基于涵洞積水監(jiān)測(cè)的預(yù)警和行程導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

李懷珍，賀 炫，張 林，朱博超，聶新乘

（河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

0 引 言

近年來，我國大力推進(jìn)城鎮(zhèn)化建設(shè)，交通基礎(chǔ)建設(shè)迅猛發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國城鎮(zhèn)化率水平在58%左右，由此而興建的大量鐵路、公路和橋梁地勢(shì)低洼路段存在排水不暢、水深不明、處置滯后等問題，導(dǎo)致交通堵塞、車輛損毀和人員溺亡現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，嚴(yán)重影響了人民生命和財(cái)產(chǎn)安全。加之近年來暴雨或短時(shí)強(qiáng)降雨等極端天氣的頻發(fā)，城市路橋涵洞積水問題尤為突出。

1 積水監(jiān)測(cè)預(yù)警研究現(xiàn)狀

在積水監(jiān)測(cè)方面，日本和美國首先提出研發(fā)智能信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，美國國家氣象局和SM公司率先研發(fā)出了全世界第一套相對(duì)完善的雨水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。受多方面影響，我國道路積水監(jiān)測(cè)技術(shù)起步較晚。宋逢泉等研制了基于分組無線服務(wù)技術(shù)的水位預(yù)警監(jiān)測(cè)器[1]。秦玉忠等在研究超聲波傳播速度影響因素基礎(chǔ)上，提出了城市道路積水監(jiān)測(cè)用傳感器軟硬件設(shè)計(jì)方案[2]。王福東等基于微軟SQL Server關(guān)系型數(shù)據(jù)庫與Java語言結(jié)合，設(shè)計(jì)出水位監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)[3]。梁子亮等研究了采用衛(wèi)星測(cè)高對(duì)湖泊水位變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)的可行性[4]。潘虹等選擇合適的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)終端集成了道路防澇監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)[5]。侯天宇等通過智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)獲取積水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，基于城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分、用戶實(shí)時(shí)位置構(gòu)建了天津市城市自動(dòng)化積水監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)[6]。薛豐昌等基于圖像差分識(shí)別，標(biāo)志點(diǎn)疊加積水深度等方法，實(shí)現(xiàn)城市內(nèi)澇精細(xì)化監(jiān)測(cè)預(yù)警[7]。黃丹萍、白龍等基于大量觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用內(nèi)澇積水模型和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分法，研發(fā)出城市內(nèi)澇精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)預(yù)警和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)[8]。由此可見，不少學(xué)者開展了積水監(jiān)測(cè)設(shè)備和預(yù)警系統(tǒng)方面的研究，一定程度上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，但存在系統(tǒng)功能較為單一，較少實(shí)現(xiàn)信息共享與多部門協(xié)同模式的應(yīng)急處置。由此，亟需設(shè)計(jì)開發(fā)一款可實(shí)時(shí)進(jìn)行水位監(jiān)測(cè)、信息共享、應(yīng)急聯(lián)動(dòng)的監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，同時(shí)相關(guān)信息可為司乘人員進(jìn)行行程導(dǎo)航，從而推動(dòng)智慧城市建設(shè)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

系統(tǒng)基于國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目實(shí)物模型，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和相關(guān)功能研發(fā)。相對(duì)應(yīng)的路橋涵洞場(chǎng)景效果圖見圖1。圖1中，①～⑦分別為L(zhǎng)ED顯示屏、監(jiān)控?cái)z像頭、涵洞上車道、超聲波水位計(jì)、路面積水排泄口、行車道、人行道。圖2為監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)局部放大圖。其中，圖1中④超聲波水位計(jì)見圖2中（a）部分，圖1中⑤路面積水排泄口下方場(chǎng)景見圖2中（b）部分。為開展水位監(jiān)測(cè)和處置，內(nèi)設(shè)浸入式水位計(jì)，如圖2中（c）部分和排水泵。

