CN109255928A - 一种城市暴雨和积涝分级预警装置及其预警方法 - Google Patents

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CN109255928A CN201810997071.1A CN201810997071A CN109255928A CN 109255928 A CN109255928 A CN 109255928A CN 201810997071 A CN201810997071 A CN 201810997071A CN 109255928 A CN109255928 A CN 109255928A
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朱记伟
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Abstract

本发明公开的一种城市暴雨和积涝分级预警装置，包括数据采集模块、单片机控制板、太阳能供电模块以及预警信息服务模块，单片机控制板与数据采集模块、太阳能供电模块有线连接，单片机控制板与预警信息服务模块通信连接。本发明还提供了一种城市暴雨和积涝预警装置的预警方法。本发明解决了现有技术中存在的解决了现有技术中存在的难以快速提供城市暴雨和积涝分级预警信息服务的问题。

Description

一种城市暴雨和积涝分级预警装置及其预警方法
技术领域
本发明属于智慧城市建设装置技术领域，具体涉及一种城市暴雨和积涝分级预警装置及其预警方法。
背景技术
全球气候变化使得全球和局部地区强降雨天气增加，暴雨和积涝事件频发。城市扩张导致路面硬化面积增加，城市的“热岛效应”对暴雨起到放大作用，进一步影响城区和郊区的降雨分布，产生“雨岛效应”，城市暴雨发生频率增加、强度加大、地表汇流历时缩短，加剧城市积涝。城市暴雨和积涝事件频发直接影响到城市交通和市政管理等工作的正常运行，进一步给城市和民众造成严重经济损失甚至人员伤亡。智慧城市通过将现代信息和通信等技术应用到城市管理工作中，促进城市和谐与可持续发展，是当前研究的关键技术领域，智慧城市的提出为解决城市暴雨和积涝提供有效的技术支撑。
近年来，全国范围内诸多城市暴雨和积涝事件频发，2012年北京市发生的“7.21”暴雨洪涝灾害，造成严重人员伤亡和经济损失，2016年西安市小寨地区发生的“7.24”暴雨和积涝灾害，交通停滞、积水倒灌地铁口，造成严重经济损失，2018年8月3日，新疆哈密市发生特大暴雨，造成多名人员伤亡。通过对近年来全国发生的百余场暴雨和积涝事件总结后不难发现，缺乏对暴雨和积涝监测数据的深度分析以及预警信息发布的滞后性是造成城市严重经济损失和人员伤亡的重要原因。城市雨量和水位等监测要素在传输上存在滞后性，现有的监测预警平台仍以数据的汇集为主，缺乏对监测数据的深度分析和预警信息的分级管理，尤其是，目前仍难以向城市防汛办和社会公众快速提供城市暴雨和积涝分级预警信息服务。因此，急需构建一套城市暴雨和积涝分级预警装置及其预警方法，通过对前端雨量和水位等监测数据的深度分析，为城市防汛办和社会公众提供个性化的暴雨和积涝分级预警信息服务，推进智慧城市的建设。
发明内容
本发明的目的在于提供一种城市暴雨和积涝分级预警装置，解决了现有技术中存在的难以快速提供城市暴雨和积涝分级预警信息服务的问题。
本发明的另一个目的是提供一种城市暴雨和积涝分级预警装置的预警方法。
本发明所采用的技术方案是：一种城市暴雨和积涝分级预警装置，包括数据采集模块、单片机控制板、太阳能供电模块以及预警信息服务模块，单片机控制板与数据采集模块、太阳能供电模块有线连接，单片机控制板与预警信息服务模块通信连接，
数据采集模块包括雨量传感器和水位传感器，数据采集模块包括雨量传感器和水位传感器，单片机控制板分别通过可扩展接口与雨量传感器和水位传感器有线连接，
太阳能供电模块包括太阳能电池板、太阳能控制器、太阳能蓄电池，太阳能电池板、太阳能控制器、太阳能蓄电池依次连接，太阳能蓄电池与单片机控制板有线连接，
