一種智能海綿城市裝置及方法

趙昊裔

[摘? ? 要]這些年來我國頻頻出現(xiàn)“看?！钡膯栴}，引發(fā)了對傳統(tǒng)模式下的城市排水系統(tǒng)建造反思和對城區(qū)水危機(jī)的關(guān)注。在新理念下城鎮(zhèn)化建設(shè)環(huán)境思想指引下，海綿城市的概念被住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部正式提出，并就相關(guān)問題發(fā)布了指南，全國各級省市紛紛配套出臺相關(guān)建造計(jì)劃;這是我國繼森林城市、園林城市、低碳城市、生態(tài)城市等一系列新的城市理念后誕生的新概念。雖然海綿城市應(yīng)用正逐步規(guī)?；?，并已取得較大成效，但目前存在的問題是智能化程度不高。因此，設(shè)計(jì)一種智能海綿城市裝置，成為海綿城市領(lǐng)域一個(gè)亟待解決的技術(shù)難題。提供了一種智能海綿城市裝置，解決海綿城市智能化程度不高的困境。

[關(guān)鍵詞]海綿城市;裝置;智能;方法

[中圖分類號]TB47 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）02–00–04

Smart Sponge City Device and Method

Zhao Hao-yi

[Abstract]Over the years， our country has frequently encountered the problem of "seeing the sea"， which has triggered reflections on the construction of urban drainage systems under the traditional model and concerns about the urban water crisis. Under the guidance of the CPC Central Government's environmental thinking on urbanization under the new concept， the concept of sponge city was formally proposed by the Ministry of Housing and Urban-Rural Development， and guidelines were issued on related issues. Provinces and cities at all levels across the country have issued supporting construction plans; This is a new concept born in my country following a series of new urban concepts such as forest cities， garden cities， low-carbon cities， and ecological cities. Although the sponge city application is gradually expanding and has achieved great results， the current problem is that the degree of intelligence is not high. Therefore， designing a smart sponge city device has become a technical problem to be solved urgently in the sponge city field. This article is dedicated to providing a smart sponge city device to solve the predicament that the sponge city is not highly intelligent.

[Keywords]sponge city;equipment;intelligence; method

晴時(shí)的干旱，雨時(shí)的內(nèi)澇，地下水沉降，該如何解決？海綿城市主要涉及一種新時(shí)代城市雨水管理的概念。也就是說，海綿城市是指城區(qū)能像一塊海綿一樣，在應(yīng)對雨水的危害和適應(yīng)環(huán)境的急速變化等方面具有較好的柔性，能像一塊海綿一樣吸水、存水，無水時(shí)也能夠保持原有的形狀，也可把其叫作為“水彈性城市”。在國際定義術(shù)語為“低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建”，也就是說，降雨時(shí)吸水、蓄水、凈水、滲水，并在必要時(shí)將蓄存的水排放并加以重復(fù)利用，實(shí)現(xiàn)雨洪在城市之間的自由遷徙。

國外城市是通過建設(shè)巨型管道來解決雨水排放的問題，但成本巨大，同時(shí)也帶來了水體污染。國內(nèi)多地發(fā)生內(nèi)澇的主要原因是排水系統(tǒng)建設(shè)不足。管道建設(shè)跟不上城市建設(shè)，國內(nèi)大部分的排水管道是20世紀(jì)70～80年代修建的。修建時(shí)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，管道不夠粗。隨著時(shí)間的變化，堵塞、漏水、斷頭問題常見，更是起不到應(yīng)有的作用。在我國幾千年來，利用澇池、滲井、水叫等方式巧妙地解決了這一問題，也為當(dāng)下提供了新思路。

