王賽 劉豆豆 李洪輝 胡啟超

【摘? 要】城市綜合管廊，建于地下用于容納兩類及以上城市工程管線的構(gòu)筑物及附屬設(shè)施。不破壞道路，不影響地面交通、建筑。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，管廊頂部分段設(shè)有可開啟蓋板，利于檢修維護(hù)更新。隨著社會(huì)科技的發(fā)展，結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的引入，可以極大地提高工作效率。各種傳感器、手機(jī)app以及終端監(jiān)控室的加入，可以自動(dòng)巡檢，并能實(shí)現(xiàn)“防患于未然”。本文主要在機(jī)構(gòu)選型設(shè)計(jì)與新興互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)井蓋智能化，利用現(xiàn)代化智能手段去感知、控制井蓋。

【關(guān)鍵詞】互聯(lián)網(wǎng)+;管廊井蓋;機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì);手機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制

1.概述

由于井蓋經(jīng)常在太陽底下暴曬以及在陰冷濕暗地方放置，會(huì)讓井蓋腐蝕老化;工人在進(jìn)行檢查井蓋和下水道里面維護(hù)維修也會(huì)不太方便;井蓋內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生有毒有害氣體會(huì)導(dǎo)致井蓋爆炸，這樣就會(huì)產(chǎn)生社會(huì)危害，井蓋的損壞會(huì)造成社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失。本文主要是利用現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，利用云端大數(shù)據(jù)和現(xiàn)在實(shí)用便捷工具手機(jī)APP相結(jié)合，通過對(duì)井蓋進(jìn)行機(jī)械自動(dòng)化處理讓它能夠自我快速打開，并結(jié)合各種數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊，來實(shí)時(shí)監(jiān)控地下管廊的濕度、氣壓、有毒混合氣體。以便快速的對(duì)突發(fā)事件的處理。

現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展，人工智能、智能機(jī)器人、智能家居，都在慢慢普及，城市也在逐漸升級(jí)改造，智能井蓋，主要是給井蓋智能化和轉(zhuǎn)入現(xiàn)代科技。實(shí)現(xiàn)井蓋自動(dòng)翻轉(zhuǎn)打開;可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程定位;可以檢測(cè)地下管道內(nèi)氣體密度成分和密集情況;還可以防止井蓋被盜或者井蓋損壞帶來社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失;是將來城市化建設(shè)重要一環(huán)。

在互聯(lián)網(wǎng)下建立城市底下管道系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)城市地下管道狀態(tài)。在每個(gè)井蓋上裝GPS定位、利用GPS定位讓地下管道井蓋出口，形成網(wǎng)格狀分部，直接可以再終端顯示上看見。井蓋自動(dòng)翻轉(zhuǎn)可以實(shí)現(xiàn)井蓋智能打開，并且可以防止一些不法分子進(jìn)行犯罪。另外在井蓋內(nèi)部裝有各種檢測(cè)裝置通過連接手機(jī)APP來對(duì)地下管廊進(jìn)行監(jiān)控，從而進(jìn)一步的更加高效率來規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)和災(zāi)害。更好保障人民財(cái)產(chǎn)安全。

2.基于互聯(lián)網(wǎng)上井蓋智能系統(tǒng)總體構(gòu)架

傳統(tǒng)井蓋直接是一個(gè)圓形或是方形鑄鐵件，于防盜、快速打開等要求，無從談起。近幾年已經(jīng)陸續(xù)有電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠方式的機(jī)械開啟方式。

結(jié)合客戶方使用要求，有快速開啟、壓緊防水等要求。雖然已有改良產(chǎn)品通過多油缸方式，可以可靠實(shí)現(xiàn)啟閉、壓緊防水功能，但于“快速10秒逃生”要求甚遠(yuǎn)！因此，在本輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，傾向于采用一個(gè)油缸快速大流量輸入，結(jié)合機(jī)械組合機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)“啟、閉+壓緊密封”的動(dòng)作。

2.1方案簡介

智能井蓋主要分四個(gè)模塊：機(jī)構(gòu)部分（液壓泵站+液壓缸+翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)）、實(shí)時(shí)定位模塊（GPRS定位軟件+無線通訊）、有毒氣體、濕度氣壓模塊（濕度氣壓傳感器+有毒氣體檢測(cè)傳感器+PLC一體機(jī)）、信息通訊模塊（PLC一體機(jī)+通訊傳感器）。

