CN115506402A - 一种地下管廊应急防汛系统 - Google Patents

一种地下管廊应急防汛系统 Download PDF

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CN115506402A CN202211166327.7A CN202211166327A CN115506402A CN 115506402 A CN115506402 A CN 115506402A CN 202211166327 A CN202211166327 A CN 202211166327A CN 115506402 A CN115506402 A CN 115506402A
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姚炜
徐子钦
汪雷杰
戚琛琛
唐晓俊
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Abstract

本申请公开了一种地下管廊应急防汛系统，地下管廊的每一区段的防火分区划分为一个独立的区单元，若干个相邻的区单元划分为一个储排水分区；每个区单元的通风口或逃生口外设有用于测量外部道路水压的水压传感器，区单元内设有用于测量当前地下管廊内水位高度的水位传感器；区单元内设有控制器，所述水压传感器和水位传感器均连接至控制器；区单元的通风口或逃生口的井盖设为电控井盖，相邻的区单元之间的防火门设为电控防火门，电控井盖和电控防火门均连接至控制器由控制器控制打开或关闭；区单元内还设有水泵，水泵用于将区单元内部储水抽排至道路排水管网。本申请用于合理的引导地面积水引入地下管廊进行存储和排放，实现应急防汛的功能。

Description

一种地下管廊应急防汛系统
技术领域
本申请涉及一种地下管廊应急防汛系统，属于城镇地下管廊防汛应用技术领域。
背景技术
随着城市的快速发展，城市地下综合管廊已经作为城市运行的生命线、大动脉而被纳入城市的重点建设工程中，是城市运行的重要基础设施。为此，需要提高目前对管廊地下空间的利用率，对其空间需要进行合理的开发和利用。同时，作为海绵城市建设的重要一环，如何利用地下空间和城市排水管网的排水能力来解决道路大面积的水灾也是目前管廊建设过程中的一个盲点。因此，开发出一套能最大限度在道路严重积水时能充分利用区域间的城市排水管网进行水的排放，保证道路的安全、有序的运转，最大程度的发挥出海绵城市的能力的应急防汛系统就显得尤为重要。
由于综合管廊建在地下，利用了大面积的地下空间，平时正常运行中除了运维人员进行正常的运维工作外，没有外来人员的进入，遇到暴雨、汛期，往往是道路上积水严重，水来不及排放，管廊下空间却很大，没有任何的积水，相关排水设施也没有被有效利用。因此，在管廊的全生命周期的建设中，一套可靠的应急防汛系统的存在能极大的降低道路上发生水灾的概率，极大的保证道路上车辆和人员的通勤的安全。
如今在地下管廊的设计和建造过程中，传统的理念往往放在了管廊如何排水，如何保证管廊内没有积水，对于分担道路的积水压力，承担防汛责任，充分的利用管廊内部空间进行储水、进行水的调度几乎没有任何发展，导致了管廊的功能单一，排水资源的利用率也不是很高。
由此可见，采用传统的建设系统的要求，即只关心管廊内部的空间环境，其具有方案成熟等优点，但同时也存在一些不足。为实现利用地下管廊应急防汛，需要解决的问题有：
地下空间资源利用不够。地下空间资源丰富，但当道路严重积水时却无法有效的利用地下空间资源来对水灾进行缓解。据计算，以一条1公里的管廊为例，长1000米，宽2米，以离地20公分来计算，即0.2米，得出体积为400立方米，即可储水400吨。这些空间资源在水灾时就被白白浪费掉。
