基于涵洞積水監測的預警和行程導航系統設計及應用

李懷珍，賀 炫，張 林，朱博超，聶新乘

（河南理工大學安全科學與工程學院，河南 焦作 454000）

0 引 言

近年來，我國大力推進城鎮化建設，交通基礎建設迅猛發展。據統計，目前我國城鎮化率水平在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，導致交通堵塞、車輛損毀和人員溺亡現象時常發生，嚴重影響了人民生命和財產安全。加之近年來暴雨或短時強降雨等極端天氣的頻發，城市路橋涵洞積水問題尤為突出。

1 積水監測預警研究現狀

在積水監測方面，日本和美國首先提出研發智能信息監測系統，美國國家氣象局和SM公司率先研發出了全世界第一套相對完善的雨水自動監測系統。受多方面影響，我國道路積水監測技術起步較晚。宋逢泉等研制了基于分組無線服務技術的水位預警監測器[1]。秦玉忠等在研究超聲波傳播速度影響因素基礎上，提出了城市道路積水監測用傳感器軟硬件設計方案[2]。王福東等基于微軟SQL Server關系型數據庫與Java語言結合，設計出水位監測分析系統[3]。梁子亮等研究了采用衛星測高對湖泊水位變化進行監測的可行性[4]。潘虹等選擇合適的物聯網監測終端集成了道路防澇監測預警系統[5]。侯天宇等通過智能物聯網技術實時獲取積水監測數據，基于城市內澇風險等級劃分、用戶實時位置構建了天津市城市自動化積水監測預警系統[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，實現城市內澇精細化監測預警[7]。黃丹萍、白龍等基于大量觀測數據，采用內澇積水模型和風險等級劃分法，研發出城市內澇精準監測預警和風險評估系統[8]。由此可見，不少學者開展了積水監測設備和預警系統方面的研究，一定程度上實現了自動化，但存在系統功能較為單一，較少實現信息共享與多部門協同模式的應急處置。由此，亟需設計開發一款可實時進行水位監測、信息共享、應急聯動的監控預警系統，同時相關信息可為司乘人員進行行程導航，從而推動智慧城市建設。

2 系統設計分析

系統基于國家級大學生創新創業訓練計劃重點項目實物模型，進行系統設計和相關功能研發。相對應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為監測預警系統局部放大圖。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。為開展水位監測和處置，內設浸入式水位計，如圖2中（c）部分和排水泵。

圖1 涵洞積水監測場景效果圖

圖2 監測預警系統局部放大圖

2.1 系統設計方案

“基于涵洞積水分級監測預警與行程導航系統”基于Arduino UNO R3控制板設計，整體框架包括系統監測終端設備、監測控制中心主程序和行程導航三部分。各部分之間既互不干涉，又可以統一操作。系統設計時遵循結構簡單化、硬件經濟化、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上，同時為硬件配置的迭代升級和功能擴展預留空間，系統運行整體框架圖見圖3。

圖3 系統整體運行框架圖

系統終端監測設備主要用于積水信息的采集、顯示、數據傳輸、應急排水等，系統通過HC-SR04超聲波測距傳感器對積水水位信息進行實時監測，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通信模塊將各監測終端設備采集的積水水位信息發送到監測控制中心，以BDS短報文通信形式短息提醒給路政環衛人員，同時通過APP對路過司乘人員進行語音播報提醒，系統根據積水高程對應進行三級預警，適時自動開啟應急排水閥、現場ESP32-CAM-WiFi攝像頭模組。

2.2 系統硬件與功用

系統模型硬件主要包括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據傳輸。HC-SR04超聲波測距傳感器實現對涵洞積水水位進行動態測量。

2.2.1 硬件參數

系統各模塊硬件配置基于安全和便于操作原則，主要硬件參數：（1）驅動芯片：L298N雙H橋直流電機驅動芯片。（2）驅動端子供電范圍Vs：+5～+35 V，如需板內取電，則供電范圍Vs：+7～+35 V。（3）驅動峰值電流Io：2A。（4）邏輯端子供電范圍Vss：+5 V～+7 V（可板內取電+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）驅動板尺寸：55 mm×49 mm×33 mm（帶固定銅柱和散熱片高度)。（11）驅動板量：33 g。（12）其他擴展：控制方向指示燈、邏輯部分板內取電接口。

