基于“互聯網+”的地下管廊智能井蓋的實現

王賽 劉豆豆 李洪輝 胡啟超

【摘? 要】城市綜合管廊，建于地下用于容納兩類及以上城市工程管線的構筑物及附屬設施。不破壞道路，不影響地面交通、建筑。根據設計要求，管廊頂部分段設有可開啟蓋板，利于檢修維護更新。隨著社會科技的發展，結合“互聯網+”技術的引入，可以極大地提高工作效率。各種傳感器、手機app以及終端監控室的加入，可以自動巡檢，并能實現“防患于未然”。本文主要在機構選型設計與新興互聯網相結合，實現井蓋智能化，利用現代化智能手段去感知、控制井蓋。

【關鍵詞】互聯網+;管廊井蓋;機構設計;手機遠程實時控制

1.概述

由于井蓋經常在太陽底下暴曬以及在陰冷濕暗地方放置，會讓井蓋腐蝕老化;工人在進行檢查井蓋和下水道里面維護維修也會不太方便;井蓋內部會產生有毒有害氣體會導致井蓋爆炸，這樣就會產生社會危害，井蓋的損壞會造成社會經濟損失。本文主要是利用現在的互聯網時代，利用云端大數據和現在實用便捷工具手機APP相結合，通過對井蓋進行機械自動化處理讓它能夠自我快速打開，并結合各種數據檢測模塊，來實時監控地下管廊的濕度、氣壓、有毒混合氣體。以便快速的對突發事件的處理。

現在互聯網快速發展，人工智能、智能機器人、智能家居，都在慢慢普及，城市也在逐漸升級改造，智能井蓋，主要是給井蓋智能化和轉入現代科技。實現井蓋自動翻轉打開;可以實現遠程定位;可以檢測地下管道內氣體密度成分和密集情況;還可以防止井蓋被盜或者井蓋損壞帶來社會經濟損失;是將來城市化建設重要一環。

在互聯網下建立城市底下管道系統，實時監測城市地下管道狀態。在每個井蓋上裝GPS定位、利用GPS定位讓地下管道井蓋出口，形成網格狀分部，直接可以再終端顯示上看見。井蓋自動翻轉可以實現井蓋智能打開，并且可以防止一些不法分子進行犯罪。另外在井蓋內部裝有各種檢測裝置通過連接手機APP來對地下管廊進行監控，從而進一步的更加高效率來規避風險和災害。更好保障人民財產安全。

2.基于互聯網上井蓋智能系統總體構架

傳統井蓋直接是一個圓形或是方形鑄鐵件，于防盜、快速打開等要求，無從談起。近幾年已經陸續有電機驅動絲杠方式的機械開啟方式。

結合客戶方使用要求，有快速開啟、壓緊防水等要求。雖然已有改良產品通過多油缸方式，可以可靠實現啟閉、壓緊防水功能，但于“快速10秒逃生”要求甚遠！因此，在本輪機構設計中，傾向于采用一個油缸快速大流量輸入，結合機械組合機構實現“啟、閉+壓緊密封”的動作。

2.1方案簡介

智能井蓋主要分四個模塊：機構部分（液壓泵站+液壓缸+翻轉機構）、實時定位模塊（GPRS定位軟件+無線通訊）、有毒氣體、濕度氣壓模塊（濕度氣壓傳感器+有毒氣體檢測傳感器+PLC一體機）、信息通訊模塊（PLC一體機+通訊傳感器）。

主要作用：發生突發狀況讓井蓋能快速打開，以便維修人員維修，井蓋發生角度偏移或位置移動，發送位置實時定位。檢測地下管內部氣壓、濕度、有毒氣體數據并傳送到手機終端，有效管理城市的地下管廊體系。

主要優點：（1）高效率檢查井蓋自身動態和位置信息，智能化操作，手機APP軟件隨時查看地下管廊狀態。（2）發現井蓋丟會向監控中心發出警示。（3）通過液壓液壓傳動打開井蓋，增加井蓋防盜安全。缺點：投入費用和傳統井蓋費用相比較大，利用現在智能需要技術人才支持。

