1、智能建筑电气技术Electrical Technology of Intelligent Buildings2022 年 12 月第 16 卷 第 6 期城市隧道水位监测预警系统的研究杨 莹(广州市市政工程设计研究总院有限公司,广州 510095)摘要极端暴雨天气造成城市隧道等低洼易涝空间面临水淹的风险,给机动车驾驶员带来人身安全隐患,通过对隧道水位监测预警系统的水位监测手段多样性、警示设备选择与设置、系统电源可靠性、多层级预警功能等方面进行研究,完善了系统功能,大幅提升应用效果,提高隧道通行的安全性。关键词 城市隧道;积水风险;水位监测;预警报警;系统联动;警示设备中图分类号:TU967文献
2、标识码:A文章编号:1729-1275(2022)06-0132-04Research of Tunnel Water Level Monitoring and Early Warning SystemYang Ying(GuangZhou Municipal Engineering Design&Research Institute Co.,Ltd,GuangZhou 510095,China)Abstract:Extreme rainstorm weather causes low-lying waterlogging prone spaces such as urban tunnels
3、toface the risk of flooding,which brings hidden dangers to drivers.Through the research on the diversity ofwater level monitoring means,the selection and setting of warning equipment,the reliability of systempower supply,Multi level warning function of the tunnel water level monitoring and early war
4、ning system,the system functions have been improved and the application effect has been greatly improved,Improvethe safety of tunnel passage.Keywords:urban tunnel;risk of flooding;water level monitoring;early warning and alarm;systemlinkage;warning equipment作者简介:杨莹,本科,设计一院副总工程师,高级工程师,Email:86202707
5、。0引言 近年来,极端天气频发,多地连遭破纪录强降雨,城市防灾减灾面临考验,如 2021 年郑州 7 20 暴雨事件和北京 8 16 暴雨事件都是因突发强降雨造成地铁隧道或桥下通道快速积水导致人员伤亡的事故发生,为尽最大的努力保障人员的生命安全,提高城市隧道等低洼易涝区域的防水灾预警能力,对城市隧道水位监测预警系统的研究是非常有必要的。近年来,对城市下穿隧道、地下空间等的水位监测预警或内涝监测预警系统的研究主要集中在水位监测-危险水位的报警-信号收集处理-报警的系统框架及流程1或主要针对排水监测与智慧水务等方面2,对水位监测手段的多样性、警示设备的设置与使用、系统电源、预警功能以及与职能部门联
6、合应急预案等方面的研究较少,笔者希望通过对这些方面的研究,可以进一步完善城市隧道水位监测预警系统的功能和应用,发挥该系统最大的作用,提升隧道通行的安全性,保障人民的生命财产安全,增强人民群众的幸福感。1系统功能 城市隧道水位监测预警系统功能归纳为“监测、分析处理、预警”三部分,每一部分的功能实现都必不可少,直接影响系统发挥的作用。监测功能分为对天气情况的监测以及对隧道内最低点水位的监测。系统可结合气象部门发布的天气预报信息提前预测隧道所在地区未来的雨情,当大暴雨来临时,可通过隧道洞口外的水雨情检测器实时测量具体雨量,再通过隧道内设置的水位监测仪表测量隧道低洼处积水水位,并采用可靠的通信网络将相
