CN107101670B - 一种洪涝灾害作用下车辆安全的判别方法及装置 - Google Patents

一种洪涝灾害作用下车辆安全的判别方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种洪涝灾害作用下车辆安全的判别方法及装置。进行洪涝灾害下车辆的受力分析，构建每个力的表达式；根据力学平衡理论，推导出车辆在开始出现初期的滑动失稳情况下的车辆的起动流速表达式；率定洪涝灾害作用下车辆起动流速与水深关系，并得出其关系曲线图；结合流速与水深的关系曲线，利用公式将流速与水深转化为总水头值，计算确定临界总水头值；利用总水头测量装置采集各个路段总水头值，并将其与临界总水头值作对比，判定各个路段的行驶安全性。本发明综合考虑了水深和流速对车辆安全的影响，评价指标更可靠。

Description

一种洪涝灾害作用下车辆安全的判别方法及装置
技术领域
本发明属于水利工程技术领域，具体涉及一种洪涝灾害作用下车辆安全的判别方法及装置。
背景技术
近年来，全球气候条件变化，暴雨等极端天气频繁发生，导致城市洪涝灾害事故增长。在洪水作用下，停靠在路边的车辆容易失稳，冲撞路边行人以及建筑物，造成生命和财产的损害。因此研究洪涝灾害下车辆的稳定性并为其安全标准提供划分依据成为当代学者研究的热点之一。
在洪水作用下车辆失稳的形式主要有滑动，漂浮和翻滚，目前对洪涝灾害作用下车辆稳定的研究使用的方法主要有：模型试验法，纯理论研究法，模型试验与理论相结合的研究方法，提出安全标准的划分依据的参数主要为临界流速和水深，即在来洪流速和水深达到一定安全限值后，车辆会出现失稳现象。
但这些判别标准将流速和水深作为两个独立的量值，来评判车辆安全稳定性，或仅采用临界流速一个值作为车辆安全稳定的判别标准。在实际的情况下，流速和水深是两个相互作用，相互影响的两个量值，在评价车辆安全稳定性时需考虑二者的综合作用。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种洪涝灾害作用下车辆安全的判别方法及装置，本发明将流速和水深两个参量运用公式换算成总水头一个参量，并将临界总水头作为安全标准划分的指标。该装置是基于该种方法而设计，用以测量该方法中所提出的总水头值，具体可安置于暴雨频发的城市中地势较低易发生洪涝灾害的路段处，为城市车辆安全提供保障。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种洪涝灾害作用下车辆安全的判别方法，包括以下步骤：
(1)进行洪涝灾害下车辆的受力分析，构建每个力的表达式；
(2)根据力学平衡理论，推导出车辆在开始出现初期的滑动失稳情况下的车辆的起动流速表达式；
(3)率定洪涝灾害作用下车辆起动流速与水深关系，并得出其关系曲线图；
(4)结合流速与水深的关系曲线，利用公式将流速与水深转化为总水头值，计算确定临界总水头值；
(5)利用总水头测量装置采集各个路段总水头值，并将其与临界总水头值作对比，判定各个路段的行驶安全性。
所述步骤(1)中，在洪水中，车辆所受的水平方向的作用力主要有拖拽力与摩擦力，竖直方向的作用力主要有浮力、重力和支持力，表达车辆的受力情况。
所述步骤(2)中，根据力学平衡理论，当车辆所受拖拽力FD与摩擦力Fμ相等时，车辆开始出现初期的滑动失稳，推导出洪涝灾害作用下车辆的起动流速表达式。
所述步骤(3)中，利用模型试验率定洪涝灾害作用下车辆起动流速与水深关系，利用同比例缩放的模型汽车测定在不同来流条件下车辆滑移时的流速与水深值，结合起动流速公式，探究流速与水深的关系并得出关系曲线图。
所述步骤(3)中，选择至少三种车型模型来进行测试。
所述步骤(4)中，通过比例换算，将模型车辆失稳时流速与水深的关系曲线图，换算为原型车辆的关系曲线图。
