城市排水内涝积水水位监测

    政府城市治理结构是一个复杂的体系，涉及政府在实施相关的城市管理事务中的方方面面，包括市政基础设施、公用事业、环卫基础设施、水务河道、城市管理综合执法等与城市发展密切相关的基础设施和城市综合管理。其中，水是基础性的自然资源，更是生态环境的控制性要素，城市的水务及排水系统与社会生活和经济发展密切关联，是城市治理不可或缺的重要组成部分。习近平总书记指出：“生态文明建设事关中华民族永续发展和‘两个一百年’奋斗目标的实现，保护生态环境就是保护生产力，改善生态环境就是发展生产力”，同时强调树立“绿水青山就是金山银山”的强烈意识，努力走向社会主义生态文明新时代。因此，优化和改造治水、管水的技术和方法，实现水资源环境的可持续开发和利用，是城市快速和稳定发展的保障。全面贯彻党的十九大精神，认真贯彻落实国家信息化工作方针，围绕“加快国家中心城市建设”战略，依托新兴技术、信息化技术全面提升排水业务管理水平，促进排水、治水全面协同发展并实现智慧化管理，以推进生态文明建设和促进经济社会健康可持续发展。把握智能数字化、物联网、云计算等当今世界新技术的发展趋势，秉承“创新、协调、绿色、开放、共享”的五大发展理念，以排水业务和管理现代化为目标，以加快新一代信息技术与排水行业深度融合为主线，以“智慧排水”建设作为排水管理、河涌整治、截污纳管等业务创新驱动主战场，以排水管理业务信息化重点任务为依托，着力夯实排水数据体系、创新排水感知应用发展、大力推进排水业务深入应用，实现排水业务管理高效智慧、宏观决策科学有效、管理持续创新，为深化治理和提升维护管养方面发挥关键支撑作用，为实现“长制久清”的发展目标提供强有力支撑。
 

.1     建设目标

理清城市排水业务现状，客观总结排水工作面临的问题，分析即将面临的形势，明确城市市排水管理信息化发展方向和建设任务，描绘未来城市“智慧排水”的发展蓝图，为排水信息化阶段向智慧化阶段迈进奠定坚实的基础。
（1）以排水问题为导向，以排水业务信息化技术应用和体系建设落实管理能力，逐步打造城市排水“业务全流程、设施全覆盖、资源全方位” 信息化的管理和管控体系，实现排水行业精细化管理；
（2）以信息化一体化管理手段，实现业务管理过程的扁平化、精细化，进一步提升业务管理、问题处理、事件应急响应等业务效率和水平，以适应城市城市发展要求；
（3）通过信息化方式，推进“智慧排水”的管理机制创新，以“长效化”落实管理养护责任。
 

.2     设计依据

GB/T 30269.502-2017 《信息技术 传感器网络 第502部分:标识:传感节点标识符解析
GB/T 30269.602-2017 《信息技术 传感器网络 第602部分:信息安全:低速率无线传感
GB/T 30269.801-2017 《信息技术 传感器网络 第801部分:测试:通用要求》
GB/T 30269.803-2017 《信息技术 传感器网络 第803部分:测试:低速无线传感器网络
GB/T 35319-2017《物联网 系统接口要求》
GB/T 36461-2018物联网标识体系 OID应用指南
GB/T 36478.1-2018物联网 信息交换和共享 第1部分：总体架构
GB/T 36478.2-2018物联网 信息交换和共享 第2部分：通用技术要求
DB11/T 1673—2019海绵城市建设效果监测与评估规范
DB11/T 1720—2020城市雨水管渠流量监测基本要求
SZY 202-2013《监测站建设技术导则》
SZY 203-2012《水资源监测设备技术要求》
SZY 204-2012《水资源监测设备现场安装调试》
SZY206-2012《水资源监测数据传输规约》
SL651-2014《水文监测数据通信规约》
 