主要作用：發(fā)生突發(fā)狀況讓井蓋能快速打開，以便維修人員維修，井蓋發(fā)生角度偏移或位置移動(dòng)，發(fā)送位置實(shí)時(shí)定位。檢測(cè)地下管內(nèi)部氣壓、濕度、有毒氣體數(shù)據(jù)并傳送到手機(jī)終端，有效管理城市的地下管廊體系。

主要優(yōu)點(diǎn)：（1）高效率檢查井蓋自身動(dòng)態(tài)和位置信息，智能化操作，手機(jī)APP軟件隨時(shí)查看地下管廊狀態(tài)。（2）發(fā)現(xiàn)井蓋丟會(huì)向監(jiān)控中心發(fā)出警示。（3）通過液壓液壓傳動(dòng)打開井蓋，增加井蓋防盜安全。缺點(diǎn)：投入費(fèi)用和傳統(tǒng)井蓋費(fèi)用相比較大，利用現(xiàn)在智能需要技術(shù)人才支持。

結(jié)構(gòu)表示如下圖所示：

2.2運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇

（1）液壓缸鏈輪式。液壓缸一端固定住井壁，另一端與井蓋上的鏈輪回轉(zhuǎn)中心連接。鏈條一端與液壓缸固定端連接;另一端固定住大鏈輪。

打開方式：通過液壓缸的直線運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)鏈輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)從而頂開井蓋并實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)打開。

優(yōu)點(diǎn)：鏈條輸送裝置具有不易滑動(dòng);通過調(diào)節(jié)末端鏈條長度，實(shí)現(xiàn)舉升高度及翻轉(zhuǎn)角度，傳動(dòng)可靠。

缺點(diǎn)：鏈條驅(qū)動(dòng)，根據(jù)載荷、轉(zhuǎn)速、工作環(huán)境等主要因素選擇鏈型和長度，鏈條過長會(huì)出現(xiàn)鏈條顫動(dòng)現(xiàn)象;滾子鏈零件較多潤滑防銹不充分，潮濕環(huán)境中使用不便;采用滑輪方式，不利于實(shí)現(xiàn)快速啟閉。

（2）導(dǎo)軌翻轉(zhuǎn)式。液壓缸頂部與井蓋浮動(dòng)連接，依照設(shè)定的導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)頂起、翻轉(zhuǎn)。

打開方式：通過液壓缸帶動(dòng)井蓋翻轉(zhuǎn)打開

優(yōu)點(diǎn)：零件數(shù)量少，結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)。

缺點(diǎn)：連接不緊湊，翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中容易卡頓、容易造成井蓋的損壞。

（3）液壓缸收縮翻轉(zhuǎn)式。井蓋一側(cè)與支撐架鉸接;支撐架兩個(gè)支柱為反裝液壓缸，翻轉(zhuǎn)液壓缸（圖中黃色液壓缸）與井蓋另一側(cè)鉸接。

打開方式：

①支柱液壓缸頂起，解除密封并為打開井蓋留下空間;

②通過液壓缸的收縮運(yùn)動(dòng)，使得井蓋逆時(shí)針翻轉(zhuǎn)打開井蓋。

優(yōu)點(diǎn)：三個(gè)液壓缸分工，按邏輯關(guān)系進(jìn)行運(yùn)作，密封及運(yùn)動(dòng)可靠。

缺點(diǎn)：使用多個(gè)液壓缸，不經(jīng)濟(jì);翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)屬費(fèi)力杠桿，有桿腔接觸面積小，液壓缸笨重。

（4）液壓缸舉升翻轉(zhuǎn)式。井蓋以鉸鏈方式固定在支撐架一端，支撐架與井圈采用彈性連接，液壓缸活塞桿與井蓋鉸接。

打開方式：

①液壓缸頂起，支架彈性回復(fù)帶動(dòng)井蓋升起;

