一种水文监测管理用防洪除涝预警装置及预警方法与流程

1.本发明涉及排水监控技术领域，特别是涉及一种水文监测管理用防洪除涝预警装置及预警方法。


背景技术：

2.随着城市化建设的不断推进，城市基础设施也在不断完善，然而城市排水系统的问题也日益凸显，主要原因在于陈旧的城市排水系统无法适应社会发展的需求，许多城市存在城市排水系统的规划建设跟不上日益扩张的城镇规模，造成强暴雨天气到来时，极易造成区域洪涝灾害，洪涝灾害严重影响了市民出行，造成了大量的生命财产损失。
3.现有城市通过在积水道路安装水位监测设备，将采集的数据通过网络传输到控制平台，相关人员依据区域积水情况，进行相应的指挥调度。此种监测方式相较于人工现场监测，积水水位的准确性、及时性得到极大改善，有效的降低了洪涝灾害的发生。然而此种监测过程不具有预见性，不能准确判断洪涝灾害发生的时间，当降雨到来时，只能通过相关人员主观认知进行预判洪涝灾害，可能存在未发生洪涝灾害提前处置或发生洪涝灾害后处置滞后的行为。
4.鉴于此，提供一种在降雨到来时，对城市洪涝灾害进行实时预测的预警装置和预警方法，显得尤为重要。


技术实现要素：

5.本发明为克服上述情况不足，旨在提供一种水文监测管理用防洪除涝预警装置及预警方法。
6.为了能够达到上述目的，本发明一方面提供了一种水文监测管理用防洪除涝预警装置，包括：
7.降雨采集模块，用于实时采集并发送监测区域内的降雨监测量；
8.水位采集模块，当被设置成激活时用于获取并发送监测区域内水位监测量；
9.通信模块，分别与所述降雨采集模块和水位采集模块连接，用于实时接收所述降雨监测量和水位监测量并发送至监测和控制模块；
10.监测和控制模块，与所述通信模块连接，用于接收所述通信模块发送的所述降雨监测量并与历史降雨初始消耗量做差形成第一比较值，所述监测和控制模块有选择性地激活或关闭所述水位采集模块，所述监测和控制模块还用于接收所述通信模块发送的所述水位监测量，并依次将所述水位监测量分别与预警水位和危险水位做差分别形成第二比较值和第三比较值；
11.警报模块，与所述监测和控制模块连接，用于实时监控所述第一比较值、第二比较值和第三比较值变化，并触发警报信息。
12.进一步地，所述监测和控制模块包括：
13.数据存储单元，用于存储所述历史降雨初始消耗量和实时水位排放量，并用于存
储接收所述通信模块发送的所述降雨监测量和水位监测量；
14.计算单元，与所述数据存储单元和警报模块连接，所述计算单元用于根据所述降雨监测量和历史降雨初始消耗量做差得到所述第一比较值，所述计算单元依据所述水位监测量依次与所述预警水位和危险水位做差分别得到所述第二比较值和第三比较值；
15.自学习单元，与所述数据存储单元和计算单元连接，所述自学习单元依据所述降雨监测量和水位监测量比较，得出实际降雨初始消耗量，利用所述实际降雨初始消耗量有选择地修正所述历史降雨初始消耗量，依据单位时间内所述水位监测量变化计算得出所述实时水位排放量，将所述实时水位排放量存储至所述数据存储单元；
16.执行单元，与所述计算单元和通信模块连接，当所述第一比较值为正值时发送激活水位采集模块指令，并经通信模块发送至水位采集模块；当第一比较值为负值时发送关闭水位采集模块指令，并经通信模块发送至水位采集模块。
17.进一步地，所述自学习单元还用于将所述实际降雨初始消耗量和历史降雨初始消耗量比较，当h
sjcs
/h
lscs
在标准偏差值内，利用所述实际降雨初始消耗量修正所述历史降雨初始消耗量，
18.当h
sjcs
/h
lscs
不在标准偏差值内，不再修正所述历史降雨初始消耗量，
19.式中h
sjcs
为实际降雨初始消耗量，h
lscs
为历史降雨初始消耗量。
20.进一步地，所述降雨采集模块包括：
21.降雨采集单元，用于测量所述降雨监测量；
22.第一控制单元，与所述降雨采集单元和通信模块连接，用于将所述降雨监测量发送至所述通信模块；
23.第一电源，与所述第一控制单元电性连接；
24.时钟单元，与所述第一控制单元连接，用于时钟校准和周期性的唤醒第一控制单元。
25.进一步地，所述水位采集模块包括：
26.水位采集单元，用于测量所述水位监测量；