预警信息服务模块包括云服务器、手机终端，单片机控制板通过GPRS/GSM通信网络与云服务器无线连接，云服务器与手机终端通信连接。
本发明的特点还在于，
进一步的，预警信息服务模块包括太阳能警示灯，太阳能警示灯与太阳能蓄电池有线连接，单片机控制板通过I/O接口与太阳能警示灯有线连接。
进一步的，单片机控制板、太阳能控制器、太阳能蓄电池设置在不锈钢防护箱内。
进一步的，雨量传感器、水位传感器、太阳能电池板、不锈钢防护箱、太阳能警示灯通过抱箍设置在固定支架上。
优选的，太阳能电池板设置在固定支架上端。
一种采用如上所述的城市暴雨和积涝分级预警装置的预警方法，具体按照如下步骤操作：
步骤1：单片机控制板根据设定好的采样时间，对数据采集模块发送采样指令，数据采集模块采集雨量、水位数据并将数字信号传输给单片机控制板；
步骤2：单片机控制板接收到数字信号之后，对接收到的雨量、水位数据进行处理，并将处理后的数字信号发送至预警信息服务模块的太阳能警示灯进行报警，同时单片机控制板直接将接收到的数字信号传输到预警信息服务模块的云服务器，云服务器对数字信号进行处理并分级报警。
步骤2中单片机控制板对接收到的雨量、水位数据进行处理的具体过程如下：
单片机控制板接收到雨量和水位数据后，将雨量值和水位值作为单片机控制板电路的输入，单片机控制板中央处理器对雨量值和水位值进行数据处理，即当雨量值或水位值超过警示阈值时，将雨量值或水位值转换成高电平数字信号，并通过I/O接口传给太阳能警示灯发出警报；
当雨量值或水位值不大于警示阈值时，中央处理器将雨量值和水位值转换成低电平数字信号，并通过I/O接口传给太阳能警示灯不发出警报。
步骤2中云服务器对数字信号处理并分级报警的具体过程如下：
云服务器将接收到的雨量和水位数字信号作为输入变量，对其进行分级处理，输出为暴雨、积涝的分级预警信号：
雨量数据分级处理的过程如下：
Input RA
Output暴雨预警等级，暴雨预警信号
If RA12≥50mm then
预警等级为一般(IV级)，预警信号用蓝色表示
Else If RA6≥50mm then
预警等级为较重(III级)，预警信号用黄色表示
Else If RA3≥50mm then
预警等级为严重(II级)，预警信号用橙色表示
Else If RA12≥100mm then
预警等级为特别严重(I级)，预警信号用红色表示
其中RA为雨量值，RA12为持续12小时的雨量值，RA6为持续6小时的雨量值，RA3为持续3小时的雨量值；
水位数据分级处理的过程如下：
Input WL
Output积涝预警等级，积涝预警信号
If WL5≥10cm then
预警等级为一般(IV级)，预警信号用蓝色表示
Else If WL5≥20cm then
预警等级为较重(III级)，预警信号用黄色表示
Else If WL5≥30cm then
预警等级为严重(II级)，预警信号用橙色表示
Else If WL5≥50cm then
预警等级为特别严重(I级)，预警信号用红色表示
其中WL为水位值，WL5为持续5分钟的水位值。
本发明的有益效果是：
1)本发明一种城市暴雨和积涝分级预警装置通过雨量传感器和水位传感器进行雨量、水位数据的自动化监测和采集，采用单片机控制板进行监测数据的传输和分析，采用一体化固定支架，易于安装，采用太阳能警示灯和手机终端等多种方式为城市防汛办公室和社会公众提供准确、多元和及时的预警服务，提前做好应急响应和应对措施，最大限度减少城市暴雨和积涝灾害损失和人员伤亡，具有广泛应用前景。
2)本发明一种城市暴雨和积涝分级预警装置的预警方法选用公网进行组网，综合3G/4G网络、GPRS/GSM通信等多种方式实现监测数据和分级预警信号的实时通信和传输，采用云服务器进行监测数据的深度分析和分级处理，生成暴雨和积涝的分级预警信号，避免传统预警信息的滞后性和单一性，为城市防汛办公室尤其是社会公众提供及时的分级预警服务，填补目前市场空白，推进智慧城市建设。
附图说明
图1是本发明一种城市暴雨和积涝分级预警装置结构示意图；
图2是本发明一种城市暴雨和积涝分级预警装置安装示意图。