由于傳統(tǒng)城市路面是基于混凝土的結(jié)構(gòu)，水泥是其主要組成部分，這也造成了原有水文特征和自然生態(tài)的改變，從而，需要重視自然滲透，加大地下徑流，減小地面徑流。對于滲透雨水的方式是多種多樣的，目前常用的方式是改變各種地面、路面的鋪裝材質(zhì)，改變綠地豎向，改善屋頂?shù)木G化，從源頭上將雨水儲存起來然后滲下去。減小的地面徑流將流入河流等水域，另一部分水將經(jīng)過地下徑流流入蓄水池，進(jìn)入蓄水、凈水和滲水的階段。由于地面徑流極大減小，雨水造成洪災(zāi)的幾率減小，多余的雨水反被凈化利用起來，這就是海綿城市的水循環(huán)。

海綿城市應(yīng)用正逐步規(guī)?；?，并已取得較大成效，但目前存在的問題是智能化程度不高。于是，設(shè)計(jì)一種智能海綿城市裝置，成為海綿城市領(lǐng)域一個(gè)亟待解決的技術(shù)難題。

1 智能海綿城市

本文提出一種智能海綿城市裝置，主要由智能夜景照明系統(tǒng)、智能噴泉系統(tǒng)、智能噴灌系統(tǒng)等組成。

2 智能夜景照明系統(tǒng)

目前全世界都在普遍關(guān)注環(huán)境、資源和人口等重大問題，它與人類經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展息息相關(guān)，而照明與其中的環(huán)境與資源關(guān)系最為貼切。1973年，全世界爆發(fā)了第一次能源危機(jī)，引發(fā)了國際對照明節(jié)能的關(guān)注，其中一些國家隨后提出了一些照明節(jié)能的措施和原則。1991年美國環(huán)保局提出了積極推動(dòng)綠色照明工程的方案，并且迅速得到了世界眾多國家和聯(lián)合國的關(guān)切，隨后擬定了照明節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)、具體技術(shù)對策和照明節(jié)能政策。當(dāng)前，綠色照明在其中一些國家獲得了較大的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。這說明綠色照明發(fā)展?jié)摿薮螅熬皬V闊。今后科技照明長遠(yuǎn)的目標(biāo)是全力全方位實(shí)施綠色照明。

1993年開始，我國正式發(fā)起了綠色照明工程，并在1996年頒布了《中國綠色照明工程實(shí)施方案》。2001年，國際組織與原國家經(jīng)貿(mào)委一起開發(fā)了中國綠色照明工程促進(jìn)項(xiàng)目，這個(gè)項(xiàng)目目前已經(jīng)完成，而且效果顯著。已經(jīng)制定工業(yè)建筑、公共建筑以及住宅照明節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。強(qiáng)化了測試能力，并且進(jìn)行了國家級實(shí)驗(yàn)室照明產(chǎn)品電器的一致性比對。以多種渠道和形式宣揚(yáng)綠色照明的好處和意義，加強(qiáng)了社會各界的環(huán)保節(jié)能意識。開展標(biāo)識工作和節(jié)能認(rèn)證，組織了綠色照明培訓(xùn)和專業(yè)教育。質(zhì)量承諾、大宗采購和供需側(cè)（DSM）照明節(jié)能試點(diǎn)，為節(jié)電產(chǎn)品的推廣積累了良好的基礎(chǔ)，并為照明節(jié)電積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

城市夜景照明是綠色照明的關(guān)鍵組成部分，是城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市社會進(jìn)步和風(fēng)貌特征的重要體現(xiàn)。伴隨著城市化夜景照明的快速發(fā)展，人們逐漸意識到城市夜景照明是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程，它由城市的構(gòu)筑物、建筑物、道路、街道、橋梁、公園、廣場、市內(nèi)河道及水面、綠地、室外廣告和城市附屬設(shè)施，如公用標(biāo)志、書報(bào)亭、電話亭、公汽站臺等的照明。必須將這些構(gòu)景的部分有機(jī)地組織協(xié)調(diào)在一起，進(jìn)而統(tǒng)一的規(guī)劃，才能夠形成一幅景色優(yōu)美的夜景圖畫。

大功率半導(dǎo)體照明在城市夜景照明中應(yīng)用正逐步規(guī)模化，并已取得較大成效，在功能照明上也有一定突破，但目前存在的問題是照度控制精度不高。于是，設(shè)計(jì)高精度夜景照明智能調(diào)節(jié)裝置，成為城市夜景照明領(lǐng)域一個(gè)亟待解決的技術(shù)難題。

