CN103968913B - 智能在线液位监测预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能在线液位监测预警系统，由数据中心和至少一个液位监测预警子系统组成，其特征在于，所述液位监测预警子系统包括:液位监测点；液位监测主机装置，对所述液位监测点进行连续监测，生成监测数据，并按照可变化的传输时间间隔将所述监测数据传输给监测中继器装置；监测中继器装置，接收所述监测数据，并按照可变化的传输时间间隔将所述监测数据传输给数据中心；数据中心，将接收的监测数据进行处理，得到液位监测点状态数据和各类曲线图表，并将所述液位监测点状态数据实时进行显示和发布。采用本发明的智能在线液位监测预警系统，可对排水管道、排水渠道、排水检查井、排水口、城市下凹道路、城市地下停车场、城市受纳水体等点位进行液位在线监测、短信报警、内涝预警及短时预报和监测数据公众发布等应用。

Description

智能在线液位监测预警系统

技术领域

本发明涉及一种雨水、污水、中水、河道、湖泊、道路等市政与水利领域使用的液位监测预警系统，特别是涉及一种智能在线液位监测预警系统。

背景技术

近些年，我国多个城市在每年雨季都会发生内涝事件，呈现了发生范围广、积水深度大、积水时间长的特点。内涝事件的发生，不仅给人民群众在雨天出行带来诸多不便，而且导致了个人和公共财产的巨大损失，甚至威胁了人民群众的生命安全，引起了社会各方面的广泛关注。然而，城市内涝事件的成因是多方面的，如极端天气现象频发、城市化后大量不透水地面的增加、排水设施规划设计标准偏低、城市受纳水体调蓄下泄能力不足、排水设施存在阻塞淤积现象等。要解决和应对城市内涝事件，一方面要靠工程措施，通过规划设计提高标准，完善城市排水防涝系统，并对城市地表的不透水地表进行控制，减少源头径流产生量，增加下游受纳水体的蓄排能力；另一方面要靠管理措施，建立排水监测与预警系统，为政府部门提供排水系统运行的动态监测数据，为大众出行提供精细化的及时预警预报信息，以便科学有效应对不同程度的城市内涝事件。

目前在排水监测与预警技术方面，主要以进口设备为主，国产设备的功能性、稳定性和硬件集成性不能满足在排水系统恶劣环境中长期监测的需求。而进口设备存在价格过高、预警预报功能不足、安装维护流程复杂、设备零配件供货周期长、软硬件系统集成度不高等问题，严重影响了排水监测和预警系统的建设和应用效果。主要表现如下：

(1)现有设备的测量和数据通讯频次通常为5-15分钟，可以满足排水系统长期运行监测的需求，但是不能满足排水管网内涝预警和报警的技术需求；

(2)现有设备整体安装在排水井下，通常采用GPRS网络进行通讯，导致主机功耗较高，而且井下通讯效果不好，导致数据容易因网络信号原因不能及时发送，主机电池更换周期较短，且需要在每次维护过程打开井盖进行，费时费力；

(3)现有设备功能以单点液位监测为主，多个设备的测量时间不能自动同步，不能准确控制数据的统一采集时间，数据同步性和可比性不强，不利于多台设备的数据对比和统计分析；

(4)现有设备通常存在测量盲区，不能有效监测地表积水情况，不能在设备被水淹没后及时发送数据和报警信号，影响了内涝事件发生过程的动态监测和预警预报；

(5)现有设备的数据中心功能较弱，需要繁琐的配置才能接入设备信号，并且不具备数据的微信、微博等社交平台的集成接口，不利于监测数据的公众发布和报警信息的快速有效推送。

因此，迫切的需要开发一种既具有在线监测功能，又具有预警和报警功能，同时软硬件紧密集成为一体的智能在线液位监测预警系统。利用该系统不仅可以支持政府部门掌握排水系统的液位长期变化规律，提前了解排水系统的溢流风险，及时进行排水内涝事件的预警和报警，而且可以通过微博微信等公共平台向公众及时发布城市内涝的预警预报信息，辅助城市内涝事件的状态有效监测和科学安全应对。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种智能在线液位监测预警系统，具有分钟级数据整点同步监测、多个设备的时间与服务器时间自动同步、主机与中继器分体式安装、智能可变的数据传输和通讯频次、软硬集成为一体、即装即用等特点，系统可以通过网页浏览器、微信、短信等多种方式及时预警和报警监测点的内涝事件。基于该系统可以建立高效可靠的排水监测预警系统，形成多种解决方案，如：城市排水管网液位在线监测平台、城市降雨易涝点监测和预警平台、城市下凹桥区溢流监测和预警平台、城市内部河道液位监测和预警平台、城市污水管网溢流点监测和报警平台、城市排水内涝监测预警公众信息发布平台、城市区域地下停车场淹水及报警系统等。

本发明采用的技术方案如下：

一种智能在线液位监测预警系统，由数据中心和至少一个液位监测预警子系统组成，其特征在于，所述液位监测预警子系统包括:液位监测点；液位监测主机装置，对所述液位监测点进行在线监测，生成连续监测数据，并按照可变化的传输时间间隔将所述监测数据传输给监测中继器装置；监测中继器装置，接收所述监测数据，并按照可变化的通讯时间间隔将所述监测数据传输给数据中心；数据中心，将接收的监测数据进行处理，得到液位监测点状态数据，并将所述液位监测点状态数据实时进行显示和发布。