7、应数据同步上传至隧道水位监测预警系统,系统通过预测数据、实时数据对比印证实现最前端的系统监测功能。建立隧道内积水水位、洞外雨量与隧道内涝相231DOI:10.13857/11-5589/tu.2022.06.003第 16 卷 第 6 期杨 莹.城市隧道水位监测预警系统的研究应关系的预警模型,根据模型结果事先在系统内设定多个报警水位值及雨量值,系统再对收集到的各种信息进行自动比对分析,当判断为危险水位或危险雨量时,系统同步联动积水点附近的监控摄像机启动拍摄并确认隧道内的内涝情况,至此系统完成分析处理工作。完成监控及分析功能后,当系统确认隧道内面临水浸风险时,则需要实现系统最重要的功能预警功能。
8、预警功能分为两部分,分别是对隧道现场的就地预警及联动城市职能部门的远程预警。隧道水位监测预警系统按隧道内涝危险程度分级别进行就地预警,分别发送不同信息至隧道就地中央控制管理系统,隧道中央控制管理系统就像隧道的大脑,可同时联动隧道交通、环境、设备等子系统。接到预警信息后中央控制管理系统会首先在隧道管理用房监控大屏幕自动弹出积水点的视频图像,并发出语音报警,提醒值班人员及时疏导隧道交通、简易救援及处理现场积水问题,随后再根据内涝程度分级别对各子系统下达控制指令。当只是中小雨,隧道轻微积水时,系统只需强制联动隧道水泵启动抽水迅速排空隧道积水;当发生大或特大暴雨时,隧道内积水水位快速上升超过严重积水水
9、位时,系统除强制联动隧道水泵启动抽水外,隧道入口及隧道内的警示设备即刻发布预警信息,对隧道内外的驾驶员及时预警,包括可使隧道入口处的信息情报板、交通信号灯、车道指示器、有源道钉等交通设施显示不同的预警信息或改变灯色,提醒机动车驾驶员谨慎通行或禁止通行,可使隧道外的应急广播播放预警录音、声光报警器发出强烈的报警声光,加强对驾驶员的提醒效果。远程预警是通过隧道中央控制管理系统的对外接口,把隧道内涝信息发送至智慧城市管理平台,平台再把隧道内涝报警信息推送至交警、水务、应急管理局等相关职能部门,智慧城市管理平台应提前根据城市历史水雨情情况、交通分布、隧道积水水位分级、隧道内涝风险程度、应急措施等相关因
10、素探索建立起仿真模型并据此形成有效的应急预案,当收到隧道内涝报警信息后,可立刻根据应急预案的具体要求组织各相关职能部门实施隧道附近区域的交通组织调整、应急抢险救灾等工作,真正做到防灾、减灾、救灾。2系统组成 城市隧道水位监测预警系统由三层架构组成(图 1),分别为设备层、通信网络层、信息控制层。设备层主要由监测设备、警示设备组成,可实现监测功能及就地预警功能。监测设备包括水位监测仪表、摄像头、水雨情检测器,警示设备包括交通设施、户外广播及声光报警器,交通设施又分别为信息情报板、交通信号灯、车道指示器、地面主动发光道钉等。通信网络层是现场设备与信息控制层之间进行可靠信息传输的介质,也是信息控制层
11、与隧道中央控制管理系统无缝通信的可靠保证,为防止其他系统对水位监测预警系统的影响,本系统的通信网采用专网专用,通常远距离的信号传输采用光纤,近距离的信号传输采用现场总线或者屏蔽网线。信息控制层是水位监测预警系统核心部分,包括边缘计算服务器、可编程控制器(PLC)、视频处理服务器、数据及视频存储单元、交换机、以及网关等数据分析、处理、存储、信息交换、接口等设备,监控数据经信息控制层分析处理完后产生的预警信息由本层报送至隧道中央控制管理系统,再由隧道中央控制管理系统控制各子系统发出就地预警信号,再同步由中央控制管理系统把报警信息上传智慧城市平台。预警功能需通过信息控制层实现,信息控制层起到互通互信
