积水智能监测系统方案.doc

城市积水智能监测系统

概要设计书

1 前言
随着我国经济的不断繁荣，大中城市的建设也在突飞猛进地高速发展，城市圈也在已经不断扩大。为了缓解交通压力和保证出行的畅通，许多城市建设了不少的立交桥和下穿隧道。
近年来，由强降雨引起的城市下穿隧道及立交桥下低洼处存在大量积水的现象时有发生，且有愈演愈烈的趋势。在我国南方多雨的城市，积水有的竟然高达一米以上，且长时间不能及时排走，给人们的出行带来了很大的不便，严重时竟引发行人的死亡和失踪事件。此现象已经引起市政、应急、防汛、路政等政府有关部门的高度关注一方面要积极修建并管理好排水设施；另一方面建设城市道路积水监测系统，也极为必要，它既可以为决策机构的领导提供道路积水的实时信息，也为市政排水调度管理机构提供支持，还可以通过系统中的LED显示屏以及广播、电视等媒体为广大老百姓提供出行指南。
为了贯彻执政为民、服务大众的政府理念，市政工程管理处、城市应急中心以及常州工学院将在2013年雨季来临前联合建设我市的城市积水智能监测系统，以保证广大市民顺利、安全的度过汛期。
2 系统结构
城市积水智能监测系统主要为城市道路、地面、隧道、立交桥等容易积水的场合提供预警服务。系统采用高度集成的一体化设备，包含多传感器接入，本地化预警，远程无线发射，蓄电池充放电管理等单元，具有易于架设，使用简单，待机功耗低，通信距离远，可靠性高的优点。
城市积水智能监测系统主要由市数据中心以及分布在我市各处的监测站两大组成。其中：
监测站包括积水监测仪、电子水位计、温湿度传感器、雨量传感器、视频摄像机等设备监测各个积水点的水文、气象数据，可以完成积水深度、温度、湿度、雨量等数据采集以及视频图像、图片信息的采集，并通过无线方式上传至市数据中心。
市数据中心通过相关的软件，接收并处理由监测站发来的数据，将处理的数据信息在第一时间分发给相关部门决策者，并根据具体情况及时发布预警信息。
系统结构如图所示：

城市积水智能监测系统结构图
在城市积水监测系统中，需要对众多的易积水点进行实时监测，大部分监测数据需要实时发送到市级数据中心的后端服务器进行处理，并通过WEB服务器发布。由于监监测站分散，分布范围广，因此采用LTE/3G/GPRS无线网络进行数据传输。与有线通信方式相比，LTE/3G/GPRS网络具有速度快、使用费用低、施工简单、维护方便等特点。
3 硬件设备
硬件设备包括安装在前端监测站的积水监测仪、电子水位计、温湿度传感器、雨量传感器、视频摄像机、LED显示屏等，以及安装在市级数据中心的计算机、网络交换机、路由器、UPS等设备。
3.1 积水监测仪
积水监测仪是针对城市积水监测系统开发的集水文、气象数据采集，Ethernet/LTE/3G/GPRS/RS485通信于一体的专用设备，与电子水位计、温湿度传感器、雨量传感器、视频摄像机、模拟传感器、蓄电池、太阳能电源板、天线等设备组成一套完整的监测站，它能自动完成水位、雨量、电压、、电流、温度、湿度、图像、图片等水文、气象相关数据的采集、存储、显示，通过Ethernet、LTE、3G、GPRS等网络与市级数据中心进行远程通信。
积水监测仪同时接收来自市级数据中心以及相关部门的数据信息，并将其显示在LED显示屏上，譬如：政策法规、公益公告、交通信息等。
积水监测仪如图所示：

积水监测仪采用高可靠性、低功耗、一体化的设计原则，特别适合在野外进行水文、气象数据的实时采集、处理和传输。可广泛应用于城市、河道、水库、湖泊、泵站、闸门、防洪排涝等工程设施。
其主要特点为：
集成LTE/3G/GPRS/CDMA和Ethernet技术，支持多数据中心通信，支持APN数据专网业务
脉冲量输入通道可接入雨量计等开关量信号输出的设备
模拟量通道可接入多路4-20Ma（或0-5V）信号，可由RTU控制传感器的电源通断，可接入水压、渗漏等压力传感器及超声波水位计等模拟量信号输出的设备
串口通信（RS232或RS485）可接入串行通信类传感器（如LED显示屏、测温仪等），或接卫星通信设备等，可动态控制串行设备的电源通断
支持接入高清数字或模拟摄像机，多级分辨率可选，支持夜间拍摄，最高可达1280*960，可动态控制摄像机电源通断
多种测报方式：自报式、应答式、平安报等，并发送到市级中心站
本地预警信息输出：自动将当前水位及预警信息发送到LED显示屏上
提供带背光液晶显示屏及功能按键，设备的功能检查、参数设置、人工置数，都通过设备面板上的按键完成，显示采用全中文界面
支持大容量历史数据存储，并有历史数据找回功能，保证采集数据的连接性和准确性低功耗设计，采用低功耗方案设计，离线值守电流≦2mA，GPRS在线值守电流≦12mA
提供太阳能供电及蓄电池接口，自动进行充放电管理，自动监测及上报太阳能电池及蓄电池状态
内置实时时钟芯片，自带内置电池，支持本地校时及远程校时
金属外壳防水设计，内置看门狗，性能稳定，保证野外恶劣环境下长期可靠工作
支持串口升级固件程序和参数修改，也支持在线远程升级固件及参数修改
宽温设计，可工作在-30°C-+70°C环境中
主要参数：
电源供电及功耗
供电电压：11V-14V DC/5A
值守电流：≦2mA (关闭GPRS通信)
在线空闲状态工作电流：≦12mA (开启GPRS通信)
模拟量输入
3路4～20mA（或0～5V）信号输入，12位A/D。
精度0.2%FS+1LSD
分辨率：≦0.1%FS
可控电源输出
4路独立电源输出控制
摄像机输入
2路数字摄像机或模拟像机
人机界面
128×64点阵液晶显示，含背光，提供6个功能键
串行数据接口
1路RS232，2路RS485，速率：300-115200bps；数据位：7/8；奇偶校验：N/E/O；停止位：1/2
远传数据接口
1路Ethernet，1路LTE/3G/GPRS
工作环境
温度 -30℃~75℃
湿度 0－95%，非冷凝
3.2 电子水位计
目前最常用的水位传感器，按测量方式大致可分为机械浮子式、光电浮子式、超声波式、电容式、压力式、气泡式、雷达以及电子水位传感器等多种形式，它们各有优缺点。其中，最适合在城市环境中使用的是电子水位计，它具有测量精度高，不受环境如温度、湿度、泥沙、波浪、降雨等因素的影响，安装时不需要建测井，既可以垂直安装，也可以倾斜贴壁安装，还可以自下而上阶梯安装。尤其适用于测量精度要求高，水位变幅不大的场合。
电子水位计如图所示：

