何家裕

（武漢理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

1 概述

夏季時，許多地區(qū)的橋面溫度可達(dá)60℃，而且高溫是橋面鋪筑層發(fā)生損壞的主要原因之一。由于橋面復(fù)雜的交通狀況、惡劣的建設(shè)環(huán)境，超高橋梁橋面的降溫成為極為關(guān)注和亟待解決的問題之一?，F(xiàn)總結(jié)出以下幾個問題。

1.1 橋體在高溫下極易受損

高溫條件下，瀝青混合料橋面鋪筑層在行車荷載作用下容易沿橋梁縱向發(fā)生推移和留下車轍現(xiàn)象；鋪筑層因受熱膨脹而上拱，易出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象；車輪與鋪筑層間的摩擦系數(shù)降低，附著力減小，車輛制動力下降，極易發(fā)生交通事故，嚴(yán)重影響橋面的交通狀況，甚至帶來人員傷亡。

1.2 超高橋面引水困難

許多橋梁遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)或建設(shè)于山區(qū)，橋梁較高，如果采取噴淋降溫，則鋪設(shè)水管、搭建電力系統(tǒng)不便。因此，橋面的噴淋降溫方式難以實(shí)現(xiàn)或成本較高。

1.3 人工降溫成本高，影響交通

目前，橋面的降溫方式主要通過灑水車人工進(jìn)行橋面噴灑降溫，灑水車的作業(yè)會消耗大量的清潔水，成本較高。灑水車在橋面作業(yè)時，車速較慢，占用車道。

2 超高橋面智能噴淋降溫系統(tǒng)及其優(yōu)點(diǎn)

基于以上問題，我們研發(fā)出一種基于波浪能發(fā)電的超高橋面智能噴淋降溫系統(tǒng)。如圖1所示，該系統(tǒng)利用強(qiáng)力吸盤將發(fā)電設(shè)備固定于橋墩上，采集江面的波浪能，通過液壓傳動、機(jī)械傳動、電磁感應(yīng)，將波浪能轉(zhuǎn)化為電能。利用強(qiáng)力吸盤在橋墩上安裝多級轉(zhuǎn)換水箱，構(gòu)成多級引水系統(tǒng)，將水從江面逐級引至超高橋面的蓄水箱中。橋面裝有噴淋系統(tǒng)、溫度傳感器等，通過溫度傳感器對橋面溫度實(shí)時監(jiān)測，將數(shù)據(jù)傳輸至處理器，控制噴淋系統(tǒng)對橋面進(jìn)行噴淋降溫，降低高溫對橋面的損壞程度，延長橋面鋪筑層、防水粘結(jié)層的使用壽命。

圖1 基于波浪能發(fā)電的超高橋面智能噴淋降溫系統(tǒng)示意圖

2.1 自給自足，節(jié)省能源

系統(tǒng)將充分利用波浪能、太陽能等清潔能源進(jìn)行發(fā)電，利用江水進(jìn)行噴灑降溫，節(jié)省能源，減少成本，綠色環(huán)保。

2.2 超高引水，可調(diào)性強(qiáng)

多級引水裝置將不受橋梁高度、地域影響，通過波浪能為發(fā)電機(jī)供電，將水從江面逐級引至橋面，解決一次性超高橋梁引水困難問題。

2.3 保護(hù)橋梁，延長壽命

此智能噴淋降溫系統(tǒng)通過對橋面進(jìn)行降溫，從而降低高溫造成的橋面鋪筑層、防水粘結(jié)層的損壞程度，延長其使用壽命，減少經(jīng)濟(jì)損失。

2.4 精準(zhǔn)監(jiān)測，智能降溫

此橋面智能降溫系統(tǒng)對橋面進(jìn)行實(shí)時溫度監(jiān)測、降溫，從源頭上降低溫度過高的可能性。

3 設(shè)計方案

3.1 波浪能發(fā)電裝置

3.1.1 波浪發(fā)電結(jié)構(gòu)

波浪能發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)波浪波動時，浮筒上下浮動，1號液壓缸活塞上下往復(fù)移動，推動2號液壓缸活塞左右往復(fù)運(yùn)動，帶動齒條在滑軌上做往復(fù)運(yùn)動。通過齒輪的嚙合傳動以及齒輪傳動系的提速，帶動永磁發(fā)電機(jī)輸入軸往復(fù)旋轉(zhuǎn)，即永磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。通過電磁感應(yīng)，產(chǎn)生電能，經(jīng)整流模塊整流后，將電能儲存于超級電容中。

圖2 波浪能發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3.1.2 高度調(diào)節(jié)器

由于江面水位不固定，因氣溫上漲或下降，為了使發(fā)電裝置正常工作，在發(fā)電裝置上設(shè)計一高度調(diào)節(jié)器。高度調(diào)節(jié)器的移動導(dǎo)軌通過工業(yè)吸盤固定在橋墩上。高度調(diào)節(jié)器裝有水位傳感器、傳動系統(tǒng)、自鎖裝置等，通過對江面水位的監(jiān)測，實(shí)時調(diào)節(jié)發(fā)電設(shè)備的高度，使設(shè)備與水面始終保持在合適的高度范圍內(nèi)，保證設(shè)備的正常工作。

水位傳感器將實(shí)時監(jiān)測發(fā)電設(shè)備與江面的高度差，當(dāng)高度差超過發(fā)電機(jī)正常工作的范圍，將數(shù)據(jù)返回處理器，解除自鎖，傳動系統(tǒng)將整個發(fā)電裝置上下移動至合適高度后，再次鎖定裝置，保證發(fā)電裝置正常工作。