2.3 系統主控制板的選擇

根據系統實際需要，采用功能齊全且開發較為簡單的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，為功能開發預留空間。

2.4 監測模塊分析

經過對測距模型穩定性、精確度、盲區大小方面的比較，監測模塊最終選用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”等優勢，完美符合產品對測距模塊的需求與預期，相關參數見表1。

表1 HC-S R04超聲波測距模塊參數

2.5 邏輯輸入分析

系統邏輯輸入包括IN1、IN2、IN3、IN4四個輸入端用來控制電機正反轉。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，電機轉速不變；若想改變電機轉速，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。根據占空比不同控制電機轉速。

2.6 系統電路圖原理

系統電路中，水泵A的兩端分別連接L298N電機驅動模塊的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引腳負責控制水泵的高低電平，（水泵的開關），ENA、ENB引腳控制水泵功率。系統電路見圖4。

圖4 系統電路原理圖

2.7 水位信息預警平臺與行程導航模塊分析

預警平臺與APP后臺把水位監測模塊傳來的數據進行處理分析，通過大數據和時間序列算法對水位進行預測，通過數據結果對積水水位進行評級，根據評級結果進行分級預警，見圖5。

圖5 分級預警圖

黃色預警：若道路地下排水槽發生堵塞現象，遇到強降雨時會出現排水不暢甚至不能排水等情況。當放置在排水槽內的浸入式水位計檢測到水位長時間未變或超限時，啟動黃色預警系統，以手機短信方式通知片區環衛人員到場及時清淤，疏通排水系統。

橙色預警：當降水強度大、地面積水水位持續上升，現場超聲波水位計監測積水大于預定值M1時，啟動橙色預警。自發啟動應急排水系統，開啟水泵排水，信息通知泵站操作管理人員。現場屏幕上顯示提示語句，警示人們減速慢行或繞道行駛。

紅色預警：當現場超聲波水位計監測水位超過預定值M2時，啟動現場視覺監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致誤報。同時，現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向司乘人員提供導航信息。相關程序已經申請軟件著作發明。

同時，根據平臺數據處理結果，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航和合理路線規劃。手機APP機互動導航界面見圖6。

圖6 手機AP P導航人機互動界面

3 系統特點與優勢

3.1 系統實現多元一體化設計

本系統針對單種設備無法進行多功能聯動的弊端，實現了多元一體化設計，在實現多個控制模塊獨立工作的同時又受系統整體控制。系統集水位監測、分級預警、自動抽排水、遠程操控、APP端水位實時通報、行程導航多種功能于一體，通過信息平臺實現了積水監測、分級預警、自動排水、行程導航等功能的統一調度，同時可與政府調度平臺對接，實現信息與資源的統籌調度。

3.2 系統主控板低廉可升級

系統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勢，同時為控制板升級預留了空間。價格低廉、體積微型化的控制器更適合加裝到公路系統中，便于維修更換和后期推廣普及。系統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

系統各部分硬件設備與控制模塊相對獨立，各模塊根據實際需要可進行不同配置的組合。各模塊都預留了獨立升級和備用方案，可根據硬件設備和技術發展情況進行升級。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 結語

基于目前普遍存在的城市路橋涵洞積水問題，設計研發了一款集多功能為一體的監測預警和行程導航系統。系統集水位監測、分級預警、多載體播報、多部門協同處置和APP行程導航于一體。系統各模塊之間相互獨立又服從統一控制，各模塊的設計遵循結構簡單、成本低廉、性能可靠和便于維修的原則，同時為系統升級換代和各模塊硬件升級替換預留了空間。系統可為氣象、城建、環衛、交通等管理部門和司乘人員提供服務，有較強市場應用前景和大量受眾群體，有助于促進智慧城市建設。