27.第二控制单元，与所述水位采集单元和通信模块连接，所述第二控制单元将所述水位监测量发送至所述通信模块，所述第二控制单元还用于接收所述关闭水位采集模块指令并控制所述水位采集单元关闭，及接收所述激活水位采集模块指令并控制所述水位采集单元激活；
28.第二电源，与所述第二控制单元电性连接。
29.本发明与现有技术相比至少具有以下优点：
30.本发明通过降雨到来时，通过对降雨监测量和水位采集监测，能够实时预判洪涝灾害发生的时间，并提供预警信息；当发生洪涝灾害时，能够实时预判洪涝灾害消除的时间，并提供相应消警信息。使得居民可以合理安排出行计划，降低了洪涝灾害对人类生产生活造成的影响。本发明中，水位采集模块常规下处于关闭状态，并选择性地设置成激活，进一步降低了能量损耗。
31.另一方面本阀门提供了一种水文监测管理用防洪除涝预警方法，包括：
32.步骤s1、采集监测区域内的降雨监测量，对所述降雨监测量与历史降雨初始消耗量做差比较得到第一比较值；
33.步骤s2、依据第一比较值的结果有选择性地采集监测区域内的水位监测量，并对所述水位监测量依次与所述预警水位和危险水位做差比较得到第二比较值和第三比较值；
34.步骤s3、依据所述降雨监测量和水位监测量比较，得出实际降雨初始消耗量，依据所述实际降雨初始消耗量有选择地修正历史降雨初始消耗量，依据单位时间内所述水位监测量变化计算得出实时水位排放量；
35.步骤s4、依据所述第一比较值、第二比较值、第三比较值有选择地不发送警报信息、发送预警信息和发送消警信息，及依据所述水位监测量和实时排水流量计算致灾时间或消灾时间。
36.进一步地，步骤s2包括：
37.所述第一比较值为正值时，在监测区域采集所述水位监测量；
38.所述第一比较值为负值时，则不再采集所述水位监测信息，直接执行步骤s4。
39.进一步地，步骤s3中依据降雨监测量、水位监测量计算得出实际降雨初始消耗量后还包括：
40.将所述实际降雨初始消耗量与所述历史降雨初始消耗量比较，
41.当h
sjcs
/h
lscs
在标准偏差值内，利用所述实际降雨初始消耗量修正所述历史降雨初始消耗量，
42.当h
sjcs
/h
lscs
不在标准偏差值内，不再修正所述历史降雨初始消耗量，
43.式中h
sjcs
为实际降雨初始消耗量，h
lscs
为历史降雨初始消耗量。
44.进一步地，步骤s4包括：
45.所述第一比较值为负值时，不发送警报信息；
46.第一比较值为正值，第二比较值为负值时，不发送警报信息；
47.第一比较值和第二为正值，第三比较值为负值时，发送预警信息，并依据所述水位监测量和实时排水流量计算致灾时间；
48.第一比较值、第二比较值和第三比较值均为正值时，发送消警信息，依据所述水位监测量和实时排水流量计算消灾时间。
49.进一步地，步骤s4还包括：
50.所述第二比较值正值时，应当在监测区域增加排水设备，并更新所述预警信息和消警信息。
51.所述水文监测管理用防洪除涝预警方法和上述的水文监测管理用防洪除涝预警的预警装置相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
附图说明
52.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
53.图1为本发明水文监测管理用防洪除涝预警装置结构示意图；
54.图2为本发明一种水文监测管理用防洪除涝预警方法流程图。
具体实施方式
55.下面将结合本发明实施例中的附图，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
56.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
57.参照图1，本发明一方面提供了一种水文监测管理用防洪除涝预警装置，包括降雨采集模块、水位采集模块、通信模块、监测和控制模块与警报模块。
58.将每个监测区域均布设有降雨采集模块和水位采集模块，降雨采集模块用于采集并发送监测单元内的降雨监测量，水位采集模块常态下处于关闭状态，水位采集模块当被设置成激活时能够获取并发送监测单元内的水位监测量。
