CN109975893B - 基于物联网的城市内涝预警方法及系统 - Google Patents

Abstract

本公开公开了基于物联网的城市内涝预警方法及系统，降雨监测装置对降雨量进行监测，并将降雨量监测结果上传给云服务器；当降雨量监测结果超过设定阈值，则云服务器向排水管道水位监测装置发出启动工作指令，排水管道水位监测装置开始监测排水管道内水位信息；排水管道水位监测装置将监测的排水管道内水位信息也上传给云服务器；云服务器对降雨量监测结果和排水管道内水位信息的进行比较，当二者均超出设定阈值，则启动城市内涝预警；否则，不启动。

Description

基于物联网的城市内涝预警方法及系统

技术领域

本公开涉及城市防涝与智慧水利领域技术领域，特别是涉及基于物联网的城市内涝预警方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提到了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

目前，随着城市化进程的加快，下垫面条件的改变减弱了雨水渗透能力，城市内涝问题愈发明显，内涝发生的频率也逐年增加，各大城市均出现了因短时间内发生强降雨而造成的“城市看海”现象。给人们的生活及出行造成严重的困扰，扰乱正常的生活和工作秩序，有时甚至会造成人员及大量的财产损失。因此，如何及时地发现并处理城市内涝问题受到社会各界的广泛关注。

在实现本公开的过程中，发明人发现现有技术中存在以下技术问题：

造成城市内涝的原因主要多为短时间内的强降雨与排水管道排水能力不足，实现对降雨量与排水管道内水位的监控和避免城市内涝的误报是实现对城市内涝问题早发现早处理的关键。目前，一些大中型城市已经开始关注并开展城市内涝预警系统的监测与预报的建设，但整体而言，城市内涝预警系统的自动化、现代化水平还尚低，监测仪器的能耗问题也对内涝的及时预警造成困扰。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本公开提供了基于物联网的城市内涝预警方法及系统。

第一方面，本公开提供了基于物联网的城市内涝预警系统；

基于物联网的城市内涝预警系统，包括：

安装在路灯灯杆上的降雨监测装置，所述降雨监测装置用于对降雨量进行监测，并将降雨量监测结果上传给云服务器；

当降雨量监测结果超过设定阈值，则云服务器向排水管道水位监测装置发出启动工作指令，排水管道水位监测装置开始监测排水管道内水位信息；排水管道水位监测装置将监测的排水管道内水位信息也上传给云服务器；

云服务器对降雨量监测结果和排水管道内水位信息的进行比较，当二者均超出设定阈值，则启动城市内涝预警；否则，不启动。

第二方面，本公开还提供了基于物联网的城市内涝预警方法；

基于物联网的城市内涝预警方法，包括：

降雨监测装置对降雨量进行监测，并将降雨量监测结果上传给云服务器；

当降雨量监测结果超过设定阈值，则云服务器向排水管道水位监测装置发出启动工作指令，排水管道水位监测装置开始监测排水管道内水位信息；排水管道水位监测装置将监测的排水管道内水位信息也上传给云服务器；

云服务器对降雨量监测结果和排水管道内水位信息的进行比较，当二者均超出设定阈值，则启动城市内涝预警；否则，不启动。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

1、通过云服务器对降雨量监测结果和排水管道内水位信息的进行比较，当二者均超出设定阈值，则启动城市内涝预警；可以避免误报警；

2、云服务器向排水管道水位监测装置发出启动工作指令，排水管道水位监测装置才开始监测排水管道内水位信息；可以有效节省能源。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本公开实施例一的电气连接示意图；

图2为本公开实施例一的降雨监测装置和排水管道水位监测装置的安装位置示意图；

图3为本公开实施例一的降雨监测装置的安装位置示意图；

图4为本公开实施例一的降雨监测装置内部结构示意图；

图5为图4的中降雨监测装置俯视图；

图6为本公开实施例一的排水管道水位监测装置的内部结构示意图；

图7为本公开实施例二的预警方法流程示意图；

其中，1、降雨监测装置，2、排水管道水位监测装置，3、云服务器，4、路灯灯杆，5、压力传感器，6、电磁阀，7、第一主用电源，8、第一微控制器，9、第一GPS定位模块，10、第一备用电源，11、第一通信模块，12、雨水导管，13、雨量筒，14、电子水尺，15、水位传感器，16、第二微控制器，17、第二GPS定位模块，18、第二通信模块，19、第二主用电源，20、第二备用电源，21、排水管道内壁。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一，本实施例提供了基于物联网的城市内涝预警系统；

如图1所示，基于物联网的城市内涝预警系统，包括：

安装在路灯灯杆4上的降雨监测装置1，如图2和图3所示，所述降雨监测装置用于对降雨量进行监测，并将降雨量监测结果上传给云服务器3；

当降雨量监测结果超过设定阈值，则云服务器向排水管道水位监测装置2发出启动工作指令，排水管道水位监测装置开始监测排水管道内水位信息；排水管道水位监测装置将监测的排水管道内水位信息也上传给云服务器；

