CN114235093A - 一种地铁隧道、管廊水位自动预警系统及其预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种地铁隧道、管廊水位自动预警系统及其预警方法，其中，所述系统包括：数据采集模块、数据处理模块、数据分析模块、系统管理模块和水文数据网络发布模块。本发明的地铁隧道、管廊水位自动预警系统及其预警方法，专门用于地铁轨道交通、管廊淹水水位监测报警，针对性强；不仅可以进行实时监测，而且能提前预测淹水走势，针对地下淹水及时预警；本发明将传感器安置于地铁轨道顶部，无需安装支撑杆。

Description

一种地铁隧道、管廊水位自动预警系统及其预警方法

技术领域

本发明涉及水位监测技术领域，具体而言，涉及一种地铁隧道、管廊水位自动预警系统及其预警方法。

背景技术

目前道路积水监测预警系统可实时监测城区各低洼路段的积水水位并实现自动预警，其主要工作流程为：1、在桥下通道的一侧立杆安装远程测控终端、超声波水位计、照相机，远程测控终端采集超声波数据实现路面水位监测，采集照相机图像实现现场图像监测；2、在排水井内安装投入式水位计，远程测控终端采集投入式水位计数据，实现排水井水位监测；3、远程测控终端与现场排水泵控制箱和配电箱连接，根据排水井水位自动(或远程/本地)控制排水泵的启/停，监测泵运行状态和现场三相电压；4、远程测控终端通过4G网络，将现场数据远传至市政管理部门监控中心；5、水位越限、设备故障、供电异常时，远程测控终端自动报警，并远传至监控中心；6、监控中心管理人员通过电脑端监控软件或手机APP，可实时查看现场数据和图像，远程控制排水泵的启/停。

但是这套设备只能对道路积水进行监测报警，我国目前并没有专门用于地铁轨道交通、管廊淹水水位监测报警的一套系统；而且其只能进行实时监测，并不能提前预测淹水走势，无法针对地下淹水及时预警；由于是立杆悬臂梁式安装，过往车辆，行人和车辆停在超声波探头下必然导致数据异常报警，同时超声波探头容易受温度影响，白天和晚上会出现周期性的误差，误差多达10厘米，并且由于地铁轨道内不便于施工，无法安装支撑杆。

发明内容

本发明解决的问题是：目前并没有专门用于地铁轨道交通、管廊淹水水位监测报警的一套系统；而且其只能进行实时监测，并不能提前预测淹水走势，无法针对地下淹水及时预警；并且由于地铁轨道内不便于施工，无法安装支撑杆等问题。

为解决上述问题，一方面，本发明提供一种地铁隧道、管廊水位自动预警系统，其中，所述系统包括：

数据采集模块、数据处理模块、数据分析模块、系统管理模块和水文数据网络发布模块；

所述数据采集模块，与所述数据处理模块连接，用于地面数据采集和轨道数据采集，并将采集到的数据发送至所述数据处理模块；

所述数据处理模块，与所述数据分析模块连接，接收所述数据采集模块采集到的数据并进行处理，用于数据查询、水位曲线浏览、报表统计以及生成对比分析图，并将数据输出至所述数据分析模块；