优选地，所述液位监测主机装置包括液位监测传感器、液位报警传感器、监测信号处理器、短距通讯天线、主机用电池、防护外壳、固定安装支架，所述监测信号处理器分别与所述液位监测传感器、液位报警传感器、短距通讯天线、主机用电池通过连接线缆相互连接；所述监测中继器装置包括信号接收与处理器、中继短距通讯天线、移动网络通讯天线、中继器用电池、中继防护外壳、中继固定安装支架，所述信号接收与处理器分别与所述中继短距通讯天线、移动网络通讯天线、中继器电池通过连接线缆相互连接；以及所述数据中心包括为具有独立因特网IP地址的云服务器主机或独立计算机的数据服务器，在所述数据服务器上设置有对所述监测数据进行分析处理的数据传输与转发服务模块、数据统计与查询模块和数据发布模块。

优选地，所述监测数据包括液位监测点的实际液位高度值，其中，如果所述液位监测点的实际液位高度值小于设定的预警值，则所述液位监测主机装置以第1传输时间间隔向所述监测中继器装置传输所述监测数据，所述监测中继器装置接收所述液位监测主机装置传输的监测数据，并按照第1通讯时间间隔将接收的所述监测数据发送给所述数据中心；如果所述液位监测点的实际液位高度值大于设定的预警值且小于设定的报警值，则所述液位监测主机装置以第2传输时间间隔向所述监测中继器装置传输所述监测数据，所述监测中继器装置接收所述液位监测主机装置传输的监测数据，并按照第2通讯时间间隔将接收的所述监测数据发送给所述数据中心；如果所述液位监测点的实际液位高度值大于设定的报警值，则所述液位监测主机装置以第3传输时间间隔向所述监测中继器装置传输所述监测数据，所述监测中继器装置接收所述液位监测主机装置传输的监测数据，并按照第3通讯时间间隔将接收的所述监测数据发送给所述数据中心。

优选地，所述液位监测主机装置对所述液位监测点的监测频次为每分钟1次，监测执行时间为每分钟的整点，所述监测中继器装置的系统时间通过所述监测中继器装置与所述数据中心至少每30分钟同步一次，所述监测中继器装置与所述液位监测主机装置至少每30分钟同步一次。其中，所述通讯时间由以下公式确定：

当Level(t)＜Level_a时，t_next＝max(t_a，min(t_setup，t_max))

当Level(t)≥Level_a而且Level(t)＜Level_b时，

t_next＝max(t_b，min(t_setup，t_a))

当Level(t)≥Level_b时，t_next＝t_c

t_open＝t₁+t₂+t₃+t₃

其中，

Level(t)：t时刻的液位监测点的实际液位高度，m；

Level_a：数据中心为液位监测点设置的预警值，m；

Level_b：数据中心为液位监测点设置的报警值，m；

t_next：所述监测中继器装置下一次开启网络与服务器连接的等待时间，分钟；

t_setup：所述数据中心为所述监测中继器装置设定的下一次开启网络与服务器连接的等待时间，分钟；

t_a：液位监测点液位在正常状态下，监测中继器装置开启网络与服务器连接的最短等待时间，分钟；

t_b：液位监测点液位在预警状态下，监测中继器装置开启网络与服务器连接的最短等待时间，分钟；

t_c：液位监测点液位在报警状态下，监测中继器装置开启网络与服务器连接的最短等待时间，分钟；

t_max：监测中继器装置开启网络与服务器连接的最长等待时间，分钟；

t_open：所述监测中继器装置每次开启短距通讯模块后的等待时间，s；

t₁：所述监测中继器装置开启短距通讯模块的时间，s；

t₂：所述监测中继器装置与所述液位监测主机装置通过短距通讯方式建立连接和进行数据传输的时间，s；

t₃：所述监测中继器装置与所述液位监测主机装置的时钟最大相对误差，s；

t₄：通讯冗余保障时间，s。

优选地，所述t_a、t_b、t_c、t_max、t₁、t₂、t₃、t₄的取值分别为：

t_a：(5，60)；

t_b：(5，15)；

t_c：(0.5，2)；

t_max：(720，1440)；

t₁：(0.5，1)；

t₂：(1，4)；

t₃：(1，3)；

t₄：(0.5，2)。优选地，所述液位监测主机装置还监测所述液位监测主机装置和所述监测中继器装置的仪器信息，所述仪器信息包括液位监测传感器的原始监测信号、液位报警传感器的原始监测信号、液位监测传感器浸没水深、液位报警传感器浸没水深、主机用电池电压、中继器用电池电压、仪器故障代码，并通过所述监测中继器装置将所述仪器信息发送给所述数据中心。

优选地，所述监测数据还包括液位监测点报警状态、液位监测点的液位黄海标高、液位监测点液位距离地面的高度、液位监测点的溢流风险、液位监测点的过载倍数，

所述监测数据由如下公式确定：

L₁(t)=K₁(AD₁(t)-B₁)

L₂(t)=K₂(AD₂(t)-B₂)

当L₂(t)＜ε时，Level(t)=D-D_a-D₁+L₁(t)

当L₂(t)≥ε时，Level(t)=D-D_a+L₂(t)

Elevation(t)=H-D+Level(t)

Depth(t)=D-Level(t)

Level(t)＝D—D_a+L₂(t)

