蘇 力,張立輝

吉林建筑大學(xué),吉林 長春 130119

0 引言

在現(xiàn)有的研究中,城市內(nèi)澇模擬仿真及預(yù)警系統(tǒng)主要是基于SWMM模型與三維GIS地理位置對城市內(nèi)澇的預(yù)警。該系統(tǒng)在城市內(nèi)澇的整體監(jiān)測、預(yù)警與救援響應(yīng)方面具有一定的作用,但對實(shí)時(shí)降雨量、水位數(shù)據(jù)等缺乏監(jiān)測與分析,同時(shí)在內(nèi)澇危險(xiǎn)到來之前缺乏預(yù)警功能[1]?；诖?本文在隧道內(nèi)安裝監(jiān)測設(shè)備,對最容易產(chǎn)生內(nèi)澇的隧道內(nèi)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警,實(shí)時(shí)采集水位、流量、流速等數(shù)據(jù),在隧道外附近安裝雨量桶,實(shí)時(shí)收集降雨信息。為了達(dá)到提前預(yù)測隧道內(nèi)澇危險(xiǎn)到來的目的,在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上,加入了對接下來一段時(shí)間內(nèi)水位數(shù)據(jù)的預(yù)測,以便提前預(yù)測水位高度是否會(huì)達(dá)到警戒水位,從而防隧道內(nèi)澇于未然。

1 隧道內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)整體框架

隧道內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)整體框架由3部分構(gòu)成,分別為內(nèi)澇監(jiān)測系統(tǒng)、集中器網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。

本方案采用STM32單片機(jī)作為控制單元,對各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位的水位、流量、流速進(jìn)行探測,并對數(shù)據(jù)越限情況進(jìn)行報(bào)警,采用GPRS無線傳輸?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)報(bào)警信息的傳輸。隧道內(nèi)澇監(jiān)測系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)顯示與數(shù)據(jù)分析,以及實(shí)現(xiàn)報(bào)警信息管理、歷史數(shù)據(jù)記錄、內(nèi)澇分析等功能。隧道內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1 隧道內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)整體框架

2 監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

在隧道內(nèi)采集水位、流量、流速等數(shù)據(jù)時(shí),要考慮隧道內(nèi)的實(shí)際情況,如泥沙、灰塵、污染物、水面漂浮物等,因此采用非接觸式測量方法,利用超聲波傳感器測量水位,用雷達(dá)流量計(jì)測量流量、流速。為了滿足降雨量數(shù)據(jù)測量準(zhǔn)確性與可靠性的要求,同時(shí)便于準(zhǔn)確預(yù)測數(shù)據(jù),系統(tǒng)采用光學(xué)雨量桶實(shí)時(shí)采集降雨量數(shù)據(jù)。

2.1 數(shù)據(jù)采集

超聲波傳感器是將超聲波信號轉(zhuǎn)換成其他能量信號(通常是電信號)的傳感器,其原理是計(jì)算超聲波信號發(fā)出時(shí)間與收到回波信號時(shí)間的間隔,通過計(jì)算時(shí)間差,計(jì)算出水位高度,將電信號傳輸給單片機(jī)[2]。

雷達(dá)流量計(jì)選用恒瑞雷達(dá)流量計(jì),它采用雷達(dá)平面微波技術(shù),通過非接觸方式測量水體的流速和流量,支持GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸[3]。該流量計(jì)具有功耗低、體積小巧、可靠性高、操作簡單、維護(hù)方便等特點(diǎn),測量過程不受溫度、氣壓、泥沙、灰塵、污染物、水面漂浮物、空氣等環(huán)境因素的影響。

雨量桶選用建大仁科RS-GYL-*-1光學(xué)雨量計(jì),此款雨量計(jì)采用光學(xué)感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)對降雨量的測量,其體積小、重量輕、安裝簡單、低功耗、節(jié)約能源、可靠性高,可在高濕環(huán)境下正常工作。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸

