基于同步舉升控制的汽車防水淹救助系統設計初探

李 營

（廣州鐵路職業技術學院，廣東 廣州 510430）

0 引言

近年來，強降雨過后造成水淹汽車現象日益增多，為廣大車主和保險行業帶來了巨大的經濟損失。而在眾多水淹汽車中，有相當比例的汽車在完全浸水前已預測到水淹危險，卻無法對汽車實施及時、有效的救助。目前，國內外關于水淹汽車救助的相關研究和報道都十分少見，市場上更沒有成型的防水淹救助系統可以有效防止水淹車的發生。目前，國內外關于防水淹汽車救助的相關研究和報道都十分少見，市場上更沒有成型的防水淹救助系統可以有效防止水淹車的發生。因此，能否開發出有效的汽車防水淹自救系統并推向市場，可對抵御自然災害做出積極貢獻[1,2]。

1 汽車防水淹救助的研究現狀

國外關于汽車防水淹救助的研究較少，雖然美國、澳大利亞等國家每年都會有水淹車災害發生，但相對應的研究多集中在水淹后的應對措施、維修等方面，但對于防水淹救助處理等方面的研究并不多見。國內關于汽車防水淹救助方面的研究同樣少見，王文軍等在《汽車涉水行駛及其施救方法》 一文探討了汽車已進水后的處理與自救程序；劉勇在《駕駛園》雜志介紹了一種汽車排氣管防水裝置，通過加入彎管提高排氣管道出口高度，一定程度上提高了汽車安全涉水深度，但不能有效避免水淹車問題[3]。

現實生活中，大多數車主在汽車逐漸浸入水中的過程中無奈的選擇了放棄救助，也有部分人采取了相應自救措施，主要包括以下幾種： ①迅速駛離積水位置，此措施僅對具備駛離條件的車輛可行；②雨前把車開到高位，此措施僅對有地理條件且汽車尚未深度浸水時可用；③將車添加防水設計，僅能一定程度起到防水作用，在汽車深度浸水時失效；④將車原地提高，部分車主雨前通過千斤頂把車四個輪子逐一抬起并墊入加高塊，起到很好的防水淹效果，但如果沒有專用的舉升裝置，其操作較為復雜，增加高度有限，且在緊急搶況下很難迅速實施。

2 汽車舉升結構的主要類型

國外20 世紀初期因汽車維修業的發展逐漸產生了汽車舉升機，隨著科技發展，舉升機類型也逐漸拓展，目前常用的舉升機包括機械式、液壓式和氣壓式三種類型[4]，三種舉升結構的性能比較如表1 所示。其中機械傳動舉升機多用于工廠及工業設備的舉升裝置，氣壓傳動舉升機一般常見于自動化生產線中負載較小且需要快捷動作的場合，液壓傳動舉升機由于其性能優勢成為目前主流的汽車舉升機產品類型[5]。

表1 舉升機構的性能比較表Tab.1 Properties comparison of auto lifting mechanism

一般的汽車舉升機主要針對于汽車維修中使用，需安裝，體積大，重量大，難以在防水淹救助系統中推廣。隨著近年來汽車工業的高速發展，對汽車舉升技術的研究逐漸從舉升機構的創新拓展到結構優化設計、舉升控制技術研究、舉升運動學分析、舉升穩定性研究等方面，同步控制技術也在舉升控制領域得到了廣泛應用，該技術早期多用于建筑領域，我國50年代才開始應用于橋梁的施工，如西南交通大學于惠楠對整體同步頂升梁板更換橋梁支座提出了解決方案等[6，7]，但同步舉升技術尚未在汽車舉升領域得到廣泛應用。

3 基于同步舉升控制技術的汽車防水淹系統設計

本文借助汽車原地升高思路提出一種舉升 （頂升）式汽車防水淹自救系統，可通過舉升結構優化設計，確保支撐的穩定性和便攜性；通過選擇位移、傾角及壓力三個傳感器對車身提升過程的穩定性進行實時監測，并采用智能控制的方法，對系統進行優化設計校正，使其滿足穩定性要求。自救系統包含水淹預警監測子系統、舉升控制子系統、舉升動力子系統、舉升執行機構、防水裝置等部分，系統框圖如圖1 所示。

（1）舉升與支撐系統結構設計。考慮到便攜式和承重，按照普通小型汽車設計舉升的最大重量為2500kg，舉升的高度為800mm；考慮可利用汽車自身電源等原因，設計總電控功率控制最小可達150W 以內。鑒于汽車水淹現場可能是地形不夠規則的路面和停車場，需選取可進行舉升角度控制的多點同步舉升方法，通過配合自適應控制系統來實現舉升后的車體的水平問題，因此選取分體式四柱舉升作為汽車防水淹的舉升機構，并從便攜性和穩定性進行舉升結構優化設計。

