CN117541452B - 一种应用于公路稳定排水的数据智能分析系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及给排水技术领域，具体为一种应用于公路稳定排水的数据智能分析系统及方法，包括：环境评估模块、排水渠模块、边沟挡水模块、水量拟合模块和流量控制模块，环境评估模块用于预测未来的降水情况，排水渠模块用于指定每段边沟的排水渠，水量拟合模块用于各边沟的排水流量数据，边沟挡水模块用于改变边沟的横截面面积，抬高沟内水位，流量控制模块用于根据排水数据，对挡板进行动态调节，本发明能够根据汇流原理，计算排水沟的排水流量，并在边沟内安装排水挡板，以调节每段边沟的排水速度，使排水渠时刻以满容量最大速度进行排水，增强了边沟排水系统的排水能力和环境适应能力。
Description
技术领域
本发明涉及给排水技术领域，具体为一种应用于公路稳定排水的数据智能分析系统及方法。
背景技术
随着我国高速公路里程的增长，高速道路排水也逐渐被人们重视起来，特别是沿海地区海拔较低，地下水位高，高速公路排水不畅会影响路基稳定性。一个完整的道路排水系统包括路面积水排除和路基下渗水位控制两部分，一般采用边坡水沟来进行道路排水，将路面与路基中的积水排入沟内，再从上游到下游汇流到排水渠进行排水，一般来说，边沟内水位越高，排水速度越快。
传统排水边沟的深度与横截面积都是固定的，属于被动排水装置，在沿程水量不断变多的情况下，不能根据环境情况进行自我调节，由于降水量在不同时间点并不均衡，如果未能及时排出沟内积水，就很容易使雨水渗透进路基中，不仅影响车辆行驶，也会对路基造成破坏。
此外，沿海地带河流沟渠众多，在不同时节各地水文条件变化很大，每段边沟内的水位难以统计，而高速公路的边沟很多，且不同路段内边沟的规格参差不齐，从而使工作人员很难获取沟内水流数据，只能依靠经验进行估算并选择合适的排水渠。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于公路稳定排水的数据智能分析系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种应用于公路稳定排水的数据智能分析系统，包括：环境评估模块、排水渠模块、水量拟合模块、边沟挡水模块和流量控制模块；
所述环境评估模块用于从气象部门和水务部门获取气象数据和水文数据，预测未来的降水情况与各排水点的排水条件；
所述排水渠模块用于根据排水渠的落差和摩擦系数计算在此处排水渠进行排水时，排水渠的最大水流流速，进一步计算出排水渠的最大边沟承载数量，自动指定每段边沟的排水点；
所述水量拟合模块用于在降水过程中，实时检测排水渠内水流的流速，根据汇流原理，得到路段内各边沟的排水数据，进一步根据降水情况，计算每段边沟的当前流量与当前水位；
所述边沟挡水模块用于通过安装在边沟内的挡板，在边沟内水量一定的情况下，改变边沟的横截面面积，调节沟内水位，从而通过沟内水位与流速间的正相关关系，调节排水速度；
所述流量控制模块用于根据所述水量拟合模块得到的排水数据，计算挡板的缩进量，根据计算出的缩进量，将数据上传到所述边沟挡水模块，从而进行水位与流速的调节，并检测水流溢出沟渠的情况，对挡板进行动态调节。
进一步的，所述环境评估模块包括：气象数据单元、水文数据单元和环境预测单元；
所述气象数据单元用于获取气象部门发布的历史气象数据；
所述水文数据单元用于获取水务部门发布的各排水点处河流水位数据；
所述环境预测单元用于预测未来的降水情况并计算各排水点的最大允许流量。
进一步的，所述排水渠模块包括：水流测速单元和汇流计算单元；
所述水流测速单元用于通过排水渠的流速传感器，计算排水渠段水渠的水流流速；
所述汇流计算单元用于根据汇入排水渠的各段水渠的落差与长度，计算每段沟渠内的平均水位。