本文創(chuàng)新性地提出一種高精度夜景照明智能調(diào)節(jié)裝置應(yīng)用于智能海綿城市系統(tǒng)。

當(dāng)光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時(shí)，由光通量與電流之間的光照特性曲線，可得：

（1）

式中：為單個(gè)LED通過的正向電流向量，A;為整個(gè)發(fā)光半導(dǎo)體照明裝置的光通量，l m;k1為單個(gè)LED比例參數(shù)，l m/A;N為處于閉合狀態(tài)的斷路器數(shù)量;y為每個(gè)LED支路的LED數(shù)目。

由投光燈照度計(jì)算公式，可得：

（2）

式中：U為發(fā)光半導(dǎo)體照明裝置的利用系數(shù);S為發(fā)光半導(dǎo)體照明裝置照射面的作用面積，m2;

Eav為發(fā)光半導(dǎo)體照明裝置照射面的照度，Lx;K為發(fā)光半導(dǎo)體照明裝置的維護(hù)系數(shù);

設(shè)定電壓矢量以及電流矢量，如下：

φ1 （3）

式中：Vin為發(fā)光半導(dǎo)體照明裝置的輸入電壓，單位為V;為發(fā)光半導(dǎo)體照明裝置的輸入電壓向量，單位為V;φ1為的向量角（°）。

由基爾霍夫電壓定律以及基爾霍夫電流定律，可得：

=IF∠φ2 （4）

φ2=0 （5）

=I∠φ3 （6）

=Ic∠φ4 （7）

（8）

（9）

（10）

式中：IF為單個(gè)LED通過的正向電流，A;為單個(gè)LED通過的正向電流向量，A;φ2為的向量角，（°）;為發(fā)光半導(dǎo)體照明裝置的主路輸入電流向量，（°）;I為發(fā)光半導(dǎo)體照明裝置的主路輸入電流向量，A;φ3為的向量角，（°）;Ic為可調(diào)電容電流，A;為可調(diào)電容電流向量，A;φ4為的向量角，（°）;C為可調(diào)電容的電容值，F(xiàn);Vo為單個(gè)LED的開通壓降，V;Rs為單個(gè)LED的等效串聯(lián)電阻，Ω;R為發(fā)光半導(dǎo)體照明裝置的限流電阻，Ω;L為可調(diào)電感的電感值，H;j為虛數(shù)單位，j2=-1;其中k1、U、K、S、y、IF、R為預(yù)設(shè)值。

所述的景觀亮化智能調(diào)節(jié)裝置的調(diào)節(jié)方法，先進(jìn)行預(yù)設(shè)值的設(shè)定;然后根據(jù)實(shí)際所需要的發(fā)光半導(dǎo)體照明裝置照射面的照度Eav，根據(jù)公式（1）～（10）計(jì)算，以獲得N、L、C、的值，按照計(jì)算結(jié)果控制電壓可調(diào)裝置輸出的電壓、可調(diào)電容的電容值、可調(diào)電感的電感值，以及MOS管的閉合數(shù)量。

3 智能噴泉系統(tǒng)

《關(guān)于推進(jìn)海綿城市建設(shè)的指導(dǎo)意見》從加強(qiáng)規(guī)劃引領(lǐng)、統(tǒng)籌有序建設(shè)、完善支持政策、抓好組織落實(shí)等四個(gè)方面，提出了將雨水年徑流總量控制率作為城市規(guī)劃的剛性控制指標(biāo)，建立區(qū)域雨水排放管理制度。建設(shè)海綿城市，即構(gòu)建低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)，雨水經(jīng)過石子、瓷沙、活性炭、石英砂、濾布五層結(jié)構(gòu)后進(jìn)入溢流池，溢流池中的水有四個(gè)流向：①流向城市用水，再流向水體;②水流向城市雨洪系統(tǒng)，再流向水體;③水流向城市土壤;④水可以就地重復(fù)利用，比如智能灌溉、智能音樂噴泉等。

