一种城市内涝监控系统及其监控方法与流程

本发明涉及一种城市内涝监控的系统与方法，属于城市内涝监控技术领域。

背景技术：

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。城市积水造成公用设施受损，使交通、电力、通讯、网络传输、水源等受到了严重影响或损坏，给人们的生产生活带来诸多不便。另外随着城市人口资产密度的提高，同等淹没情况下损失增加；且城市的中枢作用使得次生影响和间接损失加大，严重时可能造成重大的经济损失和人员伤亡，目前我国城市抗涝形势非常严峻。

目前防治城市内涝的方法有很多，比如，把公园、停车场、运动场等地设计得比其他地方低，暴雨时把水暂时存在这里，待暴雨结束在进行排水，或者在市区建设绿地，利用绿地的渗水功能进行雨水量平衡，实现防灾减灾的作用。但是，上述防治内涝的方法并不完全适应我国环境，而且这些方法也难以做到万无一失。

2013年，国家发布《国务院办公厅关于做好城市排水防涝设施建设工作的通知》，要求积极应用地理信息、全球定位、遥感应用等技术系统，加快建立具有灾害监测、预报预警、风险评估等功能的综合信息管理平台。《城镇排水与污水处理条例》明确提出，要建立适合当地条件的排水设施地理信息系统，将现代地理信息和数字化技术运用到日常运行管理、风险控制和应急。为了实时掌握城市内涝情况，进一步保证人们顺畅出行，避免由城市内涝引起的交通堵侧和经济损失，建立城市内涝监控系统至关重要。

技术实现要素：

为了实时监控城市内涝情况，获得城市排水防涝信息，本发明提出了一种城市内涝监控系统及其监控方法，系统实时采集高清视频、地表温度和积水深度，并进行数据分析得到城市内涝情况，将内涝信息推送移动终端，警告人们远离内涝路段，保证城市交通顺畅，减少城市内涝造成的经济损失。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术手段：

一种城市内涝监控系统，包括内涝监控装置、云端服务器和移动终端；所述内涝监控装置用于采集监控路段的视频、路面温度和路面积水高度，并将采集到的数据传输到云端服务器；所述云端服务器用于存储采集到的数据，并根据地理位置、系统阈值对数据进行分区域、分级管理，生成城市内涝情况报表；所述移动终端一方面用于查看城市内涝情况报表和监控视频，另一方面用于在城市内涝事故现场将定位信息和报警信息发送到云端服务器，移动终端可以是手机或电脑。

进一步的，所述内涝监控装置包括视频采集模块、温度采集模块、水位采集模块、数据传输模块和gps定位模块，所述视频采集模块用于实时获取监控路段的视频数据；所述温度采集模块用于实时采集监控路段的路面温度；所述水位采集模块用于采集监控路段的路面积水高度，当监控路段没有积水时，路面积水高度为0；所述gps定位模块用于采集监控路段的经纬度坐标；所述数据传输模块用于将采集到的视频、温度、积水高度、坐标数据传输到所述云端服务器。

进一步的，所述温度采集模块选用非接触式红外测温仪，所述非接触式红外测温仪利用红外辐射的热效应测量监控路段的路面温度。

进一步的，所述水位采集模块包括至少两个超声波液位计，所述超声波液位计利用超声波经物位或液位反射的时间来计算物位或液位与超声波液位计的距离。

进一步的，所述数据传输模块包括rj45通信模块和4g通信模块。

进一步的，所述系统还包括电源模块，所述电源模块包括太阳能发电模块和市电模块，所述市电模块包括市电接入端和ac-dc电源模块。

进一步的，所述城市内涝情况报表包括监控路段序号、监控路段名称、监控路段分区、监控路段路面温度、监控路段积水高度和监控路段内涝等级。

一种城市内涝监控方法，具体包括以下步骤：

s1、在路段无积水情况下，利用水位采集模块采集路面积水高度，实现水位采集模块的校零；

s2、利用视频采集模块实时采集被监控路段的视频，温度采集模块实时采集被监控路段的路面温度，水位采集模块实时采集被监控路段的路面积水高度，通过有线网络或4g无线网络将采集的数据和内涝监控装置的经纬度坐标传输到云端服务器；