所述数据分析模块，与所述系统管理模块连接，接收数据并进行分析，用于实时数据报警以及趋势分析预警，并将分析结果发送至所述系统管理模块；

所述系统管理模块，与所述水文数据网络发布模块，用于接收分析结果并进行基本信息管理、监测项目以及生成工程图片，并将管理数据发送至所述水文数据网络发布模块；

所述水文数据网络发布模块，用于接收管理数据并进行网络发布。

优选地，所述地面数据采集利用雨量计进行降水量采集；

所述轨道数据采集利用超声波水位计进行水位采集。

优选地，所述数据查询包括对降水量以及水位数据的查询；

所述水位曲线包括利用历史水位数据生成水位曲线图；

所述报表统计包括利用历史降水量数据以及历史水位数据生成统计报表；

所述生成对比分析图包括利用历史降水量数据以及历史水位数据生成同期降水量以及水位对比分析图。

优选地，所述实时数据报警包括当实时降水量或水位超限时，立即进行报警；

所述趋势分析预警包括利用历史降水量数据或历史水位数据进行淹水流动方向及抵达临近站点的时间节点的趋势预测，对水位到达警戒水位的时间进行预警。

优选地，所述基本信息管理包括对数据进行输入编辑、查询、分析和输出；

所述监测项目包括对各轨道交通线、各站点的降水量以及水位进行可视化监测管理；

所述生成工程图片包括对历史数据生成截图保存以供后期维护分析。

另一方面，本发明还提供一种预警方法，其采用了如上所述的地铁隧道、管廊水位自动预警系统，其中，包括如下步骤：

S1.对地铁隧道、管廊水位自动预警系统进行硬件部署、软件参数设置；

S2.对硬件部署区域进行水文参数主动监测采集；

S3.将采集到的数据进行分析处理，如果超限，立即进行报警，并对采集到的历史数据进行趋势分析，对未来淹水流动方向及抵达临近站点的时间节点进行趋势分析并预警；

S4.根据报警及预警结果启动相应应急预案，进行人员疏散和救援；

S5.存储有关数据，为后期地铁隧道、管廊维护以及应急预案完善提供参考。

优选地，所述硬件部署包括超声波水位计安装和雨量计安装；

所述超声波水位计安装在地铁隧道各站点顶部；

所述雨量计安装在各站点地面观测场内。

优选地，所述主动监测采集包括：

S21.远程监控中心发出控制指令，通过网关节点，启动激活终端传感器节点进行水文参数检测；

S22.终端节点处理器收到指令后，由主处理器对命令进行解码，若节点地址与控制指令中的地址一致，则启动传感器进行水文参数采集，并将最终采集到的数据传送给节点处理器，节点主处理器捕获到测量数据后，再进行相关数据的分析、融合，并将水文数据送到射频模块进行数据的发射；

S23.中心节点汇聚各个终端节点参数，发出相应控制指令。

优选地，所述对未来淹水流动方向及抵达临近站点的时间节点进行趋势分析并预警包括：

S31.通过水位计监测到的隧道各站点底部的淹水水位高低，可以判断淹水的流向；

S32.通过建立地铁车站水侵过程模型，动态模拟地表积水入侵地铁车站的整个历时过程，以此预测洪水抵达各站点的时间节点；

S33.通过建立地铁站内涝淹水模型，模拟淹水在地铁车站里的流动，预测水位到达警戒水位的时间。

相对于现有技术，本发明所述的地铁隧道、管廊水位自动预警系统及其预警方法具有以下有益效果：

(1)本发明专门用于地铁轨道交通、管廊淹水水位监测报警，针对性强；

(2)本发明不仅可以进行实时监测，而且能提前预测淹水走势，针对地下淹水及时预警；

(3)本发明将传感器安置于地铁轨道顶部，无需安装支撑杆；

(4)本发明可监测地下水位和地面降雨等水文数据，系统在无人值守情况下能可靠运行；监测数据可通过通讯网络传输，也可记录于仪器内，仪器可保存2年以上数据；

(5)本发明对于采集的水位信息采用多种方法以表格、曲线、报表、图形等方式实现数字的动态显示与可视化输出，并可进行相应的编辑、打印等操作，方便了用户的直观查询与使用。