排水资源利用不够。由于地下综合管廊距离长，范围广，其项目往往要涉及多条道路，同时也会利用各个区段的排水管网进行排水。但当部分马路发生积水时，处在地下的综合管廊却无法有效利用相邻路段管网进行排水，导致道路上积水越发严重，造成排水资源的浪费。
与城市应急体系相对孤立。往往只满足项目自身建设，没有与城市的防汛等应急处置流程进行联动。
发明内容
本申请的目的是提供一种应用于综合管廊的更加智能、更加数字化的防汛、排洪系统，通过对道路上积水深度的判断、对市政管网排水能力的判断、对各个防火分区水位的判断，科学地利用每一条道路下的地下管廊空间和相应的排水设施、排水管网进行对地面水灾的疏排工作。
为了解决上述技术问题，本申请的技术方案是提供了一种地下管廊应急防汛系统，地下管廊的每一区段的防火分区划分为一个独立的区单元，若干个相邻的区单元划分为一个储排水分区；每个区单元的通风口或逃生口外设有用于测量外部道路水压的水压传感器，区单元内设有用于测量当前地下管廊内水位高度的水位传感器；区单元内设有控制器，所述水压传感器和水位传感器均连接至控制器；区单元的通风口或逃生口的井盖设为电控井盖，相邻的区单元之间的防火门设为电控防火门，电控井盖和电控防火门均连接至控制器由控制器控制打开或关闭；区单元内还设有水泵，水泵用于将区单元内部储水抽排至道路排水管网；
使用所述地下管廊应急防汛系统进行应急防汛包括全局排水策略：
若储排水分区A的外部道路平均水压大于阈值S1，判断储排水分区A发生水患，打开储排水分区A所有区单元的电控井盖，打开储排水分区A内的防火门，将外部道路积水引入储排水分区A的地下管廊，直到储排水分区A内储水水位高度达到爆管液位风险值；
判断相邻储排水分区B的外部道路平均水压是否小于阈值S1，若小于阈值S1，则储排水分区B的外部道路的道路排水管网排水正常，打开储排水分区A 和储排水分区B之间的防火门，将储排水分区A内储水引入储排水分区B，并通过水泵将储排水分区B内储水抽排至道路排水管网；
若相邻储排水分区B的外部道路平均水压大于阈值S1，则继续向更远处储排水分区搜索，直到找到外部道路的道路排水管网排水正常的储排水分区，地下管廊内储水引入道路排水管网排水正常的储排水分区，道路排水管网排水正常的储排水分区内储水通过水泵抽排至道路排水管网，直到所有储排水分区储水水位低于无储水参考阈值E。
使用所述地下管廊应急防汛系统进行应急防汛还包括局部排水策略：
若储排水分区A的外部道路平均水压小于阈值S1，且储排水分区A内某个区单元Ai的外部道路水压超出平均水压达到阈值S2，则判断该区单元Ai与其相邻的两个区单元Ai-1和Ai+1外部道路水压变化情况；
若一段时间内区单元Ai外部道路水压持续增大，且相邻的两个区单元Ai-1 和Ai+1外部道路水压未变化，则判断区单元Ai外部道路发生水患，打开区单元 Ai的井盖，将区单元Ai外部道路积水引入区单元Ai的地下管廊，打开储排水分区A内的防火门，将区单元Ai的内部储水引入其他区单元，并通过水泵将引入其他区单元的储水抽排至其他区单元的道路排水管网；
若一段时间内区单元Ai外部道路水压持续增大，且相邻的两个区单元Ai-1 和Ai+1外部道路水压随之增大，当储排水分区A的外部道路平均水压大于阈值 S1时，触发执行全局排水策略。
具体的，所述储排水分区包括五个区单元，所述区单元长度设为200米。
具体的，所述阈值S1设为1960Pa；所述爆管液位风险值设为20厘米。
优选的，所述控制器设为PLC控制板。进一步的，所述水压传感器和水位传感器以有线或无线的传输方式连接至PLC控制板。
本申请的优点在于，通过对数据的深层次利用和处理，通过对井盖设备上压力数据收集的整理和计算，辅以管廊内部其他系统，运用相应的控制策略和方法，通过算法实现，与管廊现有的内部设备做关联，从而对相应区单元的井盖的开关，防火门的开关等进行操作的规划设置，合理的引导地面积水引入地下管廊进行存储和排放的同时保证管廊内现有设备的安全。
