动洪涝管控方案，并向市级监控模块发送包含该监控分区降雨时长和平均降雨强度的洪涝记录，监控分区的降雨时长和平均降雨强度可通过获取分区内所有的采集点的降雨时长和平均降雨强度，计算两者的平均值作为该监控分区降雨时长和平均降雨强度，当标记为积水的采集点的占比超过50％时，则该监控分区启动积水管控方案，并向市级监控模块发送包含该监控分区降雨时长和平均降雨强度的积水记录，当存在标记为待检修的采集点时，向城市排水管理部门发出检修申请和待检修采集点的位置，以尽快排除问题，恢复排水能力。

分级评估单元获取各个监控分区最近十次的积水记录和洪涝记录，根据平均值计算公式，计算发生洪涝时，该监控分区降雨时长的平均值和平均降雨强度的平均值，以及发生积水时，该监控分区降雨时长的平均值和平均降雨强度的平均值，获取全国所有监控分区降雨时长的平均值和平均降雨强度的平均值，并对各个监控分区的抗洪涝能力以及抗积水能力进行排名，降雨强度越大，排位越前，相同降雨强度比较降雨时长，降雨时长越长，排名越前，将排名位于前10％的监控分区评级为一级，将排名位于前20％的监控分区评级为二级，将排名位于前30％的监控分区评级为三级，以此类推，共分为十个等级，将抗洪涝能力分为十个等级，抗积水能力也分为十个等级，并获取各个等级中降雨强度的最低值和降雨时长的最低值，作为该等级对应的洪涝预警值和积水预警值，在该等级下的监控分区，在降雨强度和降雨时长超过洪涝预警值积水预警值时，就很可能发生灾害。对一个监控分区能排水能力分为抗洪涝能力和抗积水能力，抗洪涝等级越高，抗洪涝能力越强，抗积水等级越高，抗积水能力越强。

雨洪预警单元进行预警的步骤如下：

S1、天气预报预计有降雨后，选取n个监控分区作为预警区，预警区环状等距分布在以雨洪预警单元所属城市中心处为圆心，半径为r的圆上；

其中，n和r满足公式[n]＝180°/arcsin(50/r),其中r大于150km。r可由人工手动设置，r增加，预警时间增加，但准确度减小，r减小，预警时间减少，但准确度增加，可根据需要和经验进行调节，确定r值后，n即可确定为一个正整数，如输入r＝200km，n＝12。

S2、雨洪预警单元实时监控各个预警区的气象信息，当某一预警区生成积水记录或洪涝记录后，说明产生了灾情，启动预警程序，从中获取预警区实时的降雨时长和平均降雨强度，并获取预警区相对雨洪预警单元所属城市的方向，作为雨云方向。

S3、雨洪预警单元再获取位于雨云方向上且距该预警区100km的监控分区作为对照区，并获取对照区的最新的积水记录或洪涝记录，并从中获取最近降雨的时间，根据两地的距离和灾情记录的时间差，根据速度公式计算雨云从对照区移动至该预警区的雨云移动速度，再根据雨云移动速度计算雨云从预警区移动至雨洪预警单元所属城市所需的时间，作为预计降雨时间。

S4、雨洪预警单元将获取到的降雨时长和平均降雨强度与该城市中各个监控分区对应自身等级的洪涝预警值和积水预警值进行对比，若降雨时长和平均降雨强度均大于积水预警值，则向监控分区对应的灾情处理单元发出进行积水预警以及预计降雨时间，若降雨时长和平均降雨强度均大于洪涝预警值，则向监控分区对应的灾情处理单元发出进行洪涝预警以及预计降雨时间。

本实施例的具体工作过程如下：

1)将城市划分出多个监控分区，根据各个监控分区的实际情况，设置多个数据采集模块，对监控分区的实时排水情况进行监控，出现灾情后，通过灾情处理单元对灾情进行判断，再对各个采集点做出针对性的应对，缩短反应的时间，通过检修可及时处理掉非天气因素的小问题，出现灾情后，及时向上级报告，提供发生灾情时的气象信息，存储至分布式服务器中，作为大数据用于分析。

2)按照各区发生灾情时的气象信息，将全国的监控分区的排水能力进行详细的等级划分，便于学习其他城市的优点，和不足自身的缺点，为后期城市排水管道的改造提供参考，也同时为预警系统提供参考数据。

3)在获知即将降雨后，在远处设置预警区，并采集预警区的气象信息，当预警区发生灾害后，获取预警区的降雨数据，通过设置对照区，获取雨云的移动速度，进而估算出预计降雨的时间，并发出匹配监控分区排水能力的针对性预警。

以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于大数据的城市排水网络监控控制系统，其特征在于，包括数据采集模块、区级监控模块、市级监控模块和多个设置在全国各地的分布式服务器，所述市级监控模块将该市的灾情数据上传至分布式服务器中，所述市级监控模块将城市分为若干个面积相同的监控分区，每个监控分区内都设置有区级监控模块和若干个数据采集模块，所述数据采集模块设置在监控分区中低洼的位置，作为采集点，所述区级监控模块与所述监控分区内的所有数据采集模块无线通信连接，所述市级监控模块与该市内所有的区级监控模块通信连接，所述市级监控模块与最近的分布式服务器通信连接；

