城市涵洞水位檢測(cè)警示儀設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)現(xiàn)有城市涵洞因排水不暢而快速積水，水位標(biāo)尺無法起到有效預(yù)警而導(dǎo)致車輛拋錨，甚至發(fā)生人員傷亡的問題。設(shè)計(jì)一款新型的水位監(jiān)測(cè)警示儀產(chǎn)品，從分析現(xiàn)狀、產(chǎn)品工作原理、關(guān)鍵技術(shù)、外觀造型、圖形顯示以及樣機(jī)實(shí)驗(yàn)等方面展開敘述，給出具體的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，為城市涵洞積水問題的有效解決提供有益參考。

關(guān)鍵詞：產(chǎn)品設(shè)計(jì) 水位檢測(cè) 城市涵洞 界面設(shè)計(jì)

中國(guó)分類號(hào)：TG802

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2015）03-0028-02

城市涵洞水位檢測(cè)警示儀是一款用來檢測(cè)涵洞積水情況后作出有效信息提示，及時(shí)告知駛?cè)牒吹鸟{駛者的產(chǎn)品。通過網(wǎng)絡(luò)資料檢索，水位檢測(cè)技術(shù)主要應(yīng)用在江河湖泊、水井、水塔及蓄水池等地方。其中，李志剛提出了—種面向城市涵洞水位檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)涵洞水位信息進(jìn)行采集、傳輸報(bào)警等處理，實(shí)現(xiàn)水位監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和自動(dòng)化。劉文亮提出了針對(duì)城市排水系統(tǒng)問題，利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)和超聲水位傳感器的技術(shù)提出了系統(tǒng)的解決方案。傳統(tǒng)的水位尺僅僅通過阿拉伯?dāng)?shù)字顯示水位信息，有的甚至在涵洞墻上直接標(biāo)寫水位數(shù)字，存在許多問題。而針對(duì)現(xiàn)有的城市涵洞積水問題，還沒有—款可以陜速檢測(cè)水位、集聲音、燈光和圖像的直觀而有效的水位檢測(cè)警示產(chǎn)品。

文中通過分析城市涵洞現(xiàn)狀、汽車底盤數(shù)據(jù)信息、現(xiàn)有產(chǎn)品和駕駛者心理等問題，提出產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，并從產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)、外觀、界面設(shè)計(jì)制作樣機(jī)與實(shí)驗(yàn)測(cè)試等方面進(jìn)行詳細(xì)敘述。為城市涵洞積水問題提出—種有效的解決方案，避免駕駛者的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

1 問題分析

1.1 城市涵洞現(xiàn)狀

涵洞是指在公路工程建設(shè)中，為了使公路順利通過水渠不妨礙交通，修筑于路面以下的排水孔道。文中論述的涵洞是指位于城市橋梁、道路下方，采用鋼筋混凝土材料經(jīng)澆筑或砌筑而成的構(gòu)筑物，用于人、車通行的通道。城市涵洞一般具有以下幾個(gè)問題：（1）照明條件差：由于處在橋梁和道路下方，自然光難以進(jìn)入，甚至有人工照明也難以查明道路情況，需要借助機(jī)動(dòng)車燈光照明；（2）排水系統(tǒng)差：涵洞地勢(shì)相對(duì)較低，下水道排水量設(shè)計(jì)小等原因，往往在臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)降雨等突發(fā)性極端天氣時(shí)造成涵洞排水系統(tǒng)癱瘓，導(dǎo)致涵洞被水淹沒；（3）通過性較差：由于涵洞寬度相對(duì)有限，導(dǎo)致行駛受限，雨天行駛比普通道路更容易堵車形成排長(zhǎng)龍現(xiàn)象，甚至發(fā)生車輛故障或事故；因此，雨天地勢(shì)較低的城市涵洞往往水中含有大量砂石和垃圾，極易導(dǎo)致下水道堵塞，形成涵洞積水，駕駛者難以識(shí)別渾濁積水的道路情況而導(dǎo)致車輛故障或熄火。