附图说明
图1为实施例中提供的应急防汛硬件系统智能监控示意图；
图2为实施例中提供的防火门调度储水功能示意图；
图3为实施例中提供的储排水分区的引排水示意图；
图4为实施例中提供的地下管廊各储排水分区工作示意图；
图5为实施例中提供的储排水分区内局部道路积水的处置流程；
图6为用于实现实施例中提供的引排水操作的算法逻辑判断图。
具体实施方式
为使本申请更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例
在本实施例中，将地下管廊现有的每一个防火分区划分为一个独立运作的区单元，同时也可以把每一个防火分区看作是一个独立的储水空间，即可以理解为每一个区单元的感知设备都能实时的进行管廊内外数据的采集，通过本地自控 PLC的计算来进行相应的操作，也能在服务器端进行数据的交汇，通过运用算法和判断方式来进行整个管廊范围内的设备的操作。各个区单元内所有感知设备的数据可以通过无线或有线的方式进行数据的采集，最后统一接入本地防火分区的 PLC中进行本地判断或数据上传。
原地下管廊的子系统如井盖系统、排水系统、爆管系统等只发挥出各子系统的作用，没有对数据的互相联动提出要求，特别是防火门系统，更是独立在所有子系统之外，只需要满足人员正常的开启和关闭，完全不和任何系统进行联动。本实施例提供的方案倾向于通过对现有的设备的数据的深度利用，合理的运用控制方法，传输出相应的操作信号给位于各个区单元的井盖、排水、防火门等设备，智能的对道路上水灾进行判断，远程操作就近的井盖。通过科学的判断，对井盖进行及时的开关，合理的引导道路积水流入管廊，通过管廊的结构特点进行短暂的储水和跨排水管网的排水，让地下空间发挥出更大的效能，对排水管网进行最大幅度的利用，从而保障道路和人员的安全，让城市道路远离水灾。本实施例提供的方案的核心在数据的深层次利用和处理，通过对井盖设备上压力数据收集的整理和计算，辅以管廊内部其他系统，运用相应的控制逻辑和方法，通过算法实现，与管廊现有的内部设备做关联，从而对相应区单元的井盖的开关，防火门的开关等进行操作的规划设置，合理的引导地面积水引入地下管廊进行存储和排放的同时保证管廊内现有设备的安全。
本实施例提供了地下管廊应急防汛系统，系统基于现有地下管廊，地下管廊的每一区段的防火分区划分为一个独立的区单元，若干个相邻的区单元划分为一个储排水分区；每个区单元的通风口或逃生口外设置水压传感器，水压传感器用于检测当前区段外部道路的水压，从而判断外部道路的积水水位；每个区单元内部设置水位传感器，水位传感器用于检测当前区单元内部水位，判断当前区单元内部储水程度；每个区单元配置一个独立PLC板作为控制器，控制器采集本区单元内所有传感器数据，计算汇总后传输至上位机；每个区单元的通风口或逃生口的井盖设置为电控井盖，电控井盖连接至控制器由控制器控制打开或关闭；同时相邻的区单元之间的防火门设置为电控防火门，电控防火门连接至控制器由控制器控制打开或关闭；每个区单元内还设置有水泵，用于将区单元内部储水抽排至外部从而排水至市政的道路排水管网，水泵同样由控制器控制排水或关闭。
以上构成了地下管廊应急防汛系统的硬件系统，具体的，可划分为以下子系统，各子系统任务及工作过程详细解释如下：
一、水位监测系统
常用的水位监测主要采用水压传感器、液位传感器等设备。本申请系统构件中，选用水压传感器进行外部水压的获取，将水压传感器放置通风口的外部或内部，进而通过积水时水对传感器的压力计算得出外部道路的实际水位。相关的数据可通过有线/无线通讯的方式接入到控制器中，并经过相应的计算判断出外部水位是否过高。如当水位为20厘米时，根据p＝ρgh算出压强为1960帕斯卡，控制器把相应水压传感器采集的数据进行上传。