Risk(t)＝Level(t)/D

Surchage(t)＝Level(t)/D_down

其中，

L₁(亡)：t时刻的液位监测传感器浸没水深，m；

K₁：液位监测传感器的校正系数，m^-1；

AD₁(亡)：液位监测传感器的原始输出信号；

B₁：液位监测传感器的输出信号偏移量；

L₂(亡)：t时刻的液位报警传感器浸没水深，m；

K₂：液位报警传感器的校正系数，m^-1；

AD₂(t)：液位报警传感器的原始输出信号；

B₂：液位报警传感器的输出信号偏移量；

ε：液位报警传感器的启用阈值，m；

Level(t)：t时刻的液位监测点的实际液位高度，m；

D：液位监测点最大深度，m；

D_a：液位监测点安装支架底部距地面的高度，m；

D₁：液位监测点安装液位监测传感器的线缆长度，m；

Elevation(t)：t时刻的液位监测点的液位黄海标高，m；

H：液位监测点地面黄海标高，m；

Depth(t)：t时刻的液位监测点液位距离地面的高度，m；

Risk(t)：t时刻的液位监测点的溢流风险；

Surchage(t)：t时刻的液位监测点的过载倍数；

D_down：液位监测点下游连接管渠的高度，m。

优选地，所述K₁、B₁、K₂、B₂、ε的取值范围分别为：

K₁：(6000，9000)；

B₁：(400，700)；

K₂：(2000，3000)；

B₂：(400，700)；

ε：(0.05，0.3)。

优选地，所述数据中心在用户登录所述数据中心的应用程序，对所述液位监测点参数进行修改并保存后，在所述监测中继器装置下一次与服务器建立通讯时，向所述监测中继器装置发送液位监测点的液位换算参数、液位监测点的液位预警值、液位监测点的液位报警值、监测中继器装置的短信报警手机号、液位报警传感器的短信报警阈值、监测中继器装置的下一次开启网络与服务器连接的等待时间、监测中继器装置的服务器IP地址和端口号。

优选地，所述液位报警传感器测量值超过设定的短信报警阈值ε时，所述监测中继器装置直接向设定的短信报警手机号发出报警信息。

采用本发明的智能在线液位监测预警系统，其优点在于：

(1)智能在线液位监测预警系统在每分钟整点执行1次监测，液位监测主机装置与数据中心之间时间自动同步，相对误差不大于3秒，从而保证所有接入数据中心的液位监测主机装置都在同一时间点采集仪器信息与监测数据，多个仪器的数据容易统一制表、相互对比和统计分析；

(2)智能在线液位监测预警系统将液位监测主机与监测中继器装置分离，便于选择移动通讯信号良好的点安装监测中继器装置，加强了监测中继器装置与数据中心的通讯能力，同时当水淹没监测主机在1米以内时，监测主机能将数据通过监测中继器装置发送到数据中心，增强了积水数据传输和报警能力；

(3)智能在线液位监测预警系统利用预警值和报警值的设置，根据当前液位监测值智能确定数据传输频次，并在夜间自动休眠，而且如果在夜间发生意外情况，如突降大雨时，系统会自动回复到设定的频次，如此既减少了设备的联网次数，降低了通讯成本，更降低了系统功耗，延长了电池现场使用时间，减少设备维护周期和费用；

(4)智能在线液位监测预警系统可通过浏览器应用程序、手机微信服务号、手机短信等多种方式及时进行内涝事件的预警和报警，保障了报警信息的及时送达和全方位推送，有利于管理部门及人们群众科学安全的应对内涝事件；

(5)智能在线液位监测预警系统通过图形化的数据统计与查询界面降低系统操作和使用难度，设备一旦在现场安装，数据中心可自动更新设备的各类参数设置，实现软件和硬件的紧密集成，提高了系统的部署和使用效率。

附图说明

图1是本发明的智能在线液位监测预警系统的系统概念图。

图2是本发明的智能在线液位监测预警系统的总体结构图。

图3是本发明的智能在线液位监测预警系统的各元件的连接示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。以下实施方式对本发明进行更为详细的描述，但其并不限制本发明的范围。基于本实施例，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。

图1是本发明的智能在线液位监测预警系统的系统概念图。图2是本发明的智能在线液位监测预警系统的总体结构图。图3是本发明的智能在线液位监测预警系统的各元件的连接示意图。

以下，首先参照图1至图3对本发明的智能在线液位监测预警系统进行介绍。

参见图1至图3，本发明的智能在线液位监测预警系统，由数据中心D和至少一个液位监测预警子系统组成，每个液位监测预警子系统可包括液位监测点1、液位监测主机装置3和监测中继器装置2。其中，液位监测主机装置3对液位监测点I进行监测，生成监测数据，并按照可变化的传输时间间隔将监测数据传输给监测中继器装置2；监测中继器装置2接收监测数据，并按照可变化的通讯时间间隔将监测数据传输给数据中心D；数据中心D将接收的监测数据进行智能化处理，得到液位监测点状态数据，并将液位监测点状态数据实时进行显示和发布。在本发明中，可变化的通讯时间间隔为监测中继器装置下一次开启网络与服务器连接的等待时间t_next，关于t_next的计算参见随后介绍的公式。

在本发明中，液位监测点1可以为但不限于以下类型的检查井、排放口或管渠：雨水管网、污水管网、合流制管网、排水渠道、城市内部河道与湖泊、受纳水体等；以及可以为但不限于以下类型的易积水地面：城市下凹立交桥、城市道路、城市地下停车场、公共广场等。

液位监测主机装置3，包括液位报警传感器31、液位监测传感器32、监测信号处理器34、短距通讯天线35、电池(例如一次性高容量电池)33、防护外壳、固定安装支架等。其中，监测信号处理器24分别与液位监测传感器31、液位报警传感器32、短距通讯天线35、一次性高容量电池33通过连接线缆相互连接，监测信号处理器24和一次性高容量电池33密封于防护外壳里面，通过防护外壳接头将液位报警传感器31、液位监测传感器32、短距通讯天线35置于防护外壳外，防护外壳安装在固定支架上，液位报警传感器32安装在固定支架底部。