.3     设计原则

（1）实时性、容错性
实时采集现场中的流速、水位等信息，会同断面数据能及时获得流量信息，并将其存在业务数据库中。具有较强的实时性和较高的处理效率，对访问的响应时间要短；采集接口的实时性好，能满足其应用的需要。
（3）完整性、标准化
信息的传输与处理遵循标准化的协议，以保证信息的相对完整性与一致性。对采集方式、采集设备尽量采用统一标准和型号, 坚持系统的开放性和可扩展性。建立一个开放的、标准的、可扩充、易管理、升级的实时数据库系统。
（5）安全性、可靠性
在操作上严格权限管理。系统应提供审计跟踪功能，记录所有用户操作过程，对出现的系统安全问题提供调查的依据和手段；系统应具备事务日志功能。保证在恶劣天气条件下能正常运行，确保采集通信信道畅通。
 

第章     系统技术方案

.1     慧排水业务框架

以排水单元划分为基础，实现到边到底的业务管理和责任覆盖；以排水全过程划分为源头、终端、末端，以物联网感知设备实现运行全过程掌控，以信息化建设实现扁平化、精细化管理；以数据融合驱动运行监测和业务分析，为决策分析提供智能化辅助，逐步形成长效运行的机制和排水业务管理的保障。如下图所示：

依托“单元划分、数据融合、物联建设、业务应用、基础配套”五大建设任务，实现排水业务全流程、设施全覆盖、资源全方位管理和管控体系的目标，打造全市统一的一体化、规范化、精细化、智慧化的“智慧排水”管理体系。全面提升治水管理的效率和效能，实现对治水管理的智慧运用，逐渐成为排水体系发展乃至城市稳定发展的保障。具体规划任务包括：
1、排水单元划分。通过引入排水单元理念，构建到边到底、清晰明确的排水单元，以落实管线、设施责任到人，实现精细化管理创造先决条件和基础。
2、排水基础数据收集、融合和数据库建库。全面融合、整理、清查现有管网数据、排水户数据、修补测数据，并根据排水监管和治水工作需求，进行排水基础和业务数据建库，为业务开展奠定数据基础。
3、排水动态物联网建设。在检查井、水位监测点、污水处理进水口、泵站和力流出口、污水截流井、初雨截流井、河道出口、检查井等设置物联网感知设备，构建广泛覆盖、动态精准的排水设施感知网，加强排水管网运行状态监控，为排水业务管理提供实时、精准的数据支撑。
4、排水综合业务应用体系建设。基于管网数据、感知数据，结合现有业务信息化基础，从排水源头管理、管线管理、排水监测、设备设施监控等一系列业务之间为创建新型排水工作形态提供信息化手段，构建扁平高效、协调联动的精细化管理模式。同时，以数据驱动为中心，以业务数据、运行监测数据相结合，构建一体化决策辅助体系，满足宏观管理、总体管控的要求。
5、排水应用基础设施建设。依某城市电子政务云平台的信息化基础设施，为“智慧排水”相关应用提供基础运行环境，并为排水统一调度提供指挥中心，便于业务开展。
 

.2     智慧排水系统架构

系统架构涵盖物联网感知、数据接入、数据传输、数据利用及共享、基础设施、数据中心、应用支撑平台、排水专题管理、排水设施管理、排水综合决策指挥和排水综合配套移动应用等内容。同时，通过建立贯穿各个层次的法律法规政策体系、运维服务体系等技术规程和机制体制规范，保障系统运行安全稳定。

图 2 城市排水系统框架
各层具体涉及内容说明如下：
1.物联网感知层
物联网感知层，主要基于物联网技术，将城市污水雨水的管线、泵站、井口等节点通过感知设备全部电子化到电子地图上，满足业务开展所需。
2.基础设施层
基础设施层是支撑平台应用的软硬件环境，包括机房、服务器、存储设备、网络设备、感知设备等基础硬件设施。城市“智慧排水”体系的基础设施主要包括云平台资源、电子政务外网、互联网及相关资源组成，根据城市信息化建设要求采购城市电子政务云平台设备资源，为业务应用系统提供基础运行环境资源。
3.数据资源层
数据资源层通过数据中心系统实现对平台所有信息资源的采、存、管及简单的查询应用，为应用系统层提供数据支撑。数据中心系统主要包括信息资源规划管理、数据采集加工、数据权限管理、数据分析应用等功能。
4.应用系统层
根据应从城市排水业务全流程、设施全覆盖、资源全方位的管理和管控体系为中心，分别构排水全过程管理、排水防涝、水务工程建设管理、水务行政实发、审批辅助分析、管线数据管理与更新、排水决策辅助支撑等相关应用建设，以实现全市统一的一体化、规范化、精细化、智慧化的“智慧排水”管理体系的发展目标。
5.交互层
平台支持与外部系统集成应用，可以与现有实际排水管理业务、水务业务应用系统和实现交互和协同，未来逐步形成一体化排水管理体系。

