一种基于大数据的城市排水网络监控控制系统的制作方法
本发明属于城市排水技术领域，具体的，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：
城市排水系统是城市基础建设的重要组成部分，不但承担着城市防洪、排涝以及生活与工业生产污水的的排放任务，而且还关系到城市环境与城市水安全，城市排水系统主要包括管道、泵站、闸门与污水厂等设施，通过将城市中的生活污水、工业污水与雨水进行收集，通过管道进行运输，泵站将低处的水泵至高处，并将污水传输至污水处理厂进行处理。
随着城市的建设，排水管网络逐渐复杂化，排水管的使用时间有限，在长时间使用之后，排水管也会出现老化受损，影响排水工作的正常进行，现有技术中排水管道的检修主要是工作人员通过窨井对排水线路进行查看维修，这样会损耗大量的人力物力，且无法及时发现损坏管道的位置，城市排水系统由于城市建设以及管路的老化需要进行更换以及扩建；由于城市排水系统中管路无法深埋，因此需要泵站来提升雨水或污水高度，使雨水或污水能够顺利排向污水处理厂或水体，现有技术中，泵站在工作时时根据水位进行工作，当泵站所处的集水井中的水位达到预设值时便会开启工作或停机，在大量雨水或污水排向集水井中时，也无法根据实时排水量控制泵站的功率，泵站启停频繁，对自身造成伤害，降低了有效使用寿命，为了解决这一问题，本发明提供了以下技术方案。
技术实现要素：
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。
本发明需要解决的技术问题为：
1、现有技术中泵站控制方法落后，启停较为频繁，大大降低了泵站的自身有效使用寿命，同时无法根据排水量合理控制泵站功率，无法对暴雨等特殊情况做出快速反应；
2、城市排水网络由于老化与城市发展需要进行更换与扩建，如何及时发现老化损坏以及堵塞的管路并进行维修，提升排水系统工作效率，并根据管道扩建的实际需要选择规模，降低成本。
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，包括人机交互模块、警报模块、外源天气模块、数据存储模块、管道与泵站信息库、分析模块、流速传感器、泵站、泵站监控模块、泵站水位监控模块、窨井水位监控模块与阀门前端；
所述窨井水位监控模块安装在窨井内，用于实时检测窨井对应位置的排水管道水位信息，并将采集到的水位信息通过通信模块传输至数据存储模块与分析模块；
所述泵站水位监控模块安装在泵站所处的集水井内，用于实时监控泵站所处集水井内的水位信息，并将采集到的水位信息通过通信模块传输至数据存储模块与分析模块；
所述泵站用于提升排水管路收集的污水或雨水的高度；
所述阀门前端安装在污水传输管道与雨水传输管道之间；
所述管道与泵站信息库用于存储窨井水位监控模块所对应下水道管路的直径以及城市排水管路中各个泵站的最大排水速率；
所述警报模块用于接收分析模块与控制器的控制信息，并发出声光警报；
所述流速传感器与窨井水位监控模块对应安装，每一个窨井水位监控模块对应安装一个流速传感器，流速传感器用于检测排水管道中的水流流速；
所述分析模块用于对窨井水位监控模块所传输的水位信息以及流速传感器所传输的流速信息进行分析以及时发现城市排水管路中的破损或堵塞段，分析模块通过对窨井水位监控模块以及泵站水位监控模块所传输的水位信息以及外源天气模块所传输的实时降雨量信息进行整合分析，并通过控制器控制泵站的工作；
所述分析模块对窨井水位监控模块所传输的水位信息以及流速传感器所传输的流速信息进行分析以发现城市排水管路中破损或堵塞段的步骤为：
s1、将安装在排水主管路上的窨井水位监控模块检测到的水位数据标记为a1、a2、...、an，an靠近水体一端，a1、a2、...、an分别对应安装的流速传感器检测的流速为b1、b2、...、bn，将该排水主管路所连接的排水支管路上的窨井水位监控模块检测到的水位数据标记为a1、a2、...、an，an靠近排水主管路一端，a1、a2、...、an分别对应安装的流速传感器检测的流速为b1、b2、...、bn；