监测中继器装置2，包括信号接收与处理器22、中继短距通讯天线23、移动网络通讯天线24、电池(例如可充电电池)21、防护外壳、固定安装支架。其中，信号接收与处理器22分别与中继短距通讯天线23、移动网络通讯天线24、可充电电池21通过连接线缆相互连接。监测中继器装置2使用无线网络用于信息的传送，无线网络的传送介质包括但不限于通用分组无线服务技术(GPRS，General Packet Radio Service)或者基于码分多址(CDMA，CodeDivision Multiple Access)技术、第三代移动通讯技术(3G)、第四代移动通信技术(4G)的网络或其他的无线网络。

数据中心D包括为具有独立因特网IP地址的云服务器主机或独立计算机的数据服务器。在数据服务器上设置有对所述监测数据进行分析处理的数据传输与转发服务模块、数据统计与查询模块和数据发布模块。

其中，数据传输与转发服务模块，在数据服务器通过因特网IP地址和固定端口号监听监测中继器装置2的连接请求，在建立连接后，首先接收监测中继器装置2发送的数据包，将数据保存在本地临时数据库，然后每隔30分钟设定监测中继器装置2的时钟时间为服务器当前时间，根据应用程序需要更新监测中继器装置2的设备参数；同时，在另一个程序线程运行数据转发服务，定期将本地临时数据库中的数据转入应用数据库；

数据统计与查询模块，通过应用数据库中的数据，对监测数据进行小时、天、月的最大值、最小值、平均值等自动统计，并提供可视化的方式对监测数据和统计数据进行地图展示、曲线展示、表格展示，并可对不同监测点的数据进行对比分析，数据分析和处理可采用现有的任何数据处理技术来进行；以及

数据发布模块，利用应用数据库中的数据，实现系统自动报警，在应用软件中以不同的警戒颜色显示，同时将报警信息通过微信服务号直接推送给相关人员，同时建立数据发布的WebServicies接口，集成微博发布的API接口，便于监测数据与报警信息的及时通知和公众发布。

监测数据包括液位监测点1的实际液位高度值。其中，如果液位监测点1的实际液位高度值小于设定的预警值，液位监测主机装置3以第1传输时间间隔向所述监测中继器装置传输所述监测数据，监测中继器装置2接收液位监测主机装置3传输的监测数据，并按照第1通讯时间间隔将接收的监测数据发送给所述数据中心D。实际应用中，第1传输时间间隔在液位监测主机装置3出厂时被确定的，一般为5～15分钟。例如，当液位监测点1的实际液位高度小于预警值时，液位监测主机装置3每15分钟通过短距通讯方式向监测中继器装置2发送前15分钟获取的监测数据，监测中继器装置2每5分钟开机5秒监听并尝试接收液位监测主机装置3发送的数据。这种情况下，监测中继器装置2以每5分钟的第1通讯时间间隔将接收的监测数据发送给所述数据中心D。

如果液位监测点1的实际液位高度值大于设定的预警值且小于设定的报警值，液位监测主机装置3以第2传输时间间隔向监测中继器装置2传输所述监测数据，监测中继器装置2接收液位监测主机装置3传输的监测数据，并按照第2通讯时间间隔将接收的所述监测数据发送给数据中心D。实际应用中，第2传输时间间隔在液位监测主机装置3出厂时被确定的，一般为1～5分钟。例如，当液位监测点1的实际液位高度大于预警值并且小于报警值时，液位监测主机装置3每5分钟通过短距通讯方式向监测中继器装置2发送前5分钟获取的监测数据，监测中继器装置2每1分钟开机5秒监听并尝试接收液位监测主机装置3发送的数据。这种情况下，监测中继器装置2以每1分钟的第2通讯时间间隔将接收的监测数据发送给所述数据中心D。

如果所述液位监测点1的实际液位高度值大于设定的报警值，液位监测主机装置3以第3传输时间间隔向监测中继器装置2传输所述监测数据，监测中继器装置2接收液位监测主机装置3传输的监测数据，并按照第3通讯时间间隔将接收的监测数据发送给数据中心D。实际应用中，第1传输时间间隔在液位监测主机装置3出厂时被确定的，一般为1分钟。例如，当液位监测点1的实际液位高度大于报警值时，液位监测主机装置3每1分钟通过短距通讯方式向监测中继器装置2发送刚刚获取的监测数据，监测中继器装置2每1分钟开机5秒监听并尝试接收液位监测主机装置3发送的数据；监测中继器装置2在接收到数据后，通过移动网络通讯天线将数据发送到所述数据中心D。这种情况下，监测中继器装置2以每1分钟的第3通讯时间间隔将接收的监测数据发送给所述数据中心D。其中，通讯时间间隔由以下公式确定：

当Level(t)＜Level_a时，t_next＝max(t_a，min(t_setup，t_max))

当Level(t)≥Level_a而且Level(t)＜Level_b时，

t_next＝max(t_b，min(t_setup，t_a))