进一步的，所述水量拟合模块包括：函数拟合单元和流量计算单元；
所述函数拟合单元用于将未来降水数据与当前排水数据叠加计算，得到未来时间段的排水数据，结合排水渠的最大允许水量，拟合出当前边沟的流量调节函数；
所述流量计算单元用于根据流量调节函数，计算出边沟横截面积的调节函数，进一步得到沟边挡板的伸缩量。
进一步的，所述边沟挡水模块包括：挡水板单元和连接杆单元；
所述挡水板单元指在每段边沟远离道路的一侧纵向安装的长方形片状挡水板，所述挡水板由不透水的硬性材料制成，底边与边沟底部紧密贴合，高度与边沟高度相同；
所述连接杆单元一端连接在边沟远离道路的一侧内壁上，一端连接在挡水板背面，所述连接杆拥有伸缩功能，能够调节挡水板在边沟内的位置，从而调节边沟的横截面积。
进一步的，所述流量控制单元包括：数据统合单元、溢出检测单元和挡板控制单元；
所述数据统合单元用于汇总其他模块计算出的数据，建立各段边沟的排水模型，将所述排水模型上传给用户；
所述溢出检测单元用于将实际流量与预计流量进行对比，检测沟渠是否存在溢出情况；
所述挡板控制单元用于根据边沟横截面积的调节函数，调节连接杆的伸缩长度，使边沟的排水情况与排水模型相符。
一种应用于公路稳定排水的数据智能分析方法，包括以下步骤：
S100.根据气象部门发布的数据，获取高速公路沿线的气象数据，得到未来降水量的预测函数；
S200.根据未来降水量的预测函数与高速公路的道路特征，拟合出位于公路路基下各段边沟的预计流量；
S300.获取排水渠处河流的水文信息，根据河流的水位高度与排水渠的深度，计算排水渠的最大排水能力，进一步得到排水渠在正常排水情况下，能够承载边沟的数量，并将超出排水渠排水能力的边沟水流导入蓄水池，从其他排水渠排水；
S400.降水时，水流由上游边沟逐步汇流，最后在排水渠处排水，在排水渠处检测水流的实际流速，根据汇流原理，计算各段边沟的流量大小；
S500.在边沟内安装挡板，所述挡板连接有伸缩杆，根据边沟流量与排水渠的最大排水速度，计算挡板的伸缩量，通过控制边沟内的挡板的伸缩，对每段边沟内的水流流速进行调节，使水流流速达到排水口最大流速。
进一步的，在步骤S100中，根据气象部门发布的数据，获取h小时内高速公路沿线未来的降水量随时间的预测函数F(t)，所述h为函数F（t）的定义域；
进一步的，步骤S200包括：
步骤S201.获取道路特征，所述特征包括：路面宽度、边沟长度、路基的体积和路基材料吸水率；
步骤S202.按以下公式计算每段边沟承接降水量的预测函数：
其中，L为路面宽度，S为边沟长度，M为路基的体积，r为路基材料吸水率。
本发明能够根据历史降水数据、水文数据与边沟特征，估算路基内水位高度与未来排水流量，将每一段道路的排水数据数字化，解决了传统边沟排水系统适应能力弱，无法与环境相适应的问题。
进一步的，步骤S300包括：
步骤S301.获取水利部门发布的水位信息，得到排水渠处河流的绝对水位W1，该排水渠的绝对深度记为W2；
步骤S302.将排水渠的长度记为Z，使用Toro流速公式计算排水渠在满容量情况下的最大水流流速V0：
所述k为摩擦系数，由排水渠的内壁材料确定，k为常数且k>0；
步骤S303.把排水渠的宽度记为D1，计算该排水渠的最大排水量P：
将排水渠上游的边沟进行编号，最靠近排水渠的边沟的编号为1，上游边沟的编号依次加1，得到一个边沟序列；
步骤S304.设该排水渠能够承受n段边沟的流量，根据排水渠的最大排水能力，列出以下不等式：
其中，i代表边沟的编号，代表边沟i承接降水量的预测函数，A代表从其他排水渠分流来的流量，所述A≤P，N为整数，且N≥0；
解上述不等式，得到N的最大值，将该最大值记为排水渠对边沟的最大承载数量n；
步骤S305.将排水渠上游n段边沟标记为汇流边沟，指定从该排水渠处排水，控制挡板，把上游其余边沟的流量导入公共蓄水池，从其他排水渠处排水。