s2、记录水位数据a1、a2、...、an对应的排水管道的半径为r1、r2、...、rn，水位数据b1、b2、...、bn对应的排水管道的直径为r1、r2、...、rn，对于排水支管路，根据公式
s3、对q1、q2、...、qn值进行比较，其中qk≥qk-1-qi，其中qi为预设值，当qk≥qk-1-qi在设定时间t1内不成立时，分析模块定义qk-1至qk对应窨井水位监控模块之间的对应排水支管道为损坏或堵塞状态，并通过控制器控制警报模块发出警报；
s4、所述排水主管道中的瞬时水流量q按照s1与s2中的计算方法进行计算，当qk与qk-1值对应窨井水位监控模块之间的管道没有连接排水支管路时，若qk≥qk-1-qi不成立，则定义qk与qk-1值对应窨井水位监控模块之间的管道为损坏或堵塞状态，当qk与qk-1值对应窨井水位监控模块之间的管道连接有排水支管路时，若qk≥qk-1+qq-qi不成立，则定义qk与qk-1值对应窨井水位监控模块之间的管道为损坏或堵塞状态，其中qq为qk与qk-1值对应窨井水位监控模块之间的管道连接的排水排水支管路最靠近排水主管路的窨井水位监控模块对应瞬时水流量值，当有多个排水支管路时，则为这些排数支管路最靠近排水主管路的窨井水位监控模块对应瞬时水流量值的总和；
所述外源天气模块用于预测所监测排水网络的城市的降雨量信息；
所述分析模块对对窨井水位监控模块以及泵站水位监控模块所传输的水位信息以及外源天气模块所传输的实时降雨量信息进行整合分析的方法为：
ss1、由于每一个泵站对应连接有一根或多根排水主管路，将一个泵站对应连接的所有排水主管路中最靠近泵站的窨井水位监控模块对应位置的瞬时水流量之和记为qa，假设泵站的最低安全排水瞬时速率为qw1，最高安全排水速率为qw2，当qw1≤qa≤qw2时，控制器通过通信模块远程控制泵站调整功率，使泵站的瞬时排水量等于qa，当qa≤qw1时，泵站以最低安全排水瞬时速率qw1对应功率运行，当qa≥qw2时，泵站以最高安全排水速率qw2对应功率运行；
ss2、设置最低警戒水位l1、最高警戒水位l2与中间水位l3，其中中间水位l3设置在最低警戒水位l1与最高警戒水位l2之间；
在qw1≤qa≤qw2时，当集水井中的水位低于最低警戒水位l1时，降低泵站运行功率至排水量为最低安全排水瞬时速率qw1，当水位达到中间水位l3时，提升泵站运行功率至瞬时排水量等于qa，当集水井中水位高于最高警戒水位l2时，提升泵站运行功率至瞬时排水量为qw2，当水位达到中间水位l3时，降低泵站运行功率至瞬时排水量等于qa；
在qa≤qw1时，当集水井中的水位低于最低警戒水位l1时，关闭泵站，当集水井中水位达到中间水位l3时，qa≤qw1仍成立，泵站保持关闭，在水位由中间水位l3提升至最高警戒水位l2这一过程中，qa≤qw1保持成立，则当水位达到最高警戒水位l2时，泵站开启以最低安全排水瞬时速率为qw1对应功率运行，若在水位由中间水位l3提升至最高警戒水位l2这一过程中，qa≤qw1在设定的时间t2内不成立，泵站开启并以qa对应功率运行；
在qa≥qw2时，泵站以最高安全排水速率qw2对应功率运行，当集水井中的水位达到最高警戒水位l2时，控制器控制阀门前端打开，使雨水传输管道与污水传输管道合流；
ss3、当外源天气模块预测在t时刻有大于等于设定值h的降雨量时，在t时刻之前的设定时间t3内；
若qw1≤qa≤qw2时，泵站将集水井中水位泵至最低警戒水位l1后调整泵站运行功率至排水量为qa；
若qa≤qw1时，当集水井中的水位低于最低警戒水位l1时，关闭泵站，当集水井中水位达到预测水位l4时，泵站开启并以最低安全排水瞬时速率为qw1对应功率运行，其中预测水位l4设置在最低警戒水位l1与中间水位l3之间。
作为本发明的进一步方案，所述窨井水位监控模块与泵站水位监控模块均为超声波液位计或静压式液位计。
作为本发明的进一步方案，所述泵站监控模块用于读取泵站的实时运行信息并将所读取的信息通过通信模块传输至人机交互模块；所述人机交互模块用于查看窨井水位监控模块、泵站水位监控模块、流速传感器与泵站监控模块上传的实时监控信息，以及数据存储模块中的历史信息，并对管道与泵站信息库中的信息进行查看、修改与添加。