結構表示如下圖所示：

2.2運動機構的選擇

（1）液壓缸鏈輪式。液壓缸一端固定住井壁，另一端與井蓋上的鏈輪回轉中心連接。鏈條一端與液壓缸固定端連接;另一端固定住大鏈輪。

打開方式：通過液壓缸的直線運動帶動鏈輪的回轉運動從而頂開井蓋并實現翻轉打開。

優點：鏈條輸送裝置具有不易滑動;通過調節末端鏈條長度，實現舉升高度及翻轉角度，傳動可靠。

缺點：鏈條驅動，根據載荷、轉速、工作環境等主要因素選擇鏈型和長度，鏈條過長會出現鏈條顫動現象;滾子鏈零件較多潤滑防銹不充分，潮濕環境中使用不便;采用滑輪方式，不利于實現快速啟閉。

（2）導軌翻轉式。液壓缸頂部與井蓋浮動連接，依照設定的導軌實現頂起、翻轉。

打開方式：通過液壓缸帶動井蓋翻轉打開

優點：零件數量少，結構簡單，容易實現。

缺點：連接不緊湊，翻轉運動中容易卡頓、容易造成井蓋的損壞。

（3）液壓缸收縮翻轉式。井蓋一側與支撐架鉸接;支撐架兩個支柱為反裝液壓缸，翻轉液壓缸（圖中黃色液壓缸）與井蓋另一側鉸接。

打開方式：

①支柱液壓缸頂起，解除密封并為打開井蓋留下空間;

②通過液壓缸的收縮運動，使得井蓋逆時針翻轉打開井蓋。

優點：三個液壓缸分工，按邏輯關系進行運作，密封及運動可靠。

缺點：使用多個液壓缸，不經濟;翻轉運動屬費力杠桿，有桿腔接觸面積小，液壓缸笨重。

（4）液壓缸舉升翻轉式。井蓋以鉸鏈方式固定在支撐架一端，支撐架與井圈采用彈性連接，液壓缸活塞桿與井蓋鉸接。

打開方式：

①液壓缸頂起，支架彈性回復帶動井蓋升起;

②活塞桿推動井蓋圍繞鉸鏈，翻轉打開井蓋。

優點：機構簡單、傳動效率高、井蓋翻轉迅速。

缺點：若是速度控制不當，易造成井蓋鉸鏈處損壞。

對比四個方案的優缺點，最終選擇液壓缸舉升翻轉式，該方式機構簡單、可靠、相對于其他方式井蓋翻轉迅速，能滿足客戶在緊急情況下快速打開的要求。

3.智能井蓋硬件設計

3.1啟閉機構

人為手動是井蓋啟閉傳統方式，該方式給操作人員帶來眾多工作負擔。現采用機動裝置，在井蓋內部裝入自動啟閉裝置。使用到液壓缸、液壓泵站、主副連接干、轉動鉸鏈、內壁支撐架。沿井蓋下端面一邊處固定一轉動鉸鏈，其下面連接著連接桿，連接桿連接著液壓缸，液壓缸連接著液壓泵站，內壁支撐架安裝在井蓋孔壁下方位置。液壓缸固定在內壁支撐架上面，設備連接到一起形成一條完整的井蓋內部鏈。液壓泵基站與液壓缸相連接，液壓泵站通電，液壓油流入液壓缸內使液壓缸頂起，帶動連接桿向上升起帶動井蓋向上升起，使井蓋打開90度到120度轉角。井蓋打開收回時，液壓泵站通電帶動液壓缸向下收縮，連接桿迅速收縮并關閉井蓋。井蓋內部裝有密封圈能夠起到一個良好的防水作用。

這樣的優點有：①可以實現幾秒之內快速自動打開井蓋，減輕工作人員的工作負擔。②在雨季天氣情況下，井蓋周圍的密封圈，可以防止雨水進入地下管道濺濕地纜，以最大程度去保護地下光纖，減少經濟損失，提高效益。如圖7所示：