本发明可以根据数据计算排水速度，自动为每一段边沟指定排水渠，并结合地方水系形成综合排水系统，在充分满足公路路面排水能力的前提下，通过水文计算，优化排水设施。
进一步的，步骤S400包括：
步骤S401.降雨时，按步骤S300确定的分配方式，所有汇流边沟的流量逐步汇聚到排水渠处，进行排水，通过排水渠内的流速传感器，获取排水渠内水流的实际流速V，所述V≤V0；
步骤S402.由汇流原理，计算每段边沟的流量，可列出如下方程组：
其中，Xi为单位时间内边沟i的流量，V为排水渠内水流的实际流速，Y代表单位时间内每段边沟实际承接的雨量，所述i={1,2,…,n-1}，Xn=Y；
解上述方程组，得到Y与所有Xi的值。
本发明能够根据排水渠的水流数据反推各段水渠的流量数据，节省了排水系统的人力投入，同时调节排水渠的汇流高度，避免排水沟满溢对路基的破坏，还可以结合地方水系形成综合排水系统，在充分满足公路路面排水能力的前提下，通过水文计算，优化排水设施。
进一步的，步骤S500包括：
步骤S501.根据步骤S400中得到的每段边沟内的流量，计算每段边沟内的水量Gi:
其中，Si为边沟i的长度，Xi为边沟i的流量，V0为排水渠的最大水流流速，上述参数均大于0；
步骤S502.借助切比雪夫方程，计算挡板伸缩量R，使排水口流速达到最大流速：
其中，H为水位高度，B为边沟的宽度，g为重力加速度，所述R＜B；
解上述方程组，得到水位高度H与挡板伸缩量R的值；
当水位高度H超过边沟的深度H0时，令H=H0，代入上式，得到新的挡板伸缩量R；
所述切比雪夫方程用于计算边沟中水位高度、沟底宽度与流速之间的关系；
步骤S503.调节连接杆的伸缩长度，控制挡板按步骤S502计算出的伸缩量进行伸缩，使边沟内水流流速达到排水口最大流速。
本发明在边沟内安装排水挡板，以调节每段边沟的排水速度，能够使排水渠时刻以满容量最大速度进行排水，增强了边沟排水系统的排水能力。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
1.本发明能够根据历史降水数据、水文数据与边沟特征，估算路基内水位高度与未来排水流量，将每一段道路的排水数据数字化，并根据数据计算排水速度，自动为每一段边沟指定排水渠，解决了传统边沟排水系统适应能力弱，无法与环境相适应的问题，提高了排水系统在暴雨天气下的适应能力和调节能力，提高了高速公路的安全性与稳定性，在沿海地区河流沟渠众多，同时虾池、盐池较多的情况下，形成综合排水设计方案，能够结合地方水系形成综合排水系统，确保路基的稳定。
2.本发明能够根据汇流原理，计算每一段排水沟在不同时段的排水量，并在边沟内安装排水挡板，以调节每段边沟的排水速度，使排水渠时刻以满容量最大速度进行排水，且水不溢出边沟，增强了边沟排水系统的排水能力，实际操作中，可以结合理论计算与实际调研成果，优化设计方案，形成系统性、完整性的一套设计方案，提升高速公路维护部门在降本增效设计方面的技术能力。
3.本发明能够根据排水渠的水流数据反推各段水渠的流量数据，节省了排水系统的人力投入，同时调节排水渠的汇流高度，避免排水沟满溢对路基的破坏，还可以结合地方水系形成综合排水系统，在充分满足公路路面排水能力的前提下，通过水文计算，优化排水设施。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明一种应用于公路稳定排水的数据智能分析系统的结构示意图；
图2是本发明一种应用于公路稳定排水的数据智能分析方法的步骤示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供技术方案：一种应用于公路稳定排水的数据智能分析系统，包括：环境评估模块、排水渠模块、边沟挡水模块、水量拟合模块和流量控制模块；
所述环境评估模块用于从气象部门和水务部门获取气象数据和水文数据，预测未来的降水情况与各排水点的排水条件；