当Levelt亡)≥Level_b时，t_next＝t_c

t_open＝t₁+t₂+t₃+t₃

其中，

Level(t)：t时刻的液位监测点的实际液位高度，m；

Level_a：数据中心为液位监测点设置的预警值，m；

Level_b：数据中心为液位监测点设置的报警值，m；

t_next：监测中继器装置下一次开启网络与服务器连接的等待时间，即监测中继器装置与数据中心进行通讯的通讯时间间隔，分钟；

t_setup：数据中心为监测中继器装置设定的下一次开启网络与服务器连接的等待时间，分钟；

t_a：液位监测点液位在正常状态下，监测中继器装置开启网络与服务器连接的最短等待时间，分钟；

t_b：液位监测点液位在预警状态下，监测中继器装置开启网络与服务器连接的最短等待时间，分钟；

t_c：液位监测点液位在报警状态下，监测中继器装置开启网络与服务器连接的最短等待时间，分钟；

t_max：监测中继器装置开启网络与服务器连接的最长等待时间，分钟；

t_open：监测中继器装置每次开启短距通讯模块后的等待时间，s；

t₁：监测中继器装置开启短距通讯模块的时间，s；

t₂：监测中继器装置与液位监测主机装置通过短距通讯方式建立连接和进行数据传输的时间，s；

t₃：监测中继器装置与所述液位监测主机装置的时钟相对误差，s；

t₄：通讯冗余保障时间，s。

为保证监测中继装置每天至少和数据中心通讯一次，在低液位情况下，降低通讯频次，节省监测中继装置的电池消耗，在高液位条件下恢复高频次发送数据，保证预警报警的及时性，做到节电与及时两不误。另外，考虑到t_open的优化可以既保证每次中继与主机的通讯和数据传输任务可以顺利完成，也可以尽可能减少短距通讯模块的开启时间，节省电量，优选地，t_a、t_b、t_c、t_max、t₁、t₂、t₃、t₄的取值分别为：

t_a：(5，60)；

t_b：(5，15)；

t_c：(0.5，2)；

t_max：(720，1440)。

t₁：(0.5，1)；

t₂：(1，4)；

t₃：(1，3)；

t₄：(0.5，2)。

此外，为了节约电池电量，数据中心D可以动态设定监测中继器装置2的下次通讯时间。如，数据中心D在每天下午7：00接收到监测中继器装置2最后一个数据后，设定监测中继器装置2的下次通讯时间为720分钟。当监测点1的实际液位高度小于预警值时，监测中继器装置2与数据中心D的下次通讯时间为720分钟。在此期间，如果监测点的实际液位高度大于预警值，则通讯时间间隔自动调整为通过上述公式所确定的通讯时间。如果遇到突发情况，例如夜间突降暴雨时，监测中继器装置2会根据最新获得的监测点实际液位数据自动调整为较短的通讯频次，即上述所述的t_next计算公式中所确定的通讯频次，如，在最新监测点实际液位数据大于报警值时，监测中继器装置每隔1分钟与数据中心进行一次通讯，如此不会影响报警的及时性。

在本发明中，每个液位监测子系统中的液位监测主机装置3还采集仪器信息，对液位监测点1的监测频次为每分钟1次，监测执行时间为每分钟的整点，每分钟整点测量的好处是，可以保证多点的数据是同时测量的，时间都统一，方便多点数据的统一制表和对比分析，同时监测中继器装置2的系统时间通过监测中继器装置2与数据中心D至少每30分钟同步一次，监测中继器装置2与液位监测主机装置3至少每30分钟同步一次，从而保证所有接入数据中性的液位监测主机装置3都在同一时间点采集仪器信息和监测数据，时间相对误差不大于3秒。具体地，自动同步的过程为，每隔30分钟，在监测中继器装置2与数据中心D的服务器建立通讯时，服务器将给监测中继器装置2发送服务器当前时间，监测中继器装置2将设定当前时间为接收到的时间。同时，每隔30分钟，在液位监测主机装置3与监测中继器装置2建立通讯时，监测中继器装置2将监测中继器装置的当前时间发送给液位监测主机装置3，液位监测主机装置3设定当前时间为接收到的时间。由于每30分钟同步一次，因此可以保证液位监测主机装置3、监测中继器装置2与数据中心D的服务器的时间误差比较小，时间相对误差不大于3秒。

在本发明中，仪器信息包括但不限于以下信息：液位监测传感器的原始监测信号、液位报警传感器的原始监测信号、液位监测传感器浸没水深、液位报警传感器浸没水深、一次性高容量电池电压、可充电电池电压、仪器故障代码等，并通过监测中继器装置2将所述仪器信息发送给数据中心D。

此外，在发明中，除液位监测点的实际液位高度外，监测数据还包括液位监测点报警状态、液位监测点的液位黄海标高、液位监测点液位距离地面的高度、液位监测点的溢流风险、液位监测点的过载倍数。

监测数据由如下公式确定：

L₁(t)=K₁(AD₁(t)-B₁)

L₂(t)＝K₂(AD₂(t)-B₂)

当L₂(t)＜ε时，Level(t)＝D—D_a—D₁+L₁(t)

当L₂(t)≥ε时，Level(t)＝D—D_a+L₂(t)

Elevation(t)＝H-D+Level(t)

Depth(t)＝D—Level(t)

Level(t)＝D—D_a+L₂(t)

Risk(t)＝Level(t)/D

Surchage(t)＝Level(t)/D_down

其中，

L₁(t)：t时刻的液位监测传感器浸没水深，m；

K₁：液位监测传感器的校正系数；m^-1；

AD₁(t)：液位监测传感器的原始输出信号；

B₁：液位监测传感器的输出信号偏移量；

L₂(t)：t时刻的液位报警传感器浸没水深，m；

K₂：液位报警传感器的校正系数；m^-1；

AD₂(t)：液位报警传感器的原始输出信号；

B₂：液位报警传感器的输出信号偏移量；

ε：液位报警传感器的启用阈值，m；

Level(t)：t时刻的液位监测点的实际液位高度，m；

D：液位监测点最大深度，m；

D_a：液位监测点安装支架底部距地面的高度，m；

D₁：液位监测点安装液位监测传感器的线缆长度，m；

Elevation(t)：t时刻的液位监测点的液位黄海标高，m；

H：液位监测点地面黄海标高，m；

Depth(t)：t时刻的液位监测点液位距离地面的高度，m；

Risk(t)：t时刻的液位监测点的溢流风险；

Surchage(t)：t时刻的液位监测点的过载倍数；

D_down：液位监测点下游连接管渠的高度，m。

为了准确计算液位数据，以及为了防止液位监测传感器由于外部气压条件或液位监测传感器长期带压运行产生零点偏移产生微小的测量误差，或者液位报警传感器刚被浸没时或收到外部条件变化，测到的微小液位(压力传感器的原理是测量值越高相对误差越小)造成的测量值影响。优选地，K₁、B₁、K₂、B₂、ε的取值范围分别为：