附图说明

图1为本发明的地铁隧道、管廊水位自动预警系统示意图；

图2为本发明的超声波水位计工作原理图；

图3为本发明的翻斗式雨量计工作原理图；

图4为本发明的监测平台主界面示意图；

图5为本发明的超声波水位计连接方式图；

图6为本发明的地铁站淹水模型图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

实施例一

提供一种地铁隧道、管廊水位自动预警系统，如图1所示，其中，所述系统包括：

数据采集模块、数据处理模块、数据分析模块、系统管理模块和水文数据网络发布模块；

所述数据采集模块，与所述数据处理模块连接，用于地面数据采集和轨道数据采集，并将采集到的数据发送至所述数据处理模块；

所述数据处理模块，与所述数据分析模块连接，接收所述数据采集模块采集到的数据并进行处理，用于数据查询、水位曲线浏览、报表统计以及生成对比分析图，并将数据输出至所述数据分析模块；

所述数据分析模块，与所述系统管理模块连接，接收数据并进行分析，用于实时数据报警以及趋势分析预警，并将分析结果发送至所述系统管理模块；

所述系统管理模块，与所述水文数据网络发布模块，用于接收分析结果并进行基本信息管理、监测项目以及生成工程图片，并将管理数据发送至所述水文数据网络发布模块；

所述水文数据网络发布模块，用于接收管理数据并进行网络发布。

其中，所述地面数据采集利用雨量计进行降水量采集；

所述轨道数据采集利用超声波水位计进行水位采集。

地铁隧道、管廊水位自动预警系统主要分为地铁内部轨道中的远程实时淹水水位监测与地铁站外部的实时雨量监测，并在多个地铁站建立水文监测物联网，全面实现远程监测地铁站淹水水位线。

地铁轨道交通内部监测系统主要由监控中心、通信网络、手机APP、测量设备等四部分组成。轨道交通水位监测系统采用超声波式仪器进行监测。

如图2所示，超声波水位计工作原理如下：

安装在空气中的超声换能器，将超声脉冲波定向朝水面发射。此声波束到达水面后被反射回来，被换能器接收。根据声波的传播速度v和传播历时t，可以计算出换能器离水面的距离H。

H＝vt/2

换能器安装在水中的，称之为液介式超声波水位计，而换能器安装在空气中的，称之为气介式超声水位计，后者为非接触式测量。由换能器安装高程可以得到水面高程，也就是水位。本发明主要采用气介式超声水位计。

表1超声波水位计技术参数

项目	性能
		测量范围	30m
分辨率	1mm
		准确度	±3mm
工作温度	-30℃～80℃
		适应水位变率	不低于100cm/min
平均无故障时间	≥30000h
		盲区	0.5m
工作方式	定时上报、休眠唤醒、触发自动上报
		防护等级	IP67
供电方式	蓄电池，市电

在地铁站外建立配套的雨量站网测量地铁站外的降水量，当地铁轨道内水位预警时，可以通过雨量计测量降水量，了解降水情况，及时做好防洪措施。

如图3所示，雨量计工作原理如下：

本发明使用的是翻斗式雨量计，工作过程是：雨水由承水器收集后进入上翻斗(使降水强度近似于大气降水强度)，然后进入计量翻斗对降水进行计量，计量翻斗每翻动一次，计量为0.1mm降水量。随之雨水由计量翻斗倒入计数翻斗，计数翻斗的小磁钢在翻动一次中，触发干簧管，闭合一次，送出一次信号。雨量计是通过机械平衡原理设计，所以在安装时要根据仪器上的水平仪调节水平位置。