s3、云端服务器根据内涝监控装置坐标对数据进行区域划分，将路面温度和路面积水深度与系统设置的阈值比较，判断被监控路段的内涝等级，云端服务器实时存储采集到的数据和数据分析结果，并生成城市内涝情况报表；

s4、移动终端获取城市内涝情况报表，利用地理信息系统展示城市内涝情况；

s5、移动终端在城市内涝事故现场发送现场位置坐标与事故信息表格到云端服务器，进行事故报警。

进一步的，所述步骤s1的具体操作为：

水位采集模块中的两个超声波液位计分别向监控路段的路面发射超声波，根据超声波反射回液位计的时间差，分别计算路面与两个超声波液位计的距离，取两个距离的平均值作为路面距离水位采集模块的标准距离；

所述路面积水高度采集的具体操作为：

水位采集模块中的两个超声波液位计分别向监控路段的路面发射超声波，根据超声波反射时间计算两个超声波液位计与反射的物位或液位的距离，计算两个距离的平均值和标准距离的差值，所述差值即为路面积水高度值。

进一步的，所述城市内涝情况报表包括监控路段序号、监控路段名称、监控路段分区、监控路段路面温度、监控路段积水高度和监控路段内涝等级。

采用以上技术手段后可以获得以下优势：

本发明提出了一种城市内涝监控系统及其监控方法，利用摄像、无线测温和无线测距技术，在不影响现有城市设备和功能的情况下，通过非接触式方法得到与城市内涝相关的数据。本发明系统和方法通过两个及两个以上的超声波液位计分别测量反射超声波的液位或物位与液位计的距离，取平均值计算实际路面积水深度，可以有效减少测量误差，提高测量精准度。此外，本发明充分考虑实际情况，提供市电、太阳能两种供电方式，提供有线和无线两种数据传输方式，可以适应各种环境，提高系统的稳定性和安全性。系统采集的数据实时存储到云端，不易造成数据丢失，通过成熟的大数据处理技术分析处理数据得到城市内涝情况，全程自动化的处理可以节省内涝监控的费用，管理人员和用户可以全天候、实时通过移动终端获取城市内涝情况，一方面利于管理人员掌握城市各地内涝情况，及时进行对内涝路段进行控制和修整，另一方面利于用户避开内涝路段，规划合理的出行路线，避免交通拥堵、人员和经济损失。本发明系统和方法具有自动化实时监控城市内涝情况的特点，需要投入的人力成本少，监控范围大，监控精准度高，内涝情况直观可见，有利于城市建设和人民出行安全。

附图说明

图1为本发明一种城市内涝监控系统的结构原理图。

图2为本发明一种城市内涝监控方法的步骤流程图。

图中，1是内涝监控装置，2是云端服务器，3是移动终端，11是视频采集模块，12是温度采集模块，13是水位采集模块，14是数据传输模块，15是gps定位模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明：

本发明提出一种城市内涝监控系统，如图1所示，包括内涝监控装置1、云端服务器2和移动终端3。

内涝监控装置是利用嵌入式cortex-a9双核处理器开发的一套装置，可以固定安装在路边的灯杆上，不影响现有城市设施和功能，内涝监控装置主要用于实时采集监控路段的视频、路面温度和路面积水高度，并将采集到的数据传输到云端服务器。

