城市涵洞水位检测警示仪设计

摘要：针对现有城市涵洞因排水不畅而快速积水，水位标尺无法起到有效预警而导致车辆抛锚，甚至发生人员伤亡的问题。设计一款新型的水位监测警示仪产品，从分析现状、产品工作原理、关键技术、外观造型、图形显示以及样机实验等方面展开叙述，给出具体的产品设计方案，为城市涵洞积水问题的有效解决提供有益参考。

关键词：产品设计 水位检测 城市涵洞 界面设计

中国分类号：TG802

文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2015）03-0028-02

城市涵洞水位检测警示仪是一款用来检测涵洞积水情况后作出有效信息提示，及时告知驶入涵洞的驾驶者的产品。通过网络资料检索，水位检测技术主要应用在江河湖泊、水井、水塔及蓄水池等地方。其中，李志刚提出了―种面向城市涵洞水位检测系统，对涵洞水位信息进行采集、传输报警等处理，实现水位监测的实时性和自动化。刘文亮提出了针对城市排水系统问题，利用无线传感网络和超声水位传感器的技术提出了系统的解决方案。传统的水位尺仅仅通过阿拉伯数字显示水位信息，有的甚至在涵洞墙上直接标写水位数字，存在许多问题。而针对现有的城市涵洞积水问题，还没有―款可以陕速检测水位、集声音、灯光和图像的直观而有效的水位检测警示产品。

文中通过分析城市涵洞现状、汽车底盘数据信息、现有产品和驾驶者心理等问题，提出产品的设计要求，应用关键技术，并从产品的功能、结构、外观、界面设计制作样机与实验测试等方面进行详细叙述。为城市涵洞积水问题提出―种有效的解决方案，避免驾驶者的经济损失和人员伤亡。

1 问题分析

1.1 城市涵洞现状

涵洞是指在公路工程建设中，为了使公路顺利通过水渠不妨碍交通，修筑于路面以下的排水孔道。文中论述的涵洞是指位于城市桥梁、道路下方，采用钢筋混凝土材料经浇筑或砌筑而成的构筑物，用于人、车通行的通道。城市涵洞一般具有以下几个问题：（1）照明条件差：由于处在桥梁和道路下方，自然光难以进入，甚至有人工照明也难以查明道路情况，需要借助机动车灯光照明；（2）排水系统差：涵洞地势相对较低，下水道排水量设计小等原因，往往在台风、强降雨等突发性极端天气时造成涵洞排水系统瘫痪，导致涵洞被水淹没；（3）通过性较差：由于涵洞宽度相对有限，导致行驶受限，雨天行驶比普通道路更容易堵车形成排长龙现象，甚至发生车辆故障或事故；因此，雨天地势较低的城市涵洞往往水中含有大量砂石和垃圾，极易导致下水道堵塞，形成涵洞积水，驾驶者难以识别浑浊积水的道路情况而导致车辆故障或熄火。

1.2 现有产品分析

目前的水位检测技术主要有浮子式水位检测技术、电容式水位检测技术、压力式水位检测技术、超声波式水位检测技术和气泡式水位检测技术等。这些水位检测技术主要应用在排水、水文采集、灌溉、河道、太阳能热水器等方面，而针对城市涵洞积水开发的相关产品还尚未出现，传统的水位尺因显示方式单一，安装位置不佳等，存在许多问题：

（1）提示方式单一：通过数字标示水位，往往无法正确有效地传达给驾驶者，需要从灯光、声音、图像等进行综合提示，才能发挥最大的警示效果；

（2）安装位置不佳：水位尺一般位于涵洞入口侧面墙上，驾驶者因观察角度不佳和位置太远无法识别水位尺上的信息情况，驾驶者容易盲目行驶造成危险；

因此，应用合适的水位检测技术，并结合城市涵洞的特点，设计一种有效的水位提示产品非常必要。

1.3 驾驶者心理分析

在驾驶过程中，当人、车、路三个因素失去平衡或存在不安全因素时，就可能发生交通事故，而三个因素中最不稳定的因素是人。安全驾驶往往与人的心理状态相关。主要影响安全驾驶的心理有：

（1）麻痹心理：由于驾驶员具有一定的驾驶经验和技能后，往往容易产生麻痹心理，对城市积水涵洞的安全隐患存在侥幸心理，容易忽视细节而盲目行驶。

（2）紧张心理：当驾驶员进入城市积水的涵洞，遇到熄火等突况时，往往容易产生紧张情绪，紧张心理易造成操作不当，从而影响安全行车。

（3）刺激心理：在平时生活、工作中受到伤害、损失、刺激或发生矛盾时，心理会产生焦虑、郁闷甚至赌气和报复心态，从而危险驾驶引发事故。

1.4 汽车底盘信息

通过网络和实地调查，搜集了大量机动车地盘高度信息。一般汽车底盘离地间隙数据：轿车一般在112～200mm，城市suv一般在180～220mm，客车一般在180～290mm，货车一般在180～300mm，矿用自卸汽车一般大于320mm，越野汽车一般在260～370mm，经过数据分析归类，归纳以下三类主要车辆的数据作为设计参考。具体见下表1。

2 设计实例

2.1 设计要求

城市涵洞常处于交通要道，交通流量大，环境情况复杂，在这种特殊环境中的产品需要具备防水、防尘、结构牢固、性能稳定、易维修安装等特点。具体有以下要求：

（1）防水防尘要求：城市涵洞往往处在地势较低位置，大雨天气雨水容易倒灌形成积水，因此产品设计要有较高的密封性；同时涵洞处交通流量非常大，尘土和垃圾多极易堆积，对产品的防水防尘要求比较高。