通過對各種數(shù)據(jù)傳輸方式的比較,發(fā)現(xiàn)GPRS無線傳輸方式傳輸距離遠(yuǎn)、可連接多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位、成本低廉、方便維護(hù)。相較于傳統(tǒng)的線路傳輸,使用GPRS無線傳輸更加安全可靠,經(jīng)濟(jì)性好,所以本方案隧道內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)采用GPRS無線傳輸方式,以確保及時(shí)對隧道內(nèi)澇進(jìn)行報(bào)警[4]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

本文的研究是對隧道內(nèi)水位、流量、流速、降雨量等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與監(jiān)測,并將采集數(shù)據(jù)通過GPRS通信傳輸給集中器網(wǎng)關(guān)。在數(shù)據(jù)處理部分采用的是模塊化設(shè)計(jì),主要有電源模塊、超聲波傳感器、雷達(dá)流量計(jì)、雨量桶的數(shù)據(jù)采集模塊、GPRS通信模塊、報(bào)警模塊。單片機(jī)采用STM32F103RCT6作為主控IC,其具有72 M主頻、256 KB的Flash、48 KB的SRAM,適用于各種情況的電路,工作電壓范圍為2～3.6 V,適用的溫度范圍-40～105 ℃,可以用于城市隧道[5]。硬件的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 硬件框圖

2.4 硬件電路設(shè)計(jì)

2.4.1 電源模塊電路設(shè)計(jì)

電源模塊主要使用220 V電源供電,因此需要將電源電路進(jìn)行變壓,給系統(tǒng)各部分供電。220 V生活用電經(jīng)過變壓器后變?yōu)? V左右交流電,然后經(jīng)過4只整流二極管組成的全波整流電路后,將5 V交流電轉(zhuǎn)換為直流電,經(jīng)過濾波和穩(wěn)壓后,輸出穩(wěn)定的5 V電壓,最后通過5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V直流電壓為單片機(jī)等眾多元件供電[6]。其中5 V供電電路如圖3所示。

圖3 供電電路

2.4.2 報(bào)警系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

報(bào)警系統(tǒng)分為蜂鳴器和發(fā)光二極管,主要由Q1三極管、發(fā)光二極管D2、揚(yáng)聲器LS1組成,燈光亮滅由發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn),具體原理是三極管正極通過限流電阻與5V電壓連接,負(fù)極與單片機(jī)I/O口相連,當(dāng)單片機(jī)發(fā)出高電平指令時(shí),發(fā)光二極管和揚(yáng)聲器不工作;當(dāng)單片機(jī)發(fā)出低電平指令時(shí),三極管導(dǎo)通,發(fā)光二極管發(fā)光,揚(yáng)聲器報(bào)警[7]。報(bào)警電路圖如圖4所示。

圖4 聲光報(bào)警電路

3 監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

為了達(dá)到預(yù)測、預(yù)警的目的,本系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)部分加入了算法預(yù)測環(huán)節(jié),不僅可以在監(jiān)測數(shù)據(jù)超越限值時(shí)報(bào)警,還可以實(shí)現(xiàn)在實(shí)時(shí)監(jiān)測水位還未達(dá)到警戒水位時(shí),預(yù)測接下來一段時(shí)間內(nèi)的水位,提前預(yù)知即將發(fā)生內(nèi)澇危險(xiǎn)并報(bào)警。

隧道內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的流程如圖5所示:系統(tǒng)各個(gè)模塊上電進(jìn)行初始化,各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位采集水位、流量、降雨量等信息,主控監(jiān)測的單片機(jī)模塊通過GPRS無線傳輸實(shí)時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)上傳給網(wǎng)關(guān)系統(tǒng),網(wǎng)關(guān)上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)給隧道內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng),并進(jìn)行保存和顯示,當(dāng)數(shù)據(jù)為正常值,監(jiān)測繼續(xù)進(jìn)行,并進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)測,當(dāng)預(yù)測數(shù)據(jù)與設(shè)定好的警戒值相比較,數(shù)據(jù)越限,則進(jìn)行報(bào)警處理[8]。