具体表现为，传感器实时的上传其管廊外部液位的对应数据，通过人为的对液位报警值的设置，当水位高于20厘米时(外部车辆无法行驶，降低井盖与汽车碰撞隐患)，发出相应的信号，触发相应的处置流程，提示发生了相应的灾害，当某一条管廊的相邻3、4个防火分区的水压传感器都传出报警或某一个地势低洼区域的传感器数字不断的在上升，那么将会触发相应的井盖动作，及时的开启井盖进行引流，缓解地面积水问题。当管廊内部的水位传感器检测到储水已经到了极限值，那么将关闭井盖，直到管廊内部的储水通过当前路段的排水管网或其他路段排水管网排水完毕后再进行储水。
因此，在本申请方案中，水位监测系统只需要提供出相对应的数值进入到上位机中进行判断即可完成该子系统的任务。
二、自控系统
每一个区单元内的控制器负责把接收的外部水压传感器的数据进行换算，实时的传输给上位机进行相应的判断。同时，还要把相应的监测爆管液位的液位传感器或浮球信号进行接入，帮助系统进行相应数据的收集工作。当系统经过判断需要启动相应流程时，控制器也需要进行相关的功能的联动，包括打开或关闭防火门、打开或关闭井盖、打开或关闭水泵等操作。
三、井盖系统
目前，管廊的井盖系统相对独立，主要起到了隔绝地面上与下功能，以及防止人员的侵入，或者用于运维人员的及时逃生。但与此同时，当路面上发生水灾时，也同时隔绝了地面与地下，在管廊有能力解决道路水灾的情况下隔绝了道路正常通行的希望。因此，在道路上发生水灾时，及时的打开相应区域的井盖进行水的引导，把水引入对应的储排水分区或相邻的几个储排水分区，进而能及时的缓解道路上的水灾。
各个子系统的智能联控参见图1。
四、防火门系统
防火门系统在整个对水灾调节的系统中，起到至关重要的作用，对引入的水进行相应的存储和调度起到了决定性作用。当水流入管廊后，通过防火门的开启和隔断作用，对水流进行引导。
具体表现为：把管廊的区单元进行编号，每200米一个区单元，相邻的几个区单元整合成一个储排水分区，比如五个区单元整合成一个储排水分区，五个区单元分别为1到5号，在系统内也相应的进行编号，每一个区单元的防火门均为电控防火门，通过上位机发出指令、控制器控制相应防火门的开启或关闭。当路面积水通过电控井盖引入管廊时，打开相邻的防火门进行水的分配，当相邻的区单元储水到达极限再开后续的防火门进行分配，直到储排水分区(5个防火分区) 的防火门都打开进行储水。当地势较低的区单元先储水达到极限后关闭相应的防火门，随着储水到达极限的区单元越来越多，防火门也就越关越多，直到达到储排水分区的储水极限。同时经过系统判断，寻找到还具有排水能力的市政管网所对应的储排水分区，然后打开相应的储排水分区间的防火门进行储排水操作。在整个过程中，还需要联动相应的井盖进行开启和关闭，排水系统也在整个流程期间同步的进行工作，先排完的区单元打开防火门进行水的再分配，直到整条管廊排水完毕。
通过防火门调度储水功能示意见图2。
五、上位机系统
上位机作为整个系统的大脑，需要能通过严谨的判断来及时的进行各项操作，对引入管廊的积水的水位能实时的做判断，在保证管廊内设备安全的情况下进行最大的水量引入和排水管网的利用。在整个控制系统的设计思路为，通过每个区单元的水压传感器数值情况，进而判断出外部环境是否发生水灾或是局部是否发生积水，从而进行相应的操作。
当外部水压传感器开始传出报警，并经过控制器进行数据的上传后，上位机进行数据的入库，随后数据开始进行判断计算。但由于单个传感器受外部影响较大或设备容易损坏，一个传感器进行报警不能切实的反映出外部道路积水情况，会出现误判断，需要通过同时获取相邻区单元或一个储排水分区(5个区单元) 所有的水压传感器进行分析，如1，2，3，4，5号区单元的传感器数据分别对应 P1，P2，P3，P4，P5，根据5个传感器的数据进行分析，不同情况进行不同的处置流程。各类情况的判断及其控制方法如下(本实施例以道路积水20厘米判断为水患)：