3.2實時定位模塊

位置傳輸器安裝在井蓋上，主是由短距離無線通信和感應器、電源及功能指令組成。它的功能主要是檢測井蓋在地面狀態信息，若井蓋發生凸起、位置變化，位置傳輸器會把位置信息發送給手機終端。維修人員到達傳輸位置信息在根據具體情況處理問題。感應器主要是采用MEC原裝滾軸開關SW-460D傾斜開關。傾斜感應器采用三線制。工作原理就是井蓋在沒有傾斜情況與無線電信通信模塊的I/O口相連。當井蓋在無傾斜角度時輸出高電平不會發生警報，當井蓋開始出現傾斜角度是輸出低電平。設置每30秒檢測一次I/O接口的電位，發現輸出低電平時，發送當前所在位置到手機APP。位只要攜帶著打開手機APP就可以查詢到，系統檢測到發生變化會發出信息，平時處于休眠狀態，減少能源消耗，采用電池供電。其結構如圖8所示：

3.3地下管廊各種信息檢查

地下管廊檢測有兩部分模塊組成（有毒氣體、濕度壓力檢測模塊+通訊傳輸模塊）主要檢查：管廊內部濕度、氣壓、有毒混合氣體。壓力濕度485模擬量傳感器、MQ-135害氣體檢測報警傳感器、plc帶觸摸屏一體機、Suk-Box-W遠程控制通訊。濕度傳感器通過485接口與PLC進行自由協議通訊，將濕度傳感器的數值傳送給PLC。壓力氣體傳感器將當前的壓力，不良氣體的濃度轉換成4-20ma模擬量送給PLC，通過PLC內部程序計算出當前的壓力值和不良氣體的濃度值。觸摸屏與PLC之間通過以太網連接，將PLC內部的濕度值、壓力值，不良氣體濃度值實時傳送給觸摸屏，通過觸摸屏可設置濕度上下限、壓力上下限、不良氣體上下限數值，當實際的濕度、壓力不良氣體濃度超出所對應設定值的范圍的時候，警報指示燈點亮。觸摸屏上顯示的數據在通過通訊傳感器傳輸到手機APP上。電路圖連接流程如右圖9所示：

優點：（1）管廊內部濕度氣壓、混合氣體被實時監測，可以在手機上查看。（2）連接方便，可以一個PLC同時接入多組地下管廊檢測，更大程度上利用資源。（3）與現在智能化相結合，能更加準確規避發生意外風險。

3.4組裝與調試

（1）零件的組裝。把上述模塊組裝拼接，檢測裝置裝在井蓋內部，PLC和觸摸屏使用防水盒保護，通過通訊傳感器把接收到的信息傳輸到終端。

（2）調試。智能井蓋固定四個枝干，以便更直接看到內部情況，打開電源連接機器開始運作。剛開機顯示通訊故障，待啟動5秒之后顯示工作正常并實施監控。

4.結語

根據《數字化城市管理信息系統智能井蓋基礎信息》國家標準會議在北京召開，在會議上確定了井蓋是城市基礎設施，是建設智慧城市重要的一環。井蓋設計智能化，與現在互聯網相結合形成智能井蓋是今后城市建設和發展必然趨勢。

本文通過翻轉機構設計選型、軟硬件設置以及調試，初步實現了智慧井蓋在物聯網大環境下的遠程監測與控制。限于時間，在機構設計中存在不成熟發展，后續可以追加調整一些適合溫濕度環境較差的組合機構;控制部分，還可以選擇更為可靠的模塊進行較長時間的復雜環境測試，以期適應城市道路環境的可靠使用;軟件，需要綜合手機Android、IOS、PC端的應用穩定性測試。使得整個系統更加可靠地服務城市現代化發展。現階段對整個系統運用不太成熟，在制作過程中還存在變量因素，硬件使用時間過長會產生老化，要增加對檢測機器完善制作，采用先進的材料制作。

（指導老師：林偉，黃曉徐）

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基金項目：本文系無錫職業技術學院2019年度大學生實踐創新訓練計劃項目，項目編號：201910848013Y。

作者簡介：王賽 （1999.11-），男 ，江蘇宿遷人，大專在讀，漢族，研究方向為數控技術。

劉豆豆（1999.11-），女，漢族，江蘇鹽城人，研究方向為機制。

李洪輝（1999.12-），男，苗族，湖南邵陽人，研究方向為數控。

胡啟超（1999.12-），男，漢族，河南信陽人，研究方向為數控。