59.通信模块分别与降雨采集模块和水位采集模块连接，用于接收采集的降雨监测量和水位监测量，并将降雨监测量和水位监测量发送至监测和控制模块。
60.监测和控制模块与通信模块连接，用于将降雨监测量与历史降雨初始消耗量比较，并依据比较结果有选择地激活水位采集模块，并收集水位监测量。具体为利用降雨监测量与历史降雨初始消耗量做差形成第一比较值，当第一比较值为负值时，说明此时降雨监测量会通过蒸发、渗透和流失的方式消除，此时的降雨监测量对人类生产生活不会造成影响并无需进行水位监测，此时警报模块不触发报警；当第一比较值为正值时，监测和控制模块激活水位采集模块，并将收集到的水位监测量依次与预警水位和危险水位比较，并选择性地发出预警信息或消警信息。具体为，将水位监测量与预警水位做差形成第二比较值，将水位监测量与危险水位做差形成第三比较值。当第二比较值为正值，第三比较值为负值时，说明此时可能发生洪涝灾害，依据水位监测量和实时排水流量计算水位监测量到达危险水位时可能需要的时间并发送至警报模块，警报模块发送预警信息和致灾时间；当第二比较值和第三比较值均为正值时，说明此时正在发生洪涝灾害，依据实时水位高度和实时排水流量计算出水位监测量低于危险水位时可能需要的时间并发送至警报模块，此时警报模块发送消警信息和消灾时间。
61.本发明能够在降雨到来时，实时预测洪涝灾害发生或消除的时间，并触发相关的警报信息，为居民合理安排出行和政府分配抢救资源提供理论基础。由于水位采集模块选择性的激活或关闭，本发明具有能耗低的优点。
62.需要说明的是，历史降雨初始消耗量定义为30分钟内指水位监测量低于5cm时依靠蒸发、渗透和流失的降雨监测量。例如当一定时期内降雨监测量为15cm时，依靠蒸发、渗透和流失的降雨监测量为10cm，此时水位监测量为5cm，即此状态下历史降雨初始消耗量为10cm。
63.历史降雨初始消耗量由温度、气候、近期区域降水量和同时期内降雨区域决定，使用前应依据大量历史数据依据不同温度、不同气候、近期降水量和不同降水区域下的不同历史降雨初始消耗量分别存储至监测和控制模块中。使用过程中监测和控制模块依据当前温度、当前气候、近期降水量和降水区域读取历史降雨初始消耗量。若无当前温度、当前气候、近期降水量和降水区域相同的历史降雨初始消耗量，可读取相近的当前温度、当前气
候、近期降水量和降水区域的历史降雨初始消耗量。
64.用以下案例说明预警信息和消警信息选择发送方式：例如预警水位为5cm，危险水位为25cm，当水位监测量为8cm时，说明当前水位监测量介于预警水位和危险水位之间，此时发送洪涝灾害预警信息，预警信息应告知周围居民未来可能发生洪涝灾害，并提示致灾时间；致灾时间是指当水位监测量到达25cm(即危险水位)时可能需要的时间，致灾时间依据水位监测量和实时排水流量计算得出；又假设水位监测量为30cm时，说明当前水位已超过危险水位，此时正在发生洪涝灾害，此时应发出消警信息，消警信息应提示周围居民监测区域内正在发生洪涝灾害，并提示消灾时间，消灾时间是指当水位监测量回归至25cm(即危险水位)以下时可能需要的时间。
65.优选地，本发明中监测和控制模块包括数据存储单元、计算单元、自学习单元和执行单元。
66.数据存储单元用于存储历史降雨初始消耗量和实时水位排放量，并存储接收到的通信模块发送的降雨监测量和水位监测量；
67.计算单元，与数据存储单元和警报模块连接，将降雨监测量和历史降雨初始消耗量做差得到第一比较值，将水位监测量与预警水位做差得到第二比较值，将水位监测量与危险水位做差得到第三比较值。当第二比较值为正值且第三比较值为负值时，依据水位监测量和实时水位排放量计算得出致灾时间并发出至警报模块；当第三比较值为正值时，依据水位监测量与实时排水流量计算得出消灾时间发送至警报模块。
68.致灾时间计算如下：
[0069][0070]
式中：tzz为致灾时间，h
wx
为危险水位，h
sw
为水位监测量，v
ss
为实时水位排放量，此时预计致灾时间后将发生洪涝灾害；
[0071]
tzz＝+∞，即为正无穷大(v
ss
≥0)，说明此时无降雨，或降雨量小于等于实时水位排放量，不会发生洪涝灾害。