1.2 現(xiàn)有產(chǎn)品分析

目前的水位檢測(cè)技術(shù)主要有浮子式水位檢測(cè)技術(shù)、電容式水位檢測(cè)技術(shù)、壓力式水位檢測(cè)技術(shù)、超聲波式水位檢測(cè)技術(shù)和氣泡式水位檢測(cè)技術(shù)等。這些水位檢測(cè)技術(shù)主要應(yīng)用在排水、水文采集、灌溉、河道、太陽能熱水器等方面，而針對(duì)城市涵洞積水開發(fā)的相關(guān)產(chǎn)品還尚未出現(xiàn)，傳統(tǒng)的水位尺因顯示方式單一，安裝位置不佳等，存在許多問題：

（1）提示方式單一：通過數(shù)字標(biāo)示水位，往往無法正確有效地傳達(dá)給駕駛者，需要從燈光、聲音、圖像等進(jìn)行綜合提示，才能發(fā)揮最大的警示效果；

（2）安裝位置不佳：水位尺一般位于涵洞入口側(cè)面墻上，駕駛者因觀察角度不佳和位置太遠(yuǎn)無法識(shí)別水位尺上的信息情況，駕駛者容易盲目行駛造成危險(xiǎn)；

因此，應(yīng)用合適的水位檢測(cè)技術(shù)，并結(jié)合城市涵洞的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種有效的水位提示產(chǎn)品非常必要。

1.3 駕駛者心理分析

在駕駛過程中，當(dāng)人、車、路三個(gè)因素失去平衡或存在不安全因素時(shí)，就可能發(fā)生交通事故，而三個(gè)因素中最不穩(wěn)定的因素是人。安全駕駛往往與人的心理狀態(tài)相關(guān)。主要影響安全駕駛的心理有：

（1）麻痹心理：由于駕駛員具有一定的駕駛經(jīng)驗(yàn)和技能后，往往容易產(chǎn)生麻痹心理，對(duì)城市積水涵洞的安全隱患存在僥幸心理，容易忽視細(xì)節(jié)而盲目行駛。

（2）緊張心理：當(dāng)駕駛員進(jìn)入城市積水的涵洞，遇到熄火等突發(fā)情況時(shí)，往往容易產(chǎn)生緊張情緒，緊張心理易造成操作不當(dāng)，從而影響安全行車。

（3）刺激心理：在平時(shí)生活、工作中受到傷害、損失、刺激或發(fā)生矛盾時(shí)，心理會(huì)產(chǎn)生焦慮、郁悶甚至賭氣和報(bào)復(fù)心態(tài)，從而危險(xiǎn)駕駛引發(fā)事故。

1.4 汽車底盤信息

通過網(wǎng)絡(luò)和實(shí)地調(diào)查，搜集了大量機(jī)動(dòng)車地盤高度信息。一般汽車底盤離地間隙數(shù)據(jù)：轎車一般在112～200mm，城市suv一般在180～220mm，客車一般在180～290mm，貨車一般在180～300mm，礦用自卸汽車一般大于320mm，越野汽車一般在260～370mm，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析歸類，歸納以下三類主要車輛的數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)參考。具體見下表1。

2 設(shè)計(jì)實(shí)例

2.1 設(shè)計(jì)要求

城市涵洞常處于交通要道，交通流量大，環(huán)境情況復(fù)雜，在這種特殊環(huán)境中的產(chǎn)品需要具備防水、防塵、結(jié)構(gòu)牢固、性能穩(wěn)定、易維修安裝等特點(diǎn)。具體有以下要求：

（1）防水防塵要求：城市涵洞往往處在地勢(shì)較低位置，大雨天氣雨水容易倒灌形成積水，因此產(chǎn)品設(shè)計(jì)要有較高的密封性；同時(shí)涵洞處交通流量非常大，塵土和垃圾多極易堆積，對(duì)產(chǎn)品的防水防塵要求比較高。

