一种城市轨道交通地下综合体智能化水灾自动监测系统

技术领域

本发明属于城下地下空间水灾监测技术领域，具体涉及一种城市轨道交通地下综合体智能化水灾自动监测系统。

背景技术

随着城市化进程的快速推进，由于地面土地资源有限，常常成为限制一个城市发展的制约因素。城市轨道交通的迅猛发展给城市的发展轨迹探寻出了一条新的道路，在一些大中城市，地下轨道交通线网的汇集往往会形成集综合开发为一体的城市地下综合体，为城市的纵向发展提供可延伸性。

基于轨道交通的地下综合体往往延伸至地下两至三层，较地面标高较低，而且一般为地下半封闭空间，因此洪涝灾害的风险较高，尤其在雨季多发的南方城市。例如2020年4月，由于连夜超强暴雨导致排污水管爆裂，在建的长沙地铁三号线烈士陵园东站4号出入口基坑内出现大量涌水，所幸抢修及时，并未造成人员伤亡；2020年5月22日，由于强降雨天气，广州地铁13号线发生雨水倒灌事件，被迫停运等等。因此，基于轨道交通基础的城市地下综合体往往存在雨水倒灌、渗水、漏水、水管爆裂等水灾发生的潜在风险。

但是在城市地下综合体目前的水灾监测措施中，监测手段并不完善，监测内容不能涵盖造成水灾发生的众多因素，在前期设计过程中往往只会针对水灾发生后配备一些排水设备，如排水泵，或是在区间与车站间设防淹门，以防止区间内管道大量泄漏而发生漏水侵淹车站；还有在BAS系统中接入给排水系统、消防系统的监测，多涉及有效排水的内容。相关的一些水灾监测在矿井应用中也较多，但矿井监测多采用普通传感技术，数据采集精度没有分布式光纤精度高，且并没有对于监测数据进行基于阈值分割的详细分析计算，无法及时掌控水位及断面流速的实时变化，监测不完善，监测方式也不适用于基于轨道交通的城市地下综合体复杂环境特征。基于轨道交通城市地下综合体体系，在目前针对水灾发生的预警监测中，对于水灾发生的趋势实时监测手段几乎没有，在该领域内设计考虑较少，配套监测系统落后，多为人为的去巡检、调度。

综上，基于轨道交通的城市地下综合体对于水灾监测主要存在以下问题：1)监测设备不完善，监测信息滞后，无法做到智能识别、准确判断、精准施策；2)对于基于城市轨道交通地下综合体水灾易发生的监测位置并没有细致入微的研究，很多设备只是布置在标高较低的低洼点，并没有对综合体周围及内部所有导致水灾的方位进行全面的监测；3)监测机制不完善，大多只考虑水灾发生后的排水措施以及对于排水的有效性监测，而对综合体人员出入口、轨行区、排水沟、集水井、水泵房等区域现场水位的实时监测手段几乎没有，不能实现全方位、全天候的精准监测及水灾预测。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求中的一种或者多种，本发明提供了一种城市轨道交通地下综合体智能化水灾自动监测系统，采用现场感知设备、数据处理设备、计算分析设备以及可视化展示设备，可全方位、全天候进行水灾智能监测和预警，在水灾发生前有效进行现场调度指挥，将设备及人员损失降到最低。

为实现上述目的，本发明提供一种城市轨道交通地下综合体智能化水灾自动监测系统，包括现场感知设备、数据处理设备、计算分析设备以及可视化展示设备；

所述现场感知设备包括设于综合体内的全自动水位流量计、光纤光栅液位计以及红外视频摄像机；所述现场感知设备安装在综合体地势较低处出入口及综合体内轨行区、水泵房、集水井、排水沟和/或集水口位置；

所述数据处理设备包括水位流量计交换机、光纤光栅解调仪、摄像头交换机、水灾核心交换机以及NVR硬盘录像机；所述水位流量计交换机的水流数据，所述光纤光栅解调仪的水压数据以及所述摄像机交换机的水位数据，都传输至所述水灾核心交换机，该水灾核心交换机将汇集、处理的数据传输给所述计算分析设备；