所述环境评估模块包括：气象数据单元、水文数据单元和环境预测单元；
所述气象数据单元用于获取气象部门发布的历史气象数据；
所述水文数据单元用于获取水务部门发布的各排水点处河流水位数据；
所述环境预测单元用于预测未来的降水情况并计算各排水点的最大允许流量。
所述排水渠模块用于根据排水渠的落差和摩擦系数计算在此处排水渠进行排水时，排水渠的最大水流流速，进一步计算出排水渠的最大边沟承载数量，自动指定每段边沟的排水点；
所述排水渠模块包括：水流测速单元和汇流计算单元；
所述水流测速单元用于通过排水渠的流速传感器，计算排水渠段水渠的水流流速；
所述汇流计算单元用于根据汇入排水渠的各段水渠的落差与长度，计算每段沟渠内的平均水位。
所述水量拟合模块用于在降水过程中，实时检测排水渠内水流的流速，根据汇流原理，得到路段内各边沟的排水数据，进一步根据降水情况，计算每段边沟的当前流量与当前水位；
所述水量拟合模块包括：函数拟合单元和流量计算单元；
所述函数拟合单元用于将未来降水数据与当前排水数据叠加计算，得到未来时间段的排水数据，结合排水渠的最大允许水量，拟合出当前边沟的流量调节函数；
所述流量计算单元用于根据流量调节函数，计算出边沟横截面积的调节函数，进一步得到沟边挡板的伸缩量。
所述边沟挡水模块用于通过安装在边沟内的挡板，在边沟内水量一定的情况下，改变边沟的横截面面积，调节沟内水位，从而通过沟内水位与流速间的正相关关系，调节排水速度；
所述边沟挡水模块包括：挡水板单元和连接杆单元；
所述挡水板单元指在每段边沟远离道路的一侧纵向安装的长方形片状挡水板，所述挡水板由不透水的硬性材料制成，底边与边沟底部紧密贴合，高度与边沟高度相同；
所述连接杆单元一端连接在边沟远离道路的一侧内壁上，一端连接在挡水板背面，所述连接杆拥有伸缩功能，能够调节挡水板在边沟内的位置，从而调节边沟的横截面积。
所述流量控制模块用于根据所述水量拟合模块得到的排水数据，计算挡板的缩进量，根据计算出的缩进量，将数据上传到所述边沟挡水模块，从而进行水位与流速的调节，并检测水流溢出沟渠的情况，对挡板进行动态调节。
所述流量控制单元包括：数据统合单元、溢出检测单元和挡板控制单元；
所述数据统合单元用于汇总其他模块计算出的数据，建立各段边沟的排水模型，将所述排水模型上传给用户；
所述溢出检测单元用于将实际流量与预计流量进行对比，检测沟渠是否存在溢出情况；
所述挡板控制单元用于根据边沟横截面积的调节函数，调节连接杆的伸缩长度，使边沟的排水情况与排水模型相符。
如图2所示，一种应用于公路稳定排水的数据智能分析方法，包括以下步骤：
S100.根据气象部门发布的数据，获取高速公路沿线的气象数据，得到未来降水量的预测函数；
在步骤S100中，根据气象部门发布的数据，获取h小时内高速公路沿线未来的降水量随时间的预测函数F(t)，所述h为函数F（t）的定义域；
S200.根据未来降水量的预测函数与高速公路的道路特征，拟合出位于公路路基下各段边沟的预计流量；
步骤S200包括：
步骤S201.获取道路特征，所述特征包括：路面宽度、边沟长度、路基的体积和路基材料吸水率；
步骤S202.按以下公式计算每段边沟承接降水量的预测函数：
其中，L为路面宽度，S为边沟长度，M为路基的体积，r为路基材料吸水率。
S300.获取排水渠处河流的水文信息，根据河流的水位高度与排水渠的深度，计算排水渠的最大排水能力，进一步得到排水渠在正常排水情况下，能够承载边沟的数量，并将超出排水渠排水能力的边沟水流导入蓄水池，从其他排水渠排水；
步骤S300包括：
步骤S301.获取水利部门发布的水位信息，得到排水渠处河流的绝对水位W1，该排水渠的绝对深度记为W2；
步骤S302.将排水渠的长度记为L，使用Toro流速公式计算排水渠在满容量情况下的最大水流流速V0：