[0072]
式中：t
yj
为致灾时间，h
wx
为危险水位，h
sw
为水位监测量，v
ss
为实时水位排放量。
[0073]
消灾时间计算如下：
[0074][0075]
式中：txz为消灾时间，h
sw
为水位监测量，h
wx
为危险水位，v
ss
为实时水位排放量，此时预计将在消灾时间后消除洪涝灾害；
[0076]
txz＝+∞，即为正无穷大(v
ss
≤0)，说明此时无水位排放量，或降雨量大于等于实时水位排放量，洪涝灾害不会消除。
[0077]
自学习单元，与数据存储单元和计算单元连接，自学习单元依据历史降雨初始消耗量和水位监测量比较，得出实际降雨初始消耗量，利用实际降雨初始消耗量有选择性地修正历史降雨初始消耗量，依据降雨监测量和水位监测量比较得出实时水位排放量，将实时水位排放量存储至数据存储单元。
[0078]
当已持续降雨超过30min后激活水位采集模块，则实际降雨初始消耗量计算方式为：
[0079]hsjcs
＝h
ssjy-h
sssw
[0080]
式中：h
sjcs
为实际降雨初始消耗量；h
ssjy
为激活水位采集模块时刻采集模块瞬间降雨监测量，h
sssw
为降雨激活水位采集模块时刻采集模块瞬间水位监测量。
[0081]
当激活水位采集模块时已持续降雨不足30min时，则实际降雨初始消耗量计算方式为：
[0082]
则h
sjcs
＝h
ssjy30-h
sssw30
[0083]
式中：h
sjcs
为实际降雨初始消耗量；h
ssjy30
为降雨30min时刻采集模块瞬间降雨监测量，h
sssw30
为降雨30min时刻采集模块瞬间水位监测量。
[0084]
若实际降雨初始消耗量与历史降雨初始消耗量不等，则将历史降雨初始消耗量更新为实际降雨初始消耗量。
[0085]
实时水位排放量为单位时间内水位监测量减少的变化量。若水位监测量不断降低，此时实际水位监测排放量为正值；反之，若水位监测量不断升高，此时实时水位排放量为负值；当水位监测量不变时，此时实时水位排放量为0。
[0086]
本发明中设置有自学习模块，可以不断更新历史降雨初始消耗量，为后期防洪除涝提供相应的理论基础，由于历史降雨初始消耗量为实时更新的，当城市存在雨污水管网改扩建项目，无需反复调节，可自行修正历史降雨初始消耗量，为后期启动水位采集模块提供理论基础。
[0087]
执行单元，与计算单元和通信模块连接，当第一比较值为正值时发送激活水位采集模块指令，激活水位采集模块指令经通信模块发送至水位采集模块；当第一比较值为负值时发送关闭水位采集模块指令，关闭视为采集模块指令经通信模块发送至水位采集模块。
[0088]
利用执行单元激活或过关闭水位采集模块，降低了本预警装置中不必要的能源浪费。
[0089]
优选地，当城市雨水管道进行改扩建过程中，又或是年久失修雨水管道或雨水口均会造成实际降雨初始消耗量和历史降雨初始消耗量产生一定偏差，此时应人为设定标准偏差值，当偏差超过标准偏差值时，应当被认为系统记录出错，此时停止对历史降雨初始消耗量进行修正。标准偏差值的设定，降低了因个别雨水管道或雨水口堵塞等原因造成的系统错误修正。
[0090]
举例说明，当雨污水管道改扩建过程时，因雨水管道或雨水口管道堵塞等造成的历史降雨初始消耗量的标准偏差值选定为-5％至5％(依据改扩建项目或雨水口计算得出)之间，即-105％《h
sjch
/h
lscs
《105％，式中，h
sjcs
为实际降雨初始消耗量，h
lscs
为历史降雨初始消耗量，当h
sjch
/h
lscs
的变化偏差超过以上标准变差值时，则视为系统错误，此时停止对历史降雨初始消耗量进行修正。设置防错机制可以有效降低系统测定错误造成的数据修正。
[0091]
为了降低使用能耗，本发明中的降雨采集模块包括：
[0092]
降雨采集单元，用于测量降雨监测量；
[0093]
第一控制单元，与降雨采集单元和通信模块连接，用于降雨监测量发送至通信模块；
[0094]
第一电源，与第一控制单元电性连接；
[0095]
时钟单元，与第一控制单元连接，用于时钟校准和周期性的唤醒周期性唤醒第一
控制单元。
[0096]