所述计算分析设备包括监测数据分析计算服务器和联动报警器，两者联动可预警水灾灾害信息。

作为本发明的进一步改进，所述水位流量计交换机留有若干个供全自动水位流量计连接的端口，且每个端口上使用相同的转发或过滤逻辑，构建全自动水位流量计监测数据的局域网，实现全自动水位流量计监测数据的汇集、传输。

作为本发明的进一步改进，所述光纤光栅解调仪设定有水位阈值，当水位变化量超过阈值时，该光纤光栅解调仪上搭载的算法识别程序向监测数据分析计算服务器推送对应等级的预警数据信息。

作为本发明的进一步改进，所述摄像机交换机留有若干个供红外视频摄像机传输数据连接的端口，各端口使用相同的转发或过滤逻辑，构建红外视频摄像机监测数据的局域网，实现水位监测数据的汇集、传输。

作为本发明的进一步改进，所述NVR硬盘录像机用于输入来自水灾核心交换机的视频数据流，其支持多路高清视频图像接入，通过NVR技术实现高清视频图像信息的集中管理和实时存储。

作为本发明的进一步改进，所述NVR硬盘录像机还支持视频图像的远程管理、视频图像的预览分析以及千兆网口视频图像数据的实时上传、本地预览、视频录像回放功能。

作为本发明的进一步改进，所述监测数据分析计算服务器设定有阈值管理模块，若传输数据超过阈值，则会传输报警信息给联动报警器发生警报。

作为本发明的进一步改进，水位标尺与所述红外视频摄像机配套使用，安装在综合体出入口与路面齐平处，实现综合体出入口及轨行区水位高度信息采集。

作为本发明的进一步改进，所述光纤光栅液位计呈阵列式分布，除了安装于多条地铁线路汇聚的城市地下综合体，还安装于每条线路对应车站的两端，并通过光缆实现中间数据的传输流通。

作为本发明的进一步改进，所述数据处理设备和计算分析设备布置在地下综合体综合监控室内，所述可视化展示设备布置在车控室内。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明的城市轨道交通地下综合体智能化水灾自动监测系统，包括现场感知设备、数据处理设备、计算分析设备、可视化展示设备；采用光纤水位监测结合红外图像探测对现场水位精准识别，在不易部署图像探测的关键部位安装高精度光纤水位仪以完成在线监测水位数值，采用深度学习提供准确的水位报警信息，完成光纤水位传感和视频监控融合的地下综合体水灾在线自动监测，同时利用高精度光纤对现场监测信息进行传输，并利用NVR高清智能录像机对视频数据进行存储记录，可实现日后数据的调用，传输数据最终汇入综合体综合监测室，形成综合体内水位监测的实时掌控及紧急状况下的报警联动机制。本发明基于轨道交通的城市地下综合体全方位、全天候的水灾智能监测，并通过水灾演变的算法行为分析，推演水位演变趋势，实现预警联动机制，在水灾发生前有效进行现场调度指挥，将设备及人员损失降到最低。

附图说明

图1为本发明实施例的城市轨道交通地下综合体智能化水灾自动监测系统涉及的网络传输拓扑图；

图2为本发明实施例的城市轨道交通地下综合体智能化水灾自动监测系统涉及的轨行区监测设备布置图；

图3为本发明实施例的城市轨道交通地下综合体智能化水灾自动监测系统涉及的数据传输流程图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-全自动水位流量计、2-光纤光栅液位计、3-红外视频摄像机、4-水位流量计交换机、5-光纤光栅解调仪、6-摄像头交换机、7-水灾核心交换机、8-NVR硬盘录像机、9-监测数据分析计算服务器、10-联动报警器、11-可视化展示设备。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