K₁：(6000，9000)；

B₁：(400，700)；

K₂：(2000，3000)；

B₂：(400，700)；

ε：(0.05，0.3)。

根据上述所讨论的监测数据的计算公式，当液位报警传感器31浸没水深低于ε时，优选ε为0.2米时，通过液位监测传感器32的原始监测信号和安装位置来计算监测数据，当液位报警传感器31浸没水深大于等于ε时，优选ε为0.2米时，通过液位报警传感器31的原始监测信号和安装位置来计算监测数据。

当液位报警传感器浸没水深在24小时内第1次持续n分钟大于等于ε时，由于液位监测传感器长期浸没在水中，长时间运行后会产生零点偏移和斜率偏移，而液位报警传感器由于长期在空气中，不受压，因此工控条件好。而且，液位报警传感器的比液位监测传感器的量程小，测量精度更高。因此，可以在液位报警传感器被淹没后，利用液位报警测的实际液位和原始监测信号进行计算，校正K₁、B₁，即数据中心利用连续n分钟监测数据与液位监测传感器的同期原始监测信号按如下公式进行计算，自动修正所述液位监测传感器的液位校正系数K₁与输出信号偏移量B₁：

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{AD}}_1}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{n-1}{\mathrm{AD}}_1(t-i)}{n}$

$\stackrel{\‾}{L_2}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{n-1}{L}_2(t-i)}{n}$

$K_1=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{n-1}{(L_2(t-i)-\stackrel{\‾}{L_2})}^2}{{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{n-1}(L_2(t-i)-\stackrel{\‾}{L_2})({\mathrm{AD}}_1(t-i)-\stackrel{\‾}{{\mathrm{AD}}_1})}$

$B_1=\stackrel{\‾}{{\mathrm{AD}}_1}-K_1(\stackrel{\‾}{L_2}+D_1)$

n：液位报警传感器浸没水深大于等于ε的持续分钟数。

液位监测传感器的原始输出信号在(t-n-1,t)之间的平均值；

t液位报警传感器浸没水深在(t-n-1,t)之间的平均值，m；

n的取值范围是：(5，10)。

此外，为实现所述液位监测子系统所采集数据的同步性，数据中心D向监测中继器装置2发送液位监测点的液位换算参数，包括液位监测传感器的校正系数K₁、液位监测传感器的输出信号偏移量B₁、液位报警传感器的校正系数K₂、液位报警传感器的输出信号偏移量B₂、液位监测点的液位预警值Level_a、液位监测点的液位报警值Level_b、监测中继器装置的短信报警手机号、液位报警传感器的启用阈值ε、监测中继器装置2的下次网络通讯时间t_next、监测中继器装置2的服务器IP地址和端口号。一般，液位预警值可根据液位监测点的实际情况来确定，其低于液位报警值，液位报警值可为液位距离液位监测点的最高处的0.5米～1.0米的换算值，如为监测液位距离井口0.5～1.0米的换算值。液位报警传感器的启用阈值根据实际情况而设定，可以与液位报警值一致，也可以不一致。在实际中，短信报警手机号、液位预警值和液位报警值可以根据需要动态变更。

优选地，当液位报警传感器的浸没水深超过设定的短信报警阈值时，监测中继器装置直接向设定的短信报警手机号发出报警短信。

下面以某污水管网的液位监测点为例对本发明的智能在线液位监测预警系统的工作原理进行示例性说明。

选择北京市海淀区某建筑物旁的污水井作为液位监测点安装和实施本发明所述的智能在线液位监测预警系统，该液位监测点的井深为3.2米，污水管直径为0.6米，安装液位监测点前水深为1.4米。

(1)首先，将监测信号处理器、液位监测传感器、液位报警传感器、短距通讯天线、一次性高容量电池通过连接线缆相互连接，将监测信号处理器、一次性高容量电池密封于防护外壳里面，通过防护外壳接头将短距通讯天线、液位监测传感器、液位报警传感器置于防护外壳外。在液位监测点所在污水井地面下约20厘米的位置打孔，将固定安装支架安装在孔处，以悬挂在污水井内侧，将防护外壳置于固定安装支架，组成液位监测主机装置。调节液位监测传感器的离井口地面高度为2.6米，液位报警传感器的离井口地面高度为0.52米。

(2)其次，将信号接收与处理器分别与中继短距通讯天线、移动网络通讯天线、可充电电池通过连接线缆相互连接，将信号接收与处理器、可充电电池密封于中继防护外壳里面，通过中继防护外壳接头将中继短距通讯天线、移动网络通讯天线置于中继防护外壳外。利用中继固定安装支架将中继防护外壳固定在污水井旁边10米距离的路灯杆上，组成监测中继器装置。