表2翻斗式雨量计技术参数

技术特点：

(1)非接触测量，不受水体污染；

(2)不需建造测井，节省土建投资；

(3)无触点开关元器件；

(4)无机械磨损，稳定耐用；

(5)支持向3路及以上地址发送不同格式的数据功能；

(6)掉线自恢复，网络恢复后自动补发未发送成功数据；

(7)支持多种工作模式：休眠模式、在线模式、预警模式；

(8)具备阈值触发功能，监测数超过阈值，立即自动上报；

(9)可存储2年以上数据，自动循环覆盖旧数据的功能；

(10)远程控制，在线升级硬件程序；

(11)非接触式测量，便捷安装，维护量很小。

其中，所述数据查询包括对降水量以及水位数据的查询；

所述水位曲线包括利用历史水位数据生成水位曲线图；

所述报表统计包括利用历史降水量数据以及历史水位数据生成统计报表；

所述生成对比分析图包括利用历史降水量数据以及历史水位数据生成同期降水量以及水位对比分析图。

其中，所述实时数据报警包括当实时降水量或水位超限时，立即进行报警；

所述趋势分析预警包括利用历史降水量数据或历史水位数据进行淹水流动方向及抵达临近站点的时间节点的趋势预测，对水位到达警戒水位的时间进行预警。

其中，所述基本信息管理包括对数据进行输入编辑、查询、分析和输出；

所述监测项目包括对各轨道交通线、各站点的降水量以及水位进行可视化监测管理；

所述生成工程图片包括对历史数据生成截图保存以供后期维护分析。

本实施例中的预警系统，主要功能是水位数据基本资料的输入、水位数据的采集、水位数据的查询、水文数据的可视化(如图4所示)、水位趋势分析以及异常情况报警等，系统以地铁淹水水位信息的查询和分析为核心，提供了输入编辑、查询、分析、输出等实用而丰富的管理功能。核心任务是：为进行切实可行的地铁水害预测预报提供可靠的数据来源与趋势分析。

实施例二

提供一种预警方法，其采用了如实施例一所述的地铁隧道、管廊水位自动预警系统，其中，包括如下步骤：

S1.对地铁隧道、管廊水位自动预警系统进行硬件部署、软件参数设置；

S2.对硬件部署区域进行水文参数主动监测采集；

S3.将采集到的数据进行分析处理，如果超限，立即进行报警，并对采集到的历史数据进行趋势分析，对未来淹水流动方向及抵达临近站点的时间节点进行趋势分析并预警；

S4.根据报警及预警结果启动相应应急预案，进行人员疏散和救援；

S5.存储有关数据，为后期地铁隧道、管廊维护以及应急预案完善提供参考。

其中，所述硬件部署包括超声波水位计安装和雨量计安装；

所述超声波水位计安装在地铁隧道各站点顶部；

所述雨量计安装在各站点地面观测场内。

安装超声波水位计，由于地铁轨道内不便于设立支架，所以可以将传感器安置于地铁轨道顶部，超声波水位计连接方式如图5所示。

安装翻斗式雨量计，先将承水器外筒安在观测场内，底盘用三个螺钉固定在混凝土底座或木桩上，要求安装牢固、器口水平。安装完毕，将清水徐徐注入感应器漏斗，随时观察计数翻斗翻动过程，有无不发信号或多发信号现象，检查室内仪器上是否采集到数据。最后注入定量水，如无不发信号或多发信号的现象，且室内仪器的数据与注入水量相符合，说明仪器正常，否则须检修调节。

其中，所述主动监测采集包括：

S21.远程监控中心发出控制指令，通过网关节点，启动激活终端传感器节点进行水文参数检测；

S22.终端节点处理器收到指令后，由主处理器对命令进行解码，若节点地址与控制指令中的地址一致，则启动传感器进行水文参数采集，并将最终采集到的数据传送给节点处理器，节点主处理器捕获到测量数据后，再进行相关数据的分析、融合，并将水文数据送到射频模块进行数据的发射；

S23.中心节点汇聚各个终端节点参数，发出相应控制指令。

随着网络技术和通信技术的快速发展，物联网技术由于其短距离传输、低复杂度、低功耗、自组网等特点得到了广泛应用。物联网终端节点成本低廉，可以很方便地实现不同地铁站部署，并能保证数据采集的广度和精度，可为大范围水文资料监测提供数据基础。为此，本发明采用以水文参数检测传感器作为终端测试节点，以物联网技术作为通信平台，结合监测基础平台来构建水文参数监测系统，从而实现对区域地铁站水位参数的远程实时监测。

