甘 锐, 罗小雄, 谭升帜, 刘虎祥
(1.广州市公路实业发展有限公司, 广州 510000; 2.广州市道路养护中心南城养护所, 广州 511499)
近年来,广州市内涝频发,部分地区出现“逢雨必涝,遇涝则瘫”的现象,不但导致交通瘫痪,还会引发城市水电、通讯故障,甚至造成市场、仓库及人民财产被淹,严重时造成部分地铁站水浸事件,给市民生活带来极大的困扰. 广州2020年5月黄埔开源大道隧道发生严重内涝并造成人员死亡,给城市造成了重大损失,如何避免涵隧积水带来的安全隐患,是城市治理的一大重要课题.
1.1 城市排水管网、泵站等设施的设计、建设标准普遍低下
根据《室外排水设计规范》规定,雨水管渠设计重现期根据汇水地区特点和气候条件等,通常年限为1～3 a重要干道、重要地区或短期积水即会引起较严重后果的地区,通常为3～5 a. 这一标准相对于美国、英国、日本等国家50或100 a一遇的设计标准已然相差太多,但为了节省管网、泵站建设费用,目前国内省会与直辖市排水标准通常也只有1 a一遇到2 a一遇,其他城市的排水标准更低[1];且大部分的地区暴雨强度仍采用多年以前的监测数据,导致城市大部分地区的排水管网、泵站等设施的设计、建设标准普遍较低.
1.2 城市快速城市化导致地面径流系数增大以及气候变化
由于城镇化的快速发展,地表植被和坑塘不断减少,致使地表的持水、滞水及渗透能力等明显减弱,城市新增大量房屋建筑,混凝土铺盖的不透水面积直线增加,暴雨来临时产汇流时间缩短,地表径流量显著增大,大量雨水短时间无法通过排水管网集中排泄到河道,城市涵隧内涝也就随即发生[2]. 另外南方地区水系纵横复杂,气候多变,暴雨、强对流、台风等气象灾害风险较大,对于下穿隧道、下沉式道路等地势较低的位置,因排水不及时容易导致积水内涝.
1.3 城市内涝灾害气象服务体系正处于初步建设阶段
为提升对强降水的抵御能力,预防城市内涝灾害,我国一些大城市已经开始采用气象服务构建城市内涝灾害防御体系. 尽管这一防御体系仍处于初步建设阶段,对强降水预防处理,但考虑到体系尚不够成熟,所以在内涝灾害应对这类效果并不十分显著. 十四五期间,我国许多城市地区的气象灾害服务观测网虽取得较大的成就,但仍然穿在这部分问题. 尤其是在我国的西部地区,气象服务体系的建设进展较为滞后,远远无法充分利用气象服务系统对城市内涝气象灾害进行准确的预测与评估,使得城市在抵抗自然灾害方面的能力相对薄弱[3].
鉴于较为严峻的安全风险形势及近年来广州市多起涵洞隧道水淹造成的安全事故,广州市公路实业发展有限公司研发出1套多种监测终端的涵隧防内涝智能管控系统,目前系统已在本市多条隧道落地应用,性能稳定,监测精度高,效果良好,并成功入选广州市“于较为严年广州市数字经济应用场景标杆案列”,在应对城市防内涝管控中发挥了积极的作用. 公路实业在园区搭建了1套完成的测试产品,水位监测传感器主流有以下几种方式,雷达式水位回波传感器、电容式液位计传感器、接触式液位计传感器及气泡式水位传感器,考虑到电子水尺为传统的检测技术,存在误报率较高的缺点,本文主要对另外4种传感器做分析及对比.
2.1 雷达式水位回波传感器
雷达液位计是1种非接触式液位测量设备,使用雷达波(无线电波)来测量液体表面或液位的位置. 雷达液位计的工作原理是:①发射雷达波:雷达液位计的工作开始于雷达发射器,会发射高频的雷达波(通常是微波或毫米波). 这些雷达波在空气中以光速传播,然后穿越到液体表面;②反射雷达波:当雷达波碰到液体表面时,一部分雷达波会被液体反射回来. 这种反射是因为雷达波在从空气进入液体时遇到了不同介质的界面,从而发生折射和反射;③接收反射信号:雷达液位计的接收器会接收到反射回来的雷达波,然后测量返回时间(也称为回波时间)来确定雷达波从发射器到液体表面的往返时间;④计算液位高度:通过测量雷达波的回波时间,雷达液位计可计算出液体表面距离传感器的距离. 由于液体表面到液位的距离等于液位高度,因此这个距离信息就是液位的高度;⑤数据处理和显示:雷达液位计通常会将测得的液位高度数据传送到数据采集系统或控制器进行处理.