圖5 隧道內(nèi)澇監(jiān)測控制流程

4 監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

4.1 數(shù)據(jù)顯示

基于本系統(tǒng)監(jiān)測的隧道內(nèi)澇情況一般處于天氣狀況不良的情況,監(jiān)測系統(tǒng)需要及時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)并報(bào)警,使用云端監(jiān)控可能會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)延遲或高峰擁堵等問題,而使用PC方案則更穩(wěn)定可靠,故本文基于LabVIEW軟件設(shè)計(jì)了監(jiān)測系統(tǒng)。前面板的顯示界面記錄了數(shù)據(jù)記錄的具體時(shí)間、單片機(jī)與上位機(jī)之間的串口參數(shù)、超聲波傳感器測量的水位數(shù)據(jù)。雷達(dá)流量計(jì)收集流量與流速數(shù)據(jù)、雨量桶收集降雨量數(shù)據(jù),當(dāng)監(jiān)測水位數(shù)據(jù)超過所設(shè)定的范圍之后,遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的報(bào)警部分工作,報(bào)警燈亮起。監(jiān)測系統(tǒng)的顯示界面如圖6所示。

圖6 監(jiān)測系統(tǒng)的顯示界面

4.2 水位數(shù)據(jù)短期預(yù)測

4.2.1 算法選取

隧道內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的運(yùn)行是在已監(jiān)測的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,利用編程預(yù)測未來隧道內(nèi)澇情況,從而達(dá)到監(jiān)測預(yù)警的目的。循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是依據(jù)多輸入變量,輸出預(yù)測變量,使得提前預(yù)知所想要的數(shù)據(jù)。隧道內(nèi)澇水位的影響因素是多種的,而且相比傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測算法,在預(yù)測內(nèi)澇危險(xiǎn)情況時(shí)使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法準(zhǔn)確率高,識(shí)別速度快,所以本文采用循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,根據(jù)實(shí)時(shí)水位數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)降雨量,對隧道內(nèi)水位進(jìn)行預(yù)測,從而達(dá)到預(yù)警的目的[9]。

4.2.2 預(yù)測結(jié)果分析

本文使用某市每小時(shí)降雨量以及水位數(shù)據(jù),首先通過循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法訓(xùn)練模型,然后通過訓(xùn)練好的模型,預(yù)測接下來1 h的水位數(shù)據(jù),預(yù)測結(jié)果對比如圖7所示,虛線表示實(shí)際水位,實(shí)線表示預(yù)測得到的水位,可見兩者基本趨于擬合,驗(yàn)證了循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法模型預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性,表明可以用本方案進(jìn)行水位監(jiān)測預(yù)警。

圖7 預(yù)測結(jié)果對比圖

為了直觀地看出預(yù)測值與真實(shí)值之間的擬合度,本文又進(jìn)行了R系數(shù)的分析,R系數(shù)的含義是表示真實(shí)值和預(yù)測值之間的相關(guān)性,其值越接近于1,就代表預(yù)測的效果越好。本研究的R系數(shù)如圖8所示,R=0.835 97,較為接近1,驗(yàn)證了預(yù)測數(shù)據(jù)的可靠性。

圖8 R系數(shù)圖

5 結(jié)束語

隧道內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)是基于單片機(jī)和LabVIEW軟件開發(fā)的隧道內(nèi)澇的數(shù)字化監(jiān)測工具,在傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,通過實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù),生成預(yù)測水位值,與警戒值進(jìn)行分析比較,發(fā)出警告,采取相應(yīng)措施,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)系統(tǒng)缺乏未來時(shí)間隧道內(nèi)澇危險(xiǎn)性預(yù)警功能的不足,由此建立了城市隧道內(nèi)澇預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng),為相關(guān)科研人員進(jìn)一步開展城市內(nèi)澇預(yù)報(bào)預(yù)警研究提供了數(shù)據(jù)支持,可提升城市暴雨內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警服務(wù)能力,可有效降低經(jīng)濟(jì)損失。