所述步骤(5)中，若某路段的总水头值大于临界总水头值时，该路段车辆行驶危险；若总水头值小于临界总水头值时，该路段车辆行驶安全。
一种洪涝灾害作用下车辆安全的判别装置，包括支架，所述支架底端设置有水深传感器，所述支架中段设置有流速测试仪、水位开关，支架上部设置有装配盒，所述装配盒内设置有单片机，所述单片机与水深转换器和流速转换器连接，所述水深转换器与水深传感器连接，所述流速转换器与流速测量仪连接，当水位漫过水位开关后，水深传感器和流速测量仪开始工作，将流速信号、水深信号传输给单片机，所述单片机将流速和水深信号转化成总水头信号。
进一步的，所述支架上还设置有显示器，显示总水头信息和报警信息。
进一步的，所述单片机与无线传输设备相连，通过天线将信号总水头信号传送至远程终端。
当来洪水深淹没电子式水位开关时，电路连通，装置开始工作。水深传感器将水深信号通过电线传送给装配盒中的水深转换器，流速测量仪将流速信号通过电线传送给装配盒中的流速转换器。接着，流速转换器和水深转换器将流速信号，水深信号，传输至单片机中，经单片机中预先输入的程序将流速和水深信号转化成总水头信号，并将总水头信号通过电线传送至显示屏中，显示预警信息。此外，单片机还与无线传输设备相连，通过天线将信号总水头信号传送至远程终端，以供城市道路管理中心，对城市安全进行监控。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明将判别洪涝灾害下影响车辆稳定性最关键的两个参量：流速和水深，运用公式转化为总水头，并将临界总水头作为安全标准划分的指标。综合考虑了水深和流速对车辆安全的影响，评价指标更可靠。
(2)基于本判别方法，本发明提出了一种总水头测量装置，提高了本判别方法的实用性，为洪涝灾害下车辆安全提供了可靠的保障。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明的流程图；
图2为洪涝灾害下车辆受力分析图；
图3为洪涝灾害下道路交通安全判定准则图；
图4为总水头测量装置图；
图5装配盒细节图。
其中，1-压力式水深传感器，2-多普勒流速测量仪，3-装配盒，4-电子式水位开关，5-显示屏，6-警示牌，7-支架，8-底座，9-天线，10-电线，31-水深转换器，32-流速转换器，33-无线传输设备，34-电源，35-单片机。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在判别标准将流速和水深作为两个独立的量值，来评判车辆安全稳定性，或仅采用临界流速一个值作为车辆安全稳定的判别标准的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种洪涝灾害作用下车辆安全的判别方法及装置。
一种洪涝灾害作用下车辆安全的判别方法，主要包括以下步骤：
(1)洪涝灾害下车辆的受力分析。在洪水中，车辆所受的水平方向的作用力主要有拖拽力与摩擦力，竖直方向的作用力主要有浮力，重力，支持力。在该方法中对每个力建立表达式。
(2)车辆的起动流速公式推导。根据力学平衡理论，当车辆所受拖拽力与摩擦力相等时，车辆开始出现初期的滑动失稳，在步骤(1)的基础上推导出车辆的起动流速公式。
(3)利用模型试验率定洪涝灾害作用下车辆起动流速与水深关系。通过模型实验测定在不同来流条件下车辆滑移时的流速与水深值，结合起动流速公式，探究流速与水深的关系并得出关系曲线图。
(4)利用公式将水深与流速转化成总水头。通过比例尺换算，将模型车辆失稳时流速与水深的关系曲线图，换算为原型车辆的关系曲线图。利用公式将流速与水深值转化为总水头，从而得到临界总水头值。
(5)提出洪涝灾害下车辆安全的判别方法。在洪水作用下，经总水头测量装置测量，若某路段的总水头值大于临界总水头值时，该路段车辆行驶危险；若总水头值小于临界总水头值时，该路段车辆行驶安全。