所述k为摩擦系数，由排水渠的内壁材料确定，k为常数且k>0；
步骤S303.把排水渠的宽度记为D1，计算该排水渠的最大排水量P：
将排水渠上游的边沟进行编号，最靠近排水渠的边沟的编号为1，上游边沟的编号依次加1，得到一个边沟序列；
步骤S304.设该排水渠能够承受n段边沟的流量，根据排水渠的最大排水能力，列出以下不等式：
其中，i代表边沟的编号，代表边沟i承接降水量的预测函数，A代表从其他排水渠分流来的流量，所述A≤P，N为整数，且N≥0；
解上述不等式，得到N的最大值，将该最大值记为排水渠对边沟的最大承载数量n；
步骤S305.将排水渠上游n段边沟标记为汇流边沟，指定从该排水渠处排水，控制挡板，把上游其余边沟的流量导入公共蓄水池，从其他排水渠处排水。
S400.降水时，水流由上游边沟逐步汇流，最后在排水渠处排水，在排水渠处检测水流的实际流速，根据汇流原理，计算各段边沟的流量大小；
步骤S400包括：
步骤S401.降雨时，按步骤S300确定的分配方式，所有汇流边沟的流量逐步汇聚到排水渠处，进行排水，通过排水渠内的流速传感器，获取排水渠内水流的实际流速V，所述V≤V0；
步骤S402.由汇流原理，计算每段边沟的流量，可列出如下方程组：
其中，Xi为单位时间内边沟i的流量，V为排水渠内水流的实际流速，Y代表单位时间内每段边沟实际承接的雨量，所述i={1,2,…,n-1}，Xn=Y；
解上述方程组，得到Y与所有Xi的值。
S500.在边沟内安装挡板，所述挡板连接有伸缩杆，根据边沟流量与排水渠的最大排水速度，计算挡板的伸缩量，通过控制边沟内的挡板的伸缩，对每段边沟内的水流流速进行调节，使水流流速达到排水口最大流速。
步骤S500包括：
步骤S501.根据步骤S400中得到的每段边沟内的流量，计算每段边沟内的水量Gi:
其中，Si为边沟i的长度，Xi为边沟i的流量，V0为排水渠的最大水流流速，上述参数均大于0；
步骤S502.借助切比雪夫方程，计算挡板伸缩量R，使排水口流速达到最大流速：
其中，H为水位高度，B为边沟的宽度，g为重力加速度，所述R＜B；
解上述方程组，得到水位高度H与挡板伸缩量R的值；
当水位高度H超过边沟的深度H0时，令H=H0，代入上式，得到新的挡板伸缩量R；
所述切比雪夫方程用于计算边沟中水位高度、沟底宽度与流速之间的关系；
步骤S503.调节连接杆的伸缩长度，控制挡板按步骤S502计算出的伸缩量进行伸缩，使边沟内水流流速达到排水口最大流速。
实施例：
一条高速公路上共有7段排水边沟，每段边沟对应的公路长100m，宽20m，获取高速公路沿线的气象数据，得到未来降水量的预测函数F（t），计算每段边沟在未来10分钟内的承接雨量函数Q（t）；
获取水文数据，得到排水渠处河流的绝对水位W1=10m，该排水渠的绝对深度W2=20m，排水渠长度为10m，宽度为1m，摩擦系数K=0.5 m/min，则排水渠最大流速V0=5 m2/min，10分钟内最大流量P==500m2，根据雨量函数Q（t）计算出的未来10分钟内雨量为700m2，则只选取排水渠上游5段排水沟进行排水，其余2段排水沟导入公共蓄水池，从其他排水渠排水；
降雨时测量排水渠的实际流速V=3m2/min，对边沟进行编号，计算每段边沟的流量，分别为X5=1m2，X4=2m2，X3=4m2，X2=8m2，X1=16m2，以第4段边沟为例，得到其中水流Gi=40m2，再代入切比雪夫方程，计算挡板伸缩量R=0.36m，则控制挡板向外伸缩0.36m，其他边沟也同样处理，将排水渠的水流流速提高到V0。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种应用于公路稳定排水的数据智能分析方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S100.根据气象部门发布的数据，获取高速公路沿线的气象数据，得到未来降水量的预测函数；