（2）性能穩(wěn)定要求：選用適合涵洞水質(zhì)條件下的檢測(cè)技術(shù)，采用穩(wěn)定的電源供電，保證產(chǎn)品能長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作。

（3）安裝與維護(hù)要求：由于處在交通復(fù)雜路段，產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮產(chǎn)品的安裝和維護(hù)，盡量簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，采用可多次拆卸固定方式。

（4）材料工藝要求：采用易成型、強(qiáng)度高、不易生銹的金屬材料，使產(chǎn)品具有一定強(qiáng)度而不易損壞。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)分析

（1）水位檢測(cè)技術(shù)

水位檢測(cè)技術(shù)采用水壓力傳感器，工作原理是被測(cè)水壓的壓力直接作用于傳感器的膜片上，使膜片產(chǎn)生與水壓成正比的微位移，使傳感器的電阻值發(fā)生變化，用電子線路檢測(cè)這一變化，并轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)相對(duì)應(yīng)壓力的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)。水位測(cè)量可以通過一個(gè)直觀的計(jì)算公式表達(dá)，將實(shí)際水位值直接計(jì)算得出：

H=ADC_res/3L+G

式中：ADC_res-水位測(cè)量后轉(zhuǎn)換的信號(hào)值

H——測(cè)量的水位值，mm；

3L——3倍的涵洞實(shí)際水位值，mm；

G——壓力傳感器的高度值，mm；為了消除傳感器高度帶來的誤差，這個(gè)數(shù)值可以根據(jù)安裝條件的不同做相應(yīng)的調(diào)試。

（2）信息處理技術(shù)

信息處理技術(shù)主要由單片機(jī)STC12C5A6052-351-LQFP48G完成，單片機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器和輸入輸出設(shè)備構(gòu)成。通過設(shè)定水位檢測(cè)的對(duì)應(yīng)程序，單片機(jī)對(duì)程序進(jìn)行讀取、運(yùn)算，將結(jié)果通過無線模塊發(fā)送出去。

（3）無線傳輸技術(shù)

無線傳輸技術(shù)采用2.4G無線模塊，它的距離可以穩(wěn)定傳輸十幾米，在檢測(cè)模塊和顯示模塊內(nèi)分別置入2.4G無線模塊，檢測(cè)模塊內(nèi)的水位處理信息經(jīng)過單片機(jī)處理后，通過2.4G無線發(fā)射模塊傳送至一定距離內(nèi)的顯示模塊中的2.4G無線接受模塊，完成水位信息的發(fā)射和傳送功能。

（4）顯示技術(shù)

顯示技術(shù)采用LED顯示屏，由一個(gè)個(gè)小的LED模塊面板組成。通過顯示模塊內(nèi)的單片機(jī)STC12C5A6052-351-LQFP48G，將接收到的水位信息按照程序的設(shè)定，將圖標(biāo)和數(shù)值顯示在LED顯示屏上，完成信息的顯示。各種技術(shù)的電子元器件見圖1。

2.3 產(chǎn)品工作原理

城市涵洞水位檢測(cè)儀包括檢測(cè)模塊和顯示模塊兩個(gè)部分。檢測(cè)模塊位于涵洞側(cè)邊最低處，當(dāng)涵洞開始形成積水時(shí)，通過水位傳感器感知水位上漲信息，同時(shí)處理器開始將水位信息通過無線發(fā)射模塊發(fā)送至顯示模塊內(nèi)的無線接受模塊，經(jīng)過處理器將水位信息顯示在LED顯示屏上，顯示時(shí)根據(jù)水位高度的變化進(jìn)行圖形、色彩和報(bào)警聲的綜合提示，為涵洞過往的車輛提供參考。工作原理如圖2。

2.4 產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)

根據(jù)前期的問題分析、設(shè)計(jì)要求及工作原理，通過RHINO軟件為平臺(tái)，對(duì)城市涵洞水位檢測(cè)儀進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中綜合考慮形態(tài)、結(jié)構(gòu)、工藝、人機(jī)界面、燈光信息等條件，進(jìn)行整體形態(tài)的模型創(chuàng)建，后續(xù)通過Keyshot軟件模擬金屬噴漆效果材質(zhì)進(jìn)行渲染，采用深灰和淺白兩種中性色彩，模擬仿真的視覺效果，為后續(xù)樣機(jī)制作提供參考。