在基于物联网的水文监测系统中，终端节点由许多功能相同或不同的水文监测传感器节点组成，水文监测传感器是整个监测系统的硬件基础，终端节点通过传感器可将水文参数转变为数据调制信号，然后对射频信号进行调制，并产生已调信号，然后将已调信号通过终端节点的天线发送到网关节点进行数据的融合和汇聚。

在水文监测物联网建立过程中，因具体应用环境不同，其工作测试的重点也不同，故对不同的子网段，需要单独进行设置。首先应由各个网关节点初始化该段子网，以避免各个终端节点之间的相互干扰，以及与其他工作相同频道设备间的信号干扰。网关节点通过给每个终端节点网络指定不同的物理地址来区分不同节点，当整个网络应用后，网关节点会定时发送查询命令，在发现新的网络节点后，系统会自动加入网络节点列表，同时发送新的路由表。

除具有自组网特点外，网关节点还负责第一步的信息分析及处理，并将处理后的数据存储到嵌入式数据库以备查询。网关节点通常个数有限，一般对功耗要求不严格，可以采用多种通信方式与其他网络节点进行通信(如Internet、卫星或移动通信网络等)。

远程监控中心节点是整个系统的管理中枢，用于汇集并处理各区域的水文参数，并根据分析结果提出不同的合理化建议，主要完成数据的存储与处理、数据的可视化、物联网的管理功能。其硬件组成主要是大规模的磁盘阵列以及高性能的工作站服务器。

其中，所述对未来淹水流动方向及抵达临近站点的时间节点进行趋势分析并预警包括：

S31.通过水位计监测到的隧道各站点底部的淹水水位高低，可以判断淹水的流向；

S32.通过建立地铁车站水侵过程模型，动态模拟地表积水入侵地铁车站的整个历时过程，以此预测洪水抵达各站点的时间节点；主要思路为：

以多个相互连通的蓄水池来表达地下空间的三维模型，淹水的扩散表现为在各相邻蓄水池间的流通，出入口通道和内部楼梯可以用跌水公式来表达，再辅以连续性方程、动量方程来求解。

S33.通过建立地铁站内涝淹水模型，模拟淹水在地铁车站里的流动，预测水位到达警戒水位的时间；主要思路为：

如图6所示，由于城市暴雨内涝积水现场多发于市政道路低洼处及地下穿式立交处，将积水地地段概化为一个“碗状”蓄水池，该“碗状”蓄水池的积水过程如下：地表径流雨水在重力作用下，在其对应的汇流地域内向低洼处聚集，并由低到高从流域内最低点向四周蔓延，直至积水水位达到平衡状态或积水到达水流域的边界。该积水过程与倒圆锥从底部顶点向上进行积水的过程非常相似，但由于城市内汇水边界多为市政道路，从而汇水流域多为四边形，因此进一步将该“碗状”蓄水池简化为一个倒四棱锥。该倒四棱锥的底部顶点对应流域内的最低点即积水点，倒四棱锥顶部表面积与汇水流域面积相等，倒四棱锥的高与溢流水位相同，采用类似于水库库容—水深的计算方式，以该倒四棱锥为基础构建地铁站淹水模型。

本实施例中的预警方法，具备实时监测各站点隧道水位深度及高程，并自动实时绘制成曲线；具备显示各站点隧道底部高程及淹水深度可视化界面，并智能化推测淹水流动方向及抵达临近站点的时间节点；具有超限自动报警功能，出现异常立即报警；可以根据需要自动打印有关的报表和曲线；具有网络管理远程管理功能。

虽然本发明披露如上，但本发明的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种地铁隧道、管廊水位自动预警系统，其特征在于，所述系统包括：