S200.根据未来降水量的预测函数与高速公路的道路特征，拟合出位于公路路基下各段边沟的预计流量；
S300.获取排水渠处河流的水文信息，根据河流的水位高度与排水渠的深度，计算排水渠的最大排水能力，进一步得到排水渠在正常排水情况下，能够承载边沟的数量，并将超出排水渠排水能力的边沟水流导入蓄水池，从其他排水渠排水；
S400.降水时，水流由上游边沟逐步汇流，最后在排水渠处排水，在排水渠处检测水流的实际流速，根据汇流原理，计算各段边沟的流量大小；
S500.在边沟内安装挡板，所述挡板连接有伸缩杆，根据边沟流量与排水渠的最大排水速度，计算挡板的伸缩量，通过控制边沟内的挡板的伸缩，对每段边沟内的水流流速进行调节，使水流流速达到排水口最大流速；
在步骤S100中，根据气象部门发布的数据，获取h小时内高速公路沿线未来的降水量随时间的预测函数F(t)，所述h为函数F（t）的定义域；
步骤S200包括：
步骤S201.获取道路特征，所述特征包括：路面宽度、边沟长度、路基的体积和路基材料吸水率；
步骤S202.按以下公式计算每段边沟承接降水量的预测函数：
；
其中，L为路面宽度，S为边沟长度，M为路基的体积，r为路基材料吸水率；
步骤S300包括：
步骤S301.获取水利部门发布的水位信息，得到排水渠处河流的水位W1，该排水渠的深度记为W2；
步骤S302.将排水渠的长度记为Z，使用Toro流速公式计算排水渠在满容量情况下的最大水流流速V0：
；
所述k为摩擦系数，由排水渠的内壁材料确定，k为常数且k>0；
步骤S303.把排水渠的宽度记为D1，计算该排水渠的最大排水量P：
；
将排水渠上游的边沟进行编号，最靠近排水渠的边沟的编号为1，上游边沟的编号依次加1，得到一个边沟序列；
步骤S304.设该排水渠能够承受n段边沟的流量，根据排水渠的最大排水能力，列出以下不等式：
；
其中，i代表边沟的编号，代表边沟i承接降水量的预测函数，A代表从其他排水渠分流来的流量，所述A≤P，N为整数，且N≥0；
解上述不等式，得到N的最大值，将该最大值记为排水渠对边沟的最大承载数量n；
步骤S305.将排水渠上游n段边沟标记为汇流边沟，指定从该排水渠处排水，控制挡板，把上游其余边沟的流量导入公共蓄水池，从其他排水渠处排水；
步骤S400包括：
步骤S401.降雨时，按步骤S300确定的分配方式，所有汇流边沟的流量逐步汇聚到排水渠处，进行排水，通过排水渠内的流速传感器，获取排水渠内水流的实际流速V，所述V≤V0；
步骤S402.由汇流原理，计算每段边沟的流量，列出如下方程组：
；
其中，Xi为单位时间内边沟i的流量，V为排水渠内水流的实际流速，Y代表单位时间内每段边沟实际承接的雨量，所述i={1,2,…,n-1}，Xn=Y；
解上述方程组，得到Y与所有Xi的值；
步骤S500包括：
步骤S501.根据步骤S400中得到的每段边沟内的流量，计算每段边沟内的水量Gi:
；
其中，Si为边沟i的长度，Xi为单位时间内边沟i的流量，V0为排水渠在满容量情况下的最大水流流速，上述参数均大于0；
步骤S502.借助切比雪夫方程，计算边沟内挡板的伸缩量R，使排水口流速达到最大流速，列出如下方程组：
；
其中，H为水位高度，B为边沟的宽度，g为重力加速度，所述R＜B；
解上述方程组，得到水位高度H与挡板伸缩量R的值；
当水位高度H超过边沟的深度H0时，令H=H0，代入上式，得到新的挡板伸缩量R；
步骤S503.调节连接杆的伸缩长度，控制挡板按步骤S502计算出的伸缩量进行伸缩，使边沟内水流流速达到排水口最大流速。
2.一种应用于公路稳定排水的数据智能分析系统，所述系统执行权利要求1中所述的一种应用于公路稳定排水的数据智能分析方法，其特征在于，所述系统包括以下模块：
环境评估模块、排水渠模块、水量拟合模块、边沟挡水模块和流量控制模块；