传感器特点:①非接触式测量,结合断面参数计算流量,不受风、温度、雾霾、泥沙、漂浮物等影响[3];②适用于多种测量条件,不受腐蚀、泡沫影响,可输出流速、水位、流量的测量数据;③可因地制宜选择4G(全网通)、无线WIFI等上传方式;④可通过手机配置软件“手机WIFIapp手进行配置参数;⑤流速和水位采用平面阵列雷达天线,自带测量角度功能,设备体积小巧,安装方便;⑥不受大气中水蒸汽、温度和压力变化的影响.
2.2 电容式液位传感器
电容式液位计是依据电容器感应工作原理,利用电容的改变来测量液面的高度,当被测介质浸润测量电极值变化时,从而引起电容变化. 主要工作原理是通过1根金属棒融进装有液体的容器内,金属棒作为电极的1个极,容器壁则为另1个极. 两电极间的介质即为液体及其上面的气体. 由于液体水位的变化,导致两极电容产生变化[4].
传感器主要特点:①具有多信号输出,可有灵活的配置方式;②结构简单,不需要可动或弹性元部件,可靠性较高,通常情况下可免维护;③可用于高温高压容器的测量,并且可不受被测液体的温度、比重及容器形状及压力的影晌;④有比较完善的过压、过流与电源极性保护;⑤特别适用于酸、碱等强腐蚀性液体的测量;⑥测量的量程可灵活设置. 主要优势是可实现高压、高温、高黏度液位的测量,适用在强腐蚀等特别环境. 存在不能实施全工况测量与“假水位”的缺点,在不稳定运行条件下建立稳定差压时间较长、需要长时间恢复或直接无法建立正常差压[5],需人工处理等问题.
2.3 接触式液位传感器
接触式液位传感器是基于所检测的液体静压与液体高度成正比原理,液位静压与液体正比关系(P=gh),输出的信号就可真实的反应液位高度的变化,从而可实时的探测液位的高度,通常采用扩散硅或陶瓷敏感元件的压阻效应,将静压信号转成为电信号,再经过信号的补偿与校正,转换为(4～20) mA直流电流信号,再输出给上游的通信控制单元. 接触式液位传感器部分直接放置测量液体中,使用法兰或金属支架固定,安装使用非常方便[6].
传感器主要特点:①接触式液位计,不需要浮球、无需干簧管、无需机械动作;②功率小、寿命长、耐污性强、稳定可靠;③PVC塑料外壳,耐水垢;环氧树脂灌封,可长期浸在水中;④不易受固体漂浮物的影响; ⑤有完善的过流、过压、电源极性保护,主要优势是使用寿命长,性能比较稳定,缺点是压阻元件容易被异物遮盖影响测量精度.
2.4 气泡式液位传感器
气泡式液位传感器是1种用于测量液体水平传感器,工作原理基于液体和气体之间的相对密度差异. 以下是气泡式液位传感器的工作原理:
2.4.1 传感器构造
气泡式液位传感器通常由1个长而细的管子制成,其中一端封闭,另一端开口,用于浸入液体中. 管子内有一定量的气体,通常是空气或其他可压缩的气体. 在封闭端附近,有1个压力传感器或测量装置,用于测量管内气体的压力.
2.4.2 压力差测量
当将传感器的开口部分浸入液体中时,液体会进入管子内,从而改变管内气体的体积. 由于液体比气体密度高,液体的进入会导致管内气体的体积减小,从而增加管内的压力.
2.4.3 压力传感器测量
压力传感器或测量装置用于测量管内气体的压力变化. 随着液体水平的上升或下降,管内气体的压力也会相应地增加或减小. 传感器将这些压力变化转换成电信号.
2.4.4 电信号处理
传感器通过将压力变化转换成电信号,通常是电压信号或电流信号,然后传送给数据采集系统或控制器. 这些信号经过处理后可用于确定液体的水平位置.