智能音樂噴泉系統(tǒng)包含如下功能：①馬達(dá)啟停智能安全檢測系統(tǒng);②音樂噴泉系統(tǒng)。其中，馬達(dá)啟停智能檢測系統(tǒng)能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，并能防止溢流池水位過低，造成馬達(dá)燒毀。音樂噴泉系統(tǒng)能根據(jù)環(huán)境中播放的音樂強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)馬達(dá)的輸出馬力，從而控制噴泉出口的揚(yáng)程。

3.1 馬達(dá)啟停智能安全監(jiān)測系統(tǒng)

圖2是馬達(dá)啟停智能安全監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。它由用于根據(jù)控制器處理的數(shù)據(jù)發(fā)出控制指令的監(jiān)控裝置、用于對信號采集裝置搜集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的控制器、信號采集裝備，監(jiān)控裝置與控制器的控制端連接，執(zhí)行機(jī)構(gòu)與控制器的輸出端連接，控制器的輸入端與信號采集裝置連接。

該系統(tǒng)檢測系統(tǒng)單元設(shè)計(jì)和關(guān)鍵參數(shù)的選取原則如下：

（1）泵內(nèi)部不停發(fā)熱會降低泵電機(jī)的使用壽命，泵電機(jī)內(nèi)部溫度的改變反映了泵的運(yùn)行質(zhì)量和工作效率的變化，因此為了保證響應(yīng)速度及精度，采用熱電阻測溫。

（2）為了防止液位過低時(shí)，泵電機(jī)被抽空，從而嚴(yán)重?fù)p害電機(jī)的使用壽命，應(yīng)該使溢流池水位保持在正常液位（正常液位處于低液位與高液位之間），故而采用雷達(dá)液位計(jì)測液位。

（3）泵出水總管壓力低及出口支管壓力低，這說明電機(jī)故障或噴泉供水系統(tǒng)存在漏水現(xiàn)象，故應(yīng)該采用防腐型智能壓力控制器對壓力值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

馬達(dá)啟停智能安全監(jiān)測系統(tǒng)的控制方法應(yīng)該包含以下幾點(diǎn)：

（1）信號采集裝置應(yīng)由以下組成：出水總管壓力檢測裝置、泵出口支管壓力檢測裝置、水泵電機(jī)溫度檢測裝置和液位檢測裝置。

（2）信號報(bào)警與采集：實(shí)時(shí)監(jiān)測泵電機(jī)運(yùn)行信號、泵電機(jī)熱繼電器故障信號、泵斷路器分閘信號、出水總管壓力值、泵出口支管壓力值、溢流池水位值、水泵電機(jī)的軸承溫度。

（3）預(yù)設(shè)泵出口支管壓力指標(biāo)和出水總管壓力指標(biāo)、溢流池水位指標(biāo)、水泵電機(jī)軸承溫度值指標(biāo);并根據(jù)泵組的運(yùn)行狀態(tài)，對上面4個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與信號報(bào)警。

（4）預(yù)先設(shè)定泵出口支管壓力指標(biāo)、溢流池水位指標(biāo)、水泵電機(jī)軸承溫度值指標(biāo)。水泵電機(jī)軸承溫度值指標(biāo)有：溫度高值（一般為95 ℃）、溫度高高值（一般為135 ℃）;溢流池水位指標(biāo)有：液位低低值，此值=泵電機(jī)進(jìn)水管高度+（0.5～1）m;液位低值，此值=泵電機(jī)進(jìn)水管高度+（1～2）m;液位高值，此值=泵電機(jī)進(jìn)水管高度+（5～6）m。

（5）出水總管壓力指標(biāo)：支管壓力低值（一般為0.25 MPa，此值可調(diào)）。

（6）泵出口支管壓力指標(biāo)：支管壓力低值（一般為0.35 MPa，此值可調(diào)）。

（7）預(yù)設(shè)各類參數(shù)超越預(yù)定設(shè)置指標(biāo)范圍的延時(shí)時(shí)間為5s，這里設(shè)定5s的原因，是為了防止檢測元件的錯(cuò)誤信號。