.3     智慧排水物联网建设

“智慧排水”建设项目感知集成架构包括感知层、网络层和应用层3部分。三层结构相互作用从而构成一个有机的整体，感知层类似于获取信息的“感觉器官”，网络层类似于传输信息的“神经系统”，而应用层则类似于处理信息、使用信息的“大脑”。

监控监测类型包括：
（1）水位。需要了解、掌握、监控排水管网运行水位、泵站运行水位和河道水位情况，及时发现管道高水位运行、水位突变等问题，并及时报警；掌握交界断面管道运行状况，及时发现长时间高水位运行管道，建立在线监测信息自动向责权单位推送的机制和流程，从而更好地提升城市排水管理水平。
（2）流速/流量。监测排水干网、泵站、河涌各种溢流口的水体排放流量情况，实时掌握排水口的排放流量负荷，弥补水位监测的不足。同时通过流量监测可以间接反映排水管道的淤积情况、泵站的工作状态等，为权责单位以及权责单位负责人科学决策提供参考。
（3）水质。通过监控市内污水管网重点区域实时水质情况，实现对企业废水、城市污水等主要污染因子的在线监测，监测点通过对水质参数自动采集、处理、存储和远程通讯传输，再由控制中心对接收到的信息进行数据汇总、整理和综合分析，为区水务局及时掌握各区污水治理项目运维情况、运行问题及整改情况提供参考依据。
（4）有毒有害易燃易爆气体。一方面对窨井气体进行监测，在线监测重要管道内气体爆炸下限及有毒物质的浓度，通过对浓度值进行分析，以此了解当前管道的环境状况，确保管道维护人员的施工安全。此外，通过对管道内有毒有害气体的监测，结合水质监测数据，能够进一步分析出管道水质的变化，为决策者做出排水管理决策提供科学依据。
（5）雨量。实现雨量信息的统一采集监测，弥补气象信息的不足，为排水防涝工作提供辅助。根据需要进行降雨信息的测量，为未来城市防汛系统功能提升和城市防汛模拟建设提供数据依据。雨量监测点既能完成降水过程的自动测量、数据自动采集，又能实现资料自动整编、自动传输。
（6）视频。通过视频监测点的布设，能够通过视频图像了解、掌握、监控管网运行水位，泵站运行水位，河道水位的图像，监控泵站、排水分区重要节点图像，保证相关权责单位能够随时调用相关点位的图像或者视频。此外，通过监控临近排污口、重要的检查井、下穿地道或者隧道、水渍点的实时视频情况，同时结合水位、水质以及流量等其他监测数据及时发现排水管网问题。
 

第章     监测设备选型介绍

.1     主要监测设备一览表

.2     设备技术参数

.2.1 一体化多普勒流量计（排水管网流量监测）
多普勒流量计是基于多普勒原理,采用DSP技术和先进的频谱分析算法,专为水体水位、流速、流量测量设计。设备无旋桨、轴承等转动部件,用多普勒技术探测流,无摩擦、无惯性,测量点在设备前方,不破坏流场,具有测量精度高、量程宽,感应灵,测流线性,不惧泥沙、漂浮杂物,读数直观,操作简便,不易损坏等特点。流体力学设计,对水体形态影响小,不影响测量精度。
 

l  测量指标：水位、水温、流速、瞬时流量、累计流量
l  测量原理：声学多普勒连续测量
l  流速范围： 0.02-10m/s，精度：±1%，分辨率：1mm
l  水位量程：0-5m，精度：±5mm，分辨率：1mm
l  水温范围：-30-80℃，精度：±0.2℃，分辨率：±0.1℃
l  流量测量范围：0.001-99999m³/h，精度：±2-5%（视断面形态）
l  电源电压：9-36VDC，功耗：≤1W
l  通讯接口：RS485 Modbus协议
l  防护等级：IP68
.2.2 分布式多普勒流量计（排水管网流量监测）
声学多普勒流量计是采用先进信号处理技术研发的多点、多层面流速分析仪，其最大特点是可任意按需要安装在被测河流或渠道侧面、底部或顶部，按现场情况任意设置向上、向下发射或向左、向右发射角度，从而准确测量出从水底到水面不同深层，从左到右不同距离上，上百个流速点数据。
 
