一種新型智能隧道水位監測系統的應用探討

摘要：近年來洪澇事件頻起，而目前汛期下穿通道水位的實時監測與預警情況，主要依靠人工目測及經驗獲取，缺乏科學有效的監測手段。介紹研究并設計出一種新型智能隧道水位監測預警系統，基于物聯網技術，采用信息化手段，結合GIS展示，重點研究設計數據采集、水位預警監測、自動攔截、信息發布等功能，實現對下穿隧道積水點水位監測指標的實時監測與預警，提高防汛應急的處置效率，為城市防汛管理工作的開展及預警應急指揮提供了有力保障。

關鍵詞：物聯網技術； 水位監測系統； 預警系統

中國分類號：U456.3+2A

［定稿日期］2022-09-15

［基金項目］國家自然基金項目（項目編號：51908253）

［作者簡介］敬琳茜（2001—），女，在讀本科，研究方向為工程建筑；倪娜（1990—），女，博士，研究方向市政工程、道路勘測設計等；袁冰生（2002—），男，在讀本科，研究方向為電氣工程；王源媛（2001—），女，在讀本科，研究方向為工程建筑；肖卿文（2002—），男，在讀本科，研究方向為電氣工程；汪濤（2001—），男，在讀本科，研究方向為計算機科學與技術。

0 引言

在現有的隧道水位監測及準確預警技術，存在3種弊端：一是不能預測水位，即不能準確預測由于降雨量的持續作用下，下穿隧道內部水位的未來上漲情況，不能及時向市政人員反映出隧道水位的異常變化；二是量測費用高，因同一路段要多次反復量測，加之量測過程繁瑣，用人多、耗時長，導致量測費用較高；三是測量數據不可靠，造成量測數據不可靠的原因主要是天氣降雨量的不可測性和機械儀表的測量精度不夠及處理測量數據時造成的誤差。

本研究在現有設備技術下，加入創新功能，如“語音功能”“存儲功能”“報警功能”“自動攔截功能”“斷電重啟功能”等改良方向，通過改良相關技術儀器的選擇、改進監測預警系統的實驗數據獲取與處理解決以上弊端，設計出一種新型智能隧道水位監測系統。

1 研究方案

本研究基于物聯網技術的新型智能隧道水位報警系統在結構上采用應用層、網絡層、感知層及現場工作層 4 層體系［1］。系統由前端傳感器、微處理器、LED顯示器組成，在下穿隧道設置傳感器節點，在傳感器節點中增設數據采集模塊，將傳感器采集相關信息完成信號轉化，并將電信號傳遞至微處理器進行處理，同時發送到前端存入數據庫進行數據存儲分析。在前端上，可以顯示下穿隧道的積水量、實時積水量，遇到不同突發情況會進行預警與警告顯示，工作人員可以根據采集的數據對相關的隧道進行遠程手動攔截，及時通告相關部門采取救援，提高下穿隧道積水的應急指揮及快速處置能力，提供科學、先進的積水信息監測、記錄、分析及統計功能。

2 研究內容

2.1 數據采集功能

數據采集模塊設置在傳感器節點中，主要由檢測參數的多個感應器構成，有超聲波測距傳感器、溫濕度轉感器、水溫感應器等。傳感器通過收集下穿隧洞的實際水位、雨量等信息，并進行A/D變換后獲取標準數據，然后再利用串口將數據以RS232標準電平信息的形式傳送至微處理器，完成數據處理。同時系統選ZigBee技術與GPRS相關結合作為通訊模塊，從而完成了遠近結合的傳輸，還可以節約通信成本。同時對關鍵重要的模塊進行封裝，在與水接觸的部位進行涂層，增強其穩定性與防止水的腐蝕。而且有專用的通道，當水位經過管線進入時，可以在內部穩定下來之后，直接對水位進行檢測，以防止外部條件對水位檢測造成干擾，從而大大提高了對水位的檢測準確性。同時為了讓測量更為準確與可信，可以在下穿隧道多個重要節點可設置多個傳感器，通過通信模塊集中到一個關鍵點模塊，再由該模塊一并傳回。同時結合現有的視頻監控技術，傳回重要地點水位高度與人員情況，然后結合傳回來的水位等數據做出措施。