②活塞桿推動(dòng)井蓋圍繞鉸鏈，翻轉(zhuǎn)打開井蓋。

優(yōu)點(diǎn)：機(jī)構(gòu)簡單、傳動(dòng)效率高、井蓋翻轉(zhuǎn)迅速。

缺點(diǎn)：若是速度控制不當(dāng)，易造成井蓋鉸鏈處損壞。

對(duì)比四個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇液壓缸舉升翻轉(zhuǎn)式，該方式機(jī)構(gòu)簡單、可靠、相對(duì)于其他方式井蓋翻轉(zhuǎn)迅速，能滿足客戶在緊急情況下快速打開的要求。

3.智能井蓋硬件設(shè)計(jì)

3.1啟閉機(jī)構(gòu)

人為手動(dòng)是井蓋啟閉傳統(tǒng)方式，該方式給操作人員帶來眾多工作負(fù)擔(dān)?，F(xiàn)采用機(jī)動(dòng)裝置，在井蓋內(nèi)部裝入自動(dòng)啟閉裝置。使用到液壓缸、液壓泵站、主副連接干、轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈、內(nèi)壁支撐架。沿井蓋下端面一邊處固定一轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈，其下面連接著連接桿，連接桿連接著液壓缸，液壓缸連接著液壓泵站，內(nèi)壁支撐架安裝在井蓋孔壁下方位置。液壓缸固定在內(nèi)壁支撐架上面，設(shè)備連接到一起形成一條完整的井蓋內(nèi)部鏈。液壓泵基站與液壓缸相連接，液壓泵站通電，液壓油流入液壓缸內(nèi)使液壓缸頂起，帶動(dòng)連接桿向上升起帶動(dòng)井蓋向上升起，使井蓋打開90度到120度轉(zhuǎn)角。井蓋打開收回時(shí)，液壓泵站通電帶動(dòng)液壓缸向下收縮，連接桿迅速收縮并關(guān)閉井蓋。井蓋內(nèi)部裝有密封圈能夠起到一個(gè)良好的防水作用。

這樣的優(yōu)點(diǎn)有：①可以實(shí)現(xiàn)幾秒之內(nèi)快速自動(dòng)打開井蓋，減輕工作人員的工作負(fù)擔(dān)。②在雨季天氣情況下，井蓋周圍的密封圈，可以防止雨水進(jìn)入地下管道濺濕地纜，以最大程度去保護(hù)地下光纖，減少經(jīng)濟(jì)損失，提高效益。如圖7所示：

3.2實(shí)時(shí)定位模塊

位置傳輸器安裝在井蓋上，主是由短距離無線通信和感應(yīng)器、電源及功能指令組成。它的功能主要是檢測(cè)井蓋在地面狀態(tài)信息，若井蓋發(fā)生凸起、位置變化，位置傳輸器會(huì)把位置信息發(fā)送給手機(jī)終端。維修人員到達(dá)傳輸位置信息在根據(jù)具體情況處理問題。感應(yīng)器主要是采用MEC原裝滾軸開關(guān)SW-460D傾斜開關(guān)。傾斜感應(yīng)器采用三線制。工作原理就是井蓋在沒有傾斜情況與無線電信通信模塊的I/O口相連。當(dāng)井蓋在無傾斜角度時(shí)輸出高電平不會(huì)發(fā)生警報(bào)，當(dāng)井蓋開始出現(xiàn)傾斜角度是輸出低電平。設(shè)置每30秒檢測(cè)一次I/O接口的電位，發(fā)現(xiàn)輸出低電平時(shí)，發(fā)送當(dāng)前所在位置到手機(jī)APP。位只要攜帶著打開手機(jī)APP就可以查詢到，系統(tǒng)檢測(cè)到發(fā)生變化會(huì)發(fā)出信息，平時(shí)處于休眠狀態(tài)，減少能源消耗，采用電池供電。其結(jié)構(gòu)如圖8所示：