图中，1.预警服务模块，2.单片机控制板，3.太阳能供电模块，4.数据采集模块，5.不锈钢防护箱，6.固定支架。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供的一种城市暴雨和积涝分级预警装置，其结构如图1所示，包括数据采集模块4、单片机控制板2、太阳能供电模块3以及预警信息服务模块1，
数据采集模块4包括雨量传感器和水位传感器，雨量传感器用于采集城市易涝点雨量，水位传感器用于采集城市易涝点的水位，单片机控制板2通过可扩展接口与雨量传感器、水位传感器有线连接，
太阳能供电模块3包括太阳能电池板、太阳能控制器、太阳能蓄电池，太阳能电池板、太阳能控制器、太阳能蓄电池依次连接，太阳能蓄电池与单片机控制板2有线连接，太阳能供电模块为单片机控制板2和太阳能警示灯供电，优选的，为了使得太阳能电池板发电效率高，太阳能电池板选用单晶硅、钢化玻璃工艺，太阳能蓄电池通过太阳能控制器和太阳能电池板连接，太阳能控制器为太阳能蓄电池充电和放电过程中提供保护，
进一步的，预警信息服务模块1包括华为云服务器、手机终端，单片机控制板2通过GPRS/GSM通信网络与华为云服务器连接传送监测数据，华为云服务器与手机终端通信连接。华为云服务器采用华为技术有限公司的云服务器控制平台，考虑城市暴雨和积涝预警信息容量和操作的便利性，华为云服务器采用Windows***，配置为8核32GB，华为云服务器根据从单片机控制板2传送的雨量和水位数据，通过内置的数据处理和分析模块对雨量和水位监测数据进行分级处理，生成不同等级的暴雨和积涝分级预警信号，分级预警信号按照国家相关规定划分为四级，包含一般(Ⅳ级)、较重(Ⅲ级)、严重(Ⅱ级)、特别严重(Ⅰ级)，依次用蓝色、黄色、橙色和红色表示，并将分级预警信号通过手机终端将暴雨和积涝预警信息以手机短信和微信两种方式传送给城市防汛办公室公室和社会公众，提供个性化的预警服务，云服务器和手机终端通过3G/4G网络进行分级预警信号的传输。
优选的，单片机控制板2采用嵌入式和物联网通信技术，可以通过可扩展接口与传感器连接，也可以通过GPRS/GSM通信网络对监测数据进行传输，用于对数据采集模块4雨量和水位监测数据的采集、传输和分析。
进一步的，预警信息服务模块1包括太阳能警示灯，太阳能警示灯与太阳能蓄电池有线连接，太阳能蓄电池为太阳能警示灯提供电源，太阳能警示灯内置LED发光二级管，采用太阳能供电，具备发光和声音警报双重功能，单片机控制板2对接收到的雨量和水位监测数据进行分析和处理，将超过雨量和水位阈值的监测数据转化为数字信号，并通过I/O接口将数字信号传送给LED发光二级管实现警报服务，单片机控制板2通过I/O接口与和太阳能警示灯连接。
本发明提供的一种城市暴雨和积涝分级预警装置的安装示意图，如图2所示，为了在暴雨恶劣天气中保护本装置，使得本装置正常工作，将单片机控制板2、太阳能控制器、太阳能蓄电池设置在不锈钢防护箱5内。
进一步的，为了更好地安装本装置，方便本装置采集城市易涝点雨量、水位，将雨量传感器、水位传感器、太阳能电池板、不锈钢防护箱5、太阳能警示灯通过抱箍设置在杆式固定支架6上，为了防止生锈、重量过重而导致安装不便，故杆式固定支架6采用不锈钢材质，外直径15cm，中空。
优选的，太阳能电池板设置在固定支架6上端，更大限度地采集太阳能为装置提供电源。
一种采用如上所述的城市暴雨和积涝分级预警装置的预警方法，具体按照如下步骤操作：
步骤1：单片机控制板根据设定好的采样时间，对数据采集模块发送采样指令，数据采集模块采集雨量、水位数据并将数字信号传输给单片机控制板；
步骤2：单片机控制板接收到数字信号之后，对接收到的雨量、水位数据进行处理，并将处理后的数字信号发送至预警信息服务模块的太阳能警示灯进行报警，同时单片机控制板直接将接收到的数字信号传输到预警信息服务模块的云服务器，云服务器对数字信号进行处理并分级报警。
步骤2中单片机控制板对接收到的雨量、水位数据进行处理的具体过程如下：
单片机控制板接收到雨量和水位数据后，将雨量值和水位值作为单片机控制板电路的输入，单片机控制板中央处理器对雨量值和水位值进行数据处理，即当雨量值或水位值超过警示阈值时，将雨量值或水位值转换成高电平数字信号，并通过I/O接口传给太阳能警示灯发出警报；
