一种融合物联网与互联网的城市智慧水务预警系统及方法

本发明涉及水务监测预警技术，属于市政工程、环境系统模拟预测技术与计算机技术交叉领域。

背景技术：

1、水是城市基础性自然资源和战略性经济资源，是城市生态与环境的重要控制性要素；城市水务不仅是城市经济社会发展的命脉。也是实现城市可持续发展的重要环节。随着经济的发展和城市化进程的加快，水资源合理利用已经成为城市发展不可回避的重要问题，在城市化过程中，水务企业也普遍感受到越来越大的挑战，现有的城市水务系统存在的不足可归结为以下几点：

2、①现有的水务监测技术人为影响因素多，观测精度及可靠性难以保证，观测效率低下，站网密度不足，监测频次低且以单点采集为主，手段单一、被动，无法全面、真实、准确地反映感知全貌，数据的连续性、精度和稳定性都有待进一步提高，信息感知体系不完善造成了基础数据的不完整，不能满足业务应用的需求；②河湖水系、地形地貌、水利工程、历史数据等基础数据仍停留在纸质化、碎片化的状态，没有建立系统全面的数字化数据库；③水利主管部门和各级业务部门之间分别建立和独立运行单级系统已成常态，致使水利大数据信息不能充分的共享，容易形成信息孤岛，极不利于区域性统筹和决策系统作用的发挥。

技术实现思路

1、针对现有城市水务系统存在的问题，本发明提供一种融合物联网与互联网的城市智慧水务预警系统及方法。

2、本发明的一个方面，提供一种融合物联网与互联网的城市智慧水务预警系统，包括感知层、通讯层、数据层和决策层；

3、感知层，基于物联网技术，构建覆盖水源地、管网隧道、水厂和河道采集点的天空地一体化水利物联网感知体系，利用压力传感器、液位计、流量计、雨量计、视频监控、地下管线探地雷达、管线精确定位电子标识设备，结合无人机倾斜摄影、卫星遥感影像第三方数据实现大量多源数据的采集；

4、通讯层，用于将感知层采集的大量多源数据发送至数据层，在互联网、局域网、窄带通信基础通讯网络传输环境的基础上，利用交换设备、防火墙网络设备，包括应用服务器、数据库服务器、模型服务器和备份服务器，并结合2/3/4/5g网络通信构建适应智慧水务的综合通讯层；

5、数据层，根据采集的大量多源数据构建包括基础数据库、水情数据库、工情数据库、水质数据库、管理数据库和遥感数据库的城市水务水情数据库；数据层用于数据资源的统一组织和管理，实现数据的标准化和统一表达，为数据交换、综合应用、大数据决策分析提供支撑；

6、决策层，用于对感知层所采集的大量多源数据分析决策，根据每类数据库对所有采集点进行水质预测，当预测结果超限时，结合bim平台(主要提供工程建筑物几何与属性信息)和gis平台(主要提供宏观地理信息)进行显示报警。

7、优选地，还包括应用层，直接面对用户的部分，实现统一的组织机构及用户管理和权限管理，通过单点登录、功能集成和消息集成的方式，实现系统各层在门户框架内的集成协同。

8、优选地，水源地包括地下水、水库；管网隧道包括城市排水管网、下穿隧道、重点用水厂、重点排水户；水厂包括：自来水厂、污水处理厂排污口；河道包括重点河流断面。

9、优选地，基础数据库存储排水管网结构、河道物理信息、监测设备安放位置，所述河道物理信息包括宽度、长度；

10、水情数据库存储液位计、流量计、压力传感器采集的信息；

11、工情数据库存储雨量计、温度计采集的信息；

12、水质数据库存储在线水质监测设备、管道机器人采集的信息；

13、管理数据库存储视频监控采集的信息；

14、遥感数据库存储无人机倾斜摄影、遥感卫星采集的信息。

15、本发明的另一个方面，提供一种融合物联网与互联网的城市智慧水务预警方法，基于所述的一种融合物联网与互联网的城市智慧水务预警系统实现，该方法包括：

16、s1、在感知现场布设压力传感器、液位计、流量计、雨量计、视频监控、地下管线探地雷达、管线精确定位电子标识设备，结合无人机倾斜摄影、卫星遥感影像第三方数据实现大量多源数据的采集，并无线传输至数据层；