具體從功能、結(jié)構(gòu)、造型、色彩等方面進(jìn)行具體的產(chǎn)品設(shè)計(jì)；（1）功能上：產(chǎn)品分兩大模塊：檢測(cè)模塊位于涵洞內(nèi)地勢(shì)較低處用于檢測(cè)水位信息，并作為信息發(fā)送端。內(nèi)置水壓傳感器、處理器、無線發(fā)射模塊、電池模塊等部件；顯示模塊位于涵洞入口處用于接收和顯示水位信息，提示車輛進(jìn)入涵洞前了解涵洞內(nèi)的積水情況。包括LED顯示屏、處理器、無線接收模塊、電源模塊等；（2）結(jié)構(gòu)上：產(chǎn)品各零件結(jié)合處采用卡槽設(shè)計(jì)用螺釘固定，方便安裝和平時(shí)的維護(hù)，內(nèi)部電子元器件部分進(jìn)行統(tǒng)一殼體密封設(shè)計(jì)；（3）造型上：采用包裹形式設(shè)計(jì)整體造型簡(jiǎn)潔大氣，細(xì)節(jié)圓角設(shè)計(jì)降低產(chǎn)品生硬感覺；（4）色彩上：采用中性深灰和淺白色搭配設(shè)計(jì)進(jìn)而凸顯信息重要性；整體效果如圖3。

2.5 顯示設(shè)計(jì)

檢測(cè)模塊在獲取水位信息后傳送至涵洞入口處顯示模塊的LED顯示屏上，不同的水位信息通過燈光顏色和圖形來區(qū)分。（1）水位未到達(dá)150mm時(shí)，燈光為綠色，提示安全行駛；（2）水位到達(dá)150mm時(shí)，燈光為橙色，數(shù)字圖標(biāo)交替顯示禁止轎車通行；（3）水位到達(dá)200mm時(shí)，燈光為紅色，數(shù)字圖標(biāo)交替顯示禁止城市suv通行；（4）水位到達(dá)320mm時(shí)，燈光為深紅色，數(shù)字圖標(biāo)交替顯示禁止大型貨車通行，并啟動(dòng)報(bào)警聲；通過以上四種警示模式，有效提醒駕駛者雨后駛?cè)牒窗踩{駛。四種警示模式如圖4。

2.6 樣機(jī)制作與測(cè)試

制作產(chǎn)品樣機(jī)是為了有效檢驗(yàn)產(chǎn)品外觀和結(jié)構(gòu)裝配的合理性，在完成數(shù)字模型創(chuàng)建后，將數(shù)據(jù)發(fā)送至手板廠進(jìn)行手板制作，并同時(shí)展開電子電路的編程設(shè)計(jì)與制作。后期將內(nèi)部元器件裝配至手板模型中進(jìn)行功能測(cè)試。將檢測(cè)模塊置于透明水箱中，并持續(xù)往水箱內(nèi)灌水，根據(jù)設(shè)定的不同水位值檢查顯示模塊是否顯示出三種不同顏色燈光的圖形警示信息，測(cè)試結(jié)果達(dá)到預(yù)期效果。測(cè)試實(shí)驗(yàn)如圖5。

3 結(jié)論

通過分析現(xiàn)有城市涵洞、傳統(tǒng)水位尺和駕駛者的心理，提出了各自存在的問題。在此基礎(chǔ)上提出了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的具體要求，并分析了產(chǎn)品涉及的關(guān)鍵技術(shù)和工作原理。從產(chǎn)品的功能、造型、結(jié)構(gòu)、色彩、信息顯示和樣機(jī)制作與測(cè)試實(shí)驗(yàn)等方面展開詳細(xì)敘述。為雨后城市涵洞積水問題的有效解決，提供了一種有益參考。