数据采集模块、数据处理模块、数据分析模块、系统管理模块和水文数据网络发布模块；

所述数据采集模块，与所述数据处理模块连接，用于地面数据采集和轨道数据采集，并将采集到的数据发送至所述数据处理模块；

所述数据处理模块，与所述数据分析模块连接，接收所述数据采集模块采集到的数据并进行处理，用于数据查询、水位曲线浏览、报表统计以及生成对比分析图，并将数据输出至所述数据分析模块；

所述数据分析模块，与所述系统管理模块连接，接收数据并进行分析，用于实时数据报警以及趋势分析预警，并将分析结果发送至所述系统管理模块；

所述系统管理模块，与所述水文数据网络发布模块，用于接收分析结果并进行基本信息管理、监测项目以及生成工程图片，并将管理数据发送至所述水文数据网络发布模块；

所述水文数据网络发布模块，用于接收管理数据并进行网络发布。

2.根据权利要求1所述的地铁隧道、管廊水位自动预警系统，其特征在于，所述地面数据采集利用雨量计进行降水量采集；

所述轨道数据采集利用超声波水位计进行水位采集。

3.根据权利要求1所述的地铁隧道、管廊水位自动预警系统，其特征在于，所述数据查询包括对降水量以及水位数据的查询；

所述水位曲线包括利用历史水位数据生成水位曲线图；

所述报表统计包括利用历史降水量数据以及历史水位数据生成统计报表；

所述生成对比分析图包括利用历史降水量数据以及历史水位数据生成同期降水量以及水位对比分析图。

4.根据权利要求1所述的地铁隧道、管廊水位自动预警系统，其特征在于，所述实时数据报警包括当实时降水量或水位超限时，立即进行报警；

所述趋势分析预警包括利用历史降水量数据或历史水位数据进行淹水流动方向及抵达临近站点的时间节点的趋势预测，对水位到达警戒水位的时间进行预警。

5.根据权利要求1所述的地铁隧道、管廊水位自动预警系统，其特征在于，所述基本信息管理包括对数据进行输入编辑、查询、分析和输出；

所述监测项目包括对各轨道交通线、各站点的降水量以及水位进行可视化监测管理；

所述生成工程图片包括对历史数据生成截图保存以供后期维护分析。

6.一种采用如权利要求1至5任一项所述的地铁隧道、管廊水位自动预警系统的预警方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.对地铁隧道、管廊水位自动预警系统进行硬件部署、软件参数设置；

S2.对硬件部署区域进行水文参数主动监测采集；

S3.将采集到的数据进行分析处理，如果超限，立即进行报警，并对采集到的历史数据进行趋势分析，对未来淹水流动方向及抵达临近站点的时间节点进行趋势分析并预警；

S4.根据报警及预警结果启动相应应急预案，进行人员疏散和救援；

S5.存储有关数据，为后期地铁隧道、管廊维护以及应急预案完善提供参考。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述硬件部署包括超声波水位计安装和雨量计安装；

所述超声波水位计安装在地铁隧道各站点顶部；

所述雨量计安装在各站点地面观测场内。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述主动监测采集包括：

S21.远程监控中心发出控制指令，通过网关节点，启动激活终端传感器节点进行水文参数检测；

S22.终端节点处理器收到指令后，由主处理器对命令进行解码，若节点地址与控制指令中的地址一致，则启动传感器进行水文参数采集，并将最终采集到的数据传送给节点处理器，节点主处理器捕获到测量数据后，再进行相关数据的分析、融合，并将水文数据送到射频模块进行数据的发射；

S23.中心节点汇聚各个终端节点参数，发出相应控制指令。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述对未来淹水流动方向及抵达临近站点的时间节点进行趋势分析并预警包括：

S31.通过水位计监测到的隧道各站点底部的淹水水位高低，可以判断淹水的流向；

S32.通过建立地铁车站水侵过程模型，动态模拟地表积水入侵地铁车站的整个历时过程，以此预测洪水抵达各站点的时间节点；

S33.通过建立地铁站内涝淹水模型，模拟淹水在地铁车站里的流动，预测水位到达警戒水位的时间。

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