17、s2、对s1采集的大量多源数据构建基础数据库、水情数据库、工情数据库、水质数据库、管理数据库和遥感数据库；

18、s3、结合bim平台和gis平台，运用大数据分析，对每类数据库的数据进行基于大数据和深度学习算法的预警分析运算，得出分析结果，将分析结果发给决策层；

19、s4、当分析结果超过预警指标阈值时，进行平台显示，并报警，将预警指令输出反馈给采集点。

20、优选地，步骤s1之后先执行如下步骤：

21、预处理步骤，对感知层采集的数据通过多源数据融合衍生、特征工程或异常值缺失值填补手段进行优化，再执行s2构建数据库步骤。

22、优选地，预警指标阈值从地表水环境质量标准数值表中查询获取。

23、本发明的有益效果：本发明系统运用天空地一体化水利物联网感知体系，可以有效覆盖城市排水管网、下穿隧道、重点河流断面、地下水、自来水厂、水库、重点用水户、重点排水户、污水处理厂排污口等重点城市水务检测对象。在系统覆盖范围内，对水质污染和洪涝灾害等问题进行感知分析预警，能够尽早地对问题采取应对策略，防止未及时发现问题而产生更严重的后果。通过利用不同类型的传感器设备，可实现全过程、自动化、实时感知城市水务信息，并构建各类数据库，用于科学研究。

24、本发明突破传统的水务监测技术覆盖面小、缺乏智慧分析研判能力的瓶颈，充分考虑城市水务应急响应需求。运用物联网与互联网技术，通过高性能智能传感器组件、无线传输网络和信号采集系统，采用多参量、多传感组件，数据智能处理与数据动态管理方法构建出一套经济、实用、高效、智能的城市智慧水务应急响应系统，实现城市水务多维化立体感知与危险预警，对于城市水务治理具有重要的现实意义。

25、本发明的核心发明效果主要体现在以下5点：

26、(1)提出了一种基于大数据技术的城市智慧水务应急响应系统，实现了对城市水系统的污染风险和洪涝灾害等问题实时预警，突破传统的水务监测技术覆盖面小、缺乏智慧分析研判能力的瓶颈；

27、(2)提出了天空地一体化水利物联网感知体系，利用多类实时在线监测设备，结合遥感影像第三方数据，做到软技术与硬设备“软硬一体”结合，实现水务监测数据的自动采集和无线传输；

28、(3)本发明通过数据集成手段将采集的多源数据划分为多类基础数据库，实现数据的标准化和统一表达，为数据交换、综合应用、大数据决策分析提供支撑；

29、(4)本发明运用多种机器学习数据分析手段，充分挖掘数据资源?；诖笫莺蜕疃妊八惴ń性ぞ治鲈怂?，实现水务要素最优化调度和应急响应；

30、(5)本发明结合bim平台和gis平台，构建多功能智能化决策组群，用“一张图”实现城市水务要素全信息覆盖，支撑城市水系统精准科学决策。

技术特征：

1.一种融合物联网与互联网的城市智慧水务预警系统，其特征在于，包括感知层、通讯层、数据层和决策层；

2.根据权利要求1所述一种融合物联网与互联网的城市智慧水务预警系统，其特征在于，还包括应用层，直接面对用户的部分，实现统一的组织机构及用户管理和权限管理，通过单点登录、功能集成和消息集成的方式，实现系统各层在门户框架内的集成协同。

3.根据权利要求1所述一种融合物联网与互联网的城市智慧水务预警系统，其特征在于，水源地包括地下水、水库；管网隧道包括城市排水管网、下穿隧道、重点用水厂、重点排水户；水厂包括：自来水厂、污水处理厂排污口；河道包括重点河流断面。

4.根据权利要求1所述一种融合物联网与互联网的城市智慧水务预警系统，其特征在于，基础数据库存储排水管网结构、河道物理信息、监测设备安放位置，所述河道物理信息包括宽度、长度；

5.一种融合物联网与互联网的城市智慧水务预警方法，基于权利要求1至4任一权利要求所述的一种融合物联网与互联网的城市智慧水务预警系统实现，其特征在于，该方法包括：

6.根据权利要求5所述一种融合物联网与互联网的城市智慧水务预警方法，其特征在于，步骤s1之后先执行如下步骤：

7.根据权利要求5所述一种融合物联网与互联网的城市智慧水务预警方法，其特征在于，预警指标阈值从地表水环境质量标准数值表中查询获取。

技术总结
一种融合物联网与互联网的城市智慧水务预警系统及方法，属于水务监测预警领域，本发明为解决现有城市水务系统存在的问题。本发明包括感知层、通讯层、数据层和决策层；感知层，基于物联网技术，构建覆盖水源地、管网隧道、水厂和河道采集点的天空地一体化水利物联网感知体系，采集多源数据；通讯层，用于将感知层采集的大量多源数据发送至数据层；数据层，根据采集的大量多源数据构建包括基础数据库、水情数据库、工情数据库、水质数据库、管理数据库和遥感数据库的城市水务水情数据库；决策层，用于对感知层所采集的大量多源数据分析决策，根据每类数据库对所有采集点进行水质预测，当预测结果超限时，结合BIM平台和GIS平台进行显示报警。

技术研发人员：马成涛,田禹,邱颉,赵睿堃,张芷琪,李伟利,赵天瑞,任南琪
受?；さ募际跏褂谜撸?/b>哈尔滨工业大学水资源国家工程研究中心有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/24