2.2 水位監測及預警功能

本項技術的原理在于：在隧道內設置水位傳感器，傳感器主要由測量參數的各種傳感器組成，傳感器將采集的隧道實時水位、雨量等信息經過轉換后以標準電信號的形式通過無線網傳回水位實時監測數據。相關部門科學設置分級預警水位，當前端水位超過分級預警水位，系統根據預警機制即刻發布信息，提醒相關部門及人員采取對應措施。

分級水位信息是預警系統預警所需的關鍵信息，需要根據各個地區的防汛預警等級、水位信息庫等信息科學設置并錄入預警系統，同時在不同情況下需要及時調整。

依靠物聯網技術，將多個監控系統（包括隧道內外監控系統及自動攔截系統中的監控系統）統一接入物聯平臺，不同的系統也可統一成一體，構成一個聯動反應的可視化管理中心，將監控器、報警裝置、聲光信息發布系統統一接入到一個系統中，當發生水位預警時，根據預警程度，報警裝置自動響應發布聲光預警信息，提醒市政工作人員注意采取相應措施，通過監控系統確認隧道內外實際情況。當達到一定預警級別，自動攔截系統接收到控制器將水位信息轉化而來的電信號，其包含的AI數據分析系統根據電信號作出反饋至控制系統，自動攔截系統啟用。同時，工作人員可以通過自動攔截系統自帶的控制系統對其進行控制，及時開放或關閉通行（圖1）。

2.3 自動攔截功能

為實現隧道積水時及時可靠的智能化預警及交通攔截疏導，將自動攔截系統設置在隧道入口處。通過物聯網技術將自動攔截系統接入統一的物聯平臺，與其他系統統一成一體，共同分享水位信息，及時接收預警系統傳遞出的微處理器轉換的電信號并作出反饋。

自動攔截系統由多個部件及系統組成，是集和了監控、報警、攔截為一體的隧道口控制攔截系統。當達到規定預警水位時，AI數據分析系統對接收到的電信號作出反饋傳遞至控制系統，自動攔截系統隨即響應，道閘欄桿下降攔截交通通行。同一時間，信號燈系統自有的控制器控制譯碼器工作輸出相應工作狀態，實現光信號預警功能。自動攔截系統中包含的視頻監控系統接入管理中心，即時傳輸回現場實況，便于市政工作人員監測并及時利用控制器控制道閘欄桿開放交通。

2.4 信息發布功能

在智慧城市系統的支持下，信息發布管理員基于GSM技術，可以將監測到的水位數據快速且準確地發布并傳輸到廣播預警平臺。其中水位數據庫中心和服務器是系統的核心，由系統管理員專門負責服務器的設計、配置、安裝、管理和維護工作，保障服務器網絡系統穩定運轉，并及時處理系統故障，確保水位數據傳輸和預警信息發布正常運作。LED大屏和廣播是水位信息發布的載體，由播放管理員負責實時監測并傳輸預警信息工作，確保預警播報環節的時效性和準確性，除了播放水位預警信息，還需負責顯示屏上的其他節目播放工作。終端管理員負責接收水位預警的反饋情況，定期整理水位數據庫、清除緩存及更新數據，并管理和指導各部門平臺的登陸、操作工作。

信息發布系統具備文語轉換、LED顯示、身份鑒別、廣域覆蓋、高速傳輸、安裝方便等功能，支持水位監測信息文字轉換為語音廣播輸出及LED顯示。播報環節具有緊急設置和定時設置兩大功能，可以實現定時語音播報的自動性能和緊急信息發布的制動性能。為了規避非法信息的接收與播放，還會對信息發布者進行身份認定和鑒別。系統激活無線廣播GMS功能后，在全國范圍內，蜂窩網絡的帶寬傳輸使得信息傳輸速度及效率高且快，只要有無線GPRS網絡覆蓋，信息發布功能便可使用，不受距離和位置限制，且享受專線網絡服務。