（8）將以下狀況稱作泵電機(jī)處于故障狀態(tài)：①泵電機(jī)在運(yùn)行信號存在的情況下，泵出口支管壓力值持續(xù)5 s低于壓力低值，這里設(shè)置5 s的原因是為了過濾檢測元件的誤信號;當(dāng)泵電機(jī)出現(xiàn)故障狀態(tài)無法啟動(dòng)或停機(jī)，需要記錄停機(jī)原因。②泵電機(jī)出現(xiàn)熱繼電器故障信號;③泵電機(jī)出現(xiàn)泵斷路器分閘信號;④泵電機(jī)實(shí)時(shí)軸承溫度高于溫度高高值且持續(xù)時(shí)間大于5 s，這里設(shè)置5 s的原因，是過濾檢測元件的誤信號。

（9）水泵的連鎖條件：①泵組正常運(yùn)行時(shí)處于一工一備狀態(tài)，當(dāng)一臺泵故障時(shí)，另一臺泵啟動(dòng);②泵電機(jī)在運(yùn)行信號存在的情況下，當(dāng)溢流池水位低于低低值，泵電機(jī)應(yīng)連鎖停止;③泵電機(jī)處于非運(yùn)行且非故障狀態(tài)的情況下，當(dāng)溢流池水位高于低值，泵電機(jī)方可允許啟動(dòng)。

3.2 音樂噴泉系統(tǒng)

音樂噴泉是一種為了娛樂而創(chuàng)造出來的可以活動(dòng)的噴泉，它根據(jù)美學(xué)設(shè)計(jì)并且經(jīng)常會產(chǎn)生三維的效果。在此過程中，水流被操控，散射及折射光，然后一個(gè)三維的畫面就產(chǎn)生了。隨著音樂變換，音樂噴泉為人們在夜間增添一份聽覺的盛宴和美輪美奐的視覺，是在快節(jié)奏的城市生活夜間下一項(xiàng)較為浪漫閑適的娛樂活動(dòng)。

4 智能噴灌系統(tǒng)

圖3是智能噴灌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。它包括信號采集裝置、用于對信號采集裝置采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的控制器、用于根據(jù)控制器處理的數(shù)據(jù)發(fā)出控制指令的監(jiān)控裝置，信號采集裝置與控制器的輸入端連接，控制器的輸出端與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接，控制器的控制端與監(jiān)控裝置連接。

它具有兩個(gè)功能：

（1）控制器通過采集土壤濕度傳感器感知的土壤濕度情況控制噴灌馬達(dá)的啟停。當(dāng)土壤濕度傳感器的測量值低于設(shè)定低值時(shí)，噴灌馬達(dá)啟動(dòng);當(dāng)土壤濕度傳感器的測量值高于設(shè)定高值時(shí)，噴灌馬達(dá)停止。

（2）控制器通過溫度傳感器、濕度傳感器感應(yīng)環(huán)境的狀況，并在監(jiān)控計(jì)算機(jī)中進(jìn)行顯示，向外界展示環(huán)境狀況。

5 結(jié)束語

與現(xiàn)有技術(shù)相比，智能裝置的效果為：解決現(xiàn)有海綿城市系統(tǒng)的智能化程度不高的特點(diǎn)，具體包含了智能夜景照明系統(tǒng)、智能噴泉系統(tǒng)、智能噴灌系統(tǒng)。其中，智能夜景照明系統(tǒng)解決了照度控制精度不高的問題。智能噴泉系統(tǒng)提供了一種安全可靠的音樂噴泉方案。智能灌溉系統(tǒng)提供了一種節(jié)能型的灌溉解決方案。該智能裝置已成功應(yīng)用于實(shí)際工程，具有很好的推廣前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 談旭輝.“海綿城市”在市政道路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析[J].科技與創(chuàng)新， 2017（11）：10-11.

[2] 林美，何文孝.智能照明系統(tǒng)的功能與優(yōu)勢發(fā)展研究[J].無線互聯(lián)科技，2016（21）：20-21.