依据本发明所提出的洪涝灾害下车辆安全的判别方法，本发明提供一种洪涝灾害下总水头测量装置，为城市安全提供保障。
一种洪涝灾害下总水头测量装置主要由压力式水深传感器，多普勒流速测量仪、装配盒、电子式水位开关、显示屏、警示牌、支架、底座、天线和电线构成，其中支架设置于底座上端，所述支架上从上到下依次设置有显示屏、装配盒、警示牌、电子式水位开关、多普勒流速测量仪和压力式水深传感器。
进一步的，所述装配盒设置在支架上，位于显示屏的下方。盒内设置有水深转换器、流速转换器、无线传输设备、单片机和电源.其中，单片机连接水深转换器、流速转换器、无线传输设备和电源，用以接收信号、转换信号和传输信号。
压力水深传感器设置在底座上，通过电线将其与转配盒中的水深转换器相连，用以接收水深信号。
多普勒流速测量仪设置在支架上的分支杆上，通过电线将其与装配盒中的流速转换器相连，用以接收流速信号。
电子式水位开关设置在支架上，用以控制整个装置的开启与关闭的状态。
显示屏设置在支架的顶部，用以显示总水头信息，为道路安全提供判别依据。
警示牌设置在支架的分支上，用以警示不同车型的临界总水头值，并与显示屏中所显示的实时总水头信息进行对比，为市民判断路况安全提供便利。
天线设置在装配盒外部，与无线传输设备配合用以将总水头信号发射至远程终端，以供城市道路管理中心，对城市安全进行监控。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种洪涝灾害下车辆安全判别方法，该方法的主要步骤为：
洪涝灾害下车辆的稳受力分析。在洪水中，车辆所受的水平方向的作用力主要有拖拽力FD与摩擦力Fμ，竖直方向的作用力主要有浮力FB，重力FG，支持力FN。
其中，汽车受到的拖拽力FD计算表达式(1)为：
Figure BDA0001319521470000071
式中：CD为拖拽力系数；A为迎水面面积；V为水流垂线方向平均流速，ρ为水的密度。
汽车受到的摩擦力Fμ的计算表达式(2)为：
Fμ＝μFN＝μ(FG-FB)
式中：μ为地面的摩擦力系数。
汽车受到的浮力FB，假设在短时间内汽车内不会大量进水，则浮力FB为排开水的体积，其计算的表达式(3)为：
FB＝ρgVB
式中：VB为汽车排开水的体积；g为重力加速度；ρ为水的密度。
车辆的流速公式推导。根据力学平衡理论，当车辆所受拖拽力FD与摩擦力Fμ相等时，车辆开始出现初期的滑动失稳。在表达式(1)、(2)、(3)的基础上，推导出洪水作用下车辆的起动流速表达式(4)为：
Figure BDA0001319521470000081
利用模型试验率定洪涝灾害作用下车辆起动流速与水深关系。模型试验在水槽中进行，水槽上游设置有前水池，起稳定水流的作用，前池与水槽之间设置有平板闸门，水槽末端设置有旋转式尾门，二者协同工作调节水槽内水深和流速的作用。在试验中，采用三种车型即小型车(两厢)，中型车(三厢)，大型(SUV)，以比例尺1:18的比例缩放，测定在不同来流条件下车辆滑移时的流速与水深值，结合起动流速公式，探究流速与水深的关系并得出关系曲线图。
利用公式将水深与流速转化成总水头。通过1:18的比例尺换算，将模型车辆失稳时流速与水深的关系曲线图，换算为原型车辆的关系曲线图。利用公式
Figure BDA0001319521470000082
(h为水深，v为流速)将测得的三种车型的临界流速和水深值转化为总水头hE，进而得到临界总水头值，小型车(两厢)为a，中型车(三厢)为b，大型(SUV)为c。
提出洪涝灾害下车辆安全的判别方法。在洪水作用下，经总水头测量装置测量，某路段的总水头值为x，若x≤a，该路段行驶的大小中型车均安全。若a≤x≤b时，该路段行驶的小型车危险，中型车与大型车安全。若b≤x≤c时，该路段行驶的小型车，中型车均危险，大型车安全。若c≤x，该路段行驶的大小中型车均危险。