所述数据采集模块用于采集路面水位高度、排水井水位高度、采集点的降雨时长和平均降雨强度，所述区级监控模块包括数据分析单元和灾情处理单元，其中数据分析单元用于接收并处理数据采集模块采集到的数据，分析出各个采集点的灾情报告，所述灾情处理单元统计所属监控分区内的灾情报告，再根据灾情报告分析出洪涝程度，并根据洪涝程度实行不同等级的管控方案，所述市级监控模块包括雨洪预警单元和分级评估单元，其中所述分级评估单元根据历史灾情数据对每个监控分区的排水能力进行分级，所述雨洪预警单元从分布式服务器中获取一定距离范围外的位置的气象信息，并根据气象信息和各个监控分区的分级对每个监控分区做出针对性的预警；

所述数据分析单元在路面水位高度不低于25cm时，将路面积水情况标记为高位，在路面水位高度大于5cm小于25cm时，将路面积水情况标记为中位，在路面水位不超过5cm时，将路面积水情况标记为正常；在排水井水位不低于设计的最高水位的80％时，将井下积水情况标记为高位，在排水井水位高度超过设计的最高水位的30％且小于80％时，将井下积水情况标记为中位，在排水井水位高度不超过设计的最高水位的30％时，将井下积水情况标记为正常；数据分析单元在路面积水情况与井下积水情况都正常时，将灾情报告标记为无灾害，在路面积水情况与井下积水情况中其中一个为正常，另一个为高位或中位时，将灾情报告并标记为待检修，在路面积水情况与井下积水情况均为中位或其中一个为高位，另一个为中位时，获取降雨时长和平均降雨强度并将灾情报告标记为积水，在路面积水情况与井下积水情况均为高位时，获取降雨时长和平均降雨强度并将灾情报告标记为洪涝；

所述灾情处理单元获取监控分区内所有采集点的灾情报告，当标记为洪涝的采集点的占比超过50％时，则向该监控分区发出洪涝警报并启动洪涝管控方案，并向市级监控模块发送包含该监控分区降雨时长和平均降雨强度的洪涝记录，当标记为积水的采集点的占比超过50％时，则该监控分区启动积水管控方案，并向市级监控模块发送包含该监控分区降雨时长和平均降雨强度的积水记录，当存在标记为待检修的采集点时，向城市排水管理部门发出检修申请和待检修采集点的位置；

所述分级评估单元获取各个监控分区最近十次的积水记录和洪涝记录，根据平均值计算公式，计算发生洪涝时，该监控分区降雨时长的平均值和平均降雨强度的平均值，以及发生积水时，该监控分区降雨时长的平均值和平均降雨强度的平均值，获取全国所有监控分区降雨时长的平均值和平均降雨强度的平均值，并对各个监控分区的抗洪涝能力以及抗积水能力进行排名，降雨强度越大，排位越前，相同降雨强度比较降雨时长，降雨时长越长，排名越前，将排名位于前10％的监控分区评级为一级，将排名位于前20％的监控分区评级为二级，将排名位于前30％的监控分区评级为三级，以此类推，共分为十个等级，并获取各个等级中降雨强度的最低值和降雨时长的最低值，作为该等级对应的洪涝预警值和积水预警值；

所述雨洪预警单元进行预警的步骤如下：

S1、天气预报预计有降雨后，选取n个监控分区作为预警区，所述预警区环状等距分布在以雨洪预警单元所属城市中心处为圆心，半径为r的圆上；

S2、雨洪预警单元实时监控各个预警区的气象信息，当某一预警区生成积水记录或洪涝记录后，从中获取预警区实时的降雨时长和平均降雨强度，并获取预警区相对雨洪预警单元所属城市的方向，作为雨云方向；

S3、雨洪预警单元再获取位于雨云方向上且距该预警区100km的监控分区作为对照区，并获取对照区的最新的积水记录或洪涝记录，并从中获取最近降雨的时间，根据速度公式计算雨云从对照区移动至该预警区的雨云移动速度，再根据雨云移动速度计算雨云从预警区移动至雨洪预警单元所属城市所需的时间，作为预计降雨时间；

S4、雨洪预警单元将获取到的降雨时长和平均降雨强度与该城市中各个监控分区对应自身等级的洪涝预警值和积水预警值进行对比，若降雨时长和平均降雨强度均大于积水预警值，则向监控分区对应的灾情处理单元发出进行积水预警以及预计降雨时间，若降雨时长和平均降雨强度均大于洪涝预警值，则向监控分区对应的灾情处理单元发出进行洪涝预警以及预计降雨时间。

2.根据权利要求1所述的一种基于大数据的城市排水网络监控控制系统，其特征在于，所述n和r满足公式[n]＝180°/arcsin(50/r),其中r大于150km。

3.根据权利要求1所述的一种基于大数据的城市排水网络监控控制系统，其特征在于，所述数据采集模块与数据分析单元通过移动数据网络进行数据传输。