基于涵洞積水監(jiān)測的預(yù)警和行程導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計及應(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，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)象時常發(fā)生，嚴重影響了人民生命和財產(chǎn)安全。加之近年來暴雨或短時強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)測預(yù)警研究現(xiàn)狀

在積水監(jiān)測方面，日本和美國首先提出研發(fā)智能信息監(jiān)測系統(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完善的雨水自動監(jiān)測系統(tǒng)。受多方面影響，我國道路積水監(jiān)測技術(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)測用傳感器軟硬件設(shè)計方案[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)計出水位監(jiān)測分析系統(tǒng)[3]。梁子亮等研究了采用衛(wèi)星測高對湖泊水位變化進行監(jiān)測的可行性[4]。潘虹等選擇合適的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測終端集成了道路防澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)[5]。侯天宇等通過智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實時獲取積水監(jiān)測數(shù)據(jù)，基于城市內(nèi)澇風(fēng)險等級劃分、用戶實時位置構(gòu)建了天津市城市自動化積水監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)[6]。薛豐昌等基于圖像差分識別，標志點疊加積水深度等方法，實現(xiàn)城市內(nèi)澇精細化監(jiān)測預(yù)警[7]。黃丹萍、白龍等基于大量觀測數(shù)據(jù)，采用內(nèi)澇積水模型和風(fēng)險等級劃分法，研發(fā)出城市內(nèi)澇精準監(jiān)測預(yù)警和風(fēng)險評估系統(tǒng)[8]。由此可見，不少學(xué)者開展了積水監(jiān)測設(shè)備和預(yù)警系統(tǒng)方面的研究，一定程度上實現(xiàn)了自動化，但存在系統(tǒng)功能較為單一，較少實現(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)計開發(fā)一款可實時進行水位監(jiān)測、信息共享、應(yīng)急聯(lián)動的監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，同時相關(guān)信息可為司乘人員進行行程導(dǎo)航，從而推動智慧城市建設(shè)。

2 系統(tǒng)設(shè)計分析

系統(tǒng)基于國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃重點項目實物模型，進行系統(tǒng)設(shè)計和相關(guān)功能研發(fā)。相對應(yīng)的路橋涵洞場景效果圖見圖1。圖1中，①～⑦分別為LED顯示屏、監(jiān)控攝像頭、涵洞上車道、超聲波水位計、路面積水排泄口、行車道、人行道。圖2為監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)局部放大圖。其中，圖1中④超聲波水位計見圖2中（a）部分，圖1中⑤路面積水排泄口下方場景見圖2中（b）部分。為開展水位監(jiān)測和處置，內(nèi)設(shè)浸入式水位計，如圖2中（c）部分和排水泵。

圖1 涵洞積水監(jiān)測場景效果圖

圖2 監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)局部放大圖

2.1 系統(tǒng)設(shè)計方案

“基于涵洞積水分級監(jiān)測預(yù)警與行程導(dǎo)航系統(tǒng)”基于Arduino UNO R3控制板設(shè)計，整體框架包括系統(tǒng)監(jiān)測終端設(shè)備、監(jiān)測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)計時遵循結(jié)構(gòu)簡單化、硬件經(jīng)濟化、功能多樣化、維護便利化原則，在做到盡可能實用和完善的基礎(chǔ)上，同時為硬件配置的迭代升級和功能擴展預(yù)留空間，系統(tǒng)運行整體框架圖見圖3。

圖3 系統(tǒng)整體運行框架圖

系統(tǒng)終端監(jiān)測設(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超聲波測距傳感器對積水水位信息進行實時監(jiān)測，微處理器Arduino UNO R3控制TFT液晶屏在低洼路段入口處實時更新路段積水水位信息，采用Mini GA6-B通信模塊將各監(jiān)測終端設(shè)備采集的積水水位信息發(fā)送到監(jiān)測控制中心，以BDS短報文通信形式短息提醒給路政環(huán)衛(wèi)人員，同時通過APP對路過司乘人員進行語音播報提醒，系統(tǒng)根據(jù)積水高程對應(yīng)進行三級預(yù)警，適時自動開啟應(yīng)急排水閥、現(xiàn)場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超聲波測距傳感器、L298N電機驅(qū)動模塊、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路繼電器模塊對兩塊控制板進行數(shù)據(jù)傳輸。HC-SR04超聲波測距傳感器實現(xiàn)對涵洞積水水位進行動態(tài)測量。

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)動芯片：L298N雙H橋直流電機驅(qū)動芯片。（2）驅(qū)動端子供電范圍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）使能信號輸入電壓范圍，低電平：-0.3 V≤Vin≤1.5 V（控制信號無效），高電平：2.3 V≤Vin≤Vss（控制信號有效）。（8）最大功耗：20 W（溫度T=75℃時）。（9）存儲溫度:-25～+130℃。（10）驅(qū)動板尺寸：55 mm×49 mm×33 mm（帶固定銅柱和散熱片高度)。（11）驅(qū)動板量：33 g。（12）其他擴展：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)實際需要，采用功能齊全且開發(fā)較為簡單的Arduino UNO R3微控制器板。主要原因首先為該控制板具有簡便的編程環(huán)境IDE，自由度高、可拓展性強；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)測模塊分析