云服务器对降雨量监测结果和排水管道内水位信息的进行比较，当二者均超出设定阈值，则启动城市内涝预警；否则，不启动。

上述技术方案的有益效果是，基于物联网的城市内涝预警系统，设置在城市的历史易涝区域，通过设置数量的增加，可以达到连点成面的效果，对整个城市区域的降雨以及内涝情况可以获得完整的数据，而且，可以有效避免城市内涝预警的误报。

作为一种可能的实现方式，所述降雨监测装置，包括：雨量筒13和第一微控制器8，所述第一微控制器分别与电磁阀6、第一GPS定位模块9、压力传感器5、第一主用电源7、第一备用电源10和第一通信模块11连接；所述第一通信模块与云服务器连接；

所述雨量筒为空心圆筒，所述雨量筒顶部设有雨水收集装置，如图4所示，所述雨水收集装置包括若干个成圆周分布的雨水导管12，如图5所示，圆周中心的雨水导管最高，圆周边缘的雨水导管最低，由中心到圆周边缘的雨水导管成阶梯状分布；所有的雨水导管底部均与雨量筒顶部连接；所述雨量筒底部设有压力传感器，所述雨量筒底部设有泄水孔，所述泄水孔处设有电磁阀，所述电磁阀根据第一微控制器控制指令实现泄水孔的封闭或敞开。

所述第一微控制器、第一GPS定位模块、第一主用电源、第一备用电源和第一通信模块，安装在防水壳体内部，位于雨量筒底部。

所述雨水导管的直径为6毫米，壁厚为1毫米。

将雨水导管设置的直径为6毫米，壁厚为1毫米的有益效果是，可以实现避免在降雨量监测过程中有异物落入雨量筒中。

因为所述雨水收集装置包括若干个成圆周分布的雨水导管，圆周中心的雨水导管最高，圆周边缘的雨水导管最低，由中心到圆周边缘的雨水导管成阶梯状分布，可以解决异物落入雨量筒中，影响雨水量监测的精确度的问题，实现落在雨量筒口处的异物由于重力原因滚落，实现雨水量精确测量的技术效果。

所述降雨监测装置的工作原理是：

第一微控制器控制电磁阀将雨量筒底部泄水孔进行封闭；

圆锥状雨水导管将雨水进行收集，收集的雨水流入雨量筒中；

第一微控制器根据接收到的压力传感器的压力值，计算雨量筒内雨水体积，进而根据雨水体积计算降雨量；

第一微控制器接收第一GPS定位模块采集的GPS定位信息；

第一微控制器将计算得到的降雨量和GPS定位信息通过第一通信模块发送给云服务器；

当第一微控制器接收到的压力传感器的压力值超过设定阈值或者当第一微控制器达到设定时间点，则第一微控制器控制电磁阀打开，实现雨量筒内部的雨水从雨量筒的泄水孔流走。

作为一种可能的实现方式，所述第一主用电源为路灯电源。当第一主用电源发生故障时，启动第一备用电源供电。

作为一种可能的实现方式，如图6所示，所述排水管道水位监测装置，包括：第二微控制器16，所述第二微控制器分别与第二GPS定位模块17、电子水尺14、第二主用电源19、第二备用电源20和第二通信模块18连接；所述第二通信模块与云服务器连接；所述电子水尺安装在排水管道内壁21，所述电子水尺的起始端为排水管道内壁最底端，所述电子水尺的终止端为排水管道内壁的最顶端。

所述电子水尺为弧形电子水尺，所述弧形电子水尺的圆心与排水管道的圆心一致，所述弧形电子水尺铺设在排水管道内壁。

所述电子水尺安装在水尺壳体内部，所述水尺壳体为弧形空心壳体，所述水尺壳体的圆心与排水管道的圆心一致，所述水尺壳体铺设在排水管道内壁；所述水尺壳体外侧每间隔设定距离设有水位传感器15，水位传感器与水面接触后获取水位信息。

所述第二微控制器、第二GPS定位模块、第二主用电源、第二备用电源和第二通信模块使用防水材料封装后，安装于水尺壳体内部。

所述水尺壳体的材质为不锈钢，或者其他耐腐蚀材料。

所述水尺壳体内部使用高性能防水材料密封。

所述排水管道水位监测装置的工作原理是：

第二微控制器接收云服务器发出的开始工作控制指令；

第二微控制器开始接收由电子水尺采集的排水管道水位信息；

第二微控制器接收由第二GPS定位模块采集的GPS定位信息；

第二微控制器判断排水管道水位信息是否超过设定阈值，如果是，则将接收的排水管道水位信息和GPS定位，通过第二通信模块上传给云服务器。

所述云服务器，接收雨量监测装置采集的降雨量和GPS定位信息；接收排水管道水位监测装置采集的排水管道水位信息和GPS定位信息；将采集的降雨量和水位根据GPS定位信息标记到GIS地图中，通过GIS地图实时反应降雨量与排水道水位的情况，并通过移动终端实时发布城市内涝预警信息。