建筑設備與建筑材料敬琳茜， 倪娜， 袁冰生， 等： 一種新型智能隧道水位監測系統的應用探討

信息發布終端支持室外使用，而智慧城市系統的端口與其他系統的信息發布端口連接必須達到良好的兼容性，并且能夠利用靈活的端口擴展平滑整合現有LED控制器與廣播預警系統，亦可利用中間的其他設備進行整合。信息發布界面、水位預警終端系統的軟硬件都要滿足兼容，以便于實際操作過程的使用。

在隧道中安裝的播報裝置中，選用的LED大屏具有防水、防腐性質，且搭配太陽能充電板，綠色環保，可以彌補斷電空缺。優質的LED大喇叭，精準廣播，用視覺與聽覺的雙重預警信息來警醒行人。在水位超出預警值后，LED大屏就會通過接收到的指令顯示實時水位信息。預警文字具有一定的視覺沖擊，同時LED大喇叭也會播放預警提示，向行人和車輛提供警示信息。為了充分利用LED顯示大屏，通過播放管理員的操作，在平時氣象正常、水位預警概率接近零的情況下，本信息發布系統可以為城市的市政工作或其他方面提供宣傳支持功能，LED大屏可以作為宣傳信息屏，播放器可以接收到由信息中心發布的內容，并在指定的顯視屏將信息組合播放（圖2）。

2.5 手機軟件平臺——積水監測預警系統

積水監測預警系統是一款自由使用、實時監測水位信息、提前預知水災并發出警報的手機軟件，主要使用無線網絡數據傳輸技術，將水位信息與智能市政平臺以及城市水位監測中心實現大數據互動，并利用視頻界面動態傳遞全城各個地段的水位信息，有效降低城市洪水隱患，從而實現移動辦公功能，該軟件基于安卓系統研發，將市政部門日常辦公功能擴展至第一線。借助該軟件的界面顯示，廣大居民可以即時定位附近人員情況，并查看水位漲勢的動態視頻，以及進行對基本水位數值的查看，從而增強了自身安全意識。并按照自身要求，適時做好了適當出行準備，以防范城市洪水且操作簡單隨看隨用，大大提高效率。

主要包括3個方面，一是信息檢索功能，可以對監控設備的基礎信息、擴展信息進行檢索，根據GPS顯示水災發生的地理位置，精準定位;二是信息發布指令，可以根據業務需要，實現對選中的監測設備進行LED信息發布；三是信息提示接收水位處理指令，包括App消息提示和短信提示（圖3）。

2.5.1 手機軟件系統簡介

24 h全天候直觀水災動態情況，定位水災發生地點，查看水位數據，預測水位未來漲勢，增加水災預警功能，降低城市水災隱患，方便市民安全出行。

2.5.2 積水監測預警系統特色

積水監測點和現場視頻實時監測；水位、降雨量、視頻圖片、視頻展示；紅色預警、橙色預警、黃色預警、藍色預警分級預報。

3 結束語

本研發中的新型智慧隧道水位監控管理系統將采用物聯網技術，并通過信息化技術手段，整合了GIS展示技術，以積水點位為中心，利用電子水尺、超聲波傳感器等裝置對積水點位進行實時水位、現場圖像等要素實現24 h不間斷的監控，形成了一個集監控、預警、警告為一身的隧道內積水自動攔截體系。實現預警的自動化、系統化，節約人力成本，增加預警及時性、準確性；融入語言播報功能及信息發布功能，實現功能多樣性，提高預警的效率并豐富了設備的可用性。該智能系統對下穿隧道積水點水位監測指標的實時監測，為城市下穿隧道的防汛預警、排水規劃、應急指揮工作提供了有力保障。

參考文獻

［1］ 郭春權.基于物聯網技術的城市下穿隧道水位預警監測系統研究［J］. 中國新技術新產品， 2020，（9）： 45-46.