圖1 涵洞積水監(jiān)測(cè)場(chǎng)景效果圖

圖2 監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)局部放大圖

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

“基于涵洞積水分級(jí)監(jiān)測(cè)預(yù)警與行程導(dǎo)航系統(tǒng)”基于Arduino UNO R3控制板設(shè)計(jì)，整體框架包括系統(tǒng)監(jiān)測(cè)終端設(shè)備、監(jiān)測(cè)控制中心主程序和行程導(dǎo)航三部分。各部分之間既互不干涉，又可以統(tǒng)一操作。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)遵循結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化、硬件經(jīng)濟(jì)化、功能多樣化、維護(hù)便利化原則，在做到盡可能實(shí)用和完善的基礎(chǔ)上，同時(shí)為硬件配置的迭代升級(jí)和功能擴(kuò)展預(yù)留空間，系統(tǒng)運(yùn)行整體框架圖見圖3。

圖3 系統(tǒng)整體運(yùn)行框架圖

系統(tǒng)終端監(jiān)測(cè)設(shè)備主要用于積水信息的采集、顯示、數(shù)據(jù)傳輸、應(yīng)急排水等，系統(tǒng)通過HC-SR04超聲波測(cè)距傳感器對(duì)積水水位信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，微處理器Arduino UNO R3控制TFT液晶屏在低洼路段入口處實(shí)時(shí)更新路段積水水位信息，采用Mini GA6-B通信模塊將各監(jiān)測(cè)終端設(shè)備采集的積水水位信息發(fā)送到監(jiān)測(cè)控制中心，以BDS短報(bào)文通信形式短息提醒給路政環(huán)衛(wèi)人員，同時(shí)通過APP對(duì)路過司乘人員進(jìn)行語音播報(bào)提醒，系統(tǒng)根據(jù)積水高程對(duì)應(yīng)進(jìn)行三級(jí)預(yù)警，適時(shí)自動(dòng)開啟應(yīng)急排水閥、現(xiàn)場(chǎng)ESP32-CAM-WiFi攝像頭模組。

2.2 系統(tǒng)硬件與功用

系統(tǒng)模型硬件主要包括Arduino UNO R3控制板兩塊、HC-SR04超聲波測(cè)距傳感器、L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、8路繼電器模塊、mini GA6-B通信模塊、ESP32-CAM-WiFi攝像頭模組、3210YB-12-100KCFS高壓水泵、2.4寸TFT液晶屏。系統(tǒng)通過Arduino UNO R3主控制板控制TFT液晶屏和其他模塊、由8路繼電器模塊對(duì)兩塊控制板進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。HC-SR04超聲波測(cè)距傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)涵洞積水水位進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量。

2.2.1 硬件參數(shù)

系統(tǒng)各模塊硬件配置基于安全和便于操作原則，主要硬件參數(shù)：（1）驅(qū)動(dòng)芯片：L298N雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。（2）驅(qū)動(dòng)端子供電范圍Vs：+5～+35 V，如需板內(nèi)取電，則供電范圍Vs：+7～+35 V。（3）驅(qū)動(dòng)峰值電流Io：2A。（4）邏輯端子供電范圍Vss：+5 V～+7 V（可板內(nèi)取電+5 V）。（5）邏輯部分工作電流：0~36 mA。（6）控制信號(hào)輸入電壓范圍，低電平：-0.3 V≤Vin≤1.5 V，高電平：2.3 V≤Vin＜Vss。（7）使能信號(hào)輸入電壓范圍，低電平：-0.3 V≤Vin≤1.5 V（控制信號(hào)無效），高電平：2.3 V≤Vin≤Vss（控制信號(hào)有效）。（8）最大功耗：20 W（溫度T=75℃時(shí)）。（9）存儲(chǔ)溫度:-25～+130℃。（10）驅(qū)動(dòng)板尺寸：55 mm×49 mm×33 mm（帶固定銅柱和散熱片高度)。（11）驅(qū)動(dòng)板量：33 g。（12）其他擴(kuò)展：控制方向指示燈、邏輯部分板內(nèi)取電接口。

2.3 系統(tǒng)主控制板的選擇

根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需要，采用功能齊全且開發(fā)較為簡(jiǎn)單的Arduino UNO R3微控制器板。主要原因首先為該控制板具有簡(jiǎn)便的編程環(huán)境IDE，自由度高、可拓展性強(qiáng)；其次，Arduino UNO R3控制板具有豐富的接口，為功能開發(fā)預(yù)留空間。