1、当(P1+P2+P3+P4+P5)/5>S时，(S为水患判定参考水压，本实施例取 1960Pa)，判断这个储排水分区(5个区单元)对应的道路已经发生水患，上位机将会匹配并连接此区域内的5个控制器进行相应的控制，如打开这个储排水分区(5个区单元)的所有井盖进行引水动作，管廊内相应的防火门也要同步开启进行水的分配。上位机同步调用管廊内液位传感器实时判断管廊内水位的高度，当超过爆管液位风险值(本实施例取20CM)时关闭井盖，停止水的引入。同时获取相邻储排水分区(区单元6、7、8、9、10)的外部道路的水压，当相邻储排水分区外部道路的平均水压(P6+P7+P8+P9+P10)/5<1960Pa，判断其道路和排水管网正常，打开相应储排水分区之间的所有防火门，把水引入此储排水分区进行排水，同时该储排水分区的所有水泵全部打开进行同步排水。当管廊内部积水排出后，重复这一流程，直到传感器数据趋近于0(低于无储水参考阈值即可)。图3为储排水分区1的引排水图，图4为管廊各储排水分区工作示意图。
2、当P1,P2,P3,P4,P5其中有一个传感器突然数据值较大而剩余传感器数据较小时，即(P1+P2+P3+P4+P5)/5＝P均<1960Pa同时(Pnmax-P均)>1000Pa 时，判断Pnmax与其相邻的两个传感器(Pn+1和Pn-1)的数据。如在2分钟之内Pnmax数值持续增大，其相邻的两个传感器(Pn+1和Pn-1)的数据没有变化，即能推导出Pnmax与其相邻的两个传感器的数据差值持续增大，那么判断路面在这一段区间内局部水位持续增高且当前路段排水管网无法及时的把水排出，开启Pnmax所对应的井盖进行局部积水的引导入廊，并通过其所在的储排水分区 (5个防火分区)进行积水的排放，此过程不涉及其他的储排水分区。如在2分钟之内Pnmax数值持续减小，其相邻的两个传感器(Pn+1和Pn-1)的数据没有变化，即能推导出Pnmax与其相邻的两个传感器的数据差值持续减小，那么判断路面在这一区段有积水，但能通过道路排水管网排水，即不需要管廊进行操作。如在2分钟之内，其相邻的两个传感器(Pn+1和Pn-1)数据持续增大，即不论 Pnmax如何变化，相邻的两个传感器数据都在增大，那么判断区域内积水严重，开启Pnmax的井盖进行水的引导，如单个井盖无法缓解，道路积水逐步蔓延到远端两个传感器，即Pn+2和Pn-2传感器的数据在持续增大，直到上位机计算 (P1+P2+P3+P4+P5)/5>1960Pa，即启动上述压强超过1960Pa时的处置流程。图5为储排水分区内局部道路积水的处置流程。
综上所述，本申请提供的基于地下管廊应急防汛系统，用于测量道路水压的水压传感器数据通过每一个区单元的控制器进行采集，通过网络在上位机汇总，上位机实时的进行数据的采集，并录入数据库中。系统从相应的数据库进行数据的获取，然后实时的进行数据的判断，利用一系列算法判断管廊上部道路的积水情况。一旦发现管廊上部道路开始发生水灾，系统马上进行水灾情况的研判，根据预先定义好的各类处置流程进行相应的处置动作。当(P1+P2+P3+P4+P5)/5＝P 均≥1960Pa(定义外部水位达到20厘米)时，打开相应储排水分区的5个区单元全部井盖进行水流的下引，同时对其他储排水分区上道路市政管网进行判断，寻找空闲的市政管网，打开相应的防火门，把水引至空闲的市政管网进行排水。当(P1+P2+P3+P4+P5)/5＝P均＜1960Pa的同时满足(Pnmax-P均)>1000Pa并在 2分钟之内Pnmax数值持续增加，其相邻的两个传感器(Pn+1和Pn-1)的数据没有变化，打开Pnmax的井盖进行水的下引，水流通过相应的储排水分区进行排水，此过程不涉及其他的储排水分区。当上述各个情况中，没有空闲的市政管网或水流入速度大于排出速度导致管廊达到爆管液位(预设为20厘米)，那么当储水量达到管廊的最大储水能力时，关闭各个打开井盖，直到有空闲的市政管网进行排水或管廊水被排完后继续执行相应的处置流程。图6为相应的软件逻辑流程图，每一次判断完成后都将重新开始判断，整个程序不断进行运算，保证道路的水灾问题能顺利的被解决。