所述排水管道水位监测装置，在无内涝风险时处于待机状态，以实现节省能源和降低能耗的效果。

进一步地，所述云服务器还与风速传感器连接，所述云服务器接收风速传感器采集的风速，当风速大于设定阈值时，云服务器采集设定范围内若干个降雨监测装置采集的降雨量，取若干个降雨量中的最大值作为所述设定范围内的降雨量。

进一步地，当风速和降雨量均超过设定阈值时，降低控制排水管道内水位监测装置启动的降雨量阈值，提前开启排水管道内水位监测装置。

上述技术方案的有益效果是：可以避免大风天气下雨量筒的降雨量监测精度不准确造成的影响。

进一步地，云服务器采集若干个排水管道水位监测装置所采集的排水管道水位，计算设定数量排水管道水位监测装置的第一平均值和标准差，计算每个排水管道水位与第一平均值差值的绝对值，当绝对值超过两倍的标准差时，判定当前排水管道水位异常；

对水位异常的排水管道，取水位异常排水管道的若干个邻近排水管道内的水位，对当前水位异常排水管道和设定数量邻近排水管道内的水位信息取第二平均值，将第二平均值作为当前水位异常排水管道内的水位。

上述技术方案的有益效果是：可以排除排水管道内异物(泥沙或生活垃圾)悬挂或附着在电子水尺壳体上，引起电子水尺检测值异常升高，或异常降低，而对云服务器采集的排水管道内水位信息所产生的影响，避免云服务器出现不正常的水位信息读数，避免误报警。对于水位异常的排水管道可以根据GPS模块采集的位置信息派出维护人员进行检修。

第一平均值的计算公式：

其中，X_t可以为1day、12h、3h或任意一时段内收集的水位信息。

标准差的计算公式：

第二平均值的计算公式：

其中，X_t为水位信息；m为邻近的排水管道的个数。

实施例二，本实施例还提供了基于物联网的城市内涝预警方法；

如图7所示，基于物联网的城市内涝预警方法，包括：

降雨监测装置对降雨量进行监测，并将降雨量监测结果上传给云服务器；

当降雨量监测结果超过设定阈值，则云服务器向排水管道水位监测装置发出启动工作指令，排水管道水位监测装置开始监测排水管道内水位信息；排水管道水位监测装置将监测的排水管道内水位信息也上传给云服务器；

云服务器对降雨量监测结果和排水管道内水位信息的进行比较，当二者均超出设定阈值，则启动城市内涝预警；否则，不启动。

本发明的有益效果为：

1、雨量监测装置可实现自动化传输读数，并在雨量筒中雨水收集过多之后实现读数自动清零或人工远程清零，灵活地实现对降雨量的监控。

2、雨量监测装置在正常工作状态下使用路灯的电源系统供电，在特殊情况发生时启用备用电源，保证了特殊情况下的降雨量数据完整性。

3、位于井下的水位监测装置在未发生强降雨的情况下处于待机状态，当发生强降雨存在内涝风险时，由雨量监测装置发出信号开启水位监测装置，降低了能耗与井下水位监测装置维护成本。

4、降雨量与水位监测装置均带有GPS定位模块，当装置发生故障时可迅速定位前往维修。

相关部门工作人员清晰的掌握城市内易涝点处的降雨情况与排水管道过流能力，对可能会发生的内涝灾害做出预警与提前做出防护措施，并通过微信、手机网络、微博等互联网平台发布实时的内涝预警信息，减少人员和财产的损失。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于物联网的城市内涝预警系统，其特征是，包括：

安装在路灯灯杆上的降雨监测装置，所述降雨监测装置用于对降雨量进行监测，并将降雨量监测结果上传给云服务器；

当降雨量监测结果超过设定阈值，则云服务器向排水管道水位监测装置发出启动工作指令，排水管道水位监测装置开始监测排水管道内水位信息；排水管道水位监测装置将监测的排水管道内水位信息也上传给云服务器；

云服务器对降雨量监测结果和排水管道内水位信息的进行比较，当二者均超出设定阈值，则启动城市内涝预警；否则，不启动；

所述降雨监测装置，包括：雨量筒和第一微控制器，所述第一微控制器分别与电磁阀、第一GPS定位模块、压力传感器、第一主用电源、第一备用电源和第一通信模块连接；所述第一通信模块与云服务器连接；