2.4.5 水平测量
通过对传感器输出信号的分析和处理,可确定液体的水平位置. 通常,液体水平的升高会导致管内气体的压力升高,反之亦然.
总的来说,气泡式液位传感器的工作原理基于液体进入管子内后引起的气体压力变化,这个压力变化被测量和转换成可用于监测液位的电信号. 这种传感器通常用于监测液体储罐、沉积槽、水池等应用中的液位变化. 产品特点如下:①高可靠性:气泡式液位传感器通常不容易受到液体的腐蚀或污染,因为他们的传感元件位于管子内,不直接接触液体. 这使得他们在恶劣环境下仍然能提供可靠的液位测量;②适用性广泛:气泡式液位传感器适用于各种液体,包括腐蚀性液体、高温液体和粘稠液体等. 他们的材料选择和设计可根据不同应用的要求进行定制;③安装简单:安装气泡式液位传感器相对简单,只需将传感器的管子插入液体中,无需复杂的安装程序,易于维护和更换;④实时监测:气泡式液位传感器能提供准确的实时液位监测. 由于他们的工作原理基于压力差,所以液位变化几乎可即时反映在传感器输出信号中;⑤高精度:这些传感器通常具有高精度,能提供较为准确的液位测量数据,适用于对液位精度要求较高的应用,如工业过程控制;⑥耐用性强:气泡式液位传感器通常采用坚固的材料制造,具有较长的使用寿命,能在恶劣条件下稳定工作;⑦无动力需求:这些传感器不需要外部电源或电池,因为他们的工作原理是基于气体和液体的相对密度变化,这降低了维护和操作成本. 尽管气泡式液位传感器具有许多优点,但也需要考虑到其局限性,例如管子长度的限制和气泡漂移等问题.
2.5 小结
对于需要精确测量实施水位刻度的,上述4种水位传感器均能实时测量水位刻度信息,并且发送频率可通过传感器上游的控制器设定传送至后台,如无需实时刻度,只需要分级刻度,则可通过设置电容触发式液位传感器测量;从建设成本分析,电容式液位计及电容触发式液位计成本较低,但通常都需要增加304不锈钢材质的保护套;雷达式水位回波传感器通常安装隧道顶部,安装及维护成本较高,比较适合安装探测下水道水位,气泡式为一体化设计,设备成本较高,隧道涵洞的水位监测需要以现场的条件为准,通过方案设计对比优选最为结合现场的方案. 隧道防内涝完成的完整系统主要包含三大部分,积水监测端、管理端及现场设备警示端(见图1).
图1 系统原理及组成
随着时代的发展,传统防内涝技术已经无法满足当前城市涵隧管理需求,传感器、人工智能、5G技术的高速发展,使实现涵隧防内涝的技术手段越来越多. 目前针对涵隧防内涝技术重点在于实现智能化,利用智能化技术设备,结合实时水位的监测,检测水位后通过硬件配置清晰地提醒行人及司机,并设置后台管理系统,涵隧的管理部门可通过后台实时掌握现场的积水情况,并可通过设施配置引导交通,从而从源头上解决涵隧防内涝的一系列问题. 现场设备终端主要包括传感器、物联网监控、控制柜、隧道指示灯、物理拦截及LED情报板(见图2).
图2 隧道现场设备安装图
3.1 利用新兴技术,提高涵隧内涝信息监测质量
通过安装于隧道地势最低路段道路右侧的液位传感器,实时监测当前隧道最高积水水位,并根据积水水位情况定时向管理终端反馈积水深度信息[7]. 传感器由可充电电池供电,可持续运行,但正常状态下处于低功耗状态,一旦积水深度超过预设阈值,检测模块即可提高积水信息反馈频率. 根据燃油汽车涉水通过影响因素及电动汽车涉水相关要求规范,30 cm涉水能力为大部分轿车的基本要求,为了确保安全通过涉水区域,设置禁行的积水深度阈值为27 cm.
监测模块设计了防误报算法,水位计检测到超过阈值的水位信息后,需要水位信息维持一定的时间,才会被认定为出现积水,该方法可排除隧道日常清洗维护、车辆经过的短暂溅水等情况造成的干扰. 监测模块具备定期自检功能,确保系统正常运行.