当雨量值或水位值不大于警示阈值时，中央处理器将雨量值和水位值转换成低电平数字信号，并通过I/O接口传给太阳能警示灯不发出警报。
步骤2中云服务器对数字信号处理并分级报警的具体过程如下：
云服务器将接收到的雨量和水位数字信号作为输入变量，对其进行分级处理，输出为暴雨、积涝的分级预警信号：
雨量数据分级处理的过程如下：
Input RA
Output暴雨预警等级，暴雨预警信号
If RA12≥50mm then
预警等级为一般(IV级)，预警信号用蓝色表示
Else If RA6≥50mm then
预警等级为较重(III级)，预警信号用黄色表示
Else If RA3≥50mm then
预警等级为严重(II级)，预警信号用橙色表示
Else If RA12≥100mm then
预警等级为特别严重(I级)，预警信号用红色表示
其中RA为雨量值，RA12为持续12小时的雨量值，RA6为持续6小时的雨量值，RA3为持续3小时的雨量值；
水位数据分级处理的过程如下：
Input WL
Output积涝预警等级，积涝预警信号
If WL5≥10cm then
预警等级为一般(IV级)，预警信号用蓝色表示
Else If WL5≥20cm then
预警等级为较重(III级)，预警信号用黄色表示
Else If WL5≥30cm then
预警等级为严重(II级)，预警信号用橙色表示
Else If WL5≥50cm then
预警等级为特别严重(I级)，预警信号用红色表示
其中WL为水位值，WL5为持续5分钟的水位值。
以上RA和WL的参考取值以西安市为例，当12小时RA达到50mm时，输出预警信号为一般(IV级)，用蓝色表示；当6小时RA达到50mm时，输出预警信号为较重(III级)，用黄色表示；当3小时RA达到50mm时，输出预警信号为严重(II级)，用橙色表示；当12小时RA达到100mm时，输出预警信号为特别严重(I级)，用红色表示。
WL分级参考取值以西安市东郊仁厚庄南路积水点为例，当持续5分钟WL达到10cm时，输出预警信号为一般(IV级)，用蓝色表示；当持续5分钟WL达到20cm时，输出预警信号为较重(III级)，用黄色表示；当持续5分钟WL达到30cm时，输出预警信号为严重(II级)，用橙色表示；当持续5分钟WL达到50cm时，输出预警信号为特别严重(I级)，用红色表示。
需要说明的是，不同城市、同一城市的不同易涝点地理位置和内涝情况存在差异，因此，暴雨和积涝预警阈值也不同，具体实施过程中，需要先行对其进行调研，确定降雨和水位预警阈值，然后参考上述数据分级处理过程确定暴雨和积涝的预警等级和预警信号。
根据输出的不同等级预警信号，云服务器同时制定不同分级预警信号对应的防汛预案，并通过手机终端将暴雨和积涝将预警信号和防汛预案以手机短信和微信两种方式发送给城市防汛办公室公室和社会公众，提供个性化的分级预警服务，云服务器和手机终端通过3G/4G网络进行分级预警信号的传输。
综上所述，本发明一种城市暴雨和积涝分级预警装置及其预警方法，通过自动化采集雨量和水位数据，对雨量和水位监测数据深度分析和分级处理，通过警示灯的警报服务，手机终端分级预警服务，为城市防汛办公室尤其是社会公众提供准确、多元和及时的预警服务。通过分级预警信息，城市防汛办公室和社会公众能够及时、提前制定相应预警等级的应急响应和应对措施，做好城市暴雨和积涝的科学防范，提高城市暴雨和积涝应急管理水平，最大限度地减少灾害损失。
本发明的上述实施例仅是为了清楚说明本发明所做的举例，并非对本发明具体实施方式的限定。对所属技术领域的普通技术人员在本实施例的基础上还可以做出其他不同形式的变动，仍属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种城市暴雨和积涝分级预警装置，其特征在于，包括数据采集模块(4)、单片机控制板(2)、太阳能供电模块(3)以及预警信息服务模块(1)，
所述数据采集模块(4)包括雨量传感器和水位传感器，所述单片机控制板(2)分别通过可扩展接口与雨量传感器和水位传感器有线连接，