12、、承前启后的作用。图 1 城市隧道水位监测预警系统示意图3监测设备 系统功能实现的关键步骤就是对隧道内积水情况的精准监测,本系统采用的监测设备多种多样,从隧道洞外到洞内与积水相关的方面都进行全331智能建筑电气技术2022 年方位的监测,给系统提供准确详细的判断依据。隧道洞外可设置水雨情检测器,下雨时监测雨量水平,水雨情检测器一般安装在隧道洞外人行道的独立杆上,亦可与路灯杆合杆安装,为避免监测效果不佳,建议检测器安装高度不低于 6m。下凹式隧道内一般都设有排水泵房,其功能是收集隧道车行道的雨水并强制排出,隧道车道下的排水管是与泵房集水井连通的,隧道泵房集水井内设有水位监测仪表,可控制开启隧道排
13、水泵,受泵房位置、隧道排水口易堵塞等各种因素影响,隧道泵房集水井水位往往未能真实反映隧道车行道内涝水位情况,因此隧道水位监测预警系统的水位监测仪表还需独立于泵房的水位监测仪表另外设置,这样的设计更直接可靠。隧道水位监测预警系统的独立水位监测仪表安装在隧道车行道纵断面最低点紧贴侧壁的集水井处,当有水流进隧道内时,自然会往隧道车行道最低点的集水井内汇聚,严重时积水甚至会溢出集水井表面,产生车行道的内涝,此时,水位监测仪表可检测到相对车行道路面的积水深度,并根据预设水位值,发送危险水位报警信号至系统。为保证水位监测的可靠性,笔者建议采用两种不同类型的水位监测仪表。第一种为连续型测量的水位仪表,利于系
14、统全面了解隧道内水位的变化情况及变化速度,可采用静压型水位计或超声波水位计,均是安装于隧道内车行道最低点集水井处;静压式水位计是把传感器安装在集水池的底部,通过测量池内水位高低造成的水压变化换算成实际水位值,属于接触式测量仪表;超声波水位计传感器安装在集水井顶部上方,通过发射超声波至水面再反射原理来进行水位测量,属于非接触式测量;两种测量仪表各有优缺点,静压式液位计体积小,直接测量水位,在集水池高度较小的情况相对更准确,不易误报,但容易受水池内泥沙堆织的影响,时间长也容易因水质原因被腐蚀;非接触式测量仪表不受水池内小件漂浮物及水质的影响,但是由于是通过声波反射测量,传感器距离水面要有一定高度安
15、装,否则易有测量盲区,对隧道检修空间有一定的占用。为提升监控反应速度,建议本系统再同时采用非连续型水位测量仪表,在实际水位达到报警水位时才立刻发出报警信号至系统,让系统迅速作出反应,非连续型水位测量仪可采用电容开关式水位测量仪,简单实用,可靠性更高。两种不同类型的水位监测仪表同时使用,互备互补。在隧道积水监测点附近的隧道侧壁 2.53m 高度处安装具备后台 AI 识别功能的视频摄像头,可自动识别内涝情况。多种监测手段多管其下,共同发挥作用,经过长时间的运行及数据采集分析后,还可建立起雨量与隧道积水变化的数据模型,为科学决策提供更有力的基础和支持。4警示设备 无论监测功能多么强大,当隧道发生严重
16、内涝时,如无法及时有效地告知机动车驾驶员隧道洞内的水淹风险,系统预警的作用就功亏一篑了,因此警示设备所表达的信息应符合驾驶员能理解的语言特点,能快速明确地指示驾驶员作出行驶改变。机动车驾驶员都系统学习过道路交通法规,对道路上的各种信号灯、标志等所表达的含义都十分清楚,因此本系统的警示设备主要采用交通设施及辅助报警设备,并安装在隧道入洞口前。交通设施可采用 LED 信息情报板、交通信号灯、车道指示器、地面发光道钉等设备。其中 LED 信息情报板根据积水情况可显示“轻微积水,谨慎通行”“严重积水,严禁通行”或其他警示信息,提醒驾驶员谨慎进入隧道或绕路避开隧道,平时无水淹情况时还可显示其他的城市管理信息,一举两得;交通信号灯及车道指示器根据隧道情况可直接转变光色,尤其是隧道内发生严重水淹时交通信号灯或车道指示器应即刻转为红灯,相信驾驶员都能理解这是禁入隧道的交通指令,从而会马上提前转道;地面发光道钉则在隧道水淹时发闪烁的黄光再次提醒驾驶员注意隧道险情。交通设施的设置位置应根据隧道洞外的具体环境确定,并遵循交通专业的设计原则和规范。除了交通警示外,还可增加辅助报警设备,如户外广播、声光报警器等