电子水位计
其主要特点为：
采用先进微处理器芯片为控制器，具备高可靠性及抗干扰性能，可应用于江河、湖泊、水库、河道、灌区渠道输水等水利水文工程中的水位监测，特别适用于自来水、城市河道、城市内涝（道路积水）等市政工程中的水位监测
采用先进的生产工艺技术，采用棒体结构，法兰连接，并有不锈钢防护外壳，内部用高性能的密封材料进行特殊处理，产品具有防腐、防冻、耐热、耐老化的特点，可在泥桨、污液和腐蚀性液体、冰冻等各种恶劣的环境中使用
具有采样精度与传感器的测量体长度无关的特点，对不同变幅的应用环境，测量精度保持不变，精度1cm。（等精度测量，对不同的水位变幅，都保持测量精度不变）
既可以单支使用，也可以多段级联使用，可以根据现场实际安装位置及量程需求将传感器纵向级联以扩展测量量程，或横向阶梯级联形成多点测量网络。每支传感器的变送器都有各自的ID编号，该ID编号可以在线重新设定，便于级联后二次仪表测量时识别
多种信号输出方式：ModBus-RS485、CAN、4~20mA可选
主要参数：
单元规格：80cm/120cm/160cm/240cm
变幅范围：可以有以上基本单元自由组合
精度：1cm（全量程等精度测量）
供电电压：DC12V±15%
静态电流：≤30mA（DC12V）
能耗：≤360mW（DC12V）
温度：-20℃~60℃
误差：±1cm
3.3 LED显示屏
LED显示屏是安装在监测站前后方（上下行）道路两侧的超高亮度显示设备，可以显示各种信息。譬如：实时显示监测站的积水深度、降雨量、温度、湿度；可与交巡警支队实现信息共享，实时显示交通控制信息；可与市政工程处、应急指挥中心等相关部门实现信息共享，实时发布政策法规以及公众信息；还可以发布公益广告及商业广告等。
LED显示屏如图所示：

积水较浅，绿灯显示尚可通行

积水较深，红灯显示禁止通行

显示积水深度，警告禁止通行

发布政策法规、公益公告
3.4 其他设备
除了上述的主要设备，城市积水智能监测系统还可在前端配置其他的设备单元，如温湿度传感器、降雨量传感器、摄像头等。如图所示：

温湿度传感器 雨量传感器 视频摄像机
4 数据中心
市级数据中心分为硬件和软件两个部分。
硬件包括数据服务器、WEB服务器、管理工作站、网络交换机、UPS等设备。
软件为城市积水智能监测系统管理平台，是用于整个被监测区域内全部城市道路积水监测仪参数采集，包括：积水是否发生积水分布、积水水位、持续时间、对应时间日期、电池电量、现场照片，历史数据等。
显示监测站位置，监测站信息，道路积水现场图片，支持电子地图
列表方式显示最新一次更新的数据
按监测站、时间段、字段查询历史数据，具备打印，导出excel表功能
按监测站、时间段、绘制水位曲线，曲线可以缩放打印、显示各点数据
可实现任意监测站、任意字段、任意数量曲线在同一时间段的对比
添加、删除、修改站点信息、方便用户自己变更设备
支持短信通知，自动发送报警短信到值班人员手机
支持各种信息的发布，包括在各监测站LED显示屏上的发布，以及中心WEB网站上的发布。

二维电子地图

卫星电子地图

积水严重报警

监测站水深日报、月报、年报表

各监测站实时水深汇总表
4 主要功能
监测站功能：
（1）实时采集监测站的积水深度
（2）实时采集监测站的降雨量
（3）实时采集监测站的温度
（4）实时采集监测站的湿度
（5）实时采集监测站的视频信息
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