本发明的有益效果：
1、本发明通过分析模块对城市排水网络中的排水量进行分析计算以调节泵站工作时的排水速率，减少泵站的启停频率，同时根据接入外源天气模块及时将集水井中的水排空，提升排水网络在降雨时的蓄水能力，降低出现城市积水的概率；
2、本发明通过分析模块对排水管路中的水流量进行分析，以及时发现损坏或堵塞路段并进行疏通、维修或更换工作，使城市排水系统保持正常工作。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
图1是本发明的系统结构示意图。
具体实施方式
下面将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。
一种基于大数据的城市排水网络监控控制系统，如图1所示，包括人机交互模块、警报模块、外源天气模块、数据存储模块、管道与泵站信息库、分析模块、流速传感器、泵站、泵站监控模块、泵站水位监控模块、窨井水位监控模块与阀门前端；
所述窨井水位监控模块安装在窨井内，用于实时检测窨井对应位置的排水管道水位信息，并将采集到的水位信息通过通信模块传输至数据存储模块与分析模块；
所述泵站水位监控模块安装在泵站所处的集水井内，用于实时监控泵站所处集水井内的水位信息，并将采集到的水位信息通过通信模块传输至数据存储模块与分析模块；
所述窨井水位监控模块与泵站水位监控模块均为超声波液位计或静压式液位计；
所述泵站用于提升排水管路收集的污水或雨水的高度，使雨水或污水能够流向水体或污水处理厂；
所述阀门前端安装在污水传输管道与雨水传输管道之间，当雨水传输管道或污水传输管道中的流量超过设定阀值时，打开阀门前端，雨水与污水合流，降低管道排水压力，及时将雨水或污水排出，防止城市积水产生；
所述管道与泵站信息库用于存储窨井水位监控模块所对应下水道管路的直径以及城市排水管路中各个泵站的最大排水速率；
所述警报模块用于接收分析模块与控制器的控制信息，并发出声光警报提醒工作人员及时发现异常管路；
所述流速传感器与窨井水位监控模块对应安装，每一个窨井水位监控模块对应安装一个流速传感器，流速传感器用于检测排水管道中的水流流速；
所述分析模块用于对窨井水位监控模块所传输的水位信息以及流速传感器所传输的流速信息进行分析以及时发现城市排水管路中的破损或堵塞段，分析模块还通过对窨井水位监控模块以及泵站水位监控模块所传输的水位信息以及外源天气模块所传输的实时降雨量信息进行整合分析，从而及时并对所述控制器控制泵站的工作状态提供理论指导；
所述分析模块对窨井水位监控模块所传输的水位信息以及流速传感器所传输的流速信息进行分析以发现城市排水管路中破损或堵塞段的步骤为：
s1、将安装在排水主管路上的窨井水位监控模块检测到的水位数据标记为a1、a2、...、an，an靠近水体一端，a1、a2、...、an分别对应安装的流速传感器检测的流速为b1、b2、...、bn，将该排水主管路所连接的排水支管路上的窨井水位监控模块检测到的水位数据标记为a1、a2、...、an，an靠近排水主管路一端，a1、a2、...、an分别对应安装的流速传感器检测的流速为b1、b2、...、bn，其中排水主管路指连接排水支管路与水体的管道，排水支管路指连接污水发生点的排放口与排水主管路的管道，一条排水主管路连接有若干条排水支管路；
s2、记录水位数据a1、a2、...、an对应的排水管道的半径为r1、r2、...、rn，水位数据b1、b2、...、bn对应的排水管道的直径为r1、r2、...、rn，对于排水支管路，根据公式
s3、对q1、q2、...、qn值进行比较，其中qk≥qk-1-qi，其中qi为预设值，当qk≥qk-1-qi在设定时间t1内不成立时，分析模块定义qk-1至qk对应窨井水位监控模块之间的对应排水支管道为损坏或堵塞状态，并通过控制器控制警报模块发出警报；