 
 
1.主机
1)  数据显示：4.3寸全彩屏
2)  电源电压：9~18VDC
3)  整机功耗：≤3W
4)  存储：64M（标配）
5)  显示内容：流量、累积流量、流速、液位
6)  输出信号：4~20mA、RS232/485
7)  环境温度：-30~80℃
8)  工作温度：-30~80℃
9)  相对湿度：10~90%
10)       防护等级：IP65
2.传感器
1)  测量原理：声学多普勒法连续测量
2)  测量通道：2通道
3)  测量精度：±2.0%FS
4)  流速范围：0.01m/s~10m/s
5)  渠道宽度：渠宽0.2~2m
6)  环境温度：-30~80℃
7)  工作温度：-30~80℃
8)  介质温度：0~80℃
9)  防护等级：IP68
.2.3 雷达流量计（排水管网流量监测）
雷达流量计可实现快速、稳定、准确的河流流量监测，该设备自带垂直角度、水平角度修正传感器，可以在固定安装和移动过程中（缆道安装）测得可靠数据。雷达流量计安装在明渠河流的正上方，应用于水文、灌区、环保、城市河道及山洪预警等领域的流量在线监测。
 
l  测速范围：0.02~21m/s
l  测速精度：±8.8mm/s；±1%FS
l  频    率：24GHz
l  水位量程：0~45m（其他量程可定制）
l  测量精度：±1mm
l  重 复 性：±1mm
l  频    率：80GHz
l  角度补偿：分辨率0.1°，精度±1°
l  表面流速修正系数：自整定
l  流量计算模型：水力模型
l  通讯接口：RS485 Modbus协议
l  电源电压：9~36VDC（优选12VDC）
l  功    耗：工作电流 <80mA，待机电流 <50mA
l  波 特 率：9600~115200
l  工作温度：-35~70℃
.2.4 一体化雨量站
一体化雨量站是一款全自动雨量站，采用先进的翻斗式雨量传感器的雨量筒，集成稳定可靠的RTU负责雨量的计算，存储以及远程通信。针对目前水利、水文雨量监测的一款带有超低功耗、高性能、支持多种通信方式和工作方式的自动化雨量站设备。

1） 承雨口： 内径Φ200+0.600mm，外刃口角度40°～45°
2） 雨量分辨力：  0.2mm（C5116、0.2mm 系列）
0.5mm（C5116、0.5mm 系列）
1.0mm（C5116、1.0mm 系列）
3） 降雨强度测量范围：≤4mm/min
4） 翻斗计量误差E： |E|≤4%
5）电源输入： 内嵌锂亚电池组，无需外接电源，无需太阳能电池板和蓄电池
6）工作待机时长： 自带电池可维持工作时间大于3 年
7）电池容量： 3.6V/ 52AH，可外接3.6V/ 100AH 电池，电池可更换
8）功耗： 休眠状态：≤3.6V/7uA；数据上报：3.6V/90mA（平均）
9）无线传输： 全网通4G 通讯，兼容2G/3G 网络；可以定制支持NB-IoT
10）存储容量： 16MB；可扩展至4GB
11）计时误差： ≤±10s（10d）
12）工作环境： 温度-30℃～+60℃，湿度不限
13）储存环境： 温度-40℃～+70℃，湿度≤95%
14）外形尺寸： 直径Φ210mm×高540mm
15）净重： 约5.8kg。
.2.5 液位智能井盖终端
液位智能井盖终端主要针对解决现有井盖在发生异常开启、位移、倾斜、溢水、损坏时无法及时处置造成的人身伤害和财产损失；以及集成了超声波液位探测功能，可对井下液位（物位）、路面及桥下积水情况进行检测。监测范围0.3-3米，当井下液位或路面积水高度超过预警值，系统将报警信号上传给指挥平台，便于工作人员快速定位、及时处置。。实现对城市井盖的数字信息化管理，对井盖的状态监控、主动报警、巡检管理、事件处置等功能。
本产品采用低功耗设计，运用自主研发的加速度运动传感器芯片，通用式设计，可通过标准通讯协议扩展外接其他传感器信号传输，设备整体采用 ABS阻燃材质，防水等级为：IP68。安装简易，只需在现有井盖上打孔通过螺栓与井盖连接，安装方便。实时监测井盖的倾角、运动轨迹、溢水当监测到异常后，立即上报监控平台及APP，通知相关人员立即处理。