（2）性能稳定要求：选用适合涵洞水质条件下的检测技术，采用稳定的电源供电，保证产品能长期稳定地工作。

（3）安装与维护要求：由于处在交通复杂路段，产品设计时需要考虑产品的安装和维护，尽量简化结构，采用可多次拆卸固定方式。

（4）材料工艺要求：采用易成型、强度高、不易生锈的金属材料，使产品具有一定强度而不易损坏。

2.2 关键技术分析

（1）水位检测技术

水位检测技术采用水压力传感器，工作原理是被测水压的压力直接作用于传感器的膜片上，使膜片产生与水压成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，用电子线路检测这一变化，并转换输出一个相对应压力的标准测量信号。水位测量可以通过一个直观的计算公式表达，将实际水位值直接计算得出：

H=ADC_res/3L+G

式中：ADC_res-水位测量后转换的信号值

H――测量的水位值，mm；

3L――3倍的涵洞实际水位值，mm；

G――压力传感器的高度值，mm；为了消除传感器高度带来的误差，这个数值可以根据安装条件的不同做相应的调试。

（2）信息处理技术

信息处理技术主要由单片机STC12C5A6052-351-LQFP48G完成，单片机由运算器、控制器、存储器和输入输出设备构成。通过设定水位检测的对应程序，单片机对程序进行读取、运算，将结果通过无线模块发送出去。

（3）无线传输技术

无线传输技术采用2.4G无线模块，它的距离可以稳定传输十几米，在检测模块和显示模块内分别置入2.4G无线模块，检测模块内的水位处理信息经过单片机处理后，通过2.4G无线发射模块传送至一定距离内的显示模块中的2.4G无线接受模块，完成水位信息的发射和传送功能。

（4）显示技术

显示技术采用LED显示屏，由一个个小的LED模块面板组成。通过显示模块内的单片机STC12C5A6052-351-LQFP48G，将接收到的水位信息按照程序的设定，将图标和数值显示在LED显示屏上，完成信息的显示。各种技术的电子元器件见图1。

2.3 产品工作原理

城市涵洞水位检测仪包括检测模块和显示模块两个部分。检测模块位于涵洞侧边最低处，当涵洞开始形成积水时，通过水位传感器感知水位上涨信息，同时处理器开始将水位信息通过无线发射模块发送至显示模块内的无线接受模块，经过处理器将水位信息显示在LED显示屏上，显示时根据水位高度的变化进行图形、色彩和报警声的综合提示，为涵洞过往的车辆提供参考。工作原理如图2。

2.4 产品造型设计

根据前期的问题分析、设计要求及工作原理，通过RHINO软件为平台，对城市涵洞水位检测仪进行三维造型设计，在设计过程中综合考虑形态、结构、工艺、人机界面、灯光信息等条件，进行整体形态的模型创建，后续通过Keyshot软件模拟金属喷漆效果材质进行渲染，采用深灰和浅白两种中性色彩，模拟仿真的视觉效果，为后续样机制作提供参考。

具体从功能、结构、造型、色彩等方面进行具体的产品设计；（1）功能上：产品分两大模块：检测模块位于涵洞内地势较低处用于检测水位信息，并作为信息发送端。内置水压传感器、处理器、无线发射模块、电池模块等部件；显示模块位于涵洞入口处用于接收和显示水位信息，提示车辆进入涵洞前了解涵洞内的积水情况。包括LED显示屏、处理器、无线接收模块、电源模块等；（2）结构上：产品各零件结合处采用卡槽设计用螺钉固定，方便安装和平时的维护，内部电子元器件部分进行统一壳体密封设计；（3）造型上：采用包裹形式设计整体造型简洁大气，细节圆角设计降低产品生硬感觉；（4）色彩上：采用中性深灰和浅白色搭配设计进而凸显信息重要性；整体效果如图3。

2.5 显示设计

检测模块在获取水位信息后传送至涵洞入口处显示模块的LED显示屏上，不同的水位信息通过灯光颜色和图形来区分。（1）水位未到达150mm时，灯光为绿色，提示安全行驶；（2）水位到达150mm时，灯光为橙色，数字图标交替显示禁止轿车通行；（3）水位到达200mm时，灯光为红色，数字图标交替显示禁止城市suv通行；（4）水位到达320mm时，灯光为深红色，数字图标交替显示禁止大型货车通行，并启动报警声；通过以上四种警示模式，有效提醒驾驶者雨后驶入涵洞安全驾驶。四种警示模式如图4。

2.6 样机制作与测试

制作产品样机是为了有效检验产品外观和结构装配的合理性，在完成数字模型创建后，将数据发送至手板厂进行手板制作，并同时展开电子电路的编程设计与制作。后期将内部元器件装配至手板模型中进行功能测试。将检测模块置于透明水箱中，并持续往水箱内灌水，根据设定的不同水位值检查显示模块是否显示出三种不同颜色灯光的图形警示信息，测试结果达到预期效果。测试实验如图5。

3 结论

通过分析现有城市涵洞、传统水位尺和驾驶者的心理，提出了各自存在的问题。在此基础上提出了产品设计的具体要求，并分析了产品涉及的关键技术和工作原理。从产品的功能、造型、结构、色彩、信息显示和样机制作与测试实验等方面展开详细叙述。为雨后城市涵洞积水问题的有效解决，提供了一种有益参考。