图1为本发明实施例的城市轨道交通地下综合体智能化水灾自动监测系统涉及的网络传输拓扑图；图2为本发明实施例的城市轨道交通地下综合体智能化水灾自动监测系统涉及的轨行区监测设备布置图；图3为本发明实施例的城市轨道交通地下综合体智能化水灾自动监测系统涉及的数据传输流程图。结合图1至图3，本发明的城市轨道交通地下综合体智能化水灾自动监测系统，包括现场感知设备、数据处理设备、计算分析设备、可视化展示设备以及中间数据传输网络。现场感知设备包括设于隧道内的全自动水位流量计1、光纤光栅液位计2、红外视频摄像机3；数据处理设备包括水位流量计交换机4、光纤光栅解调仪5、摄像头交换机6、水灾核心交换机7、NVR硬盘录像机8；计算分析设备包括监测数据分析计算服务器9、联动报警器10；数据处理设备和计算分析设备布置在地下综合体综合监控室内，可视化展示设备布置在车控室内。

具体地，全自动水位流量计1安装在综合体地势较低处出入口及综合体内轨行区、水泵房、集水井、排水沟、集水口等位置，并标定安装高度；全自动水位流量计1用于将监测数据传输至水位流量计交换机4。综合体出入口安装的全自动水位流量计1主要监测对象为综合体周边水位元素，如河涌洪水、高强度降雨、市政管网排水等，预防由于大范围水流造成外部水倒灌进综合体内部空间的现象；轨行区内设置的全自动水位流量计1主要监测由于污水管破裂、排水系统堵塞、排水不及时、隧道开裂渗水造成的大断面水流流速及流量，并将监测的水流流速、流量数据传输至水位流量计交换机4。

优选地，全自动水位流量计1按照综合体水灾计算模型，布置在包括但不限于风险最大出入口处，具体可根据地域特点的水灾模型分析及灾害推理机制，灵活布置。

进一步优选地，全自动水位流量计1为接触式的基于微波震荡技术的水位流量计，内部装有高精度流速传感探头，通过水流实况测量水体的流速和水位，根据内置的软件算法，计算并输出实时断面流量及累计流量。

水位流量计交换机4留有若干个供全自动水位流量计1连接的端口，且交换机在每个端口上都使用相同的转发或过滤逻辑，构建全自动水位流量计监测数据的局域网，实现全自动水位流量计监测数据的汇集、传输。

进一步地，光纤光栅液位计2安装于综合体排水沟集水口、集水井、水泵房等位置，并标定安装高度。光纤光栅液位计2内部装有基于微传感技术的光纤光栅液位传感器，可对监测点的水压进行监测，主要针对地铁区间因水管爆裂、隧道管片接驳点开裂渗水、排水不及时等导致的涌水现象。当轨行区水位发生变化时，相应水压也会发生变化，光纤光栅液位计2内发生因液压变化同步导致应力变化，并最终将应力变化的实时数据及变化趋势输出给光纤光栅解调仪5。

优选地，光纤光栅液位计2呈阵列式分布，除了安装于多条地铁线路汇聚的城市地下综合体，还安装于每条线路对应车站的两端，并通过光缆实现中间数据的传输流通。

光纤光栅解调仪5输入来自光纤光栅液位计2的数据采集光谱信息，当光纤光栅液位计2所采集的水位信息发生变化时，光纤光栅解调仪5的识别结果同步发生变化；光纤光栅解调仪5通过标定水位高度，来实现测量轨行区水位变化量及变化速率。

光纤光栅解调仪5设定有水位阈值，当水位变化量超过设定阈值时，光纤光栅解调仪5上搭载的算法识别程序向监测数据分析计算服务器9推送对应等级的预警数据信息，实现轨行区水位在线监测与警戒。