(3)再次，在数据服务器上部署数据传输与转发服务模块、数据统计与查询模块、数据发布功能模块，组成数据中心。

通过数据中心的软件界面添加上述液位监测点、液位监测主机装置、

监测中继器装置的初始化信息。初始化信息包括：

D：液位监测点最大深度，3.24m；

D_a：液位监测点安装支架底部距地面的高度，0.52m；

D₁：液位监测点安装液位监测传感器的线缆长度，1.91m；

H：液位监测点地面黄海标高，52m；

D_down：液位监测点下游连接管渠的高度，0.3m；

K₁：液位监测传感器的校正系数，7250m^-1；

K₂：液位报警传感器的校正系数，2231m^-1；

B₁：液位监测传感器的输出信号偏移量，566；

B₂：液位报警传感器的输出信号偏移量，533；

ε：液位报警传感器的启用阈值，0.1m；

Level_a：数据中心为液位监测点设置的预警值，1.8m；

Level_b：数据中心为液位监测点设置的报警值，2.2m；

短信报警手机号：5个相关人员的手机号码。

在初始情况下，监测中继器装置每5分钟尝试从数据中心请求设备配置参数和当前时间，液位监测主机装置每5分钟尝试从监测中继器装置获取配置参数和当前时间。在约10分钟后，监测中继器装置向数据中心传回一组有效的监测数据，最新监测水深数据的值为1.42米，与当前污水井内实际液位基本一致。

(4)系统在之后1个月的运行过程中，每分钟整点监测1次污水井的水深值。当监测的液位监测点的水深小于设定预警值1.8米时，监测中继器装置每15分钟向数据中心发送一次数据，在晚上7:00到第二天早晨7：00之间不发送数据，在第二天早晨7:00分批向数据中心传输历史数据，约在5分钟内完成历史数据传输；当监测水深大于设定预警值1.8米小于设定报警值2.2米时，监测中继器装置每5分钟向数据中心发送一次数据；当监测水深大于设定报警值2.2米时，监测中继器装置每1分钟向数据中心发送一次数据，在监测水深首次超过2.8米，即液位报警传感器的浸没水深高于启用阈值后，设备设置的报警手机号会及时收到报警短信，通过微信服务号关注该设备的用户也几乎同时收到微信报警信息，同时登录浏览器应用程序也可以查看该条报警信息。

通过数据中心的浏览器应用程序界面，可以使用程序设定的用户名和密码随时随地的通过网页浏览器登录应用程序，方便地查看最新的监测数据，对监测数据进行小时、天、月的最大值、最小值、平均值等数据统计，通过可视化的方式对监测数据和统计数据进行地图展示、曲线展示、表格展示，方便用户随时查看该液位监测点的水位情况，了解该污水井最近是否存在溢流风险，防止溢流情况的发生。

综上可知，本发明的智能在线液位监测预警系统具有分钟级稳定监测、及时报警、可靠智能等特征，实现了监测设备与数据中心的时间同步和设置参数同步，实现了报警信息的短信和微信推送，实现了方便的用户查询和统计分析软件界面。利用本发明的智能在线液位监测预警系统，不仅可以实现高频次的液位在线监测，满足排水管网长期运行规律及典型积水事件的分析，也可以提前预判排水系统的溢流风险，进行溢流或内涝事件预警报警信息的及时推送和发布。

Claims (8)

1.一种智能在线液位监测预警系统，由数据中心和至少一个液位监测预警子系统组成，其特征在于，所述液位监测预警子系统包括:

液位监测点；

液位监测主机装置，对所述液位监测点进行在线监测，生成连续监测数据，并按照可变化的传输时间间隔将所述监测数据传输给监测中继器装置；

监测中继器装置，接收所述监测数据，并按照可变化的通讯时间间隔将所述监测数据传输给数据中心；

数据中心，将接收的监测数据进行处理，得到液位监测点状态数据，并将所述液位监测点状态数据实时进行显示和发布；

所述液位监测主机装置对所述液位监测点的监测频次为每分钟1次，监测执行时间为每分钟的整点，所述监测中继器装置的系统时间通过所述监测中继器装置与所述数据中心至少每30分钟同步一次，所述液位监测主机装置的系统时间通过所述液位监测主机装置与所述监测中继器装置至少每30分钟同步一次；

所述液位监测主机装置还监测所述液位监测主机装置和所述监测中继器装置的仪器信息，所述仪器信息包括液位监测传感器的原始监测信号、液位报警传感器的原始监测信号、液位监测传感器浸没水深、液位报警传感器浸没水深、主机用电池电压、中继器用电池电压、仪器故障代码，并通过所述监测中继器装置将所述仪器信息发送给所述数据中心。

2.根据权利要求1所述的智能在线液位监测预警系统，其特征在于，

所述液位监测主机装置包括液位监测传感器、液位报警传感器、监测信号处理器、短距通讯天线、主机用电池、防护外壳、固定安装支架，所述监测信号处理器分别与所述液位监测传感器、液位报警传感器、短距通讯天线、主机用电池通过连接线缆相互连接；

所述监测中继器装置包括信号接收与处理器、中继短距通讯天线、移动网络通讯天线、中继器用电池、中继防护外壳、中继固定安装支架，所述信号接收与处理器分别与所述中继短距通讯天线、移动网络通讯天线、中继器电池通过连接线缆相互连接；以及

所述数据中心包括为具有独立因特网IP地址的云服务器主机或独立计算机的数据服务器，在所述数据服务器上设置有对所述监测数据进行分析处理的数据传输与转发服务模块、数据统计与查询模块和数据发布模块。

3.根据权利要求1所述的智能在线液位监测预警系统，其特征在于，所述监测数据包括液位监测点的实际液位高度值，其中,

如果所述液位监测点的实际液位高度值小于设定的预警值，则所述液位监测主机装置以第1传输时间间隔向所述监测中继器装置传输所述监测数据，所述监测中继器装置接收所述液位监测主机装置传输的监测数据，并按照第1通讯时间间隔将接收的所述监测数据发送给所述数据中心；

如果所述液位监测点的实际液位高度值大于设定的预警值且小于设定的报警值，则所述液位监测主机装置以第2传输时间间隔向所述监测中继器装置传输所述监测数据，所述监测中继器装置接收所述液位监测主机装置传输的监测数据，并按照第2通讯时间间隔将接收的所述监测数据发送给所述数据中心；