3.3地下管廊各種信息檢查

地下管廊檢測(cè)有兩部分模塊組成（有毒氣體、濕度壓力檢測(cè)模塊+通訊傳輸模塊）主要檢查：管廊內(nèi)部濕度、氣壓、有毒混合氣體。壓力濕度485模擬量傳感器、MQ-135害氣體檢測(cè)報(bào)警傳感器、plc帶觸摸屏一體機(jī)、Suk-Box-W遠(yuǎn)程控制通訊。濕度傳感器通過485接口與PLC進(jìn)行自由協(xié)議通訊，將濕度傳感器的數(shù)值傳送給PLC。壓力氣體傳感器將當(dāng)前的壓力，不良?xì)怏w的濃度轉(zhuǎn)換成4-20ma模擬量送給PLC，通過PLC內(nèi)部程序計(jì)算出當(dāng)前的壓力值和不良?xì)怏w的濃度值。觸摸屏與PLC之間通過以太網(wǎng)連接，將PLC內(nèi)部的濕度值、壓力值，不良?xì)怏w濃度值實(shí)時(shí)傳送給觸摸屏，通過觸摸屏可設(shè)置濕度上下限、壓力上下限、不良?xì)怏w上下限數(shù)值，當(dāng)實(shí)際的濕度、壓力不良?xì)怏w濃度超出所對(duì)應(yīng)設(shè)定值的范圍的時(shí)候，警報(bào)指示燈點(diǎn)亮。觸摸屏上顯示的數(shù)據(jù)在通過通訊傳感器傳輸?shù)绞謾C(jī)APP上。電路圖連接流程如右圖9所示：

優(yōu)點(diǎn)：（1）管廊內(nèi)部濕度氣壓、混合氣體被實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以在手機(jī)上查看。（2）連接方便，可以一個(gè)PLC同時(shí)接入多組地下管廊檢測(cè)，更大程度上利用資源。（3）與現(xiàn)在智能化相結(jié)合，能更加準(zhǔn)確規(guī)避發(fā)生意外風(fēng)險(xiǎn)。

3.4組裝與調(diào)試

（1）零件的組裝。把上述模塊組裝拼接，檢測(cè)裝置裝在井蓋內(nèi)部，PLC和觸摸屏使用防水盒保護(hù)，通過通訊傳感器把接收到的信息傳輸?shù)浇K端。

（2）調(diào)試。智能井蓋固定四個(gè)枝干，以便更直接看到內(nèi)部情況，打開電源連接機(jī)器開始運(yùn)作。剛開機(jī)顯示通訊故障，待啟動(dòng)5秒之后顯示工作正常并實(shí)施監(jiān)控。

4.結(jié)語

根據(jù)《數(shù)字化城市管理信息系統(tǒng)智能井蓋基礎(chǔ)信息》國家標(biāo)準(zhǔn)會(huì)議在北京召開，在會(huì)議上確定了井蓋是城市基礎(chǔ)設(shè)施，是建設(shè)智慧城市重要的一環(huán)。井蓋設(shè)計(jì)智能化，與現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合形成智能井蓋是今后城市建設(shè)和發(fā)展必然趨勢(shì)。

本文通過翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)選型、軟硬件設(shè)置以及調(diào)試，初步實(shí)現(xiàn)了智慧井蓋在物聯(lián)網(wǎng)大環(huán)境下的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制。限于時(shí)間，在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在不成熟發(fā)展，后續(xù)可以追加調(diào)整一些適合溫濕度環(huán)境較差的組合機(jī)構(gòu);控制部分，還可以選擇更為可靠的模塊進(jìn)行較長時(shí)間的復(fù)雜環(huán)境測(cè)試，以期適應(yīng)城市道路環(huán)境的可靠使用;軟件，需要綜合手機(jī)Android、IOS、PC端的應(yīng)用穩(wěn)定性測(cè)試。使得整個(gè)系統(tǒng)更加可靠地服務(wù)城市現(xiàn)代化發(fā)展?，F(xiàn)階段對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)用不太成熟，在制作過程中還存在變量因素，硬件使用時(shí)間過長會(huì)產(chǎn)生老化，要增加對(duì)檢測(cè)機(jī)器完善制作，采用先進(jìn)的材料制作。

（指導(dǎo)老師：林偉，黃曉徐）

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基金項(xiàng)目：本文系無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院2019年度大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：201910848013Y。

作者簡介：王賽 （1999.11-），男 ，江蘇宿遷人，大專在讀，漢族，研究方向?yàn)閿?shù)控技術(shù)。

劉豆豆（1999.11-），女，漢族，江蘇鹽城人，研究方向?yàn)闄C(jī)制。

李洪輝（1999.12-），男，苗族，湖南邵陽人，研究方向?yàn)閿?shù)控。

胡啟超（1999.12-），男，漢族，河南信陽人，研究方向?yàn)閿?shù)控。