使用时，时钟单元周期性的环形第一控制单元，第一控制单元使降雨测量单元通电，进而测量降雨监测量，测量的降雨监测量经第一控制单元发送至通信模块。
[0097]
需要说明的是，执行单元还包括以下功能：当第一比较值为正值时，执行单元发送提高检测频率指令经通讯模块发送至第一控制单元，第一控制单元控制提高时钟单元唤醒频率；当第一比较值为负值时，执行单元发送降低检测频率指令经通讯模块发送至第一控制单元，第一控制单元控制降低时钟单元唤醒频率。
[0098]
为了进一步降低使用能耗，本发明中的水位采集模块常状态下处于关闭状态，当被设置成激活时方才测量水位监测量。具体地，水位采集模块包括水位采集单元、控制单元和第二电源，水位采集单元用于测量监测区域内的水位监测量，控制单元与通信模块连接，用于将水位监测量发送至通信模块，并通过通信模块的接收监测和控制模块的指令进而开启或关闭水位采集单元，第二电源与控制单元电性连接，用以对控制单元提供电力。
[0099]
参照图2，本发明另一方面提出了一种水文监测管理用防洪除涝预警方法，包括：
[0100]
步骤s1、采集监测区域内的降雨监测量，对降雨监测量与历史降雨初始消耗量做差比较得到第一比较值；
[0101]
步骤s2、依据第一比较值的结果有选择性地采集监测区域内的水位监测量，并对水位监测量依次与预警水位和危险水位做差比较得到第二比较值和第三比较值；
[0102]
步骤s3、依据降雨监测量和水位监测量比较，得出实际降雨初始消耗量，依据实际降雨初始消耗量有选择地修正历史降雨初始消耗量，依据单位时间内水位监测量变化计算得出实时水位排放量；
[0103]
步骤s4、依据第一比较值、第二比较值、第三比较值有选择地不发送警报信息、发送预警信息和发送消警信息，及依据水位监测量和实时排水流量计算致灾时间或消灾时间。
[0104]
本发明通过降雨到来时，通过对降雨监测量和水位采集监测，能够实时预判洪涝灾害发生的时间，并提供预警信息；当发生洪涝灾害时，能够实时预判洪涝灾害消除的时间，并提供相应消警信息。使得居民可以合理安排出行计划，降低了洪涝灾害对人类生产生活造成的影响。本发明中，水位采集模块常规下处于关闭状态，并选择性地设置成激活，进一步降低了能量损耗。
[0105]
优选地，步骤s2包括：
[0106]
第一比较值为正值时，在监测区域采集水位监测量；
[0107]
第一比较值为负值时，则不再采集所谓监测信息，直接执行步骤s4。
[0108]
优选地，步骤s3中依据降雨监测量、水位监测量计算得出实际降雨初始消耗量后还包括：
[0109]
将实际降雨初始消耗量与历史降雨初始消耗量比较，
[0110]
当h
sjcs
/h
lscs
在标准偏差值内，利用实际降雨初始消耗量修正历史降雨初始消耗量，
[0111]
当h
sjcs
/h
lscs
不在标准偏差值内，则视为系统错误，不再修正历史降雨初始消耗量，
[0112]
式中h
sjcs
为实际降雨初始消耗量，h
lscs
为历史降雨初始消耗量。
[0113]
设置防错机制可以有效降低系统测定错误造成的数据修正。
[0114]
优选地，步骤s4包括：
[0115]
第一比较值为负值时，不发送警报信息；
[0116]
第一比较值为正值，第二比较值为负值时，不发送警报信息；
[0117]
第一比较值和第二为正值，第三比较值为负值时，发送预警信息，并依据水位监测量和实时排水流量计算致灾时间；
[0118]
第一比较值、第二比较值和第三比较值均为正值时，发送消警信息，依据水位监测量和实时排水流量计算消灾时间。
[0119]
优选地，步骤s4还包括：
[0120]
第二比较值为正值时，在监测区域增加排水设备，并更新预警信息和消警信息。
[0121]
具体地，第二为正值，第三比较值为负值时，可能即将发生洪涝灾害，此时应发送预警信息，并依据水位监测量和实时排水流量计算致灾时间；同时应依据致灾时间进行判定，并在监测区域内增加排水设备，保证实时排水量为正值，依据实时排水量实时更新致灾时间，从而降低洪涝灾害的发生。
[0122]
第二比较值和第三比较值均为正值时，此时已经发生洪涝灾害，已经发送消警信息，此时应在监测区域内增加排水设备，依据实时排水量实时更新消灾时间。