进一步地，红外视频摄像机3安装于综合体地势较低处出入口及轨行区(一般安装在车站两端靠近排水沟的位置)等，并标定安装高度。

优选地，水位标尺与红外视频摄像机3配套使用，安装在综合体出入口与路面齐平处，水位标尺应标有水位监测刻度，并且刻度值应长时间保持清晰，不易被冲刷损坏。水位标尺可以实现综合体出入口及轨行区水位高度信息采集。

红外视频摄像机3的安装高度与安装角度应以水位标尺为准，应实现清晰的录制水位标尺的水位信息；红外视频摄像机3可进行视频摄像头监测角度的调整，以实现红外视频监控正对水位标尺。红外视频摄像机3监控摄像头正对水位标尺，采集水位标尺红外图像，对综合体出入口及轨行区水位信息进行实时跟踪和记录，可以实现水位信息及水位变化速率的全时段监测。

进一步优选地，红外视频摄像机3利用深度学习技术，可结合水位标尺图像大数据及传统图像处理手段，有效分割定位水位标尺在图像中的位置并自动识别水位标尺刻度值，对区域进行二分类获取水位高度，并对标尺刻度拟合获得当前水位值，对水位标尺刻度线推理分析，使用自动标定拟合技术，解决水体透明度高引起的倒影现象及水位标尺部分脏污等问题，提高系统的准确性及稳定性。

红外视频摄像机3所采集的水位信息及水位变化率等数据传输至摄像机交换机6。摄像机交换机6留有数个供红外视频摄像机传输数据连接的端口，交换机在每个端口上都使用相同的转发或过滤逻辑，构建红外视频摄像机监测数据的局域网，实现水位监测数据的汇集、传输。

本发明的监测系统，采用光纤水位监测结合红外图像探测对综合体水位精准识别，红外视频摄像机利用深度学习技术，结合水位标尺图像大数据及传统图像处理手段，监测信息流更加完善。

水位流量计交换机4的水流数据，光纤光栅解调仪5的水压数据以及摄像机交换机6、水位标尺的水位数据，都传输至水灾核心交换机7。

水灾核心交换机7优选采用分布式多级交换矩阵架构，单板同时提供千兆光口、千兆电口等不同接口，可实现光信号和电信号的相互转换；水灾核心交换机7输入水位、水压、水流三种现场实时监测数据及变化速率，实现现场监测数据流的预处理、汇聚和传输。

水灾核心交换机7将最终汇集、处理的数据传输给NVR硬盘录像机8和监测数据分析计算服务器9。

NVR硬盘录像机8主要输入来自水灾核心交换机7的视频数据流，NVR硬盘录像机8不仅支持多路高清视频图像(例如720P或1080P的高清视频图像)接入，通过NVR技术实现高清视频图像信息的集中管理和实时存储；还支持视频图像的远程管理、视频图像的预览分析、以及千兆网口视频图像数据的实时上传、本地预览、视频录像回放等功能。

监测数据分析计算服务器9主要用于接收来自水灾核心交换机7的水位、水压、水流三种现场实时监测数据流，并对数据进行边缘计算和分析处理。监测数据分析计算服务器9设定有阈值管理模块，基于最新深度智能学习算法，可对数据进行跟踪识别和深度计算，如果传输数据超过阈值限定，则会传输报警信息给联动报警器10发生警报，预警水灾灾害信息，如果数据正常，则正常传输存储。

在本发明的优选实施例中，监测数据分析计算服务器9采用高密度CPU架构，支持大流量数据的分析计算，并可接入多路视频流进行实时分析，支持H.264、H.265视频编解码标准，接入视频分辨率为720P～1080P，具备强兼容性。

进一步优选地，监测数据分析计算服务器9支持TCP/IP，HTTP，DHCP，DNS，RTP，RTSP，NTP等多种类型协议。

联动报警器10间隔布置在综合体人员密集处；联动报警器10由监测数据分析计算服务器9传输指令，如果监测数据超出阈值范围，监测数据分析计算服务器发出指令，联动报警器产生报警，预警水灾发生信息。