3.2 加强智能化管理,完善警示防治
LED隧道口箭头指示灯,安装在隧道入口处,通过泵房或沿线路灯等常规电源实现供电. 按照《道路交通信号灯设置与安装规范》规定,车道信号灯安装于车道的正上方,安装高度5.5～7 m. 正常情况下,指示灯保持显示通行状态,且默认处于自动模式,一旦出现积水情况,检测模块监测到水位超过警戒线时,指示灯自动显示禁行状态. 由于检测模块传感器不能检测具体车道积水情况,因此自动模式下,隧道指示灯显示状态统一,不支持分车道信息显示. 但警示模块于隧道泵房设有控制箱,当隧道需要日常维护或出现紧急状况时,可切换为手动模式,人工控制分车道的通禁行状态.
为了进一步加强警示模块的警示、疏导作用,可在隧道入口前、隧道入口处增设分车道信号灯和LED可变情报板(隧道入口前200～300 m),结合沿途发光道钉,旋转警示灯(隧道入口处),在车辆驶入隧道前提供相应的警示.
3.3 通过物理拦截技术,提高设置点管理时效性及安全性
物理拦截系统用于配合交警、交通管理部门对严重积水路段进行交通管控. 结合积水监测-预警-管理系统,拦截系统支持手动、半自动远程控制:
1)手动控制:控制开关位于隧道现场,交管人员到位后,通过物理拦截系统配合其他交通安全设施,实现对严重积水隧道的快速封控.
2)半自动控制:对于车流量较小、仅非机动车行人通行的偏远地区隧道、涵洞,当系统监测积水情况严重时,经远程视频确认,并确保安全时,通过管理平台远程控制拦截系统进行拦截. 同时,现场警报器及LED信息诱导屏同步发布警告提示.
针对物理拦截模块,公路实业公司对传统道闸进行了技术改进,消除了传统道闸结构复杂、故障率高,节点铰接、结构强度低,抬升后高度大、重心高、设置位置受限且不稳定等严重问题. 具体涵隧建设系统可结合涵隧的具体条件,综合考虑是否配置物理拦截系统,如有需要,在物理拦截建设需要综合考虑最优拦截方案.
3.4 以大数据云计算为基础,构建智慧平台系统
系统以虚拟化、分布式计算、分布式存储等云计算技术为基础[8],以物联网、GIS、移动通信等多种技术为支撑,为中心管控平台提供海量数据集成与融合存储、大规模数据处理、业务流程调度、信息交换共享等基础服务. 系统需遵循标准的程序接口和协议,包含1组连接应用后台和数据库以及上层业务应用之间的接口和服务,可在1台或多台机器上的多个软件通过网络进行交互. 系统需部署在操作系统、网络和数据库的上层,业务应用系统的下层,是为处于层的业务应用系统提供运行与开发的环境,为高效、灵活的开发和集成各种业务应用子系统提供交换传输平台,统一管理计算资源和网络通信. 公路实业自主开发基于云计算的隧道防内涝智能管控系统(见图3). 交换传输是服务支撑平台的核心功能,将负责服务请求方与服务提供方之间的消息传输,消息传输包括异步通讯、同步通讯、点对点通讯和规则路由通讯.
图3 隧道防内涝智能管控系统后台
3.5 建立防灾救灾全方位的管控措施
通过在隧道涵洞建立隧道防内涝智能管控系统,可实时的监测隧道涵洞的水位,并监测到水位达到一定的预定刻度时,触发交通信号灯,并通过配置的情报板同步现实“隧道积水、严禁同行”的提示,并还可通过配置道闸,在收到积水的触发信号时,道闸落地,禁止车辆行人通行,如条件允许,可将传感器测量的水位信息实时发送至排水设施,排水泵收到触发信号后,开启强排模式,最大幅度地降低自然灾害的影响.
公路涵隧内涝的智能防治措施极为重要,智能管控系统的建设和发展不可懈怠,它是促进城市内涝防治措施的坚实基础,对实时水位采集信息、传输数据、救灾减灾来说发挥着重要作用,近期国家发行1万亿国债主要应用于防灾救灾,可预见城市防内涝智能管控系统将会越来越被重视,也将在城市的防涝能力提升行动、重点自然灾害综合防治体系建设工程发挥重要的作用.
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