s4、所述排水主管道中的瞬时水流量q按照s1与s2中的计算方法进行计算，当qk与qk-1值对应窨井水位监控模块之间的管道没有连接排水支管路时，若qk≥qk-1-qi不成立，则定义qk与qk-1值对应窨井水位监控模块之间的管道为损坏或堵塞状态，反之该公式成立时为正常状态，当qk与qk-1值对应窨井水位监控模块之间的管道连接有排水支管路时，若qk≥qk-1+qq-qi不成立，则定义qk与qk-1值对应窨井水位监控模块之间的管道为损坏或堵塞状态，反之该公式成立时为正常状态，其中qq为qk与qk-1值对应窨井水位监控模块之间的管道连接的排水排水支管路最靠近排水主管路的窨井水位监控模块对应瞬时水流量值，当有多个排水支管路时，则为这些排数支管路最靠近排水主管路的窨井水位监控模块对应瞬时水流量值的总和。
该方法能够快速发现下水道中的异常瞬时水流量问题，并及时将管道中的堵塞处疏通或维修替换损坏管道。
所述外源天气模块用于预测所监测排水网络的城市的降雨量信息；
所述泵站监控模块用于读取泵站的实时运行信息并将所读取的信息通过通信模块传输至人机交互模块；
所述人机交互模块用于查看窨井水位监控模块、泵站水位监控模块、流速传感器与泵站监控模块上传的实时监控信息，以及数据存储模块中的历史信息，并对管道与泵站信息库中的信息进行查看与修改、添加。
所述分析模块对对窨井水位监控模块以及泵站水位监控模块所传输的水位信息以及外源天气模块所传输的实时降雨量信息进行整合分析的方法为：
ss1、由于每一个泵站对应连接有一根或多根排水主管路，将一个泵站对应连接的所有排水主管路中最靠近泵站的窨井水位监控模块对应位置的瞬时水流量之和记为qa，假设泵站的最低安全排水瞬时速率为qw1，最高安全排水速率为qw2，当qw1≤qa≤qw2时，控制器通过通信模块远程控制泵站调整功率，使泵站的瞬时排水量等于或最接近qa，当qa≤qw1时，泵站以最低安全排水瞬时速率qw1对应功率运行，当qa≥qw2时，泵站以最高安全排水速率qw2对应功率运行；
ss2、设置最低警戒水位l1、最高警戒水位l2与中间水位l3，其中中间水位l3设置在最低警戒水位l1与最高警戒水位l2之间；
在qw1≤qa≤qw2时，当集水井中的水位低于最低警戒水位l1时，降低泵站运行功率至排水量为最低安全排水瞬时速率qw1，当水位达到中间水位l3时，提升泵站运行功率至瞬时排水量等于或最接近qa，当集水井中水位高于最高警戒水位l2时，提升泵站运行功率至瞬时排水量为qw2，当水位达到中间水位l3时，降低泵站运行功率至瞬时排水量等于或最接近qa；
在qa≤qw1时，当集水井中的水位低于最低警戒水位l1时，关闭泵站，当集水井中水位达到中间水位l3时，qa≤qw1仍成立，泵站保持关闭，在水位由中间水位l3提升至最高警戒水位l2这一过程中，qa≤qw1保持成立，则当水位达到最高警戒水位l2时，泵站开启以最低安全排水瞬时速率为qw1对应功率运行，若在水位由中间水位l3提升至最高警戒水位l2这一过程中，qa≤qw1在设定的时间t2内不成立，泵站开启并以qa对应功率运行；
在qa≥qw2时，泵站以最高安全排水速率qw2对应功率运行，当集水井中的水位达到最高警戒水位l2时，控制器控制阀门前端打开，使雨水传输管道与污水传输管道合流，降低管道传输压力；
ss3、当外源天气模块预测在t时刻有大于等于设定值h的降雨量时，在t时刻之前的设定时间t3内；
若qw1≤qa≤qw2时，泵站将集水井中水位泵至最低警戒水位l1后调整泵站运行功率至排水量为qa；
若qa≤qw1时，当集水井中的水位低于最低警戒水位l1时，关闭泵站，当集水井中水位达到预测水位l4时，泵站开启并以最低安全排水瞬时速率为qw1对应功率运行，其中预测水位l4设置在最低警戒水位l1与中间水位l3之间；
该步骤能够根据城市排水网络中的排水量调节泵站工作时的排水速率，减少泵站的启停频率，同时根据接入外源天气模块及时将集水井中的水排空，提升排水网络在降雨时的蓄水能力，降低出现城市积水的概率。
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。
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