2.4 監(jiān)測(cè)模塊分析

經(jīng)過對(duì)測(cè)距模型穩(wěn)定性、精確度、盲區(qū)大小方面的比較，監(jiān)測(cè)模塊最終選用HC-SR04超聲波測(cè)距模塊，其主體由兩個(gè)傳感器和外圍信號(hào)處理電路組成，通過測(cè)量一個(gè)高電平與低電平輸出時(shí)間的差值作為一次測(cè)距的時(shí)間進(jìn)而計(jì)算距離，通過重復(fù)不斷的周期測(cè)量，達(dá)到對(duì)水位變化的實(shí)時(shí)測(cè)量。HC-SR04超聲波測(cè)距模塊具有“測(cè)量精度高、簡(jiǎn)單易操作”等優(yōu)勢(shì)，完美符合產(chǎn)品對(duì)測(cè)距模塊的需求與預(yù)期，相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 HC-S R04超聲波測(cè)距模塊參數(shù)

2.5 邏輯輸入分析

系統(tǒng)邏輯輸入包括IN1、IN2、IN3、IN4四個(gè)輸入端用來控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。IN1、IN2控制輸出A，IN3、IN4控制輸出B。通道A、B使能端口給電機(jī)調(diào)速。如把跳線帽插在使能端口，則給電機(jī)一個(gè)5 V的恒定電壓，電機(jī)轉(zhuǎn)速不變；若想改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，需要把跳線帽拔掉，給使能端口輸入PWM波，高電平代表開，低電平代表斷。根據(jù)占空比不同控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.6 系統(tǒng)電路圖原理

系統(tǒng)電路中，水泵A的兩端分別連接L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的OUT1、OUT2引腳，水泵B的兩端分別連接模塊的OUT3、OUT4引腳，外接電源正負(fù)極分別連接模塊12v引腳和GND引腳，Arduino UNO R3控制板的10、11引腳分別連接模塊的ENA、ENB引腳，GND引腳連接模塊的GND引腳共地，2、3、4、5引腳連接模塊的IN1-4引腳。其中IN1-4引腳負(fù)責(zé)控制水泵的高低電平，（水泵的開關(guān)），ENA、ENB引腳控制水泵功率。系統(tǒng)電路見圖4。

圖4 系統(tǒng)電路原理圖

2.7 水位信息預(yù)警平臺(tái)與行程導(dǎo)航模塊分析

預(yù)警平臺(tái)與APP后臺(tái)把水位監(jiān)測(cè)模塊傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，通過大數(shù)據(jù)和時(shí)間序列算法對(duì)水位進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)積水水位進(jìn)行評(píng)級(jí)，根據(jù)評(píng)級(jí)結(jié)果進(jìn)行分級(jí)預(yù)警，見圖5。

圖5 分級(jí)預(yù)警圖

黃色預(yù)警：若道路地下排水槽發(fā)生堵塞現(xiàn)象，遇到強(qiáng)降雨時(shí)會(huì)出現(xiàn)排水不暢甚至不能排水等情況。當(dāng)放置在排水槽內(nèi)的浸入式水位計(jì)檢測(cè)到水位長(zhǎng)時(shí)間未變或超限時(shí)，啟動(dòng)黃色預(yù)警系統(tǒng)，以手機(jī)短信方式通知片區(qū)環(huán)衛(wèi)人員到場(chǎng)及時(shí)清淤，疏通排水系統(tǒng)。

橙色預(yù)警：當(dāng)降水強(qiáng)度大、地面積水水位持續(xù)上升，現(xiàn)場(chǎng)超聲波水位計(jì)監(jiān)測(cè)積水大于預(yù)定值M1時(shí)，啟動(dòng)橙色預(yù)警。自發(fā)啟動(dòng)應(yīng)急排水系統(tǒng)，開啟水泵排水，信息通知泵站操作管理人員?，F(xiàn)場(chǎng)屏幕上顯示提示語句，警示人們減速慢行或繞道行駛。