所述雨量筒为空心圆筒，所述雨量筒顶部设有雨水收集装置，所述雨水收集装置包括若干个成圆周分布的雨水导管，圆周中心的雨水导管最高，圆周边缘的雨水导管最低，由中心到圆周边缘的雨水导管成阶梯状分布；所有的雨水导管底部均与雨量筒顶部连接；

所述雨水导管的直径为6毫米，壁厚为1毫米；

所述云服务器，接收雨量监测装置采集的降雨量和GPS定位信息；接收排水管道水位监测装置采集的排水管道水位信息和GPS定位信息；将采集的降雨量和水位根据GPS定位信息标记到GIS地图中，通过GIS地图实时反应降雨量与排水道水位的情况，并通过移动终端实时发布城市内涝预警信息；

所述云服务器还与风速传感器连接，所述云服务器接收风速传感器采集的风速，当风速大于设定阈值时，云服务器采集设定范围内若干个降雨监测装置采集的降雨量，取若干个降雨量中的最大值作为所述设定范围内的降雨量；

当风速和降雨量均超过设定阈值时，降低控制排水管道内水位监测装置启动的降雨量阈值，提前开启排水管道内水位监测装置；

云服务器采集若干个排水管道水位监测装置所采集的排水管道水位，计算设定数量排水管道水位监测装置的第一平均值和标准差，计算每个排水管道水位与第一平均值差值的绝对值，当绝对值超过两倍的标准差时，判定当前排水管道水位异常；

对水位异常的排水管道，取水位异常排水管道的若干个邻近排水管道内的水位，对当前水位异常排水管道和设定数量邻近排水管道内的水位信息取第二平均值，将第二平均值作为当前水位异常排水管道内的水位。

2.如权利要求1所述的系统，其特征是，所述雨量筒底部设有压力传感器，所述雨量筒底部设有泄水孔，所述泄水孔处设有电磁阀，所述电磁阀根据第一微控制器控制指令实现泄水孔的封闭或敞开。

3.如权利要求1所述的系统，其特征是，所述降雨监测装置的工作原理是：

第一微控制器控制电磁阀将雨量筒底部泄水孔进行封闭；

圆锥状雨水导管将雨水进行收集，收集的雨水流入雨量筒中；

第一微控制器根据接收到的压力传感器的压力值，计算雨量筒内雨水体积，进而根据雨水体积计算降雨量；

第一微控制器接收第一GPS定位模块采集的GPS定位信息；

第一微控制器将计算得到的降雨量和GPS定位信息通过第一通信模块发送给云服务器；

当第一微控制器接收到的压力传感器的压力值超过设定阈值或者当第一微控制器达到设定时间点，则第一微控制器控制电磁阀打开，实现雨量筒内部的雨水从雨量筒的泄水孔流走。

4.如权利要求1所述的系统，其特征是，所述排水管道水位监测装置，包括：第二微控制器，所述第二微控制器分别与第二GPS定位模块、电子水尺、第二主用电源、第二备用电源和第二通信模块连接；所述第二通信模块与云服务器连接；所述电子水尺安装在排水管道内壁，所述电子水尺的起始端为排水管道内壁最底端，所述电子水尺的终止端为排水管道内壁的最顶端。

5.如权利要求4所述的系统，其特征是，所述电子水尺为弧形电子水尺，所述弧形电子水尺的圆心与排水管道的圆心一致，所述弧形电子水尺铺设在排水管道内壁；

所述电子水尺安装在水尺壳体内部，所述水尺壳体为弧形空心壳体，所述水尺壳体的圆心与排水管道的圆心一致，所述水尺壳体铺设在排水管道内壁；所述水尺壳体外侧每间隔设定距离设有水位传感器，水位传感器与水面接触后获取水位信息。

6.如权利要求1所述的系统，其特征是，所述排水管道水位监测装置的工作原理是：

第二微控制器接收云服务器发出的开始工作控制指令；

第二微控制器开始接收由电子水尺采集的排水管道水位信息；

第二微控制器接收由第二GPS定位模块采集的GPS定位信息；

第二微控制器判断排水管道水位信息是否超过设定阈值，如果是，则将接收的排水管道水位信息和GPS定位，通过第二通信模块上传给云服务器。

7.基于物联网的城市内涝预警方法，其特征是，基于权利要求1所述的物联网的城市内涝预警系统，包括：

降雨监测装置对降雨量进行监测，并将降雨量监测结果上传给云服务器；

当降雨量监测结果超过设定阈值，则云服务器向排水管道水位监测装置发出启动工作指令，排水管道水位监测装置开始监测排水管道内水位信息；排水管道水位监测装置将监测的排水管道内水位信息也上传给云服务器；

云服务器对降雨量监测结果和排水管道内水位信息的进行比较，当二者均超出设定阈值，则启动城市内涝预警；否则，不启动。