圖1 汽車防水淹救助系統框圖Fig.1 The block diagram of waterproof relief system of automobile

（2）舉升控制子系統設計。為了實現較高的控制精度，選擇閉環的控制方式實現四柱同步舉升，時刻保持車體水平度在一定范圍以內。基于模糊控制響應速度快、減弱超調、防止振蕩等優點，本設計采用基于模糊自適應控制技術，選取三個參數建立三維模糊控制器，并選取恰當的控制步長以實現車身的平穩舉升。在調平系統中，選用最高不動的 “追逐式” 調平方法。選擇的控制參數如下：①位移：根據控制液壓缸的位移實現同步舉升動作。因位移控制技術及傳感器發展較為成熟，同步控制較易實現，并具有系統簡單，可靠性高等特點，可作為系統的主要控制參數；②傾角：為了車身穩定要求，需要在舉升過程對車體傾角進行控制。通過傾角傳感器，實現傾角調節控制，保證車體的重心在合理范圍，也可以有效避免因地面不平或變形造成的車身傾斜隱患；③壓力：四點同步舉升控制往往會造成其中一個支腿“懸空”，從而產生了“虛腿”問題[8]，系統通過壓力傳感器檢測四個支撐點壓力，并通過位移控制器微調“虛腿”高度。

（3）動力子系統設計。為拓寬防水淹系統的應用范圍，其動力子系統設計兩套方案。方案一：利用220V 交流電源供電。本方法動力子系統設計簡單，供電能力能得到保障，但是僅能在具有供電條件的停車場和私家車庫適用；方案二：采用汽車自供電。汽車電瓶通常供電電壓為12V（24V，36V）直流電源，可提供150W 左右的功率，此方式解決了系統供電的場地限制，但僅可實現低功耗的舉升控制。

（4）預警與防水子系統設計。預警系統是為了給車主提供舉升控制的提示、警示和使能控制，包含以下功能： 危險水位（水淹車）的測量與預警；水流強度檢測與預警（舉升危險性）；舉升條件的自動檢測與舉升使能控制；舉升場地的障礙警示及舉升的緊急止動控制等。因系統可能會在水下工作，工作環境要求系統防水性，設計中把舉升機械結構和電控系統加入了防水設計。

4 系統改進設想與應用展望

（1）提高支撐結構的便攜性與穩定性。結構設計需考慮四柱的安裝位置、固定方式、支架結構等，提高機構穩定性，同時也要考慮減小系統質量及控制成本等。今后研究中既要針對不同的應用場合，從經濟性和適用性出發設計恰當的支撐結構，又可以借助有限元分析和實驗測試法，不斷優化支撐結構，解決輕便與穩定之間的矛盾[9]。

（2）提高舉升控制的穩定性。一是避免“虛腿”問題，因四點支撐易產生 “虛腿”，可在今后的優化設計中采用四柱獨立式舉升機，借助壓力傳感器，通過軟件設計解決虛腿問題；二是避免車身傾斜，可借助傾角傳感器，建立模糊控制器對傾角作矯正控制，時刻保持車體底面對水平面平衡度的要求；三是考慮水流對控制的影響，汽車水淹環境惡劣，水流強度如果太大，容易造成舉升的汽車傾覆，因此須對水流量進行監測，通過流體力學分析，構建車身傾角矯正控制，在水量較大時盡量減小舉升高度來換取系統穩定，同時調整車身傾角，增加頂升系統與車身的作用力，提高車體穩定性。

（3）系統的動力供應問題。考慮到防水淹自救實施地點的普適性，系統最好可以利用汽車電瓶供電，但電瓶通常供電為低壓直流供電，輸出功率有限，實現四缸同步驅動有一定困難。因此系統設計中考慮雙動力輸入控制方案： 在利用交流220V 供電時動力較充足，選擇四柱同步驅動控制；利用汽車自身電源時，動力較弱，要對動力系統進行低能耗優化，或切換到單柱循環輪流舉升控制。

（4）設計應用展望。本文提出了基于同步舉升技術的汽車防水淹自救系統解決方案，并對系統的結構、控制方式、防護措施等給出了設計思路和方法，但系統的穩定性、自身的重量、便攜性、應用范圍等還需在進一步的試驗中加以驗證。如能通過持續改進，建立輕便可靠、價格合理的汽車防水淹自救產品，并逐步拓展更多的實用功能，必將能夠得到廣泛的應用和推廣。

[1] 李媛. 關于廣州市“水淹車庫”的分析[J].中國公共安全（學術版），2011，4.

[2] 陸善輝.由廣州水浸車庫事件談地下停車庫的日常管理[J].中國物業管理，2010，9.

[3] Jabatan Pengairan. Guideline on Flood Prevention for Basement Car Parks[EB/OL]:http://jps.penang.gov.my/weblinkattach/guideline%20on%20flood%20prevention%20for%20basement%20car%20parks.pdf

[4] 郭武，黃澤星，吳上生. 汽車舉升機的發展趨勢分析[J]. 2011，21.

[5] 趙佳.舉升機/進化史汽保行業面面觀之汽車舉升機篇[J].檢測技術及設備，2010，9.

[6] 黃川貴.人行天橋同步頂升系統研究[D].西南交通大學碩士學位論文，2009.

[7] 于惠楠.整體同步頂升梁板更換橋梁支座的應用研究[D].吉林大學碩士學位論文，2007，1.

[8] 姚曉璐.基于多體動力學的自卸半掛汽車舉升穩定性研究[D].武漢理工大學碩士學位論文，2008，4.

[9] 張興旺.基于ADAMS 的舉升裝置的控制系統設計及仿真[J].專用汽豐，2006，9.