l  终端电源采用符合国标的锂电池，正常使用寿命不低于5年
l  供电电压：3.6V
l  工作环境温度：- 40℃～85℃
l  工作湿度：≤95%
l  角度监测范围：5°-90°
l  精度：1°
l  液位监测范围：0.3-3米
l  状态信息上传时长≤30秒
l  抗雷击能力满足GB9254-2008、GB17625.1-1998
l  防护等级：符合IP68标准
l  外壳材质：ABS阻燃
l  应用环境：井盖及井下环境状态监测
.2.6 地埋式积水液位监测仪（路面积水监测）
地埋式液位监测仪目前主要应用于城市路面积水监测领域，可实时监测低洼路段的积水情况，有效帮助管理者了解实时积水实况，为城市防灾减灾指挥调度决策提供数据支持。

1、水位量程：2m
2、水位误差：≤1cm
3、水位分辨率：1mm
4、数据储存容量：16MB
5、待机电流小于25uA；工作电流小于20mA（不含通信）
6、信号穿透：能够穿透2m以上的路面积水
7、密闭性：IP68，能够在1米深的水下连续运行30天以上
8、外壳材质：不锈钢、工程塑料
9、支持一个主机对多个传感器
10、传感器电源：DC3.6V/38000mAH
11、主机供电：内置锂电池，充电管理，支持外接太阳能或市电。锂电池为13000mAH
12、待机时长：无积水情况下，5年以上
13、安装方式;采用埋地式安装：取孔设备在路面设备安装处开设一安装孔，取孔孔径10-11cm，取孔深度12cm
14、传感器与主机之间通信方式：LoRa无线通信
15、信号穿透能力强，在水下1米可正常通讯
16、IP68防水等级
.2.7 电子水尺
电子水尺是一种触点感应式传感器测量和通信终端一体合一的水位测量设备。电子水尺利用水的微软导电性原理，测量电极的水位数据，IP68防水等级，支持20cm/40cm/60cm/80cm/100cm/120cm多精度拼接，解决了复杂水位测量场景需求。该设备具有稳定可靠，安装便捷，自动测量上报等特点，适用于下道路积水,涵洞积水,水库,河道湖泊,农渠,灌渠等液位实时测量场景使用。

l  水位量程：40cm、80cm、120cm、160cm、200cm、240cm、280cm、320cm、360cm、400cm
l  分辨率 ：1cm
l  测量精度：1cm
l  标准电源：DV 12V/0.5A
l  供电范围：DC 5-16V
l  充电管理：内置充电模块，支持太阳能电池板（标配）浮充供电
l  电池：内置20000mAh锂电池
l  外壳保护：等级IP68，外壳和系统安全隔离
.2.8          窨井水位监测                             
l  特殊的防潮处理，产品防护等级IP68，可靠的防水密封                           
l  聚氨酯防水、防油电缆，防各种复杂介质，且可靠耐用                                                      
l  产品具有结构紧凑，坚固，抗腐蚀 防过载，使用方便等特点
l  根据客户要求，可配置防雷模块
 

城市排水管网预警系统建设

城市排水管网监测预警系统立足于排水业务现状，以降低城市排水管网损失为核心，充分运用GIS、物联网、移动互联、在线监测、模型分析等技术，通过对影响城市管网排水安全的各种关键指标的全程监控，结合现有业务资源、信息资源驱动业务开展和设施管养，综合运用数据挖掘、分析技术，实现排水预警监测数字化、运行管理智能化、管理过程精细化，为排水系统安全、可靠、高效运行提供了管理和技术支撑，为宏观排水防漏决策提供辅助支持，全面提升排水管理水平。