实施例2：如图4所示为总水头测量装置，本装置主要由压力式水深传感器1，多普勒流速测量仪2，装配盒3，电子式水位开关4，显示屏5，警示牌6，支架7，底座8，天线9，电线10构成。
所述总水头测量仪安置于暴雨频发的城市中地势较低易发生洪涝灾害的路段处，当该路段来洪水深大于电子式水位开关4的高度时，电路接通电源34，装置开始工作，首先压力式水深传感器1将水深信号通过电线10传送给装配盒3中的水深转换器31，多普勒流速测量仪2将流速信号通过电线传送给装配盒3中的流速转换器32。接着，流速转换器31和水深转换器32将流速信号，水深信号，传输至单片机35中，经单片机35中预先输入的程序将流速和水深信号转化成总水头信号，并将总水头信号通过电线10传送至显示屏5中，显示预警信息。此外，单片机35还与无线传输设备33相连，通过天线9将信号总水头信号传送至远程终端，以供城市道路管理中心，对城市安全进行监控。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种洪涝灾害作用下车辆安全的判别方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)进行洪涝灾害下车辆的受力分析，构建每个力的表达式；
(2)根据力学平衡理论，推导出车辆在开始出现初期的滑动失稳情况下的车辆的起动流速表达式；
(3)率定洪涝灾害作用下车辆起动流速与水深关系，并得出其关系曲线图；
(4)结合流速与水深的关系曲线，利用公式将流速与水深转化为总水头值，计算确定临界总水头值；
(5)利用总水头测量装置采集各个路段总水头值，并将其与临界总水头值作对比，判定各个路段的行驶安全性；
所述步骤(3)中，选择至少三种车型模型来进行测试；
所述步骤(3)中，利用模型试验率定洪涝灾害作用下车辆起动流速与水深关系，利用同比例缩放的模型汽车测定在不同来流条件下车辆滑移时的流速与水深值，结合起动流速公式，探究流速与水深的关系并得出关系曲线图。
2.如权利要求1所述的一种洪涝灾害作用下车辆安全的判别方法，其特征是：所述步骤(1)中，在洪水中，车辆所受的水平方向的作用力主要有拖拽力与摩擦力，竖直方向的作用力主要有浮力、重力和支持力，表达车辆的受力情况。
3.如权利要求1所述的一种洪涝灾害作用下车辆安全的判别方法，其特征是：所述步骤(2)中，根据力学平衡理论，当车辆所受拖拽力FD与摩擦力Fμ相等时，车辆开始出现初期的滑动失稳，推导出洪水作用下车辆的起动流速表达式。
4.如权利要求1所述的一种洪涝灾害作用下车辆安全的判别方法，其特征是：所述步骤(4)中，利用比例换算，将模型车辆失稳时流速与水深的关系曲线图，换算为原型车辆的关系曲线图。
5.如权利要求1所述的一种洪涝灾害作用下车辆安全的判别方法，其特征是：所述步骤(5)中，若某路段的总水头值大于临界总水头值时，该路段车辆行驶危险；若总水头值小于临界总水头值时，该路段车辆行驶安全。
6.根据权利要求1所述的一种洪涝灾害作用下车辆安全的判别方法的装置，其特征是：包括支架，所述支架底端设置有水深传感器，所述支架中段设置有流速测试仪、水位开关，支架上部设置有装配盒，所述装配盒内设置有单片机，所述单片机与水深转换器和流速转换器连接，所述水深转换器与水深传感器连接，所述流速转换器与流速测试仪连接，当水位漫过水位开关后，水深传感器和流速测试仪开始工作，将流速信号、水深信号传输给单片机，所述单片机将流速和水深信号转化成总水头信号。
7.如权利要求6所述的一种洪涝灾害作用下车辆安全的判别方法的装置，其特征是：所述支架上还设置有显示器，显示总水头信息和报警信息。
8.如权利要求6所述的一种洪涝灾害作用下车辆安全的判别方法的装置，其特征是：所述单片机与无线传输设备相连，通过天线将信号总水头信号传送至远程终端。
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