經(jīng)過對測距模型穩(wěn)定性、精確度、盲區(qū)大小方面的比較，監(jiān)測模塊最終選用HC-SR04超聲波測距模塊，其主體由兩個傳感器和外圍信號處理電路組成，通過測量一個高電平與低電平輸出時間的差值作為一次測距的時間進而計算距離，通過重復(fù)不斷的周期測量，達到對水位變化的實時測量。HC-SR04超聲波測距模塊具有“測量精度高、簡單易操作”等優(yōu)勢，完美符合產(chǎn)品對測距模塊的需求與預(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、IN4四個輸入端用來控制電機正反轉(zhuǎn)。IN1、IN2控制輸出A，IN3、IN4控制輸出B。通道A、B使能端口給電機調(diào)速。如把跳線帽插在使能端口，則給電機一個5 V的恒定電壓，電機轉(zhuǎn)速不變；若想改變電機轉(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電機驅(qū)動模塊的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)警平臺與行程導(dǎo)航模塊分析

預(yù)警平臺與APP后臺把水位監(jiān)測模塊傳來的數(shù)據(jù)進行處理分析，通過大數(shù)據(jù)和時間序列算法對水位進行預(yù)測，通過數(shù)據(jù)結(jié)果對積水水位進行評級，根據(jù)評級結(jié)果進行分級預(yù)警，見圖5。

圖5 分級預(yù)警圖

黃色預(yù)警：若道路地下排水槽發(fā)生堵塞現(xiàn)象，遇到強降雨時會出現(xiàn)排水不暢甚至不能排水等情況。當(dāng)放置在排水槽內(nèi)的浸入式水位計檢測到水位長時間未變或超限時，啟動黃色預(yù)警系統(tǒng)，以手機短信方式通知片區(qū)環(huán)衛(wèi)人員到場及時清淤，疏通排水系統(tǒng)。

橙色預(yù)警：當(dāng)降水強度大、地面積水水位持續(xù)上升，現(xiàn)場超聲波水位計監(jiān)測積水大于預(yù)定值M1時，啟動橙色預(yù)警。自發(fā)啟動應(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。現(xiàn)場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)場超聲波水位計監(jiān)測水位超過預(yù)定值M2時，啟動現(xiàn)場視覺監(jiān)測攝像頭進行視頻傳輸，查看積水情況并搜尋涵洞中可能存在的被困人員和車輛，以便及時組織救援，視頻查驗還能防止水位計誤觸或失靈所導(dǎo)致誤報。同時，現(xiàn)場顯示屏開啟紅色警報模式，禁止行人和機動車通行，通過手機APP向司乘人員提供導(dǎo)航信息。相關(guān)程序已經(jīng)申請軟件著作發(fā)明。

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

圖6 手機AP P導(dǎo)航人機互動界面

3 系統(tǒng)特點與優(yōu)勢

3.1 系統(tǒng)實現(xiàn)多元一體化設(shè)計

本系統(tǒng)針對單種設(shè)備無法進行多功能聯(lián)動的弊端，實現(xiàn)了多元一體化設(shè)計，在實現(xiàn)多個控制模塊獨立工作的同時又受系統(tǒng)整體控制。系統(tǒng)集水位監(jiān)測、分級預(yù)警、自動抽排水、遠程操控、APP端水位實時通報、行程導(dǎo)航多種功能于一體，通過信息平臺實現(xiàn)了積水監(jiān)測、分級預(yù)警、自動排水、行程導(dǎo)航等功能的統(tǒng)一調(diào)度，同時可與政府調(diào)度平臺對接，實現(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

系統(tǒng)目前采用單片機作為主控制板，既利用了單片機價格低的優(yōu)勢，同時為控制板升級預(yù)留了空間。價格低廉、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)采用單片機作為首代控制板，后期將采用微型芯片取代單片機作為控制板的升級方案。

3.3 模塊化組合便于維修更新

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

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)計研發(fā)了一款集多功能為一體的監(jiān)測預(yù)警和行程導(dǎo)航系統(tǒng)。系統(tǒng)集水位監(jiān)測、分級預(yù)警、多載體播報、多部門協(xié)同處置和APP行程導(dǎo)航于一體。系統(tǒng)各模塊之間相互獨立又服從統(tǒng)一控制，各模塊的設(shè)計遵循結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、性能可靠和便于維修的原則，同時為系統(tǒng)升級換代和各模塊硬件升級替換預(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)，有較強市場應(yīng)用前景和大量受眾群體，有助于促進智慧城市建設(shè)。