所述太阳能供电模块(3)包括太阳能电池板、太阳能控制器、太阳能蓄电池，所述太阳能电池板、太阳能控制器、太阳能蓄电池依次连接，所述太阳能蓄电池与单片机控制板(2)有线连接，
所述预警信息服务模块(1)包括云服务器、手机终端，所述单片机控制板(2)通过GPRS/GSM通信网络与云服务器无线连接，所述云服务器与手机终端通信连接。
2.如权利要求1所述的一种城市暴雨和积涝分级预警装置，其特征在于，所述预警信息服务模块(1)包括太阳能警示灯，所述太阳能警示灯与太阳能蓄电池有线连接，所述单片机控制板(2)通过I/O接口与太阳能警示灯有线连接。
3.如权利要求2所述的一种城市暴雨和积涝分级预警装置，其特征在于，所述单片机控制板(2)、太阳能控制器、太阳能蓄电池设置在不锈钢防护箱(5)内。
4.如权利要求3所述的一种城市暴雨和积涝分级预警装置，其特征在于，所述雨量传感器、水位传感器、太阳能电池板、不锈钢防护箱(5)、太阳能警示灯通过抱箍设置在固定支架(6)上。
5.如权利要求4所述的一种城市暴雨和积涝分级预警装置，其特征在于，所述太阳能电池板设置在所述固定支架(6)上端。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的一种城市暴雨和积涝分级预警装置的预警方法，其特征在于，具体按照如下步骤操作：
步骤1：单片机控制板(2)根据设定好的采样时间，对所述数据采集模块(4)发送采样指令，所述数据采集模块(4)采集雨量、水位数据并将数字信号传输给单片机控制板(2)；
步骤2：所述单片机控制板(2)接收到数字信号之后，对接收到的雨量、水位数据进行处理，并将处理后的数字信号发送至预警信息服务模块(1)的太阳能警示灯进行报警，同时单片机控制板(2)直接将接收到的数字信号传输到预警信息服务模块(1)的云服务器，云服务器对数字信号进行处理并分级报警。
7.如权利要求6所述的一种城市暴雨和积涝分级预警装置的预警方法，其特征在于，所述步骤2中单片机控制板(2)对接收到的雨量、水位数据进行处理的具体过程如下：
单片机控制板(2)接收到雨量和水位数据后，将雨量值和水位值作为单片机控制板(2)电路的输入，单片机控制板(2)中央处理器对雨量值和水位值进行数据处理，即当雨量值或水位值超过警示阈值时，将雨量值或水位值转换成高电平数字信号，并通过I/O接口传给太阳能警示灯发出警报；
当雨量值或水位值不大于警示阈值时，中央处理器将雨量值和水位值转换成低电平数字信号，并通过I/O接口传给太阳能警示灯不发出警报。
8.如权利要求6所述的一种城市暴雨和积涝分级预警装置的预警方法，其特征在于，所述步骤2中云服务器对数字信号处理并分级报警的具体过程如下：
云服务器将接收到的雨量和水位数字信号作为输入变量，对其进行分级处理，输出为暴雨、积涝的分级预警信号：
雨量数据分级处理的过程如下：
Input RA
Output暴雨预警等级，暴雨预警信号
If RA12≥50mm then
预警等级为一般(IV级)，预警信号用蓝色表示
Else If RA6≥50mm then
预警等级为较重(III级)，预警信号用黄色表示
Else If RA3≥50mm then
预警等级为严重(II级)，预警信号用橙色表示
Else If RA12≥100mm then
预警等级为特别严重(I级)，预警信号用红色表示
其中RA为雨量值，RA12为持续12小时的雨量值，RA6为持续6小时的雨量值，RA3为持续3小时的雨量值；
水位数据分级处理的过程如下：
Input WL
Output积涝预警等级，积涝预警信号
If WL5≥10cm then
预警等级为一般(IV级)，预警信号用蓝色表示
Else If WL5≥20cm then
预警等级为较重(III级)，预警信号用黄色表示
Else If WL5≥30cm then
预警等级为严重(II级)，预警信号用橙色表示
Else If WL5≥50cm then
预警等级为特别严重(I级)，预警信号用红色表示
其中WL为水位值，WL5为持续5分钟的水位值。
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