本发明的水灾监测系统，还包括可视化展示设备，可视化展示设备主要包括输入接口、展示屏幕、功放、音响等，可以展示现场监测实况。

另外本发明的水灾监测系统，还包括中间数据传输网络，中间数据传输网络主要包括信息的传输路由；优选地，光纤光栅液位计2、光纤光栅解调仪5及水灾核心交换机7之间采用光缆连接，其他现场监测设备及中间路由节点、终端设备之间皆采用以太网连接。

本发明的监测系统，现场感知设备根据水灾推理机制，对基于轨道交通的城市地下综合体出入口、车站轨行区、排水沟、水泵房等水灾易发生区域进行全面监测，打破了现有技术监测单一、考虑不全的弊端，监测范围更广，综合体内安全系数更高。

本发明的监测系统，依据对现场监测数据的跟踪识别及深度处理，通过对比监测数据阈值边界，自动进行数据的甄别判定，实现综合体水灾趋势预判断，并通过联动报警机制，进行水灾预警警示。

另外，本发明城市轨道交通地下综合体智能化水灾自动监测系统，其监测过程如下：

(1)当综合体周边出入口或轨行区有水位变动，且全自动水位流量1内基于微波震荡技术的传感探头已侵入水位，全自动水位流量计1开始提取水流流速及相关变化率数据，根据内置的软件算法，计算并输出实时断面流量及累计流量给水位流量计交换机4；

(2)同时，光纤光栅液位计2提取监测点水压信息，光纤光栅液位计内发生因液压变化同步导致应力变化，并将应力变化的实时数据及变化趋势输出给光纤光栅解调仪5。光纤光栅解调仪5通过设定的水位阈值算法识别程序，当水位变化量超过设定阈值时，光纤光栅解调仪5向所述监测数据分析计算服务器9推送对应等级的预警数据信息；

(3)同时，红外视频摄像机3采集水位标尺红外图像，对综合体出入口及轨行区等易积水区水位信息进行实时跟踪和记录，结合水位标尺图像大数据及传统图像处理手段，有效分割定位水位标尺在图像中的位置并自动识别水位标尺刻度值；对区域进行二分类获取水位高度，并对标尺刻度拟合获得当前水位值；对水尺刻度线推理分析，并将相关数据传输给摄像机交换机6；

(4)水位流量计交换机4通过相同的转发或过滤逻辑端口接收来自全自动水位流量计1的监测数据，构建全自动水位流量计1监测数据局域网，并将全自动水位流量计监测数据汇集、传输给水灾核心交换机7；

(5)同时，摄像头交换机6通过相同的转发或过滤逻辑端口接收来自红外视频摄像机3的监测数据，构建红外视频摄像机3监测数据局域网，并将红外视频摄像机3监测数据汇集、传输给水灾核心交换机7；

(6)水灾核心交换机7将输入水位、水压、水流三种现场实时监测数据及变化速率信息进行预处理，并汇聚和传输给NVR硬盘录像机8和监测数据分析计算服务器9；

(7)NVR硬盘录像机8输入来自水灾核心交换机7的视频数据流，NVR硬盘录像机8支持多路高清视频图像接入，通过NVR技术实现高清视频图像信息的集中管理和实时存储；

(8)监测数据分析计算服务器9接收来自水灾核心交换机7的水位、水压、水流三种现场实时监测数据流，并对数据进行边缘计算和分析处理。监测数据分析计算服务器9通过阈值管理模块，基于最新深度智能学习算法，对数据进行跟踪识别和深度计算，如果传输数据超过阈值限定，则会传输报警信息给联动报警器发生警报，预警水灾灾害信息，如果数据正常，则正常传输存储；

(9)联动报警器10接收监测数据分析计算服务器9的传输指令，发生报警警戒，预警水灾发生信息；

(10)可视化展示系统11接收监测数据分析计算服务器9的传输数据，并对现场实际状况进行显示；

(11)现场调度指挥介入，开始对于现场相关灾害状况的应急处理。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。