如果所述液位监测点的实际液位高度值大于设定的报警值，则所述液位监测主机装置以第3传输时间间隔向所述监测中继器装置传输所述监测数据，所述监测中继器装置接收所述液位监测主机装置传输的监测数据，并按照第3通讯时间间隔将接收的所述监测数据发送给所述数据中心；

其中，所述通讯时间由以下公式确定：

当Level(t)＜Level_a时，t_next＝max(t_a,min(t_setup,t_max))

当Level(t)≥Level_a而且Level(t)＜Level_b时，

t_next＝max(t_b,min(t_setup,t_a))

当Level(t)≥Level_b时，t_next＝t_c

t_open＝t₁+t₂+t₃+t₃

其中，

Level(t)：t时刻的液位监测点的实际液位高度，m；

Level_a：数据中心为液位监测点设置的预警值，m；

Level_b：数据中心为液位监测点设置的报警值，m；

t_next：所述监测中继器装置下一次开启网络与服务器连接的等待时间，分钟；

t_setup：所述数据中心为所述监测中继器装置设定的下一次开启网络与服务器连接的等待时间，分钟；

t_a：液位监测点液位在正常状态下，监测中继器装置开启网络与服务器连接的最短等待时间，分钟；

t_b：液位监测点液位在预警状态下，监测中继器装置开启网络与服务器连接的最短等待时间，分钟；

t_c：液位监测点液位在报警状态下，监测中继器装置开启网络与服务器连接的最短等待时间，分钟；

t_max：监测中继器装置开启网络与服务器连接的最长等待时间，分钟；

t_open：所述监测中继器装置每次开启短距通讯模块后的等待时间，s；

t₁：所述监测中继器装置开启短距通讯模块的时间，s；

t₂：所述监测中继器装置与所述液位监测主机装置通过短距通讯方式建立连接和进行数据传输的时间，s；

t₃：所述监测中继器装置与所述液位监测主机装置的时钟最大相对误差，s；

t₄：通讯冗余保障时间，s。

4.根据权利要求1所述的智能在线液位监测预警系统，其特征在于，

所述监测数据还包括液位监测点报警状态、液位监测点的液位黄海标高、液位监测点液位距离地面的高度、液位监测点的溢流风险、液位监测点的过载倍数，

所述监测数据由如下公式确定：

L₁(t)＝K₁(AD₁(t)-B₁)

L₂(t)＝K₂(AD₂(t)-B₂)

当L₂(t)＜ε时，Level(t)＝D-D_a-D₁+L₁(t)

当L₂(t)≥ε时，Level(t)＝D-D_a+L₂(t)

Elevation(t)＝H-D+Level(t)

Depth(t)＝D-Level(t)

Level(t)＝D-D_a+L₂(t)

Risk(t)＝Level(t)/D

Surchage(t)＝Level(t)/D_down

其中，

L₁(t)：t时刻的液位监测传感器浸没水深，m；

K₁：液位监测传感器的校正系数，m^-1；

AD₁(t)：液位监测传感器的原始输出信号；

B₁：液位监测传感器的输出信号偏移量；

L₂(t)：t时刻的液位报警传感器浸没水深，m；

K₂：液位报警传感器的校正系数，m^-1；

AD₂(t)：液位报警传感器的原始输出信号；

B₂：液位报警传感器的输出信号偏移量；

ε：液位报警传感器的启用阈值，m；

Level(t)：t时刻的液位监测点的实际液位高度，m；

D：液位监测点最大深度，m；

D_a：液位监测点安装支架底部距地面的高度，m；

D₁：液位监测点安装液位监测传感器的线缆长度，m；

Elevation(t)：t时刻的液位监测点的液位黄海标高，m；

H：液位监测点地面黄海标高，m；

Depth(t)：t时刻的液位监测点液位距离地面的高度，m；

Risk(t)：t时刻的液位监测点的溢流风险；

Surchage(t)：t时刻的液位监测点的过载倍数；

D_down：液位监测点下游连接管渠的高度，m。

5.根据权利要求4所述的智能在线液位监测预警系统，其特征在于，所述K₁、B₁、K₂、B₂、ε的取值范围分别为：

K₁：(6000，9000)；

B₁：(400，700)；

K₂：(2000，3000)；

B₂：(400，700)；

ε：(0.05，0.3)。

6.根据权利要求1至5任一项所述的智能在线液位监测预警系统，其特征在于，所述数据中心在用户登录所述数据中心的应用程序，对所述液位监测点参数进行修改并保存后，在所述监测中继器装置下一次与服务器建立通讯时，向所述监测中继器装置发送液位监测点的液位换算参数、液位监测点的液位预警值、液位监测点的液位报警值、监测中继器装置的短信报警手机号、液位报警传感器的短信报警阈值、监测中继器装置的下一次开启网络与服务器连接的等待时间、监测中继器装置的服务器IP地址和端口号。

7.根据权利要求3所述的智能在线液位监测预警系统，其特征在于，

所述t_a、t_b、t_c、t_max、t₁、t₂、t₃、t₄的取值分别为：

t_a：(5，60)；

t_b：(5，15)；

t_c：(0.5，2)；

t_max：(720，1440)；

t₁：(0.5，1)；

t₂：(1，4)；

t₃：(1，3)；

t₄：(0.5，2)。

8.根据权利要求7所述的智能在线液位监测预警系统，其特征在于，

所述液位报警传感器测量值超过设定的短信报警阈值ε时，所述监测中继器装置直接向设定的短信报警手机号发出报警信息。