所述环境评估模块用于从气象部门和水务部门获取气象数据和水文数据，预测未来的降水情况与各排水点的排水条件；
所述排水渠模块用于根据排水渠的落差和摩擦系数计算在此处排水渠进行排水时，排水渠的最大水流流速，进一步计算出排水渠的最大边沟承载数量，自动指定每段边沟的排水点；
所述水量拟合模块用于在降水过程中，实时检测排水渠内水流的流速，根据汇流原理，得到路段内各边沟的排水数据，进一步根据降水情况，计算每段边沟的当前流量与当前水位；
所述边沟挡水模块用于通过安装在边沟内的挡板，在边沟内水量一定的情况下，改变边沟的横截面面积，调节沟内水位，从而通过沟内水位与流速间的正相关关系，调节排水速度；
所述流量控制模块用于根据所述水量拟合模块得到的排水数据，计算挡板的缩进量，根据计算出的缩进量，将数据上传到所述边沟挡水模块，从而进行水位与流速的调节，并检测水流溢出沟渠的情况，对挡板进行动态调节。
3.根据权利要求2所述的一种应用于公路稳定排水的数据智能分析系统，其特征在于：所述环境评估模块包括：气象数据单元、水文数据单元和环境预测单元；
所述气象数据单元用于获取气象部门发布的历史气象数据；
所述水文数据单元用于获取水务部门发布的各排水点处河流水位数据；
所述环境预测单元用于预测未来的降水情况并计算各排水点的最大允许流量。
4.根据权利要求2所述的一种应用于公路稳定排水的数据智能分析系统，其特征在于：
所述排水渠模块包括：水流测速单元和汇流计算单元；
所述水流测速单元用于通过排水渠的流速传感器，计算排水渠段水渠的水流流速；
所述汇流计算单元用于根据汇入排水渠的各段水渠的落差与长度，计算每段沟渠内的平均水位；
所述水量拟合模块包括：函数拟合单元和流量计算单元；
所述函数拟合单元用于将未来降水数据与当前排水数据叠加计算，得到未来时间段的排水数据，结合排水渠的最大允许水量，拟合出当前边沟的流量调节函数；
所述流量计算单元用于根据流量调节函数，计算出边沟横截面积的调节函数，进一步得到沟边挡板的伸缩量。
5.根据权利要求2所述的一种应用于公路稳定排水的数据智能分析系统，其特征在于：
所述边沟挡水模块包括：挡水板单元和连接杆单元；
所述挡水板单元指在每段边沟远离道路的一侧纵向安装的长方形片状挡水板，所述挡水板由不透水的硬性材料制成，底边与边沟底部紧密贴合，高度与边沟高度相同；
所述连接杆单元一端连接在边沟远离道路的一侧内壁上，一端连接在挡水板背面，所述连接杆拥有伸缩功能，能够调节挡水板在边沟内的位置，从而调节边沟的横截面积。
6.根据权利要求2所述的一种应用于公路稳定排水的数据智能分析系统，其特征在于：
所述流量控制单元包括：数据统合单元、溢出检测单元和挡板控制单元；
所述数据统合单元用于汇总其他模块计算出的数据，建立各段边沟的排水模型，将所述排水模型上传给用户；
所述溢出检测单元用于将实际流量与预计流量进行对比，检测沟渠是否存在溢出情况；
所述挡板控制单元用于根据边沟横截面积的调节函数，调节连接杆的伸缩长度，使边沟的排水情况与排水模型相符。
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| CN113469456A (zh) * | 2021-07-22 | 2021-10-01 | 浙江工业大学 | 一种河道水量预测方法 |
| CN115809562A (zh) * | 2022-12-15 | 2023-03-17 | 浙江省水利河口研究院(浙江省海洋规划设计研究院) | 一种确定小流域引水沟渠规模方案的方法 |
-
2024
- 2024-01-09 CN CN202410026987.8A patent/CN117541452B/zh active Active
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