3.2 多級引水系統(tǒng)

通過設(shè)置多級水泵及轉(zhuǎn)換水箱，將水逐級從河面引至橋面。各級轉(zhuǎn)換水箱內(nèi)設(shè)有水位傳感器、控制電路、小型水泵等裝置。水位傳感器對各級轉(zhuǎn)換水箱內(nèi)水位進(jìn)行監(jiān)測，控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)各級水泵的工作狀態(tài)，將水從江面引至橋面的蓄水箱中。

3.2.1 轉(zhuǎn)換水箱

轉(zhuǎn)換水箱主要包含四部分：①傳感器。通過水位傳感器來確定水箱內(nèi)水位高度，從而確定水泵開閉狀態(tài)。②控制電路。通過接收水位傳感器發(fā)送的信號，對水泵進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)多級引水。③水泵。水泵工作時，可將本級轉(zhuǎn)換水箱中的水傳送到下一級轉(zhuǎn)換水箱中。④支撐板。固定傳感器以及控制電路部分，并且將水箱分為兩部分，下部空間進(jìn)行蓄水、上部空間放置電路板等。

3.2.2 多級引水系統(tǒng)

以二級引水系統(tǒng)為例，其工作流程如下：兩個轉(zhuǎn)換水箱內(nèi)的控制電路實(shí)時處理本水箱內(nèi)水位傳感器數(shù)據(jù)信號以及其他轉(zhuǎn)換水箱內(nèi)控制電路發(fā)送的信號。引水開始時，由最底層水泵抽水送入第一級轉(zhuǎn)換水箱，當(dāng)?shù)谝患夀D(zhuǎn)換水箱內(nèi)水泵通電時，將水送入第二級轉(zhuǎn)換水箱。當(dāng)?shù)谝患夀D(zhuǎn)換水箱水位超高時，向最底層控制板發(fā)送請求，停止最底層水泵抽水，同時本級轉(zhuǎn)換水箱內(nèi)水泵保持開啟，向第二級轉(zhuǎn)換水箱送水。當(dāng)收到第二級控制板停止請求時，斷開水泵電源開關(guān)。第二級轉(zhuǎn)換水箱內(nèi)當(dāng)水位位于兩個浮球之間時，持續(xù)向橋面蓄水箱蓄水。

3.3 噴淋降溫裝置

噴灑裝置由蓄水箱、加壓水泵、水管、噴頭組成，通過噴頭的特定結(jié)構(gòu)，達(dá)到最大面積噴灑效果。在橋梁道路兩側(cè)安裝噴灑噴頭，噴頭噴射角度為90°，兩側(cè)噴頭交叉分布，以達(dá)到噴灑能夠覆蓋整個橋面的效果。

4 系統(tǒng)控制程序設(shè)計

主程序開始，系統(tǒng)初始化，然后通過串口給MLX90615紅外溫度傳感器發(fā)送指令，紅外溫度傳感器持通過串口持續(xù)返回溫度數(shù)據(jù)，設(shè)置串口接收中斷保存溫度數(shù)據(jù)，設(shè)置定時器中斷，每10 ms進(jìn)入一次中斷，進(jìn)入中斷后通過CAN發(fā)送水位數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)，并對水位、溫度進(jìn)行判斷，當(dāng)水位低于20%時，報警指示燈閃爍；當(dāng)溫度高于45℃時，打開水泵繼電器，同時報警指示燈閃爍。開啟CAN接受中斷，接收各級水箱的水位數(shù)據(jù)。開啟ADC采樣，對電池進(jìn)行電量采集。

4.1 人機(jī)交互與遠(yuǎn)程通訊

4.1.1 人機(jī)交互界面

在主控系統(tǒng)旁提供人機(jī)交互觸控屏，實(shí)時顯示橋面降溫系統(tǒng)的水壓、水位、橋梁溫度、電池電量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，且可以在人機(jī)交互觸控屏控制整個系統(tǒng)的各部分的工作狀態(tài)、調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)等。

4.1.2 遠(yuǎn)程通訊

利用GPRS網(wǎng)絡(luò)模塊經(jīng)過通信基站建立橋面降溫系統(tǒng)與云端服務(wù)器及遠(yuǎn)程控制終端之間的通訊。云端服務(wù)器后臺儲存降溫系統(tǒng)的水壓、水位、溫度、電池電量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并在應(yīng)用端對接收到的信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行算法分析和處理，實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)程控制終端實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)、溫度、水位、蓄電等情況。

4.1.3 云服務(wù)

云端除了持久化數(shù)據(jù)，還對信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的云計算、數(shù)據(jù)處理與挖掘，并且與橋梁建設(shè)與維護(hù)行業(yè)牢牢結(jié)合。利用云服務(wù)對傳感器所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析，判斷橋面各時間段的平均溫度，調(diào)整噴淋降溫系統(tǒng)工作狀態(tài)。同時，利用采集的數(shù)據(jù)，繪制橋面溫度云圖，為橋梁防高溫措施提供參考。

5 結(jié)束語

本研究針對現(xiàn)在高溫橋面產(chǎn)生的一系列問題提供了一個解決方案。該系統(tǒng)能夠依靠波浪能發(fā)電提供電量，節(jié)約能源，續(xù)航性強(qiáng)，且能夠?qū)崟r監(jiān)控橋面狀況，作出適當(dāng)調(diào)控，真正滿足當(dāng)代社會智能綠色高效生活的需求。