内涝监控装置主要包括视频采集模块11、温度采集模块12、水位采集模块13、数据传输模块14和gps定位模块15。视频采集模块选用高清摄像头，可以实时获取监控路段的视频数据，为了节省成本，也可以直接连接城市路段上用于拍摄违章车辆的摄像头获取监控路段的视频。温度采集模块选用非接触式红外测温仪，本发明实施例优选热电红外温度传感器，热电红外温度传感器可以利用红外辐射的热效应，通过温差电效应、热释电效应和热敏电阻等来测量所吸收的红外辐射，间接地测量辐射红外光物体的温度，热电红外温度传感器的具体型号为北京德润丰dos系列温度传感器，该传感器的测量距离约为1-30m，可以很好满足路面温度测量需求。城市路段出现积水时，如果路面温度较高可以一定程度的缓解积水情况，相反的如果路面温度过低，可能造成结冰，危害更加严重。水位采集模块包括至少两个超声波液位计，超声波液位计可以利用超声波经物位或液位反射的时间来计算物位或液位与超声波液位计的距离，进而换算出监控路段的路面积水高度，当监控路段没有积水时，水位采集模块测得的路面积水高度为0。gps定位模块用于采集监控路段的经纬度坐标，通常是采集该内涝监控装置的经纬度坐标来作为该监控路段的经纬度坐标。数据传输模块用于将采集到的视频、温度、积水高度、坐标等数据传输到云端服务器，数据传输模块包括rj45通信模块和4g通信模块，为了保证数据传输的速度和稳定性，在条件允许的情况下，优先选用有线网络传输数据，即通过rj45通讯模块连接以太网进行数据传输，当没有有线网络或者不方便连接有线网络的时候，可以直接通过4g通信模块利用无线网络传输数据。

云端服务器是城市内涝监控系统的数据分析处理模块，主要用于存储采集到的数据，并根据地理位置、系统阈值对数据进行分区域、分级管理，生成城市内涝情况报表，城市内涝情况报表有固定的模板，一般包括监控路段序号、监控路段名称、监控路段分区、监控路段路面温度、监控路段积水高度和监控路段内涝等级等信息。本发明城市内涝监控系统包括多个内涝监控装置，每个内涝监控装置负责监控一个路段，在系统搭建之初，就为每个内涝监控装置赋予唯一的序号，方便识别不同的内涝监控装置，方便系统管理，被监控路段的监控路段序号与其对应的内涝监控装置一致；监控路段名称指受监控路段的原始名称，比如中山路、玄武大道等；监控路段分区，根据城市大小、城市监控需求的不同，可以划分不同的分区，以南京市为例，可以直接按照南京市行政区域进行分区，如果某一监控路段位于玄武区的范围内，该路段的监控路段分区就是玄武区，还可以按照地理半径划分，比如利用半径为6公里的圆将南京市市区划分为约58个区域，给区域编号1～58，如果某一监控路段的坐标位于编号为12的圆形区域内，则该监控路段的监控路段分区为12；监控路段路面温度和监控路段积水高度是内涝监控装置直接采集的；监控路段内涝等级是云端服务器计算得到的，一般情况下分为5个等级，每个等级有对应的积水高度范围和温度范围，积水高度与内涝等级成正比，路面温度与内涝等级成反比。

移动终端可以是手机也可以是电脑，移动终端与云端服务器通过有线网络或无线网络进行信息交互，管理人员或用户可以在移动终端上查看城市内涝情况报表和监控视频，有利于管理人员或用户实时了解城市内涝情况，管理人员可以及时对积水路段进行维护，用户则可以避开积水路段重新规划出行路线，避免交通堵塞、较小经济损失。此外，如果使用手机的用户已经在发生内涝的事故现场，用户可以使用手机终端在城市内涝事故现场进行报警，在手机上加载地图确认事故位置，填写系统自带的表格，将事故现场定位信息和报警信息发送到云端服务器，帮助系统进一步掌握城市内涝情况。

本发明系统还包括电源模块，电源模块主要用来给内涝监控装置供电，电源模块包括太阳能发电模块和市电模块，一般情况下，通过市电模块中的市电接入端连接市电，然后利用市电模块中的ac-dc电源模块将交流电转化成直流电给内涝监控装置供电，在没有市电或不方便连接市电的环境下，可以采用太阳能供电，太阳能发电模块包括太阳能电池和蓄电池，白天进行太阳能发电和储能，晚上或阴雨天使用蓄电池中储存的电能给内涝监测装置供电。