Claims (6)

1.一种地下管廊应急防汛系统，其特征在于，地下管廊的每一区段的防火分区划分为一个独立的区单元，若干个相邻的区单元划分为一个储排水分区；每个区单元的通风口或逃生口外设有用于测量外部道路水压的水压传感器，区单元内设有用于测量当前地下管廊内水位高度的水位传感器；区单元内设有控制器，所述水压传感器和水位传感器均连接至控制器；区单元的通风口或逃生口的井盖设为电控井盖，相邻的区单元之间的防火门设为电控防火门，电控井盖和电控防火门均连接至控制器由控制器控制打开或关闭；区单元内还设有水泵，水泵用于将区单元内部储水抽排至道路排水管网；
使用所述地下管廊应急防汛系统进行应急防汛包括全局排水策略：
若储排水分区A的外部道路平均水压大于阈值S1，判断储排水分区A发生水患，打开储排水分区A所有区单元的电控井盖，打开储排水分区A内的防火门，将外部道路积水引入储排水分区A的地下管廊，直到储排水分区A内储水水位高度达到爆管液位风险值；
判断相邻储排水分区B的外部道路平均水压是否小于阈值S1，若小于阈值S1，则储排水分区B的外部道路的道路排水管网排水正常，打开储排水分区A和储排水分区B之间的防火门，将储排水分区A内储水引入储排水分区B，并通过水泵将储排水分区B内储水抽排至道路排水管网；
若相邻储排水分区B的外部道路平均水压大于阈值S1，则继续向更远处储排水分区搜索，直到找到外部道路的道路排水管网排水正常的储排水分区，地下管廊内储水引入道路排水管网排水正常的储排水分区，道路排水管网排水正常的储排水分区内储水通过水泵抽排至道路排水管网，直到所有储排水分区储水水位低于无储水参考阈值E。
2.如权利要求1所述的一种地下管廊应急防汛系统，其特征在于，使用所述地下管廊应急防汛系统进行应急防汛还包括局部排水策略：
若储排水分区A的外部道路平均水压小于阈值S1，且储排水分区A内某个区单元Ai的外部道路水压超出平均水压达到阈值S2，则判断该区单元Ai与其相邻的两个区单元Ai-1和Ai+1外部道路水压变化情况；
若一段时间内区单元Ai外部道路水压持续增大，且相邻的两个区单元Ai-1和Ai+1外部道路水压未变化，则判断区单元Ai外部道路发生水患，打开区单元Ai的井盖，将区单元Ai外部道路积水引入区单元Ai的地下管廊，打开储排水分区A内的防火门，将区单元Ai的内部储水引入其他区单元，并通过水泵将引入其他区单元的储水抽排至其他区单元的道路排水管网；
若一段时间内区单元Ai外部道路水压持续增大，且相邻的两个区单元Ai-1和Ai+1外部道路水压随之增大，当储排水分区A的外部道路平均水压大于阈值S1时，触发执行全局排水策略。
3.如权利要求1所述的一种地下管廊应急防汛系统，其特征在于，所述储排水分区包括五个区单元，所述区单元长度设为200米。
4.如权利要求1所述的一种地下管廊应急防汛系统，其特征在于，所述阈值S1设为1960Pa；所述爆管液位风险值设为20厘米。
5.如权利要求1所述的一种地下管廊应急防汛系统，其特征在于，所述控制器设为PLC控制板。
6.如权利要求5所述的一种地下管廊应急防汛系统，其特征在于，所述水压传感器和水位传感器以有线或无线的传输方式连接至PLC控制板。
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