紅色預(yù)警：當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)超聲波水位計(jì)監(jiān)測(cè)水位超過預(yù)定值M2時(shí)，啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)視覺監(jiān)測(cè)攝像頭進(jìn)行視頻傳輸，查看積水情況并搜尋涵洞中可能存在的被困人員和車輛，以便及時(shí)組織救援，視頻查驗(yàn)還能防止水位計(jì)誤觸或失靈所導(dǎo)致誤報(bào)。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)顯示屏開啟紅色警報(bào)模式，禁止行人和機(jī)動(dòng)車通行，通過手機(jī)APP向司乘人員提供導(dǎo)航信息。相關(guān)程序已經(jīng)申請(qǐng)軟件著作發(fā)明。

同時(shí)，根據(jù)平臺(tái)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，APP語音提醒司乘人員各路段水位情況，及時(shí)為司乘人員提供行程導(dǎo)航和合理路線規(guī)劃。手機(jī)APP機(jī)互動(dòng)導(dǎo)航界面見圖6。

圖6 手機(jī)AP P導(dǎo)航人機(jī)互動(dòng)界面

3 系統(tǒng)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多元一體化設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)針對(duì)單種設(shè)備無法進(jìn)行多功能聯(lián)動(dòng)的弊端，實(shí)現(xiàn)了多元一體化設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)多個(gè)控制模塊獨(dú)立工作的同時(shí)又受系統(tǒng)整體控制。系統(tǒng)集水位監(jiān)測(cè)、分級(jí)預(yù)警、自動(dòng)抽排水、遠(yuǎn)程操控、APP端水位實(shí)時(shí)通報(bào)、行程導(dǎo)航多種功能于一體，通過信息平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了積水監(jiān)測(cè)、分級(jí)預(yù)警、自動(dòng)排水、行程導(dǎo)航等功能的統(tǒng)一調(diào)度，同時(shí)可與政府調(diào)度平臺(tái)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)信息與資源的統(tǒng)籌調(diào)度。

3.2 系統(tǒng)主控板低廉可升級(jí)

系統(tǒng)目前采用單片機(jī)作為主控制板，既利用了單片機(jī)價(jià)格低的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)為控制板升級(jí)預(yù)留了空間。價(jià)格低廉、體積微型化的控制器更適合加裝到公路系統(tǒng)中，便于維修更換和后期推廣普及。系統(tǒng)采用單片機(jī)作為首代控制板，后期將采用微型芯片取代單片機(jī)作為控制板的升級(jí)方案。

3.3 模塊化組合便于維修更新

系統(tǒng)各部分硬件設(shè)備與控制模塊相對(duì)獨(dú)立，各模塊根據(jù)實(shí)際需要可進(jìn)行不同配置的組合。各模塊都預(yù)留了獨(dú)立升級(jí)和備用方案，可根據(jù)硬件設(shè)備和技術(shù)發(fā)展情況進(jìn)行升級(jí)。同時(shí)，這種組合模式可針對(duì)故障模塊進(jìn)行單獨(dú)維修或替換更新。

4 結(jié)語

基于目前普遍存在的城市路橋涵洞積水問題，設(shè)計(jì)研發(fā)了一款集多功能為一體的監(jiān)測(cè)預(yù)警和行程導(dǎo)航系統(tǒng)。系統(tǒng)集水位監(jiān)測(cè)、分級(jí)預(yù)警、多載體播報(bào)、多部門協(xié)同處置和APP行程導(dǎo)航于一體。系統(tǒng)各模塊之間相互獨(dú)立又服從統(tǒng)一控制，各模塊的設(shè)計(jì)遵循結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、性能可靠和便于維修的原則，同時(shí)為系統(tǒng)升級(jí)換代和各模塊硬件升級(jí)替換預(yù)留了空間。系統(tǒng)可為氣象、城建、環(huán)衛(wèi)、交通等管理部門和司乘人員提供服務(wù)，有較強(qiáng)市場(chǎng)應(yīng)用前景和大量受眾群體，有助于促進(jìn)智慧城市建設(shè)。