本发明还提出了一种城市内涝监控方法，在本发明方法中水位采集模块包括两个超声波液位计，如图2所示，具体步骤如下：

s1、在路段无积水情况下，利用水位采集模块采集路面积水高度，实现水位采集模块的校零，具体操作为：当监控路段没有积水的时候，水位采集模块中的两个超声波液位计分别向监控路段的路面发射超声波，超声波经路面反射后回到超声波液位仪，根据超声波反射回液位计的时间差分别计算路面与两个超声波液位计的距离，然后取两个距离的平均值作为路面距离水位采集模块的标准距离。

s2、利用视频采集模块实时采集被监控路段的视频，温度采集模块实时采集被监控路段的路面温度，水位采集模块实时采集被监控路段的路面积水高度，路面积水高度采集的具体操作为：水位采集模块中的两个超声波液位计分别向监控路段的路面发射超声波，如果存在积水，超声波会被水面反射回去，如果不存在积水，超声波会被路面反射回去，根据超声波反射时间计算两个超声波液位计与反射超声波的物位或液位的距离，求得两个距离的平均值，然后计算两个距离的平均值和标准距离的差值，这个差值即为路面积水高度值。此外还有一种情况，超声波发射时被路上的车辆或者行人反射回去，由于车辆或行人的高度较大，远超过正常积水高度，这时计算出来的距离会被当做错误信息消除。利用gps定位模块实时采集内涝监控装置的坐标，将采集到的视频数据、温度数据、高度数据和坐标信息整理压缩后通过有线网络或4g无线网络传输到云端服务器。

s3、云端服务器进行数据处理，根据内涝监控装置坐标对数据进行区域划分，此处可以与电子地图结合，在电子地图上定位监控路段的位置和监控路段的分区。根据大数据分析算法得到路面温度和路面积水深度的阈值，将采集到的路面温度和路面积水深度与系统设置的阈值比较，判断被监控路段的内涝等级，云端服务器实时存储采集到的数据和数据分析结果，并生成城市内涝情况报表，城市内涝情况报表包括监控路段序号、监控路段名称、监控路段分区、监控路段路面温度、监控路段积水高度和监控路段内涝等级等信息。

s4、移动终端一般包括手机或电脑，电脑端可以通过有线网络或无线网络连接云端服务器，手机端通过无线网络连接云端服务器，获取城市内涝情况报表，并在移动终端上利用地理信息系统展示城市内涝情况，即提取城市内涝情况报表中的数据，将数据与地理信息系统结合，通过数字或颜色或图标的形式展示城市内涝情况。

s5、移动终端在城市内涝事故现场发送现场位置坐标与事故信息表格到云端服务器，进行事故报警。当用户身处城市内涝事故现场，可以在移动终端上填写自带的表格，将位置坐标和事故信息上传到云端服务器，比如城市内涝造成堵车，用户堵在路上，可以利用移动终端自带的定位功能获取现场坐标，并可选择的填写事故路段名称、内涝等级、堵车时间、被堵车辆的数量等信息。来自移动终端的主动报警，可以丰富云端服务器的数据，帮助系统更好的了解城市内涝情况。

本发明提出的方法和系统可以实现全自动、实时监控城市内涝情况的功能，通过两个及两个以上的超声波液位计分别测量反射超声波的液位或物位与液位计的距离，取平均值计算实际路面积水深度，可以有效减少测量误差，提高测量精准度。采集到的数据实时存储到云端，通过成熟的大数据处理技术分析处理数据得到城市内涝情况，全程自动化的处理可以节省内涝监控的费用，管理人员和用户可以全天候实时通过移动终端获取城市内涝情况，有利于管理人员对内涝路段进行控制和修整，用户可以规划合理的出行路线，避免交通拥堵，甚至是人员和经济损失。此外，本发明充分考虑实际情况，提供市电、太阳能两种供电方式，提供有线和无线两种数据传输方式，可以适应各种环境，提高系统的稳定性和安全性。本发明系统和方法成本相对较少，监控范围大，监控精准度高，内涝情况直观可见，有利于城市建设和人民出行安全。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细地说明，但是本发明并不局限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。