.1     总体框架

系统依托物联网云的模式，采用“一个中心、一张地图、一张网络、一个平台、一套保障体系”的机制，建立一个水利数据中心，形成排水一张图，整合一张信息传输网络，集成至一个同一平台，在一套保障机制下实现“分散运用-统一处理”。

系统总体框架采用分层设计，自下而上分别为感知层、支撑层、网络层、数据服务层、应用层、交互层等6层，各层设计符合法规与标准体系并在同一套安全保障体系下运行。感知层实现前端数据的自动化采集，由各类智能传感器与移动设备组成；支撑层为系统的运行提供基础的软硬件环境，主要由基础设施与基础软件组成；网络层实现系统信息的传输，主要由互联网、GPRS组成；数据服务层整合系统监测数据与外界共享数据，建立系统综合数据库，为应用层提供数据服务；应用层对业务资源与数据资源进行深度整合挖掘，为系统最终用户提供定制化的应用服务；交互层是系统最终用户与应用系统之间的交互，最终用户包括决策领导、主管领导、工作人员、系统管理员等。
.2   功能设计
.2.1 工作平台
工作平台为用户提供重点任务和关键信息，实现排水管理工作概况一体化呈现、多角度展示、多接口进入、全方位覆盖，采用文字描述、数据表格、可视化图形等多种方式展示。对不同级别、不同地区的工作人员，工作平台自动划分层级展示，展现用户管辖范围内的数据内容，提供用户权限内的系统功能，主界面功能支持用户自定义配置。通过工作台用户可以查看待处理事项、事件处理最新进展、通知公告、风险排查情况、官网评估结果、OA公文等信息并可以通过此模块进入相应的详情界面，以解决问题为导向，有效提高工作效率。

.2.2 管网综合监控
管网综合监控作为日常系统的主界面，实现排水管理工作概况一体化呈现、多角度展示、多接口进入、全方位覆盖，采用文字描述、数据表格、可视化图形等多种方式展示，实现一张图上展示所有管网数据、实时监测数据、报警数据、风险点分布、事项处理进展、人员物资分布等信息，可通过相应模块进入详情界面，也支持在地图上查看相应的报警、风险数据的具体情况。

.2.3 实时监测预警
实现管网多源监测数据的展示，支持空间数据的产寻分析，可预先设定时段雨量阈值、管道流量阈值，系统具备自动根据设定的条件判断是否产生报警，如果满足条件则在地图上闪烁、动态文字、声音等方式提示预警，并能显示预警相关信息，支持一键发送报警信息至相关负责人，也支持对误报信息进行手动关闭并通知相关责任人进行核实，同时可以对指定时间段的预警信息以及预警信息处理进度进行统计。

.2.4 运行风险分析
运行风险分析主要是对管网的满流状态进行分析，查找管网排水风险点以及通过多点联合监测查找管网漏损区间，在地图上综合展示排水管网综合运行状况。

.2.5 管网评估优化
管网评估优化是系统结合历史预警及风险分析数据对管网现状进行多维度的分析与评估，根据评估系统自动生成管网优化建议，同时系统支持对现有管网设计优化报告的录入与管理。

.2.6 辅助调度决策
辅助调度决策主要实现应急预案分析、应急预案优化、辅助调度方案管理，在地图上展示物资、装备、人员的分布与数量，支持物资、装备人员的调配路径规划，为调度决策提供技术支撑。

.2.7 事故调查评估
针对发生的重点事故进行调查评估，对事故进行损失评估与溯源，并对重点事故的处理进展进行追踪与督办。

.2.8 大屏综合展示
大屏综合展示系统主要解决专题汇报、演示宣传、融合信息化异构系统，辅助领导动态了解排水管理工作开展总体情况。系统定制多功能模块的一体化信息交互服务，利用展示大屏或者触控大屏交互设备，丰富了信息接入方式，增强领导决策体验。

.2.9 基础数据管理
对系统的基础数据进行统一管理，支持多种类型基础数据查询统计，支持基础数据增加、修改、删除等基本操作。
.2.10 系统管理
对系统的用户、角色、菜单、服务、地图、日志等进行综合管理。
.2.11 移动APP
建设配套的移动APP，实现移动办公与远程指挥，保证领导随时随地掌握动态信息，辅助科学决策，提高排水管理工作水平。