城市隧道水位监测预警系统的研究

城市隧道水位监测预警系统的研究

陈璐寒

广州市市政工程设计研究总院有限公司

摘要：在城市交通建设中，隧道是解决交通拥堵的重要手段之一。然而，城市隧道在为交通带来便利的同时，也存在部分安全隐患。在日常运营过程中，暴雨、台风等极端气候极易导致城市隧道出现积水情况，一旦隧道内积水严重，将直接威胁到城市交通安全和人民生命财产安全。城市隧道水位监测预警系统是解决隧道积水安全隐患的重要技术手段之一，研究城市隧道水位监测预警系统，实现对城市隧道内水位的实时监测和预警，对于提高城市交通安全水平，促进城市可持续发展具有十分重要的意义。

关键词：城市隧道；水位监测；预警系统；框架

随着气候变化的加剧，近年来暴雨、台风等极端气候事件频繁发生，加大了城市隧道排水系统所承受的压力。面对短时间内大量降雨的情况，隧道排水系统难以快速排除积水，极易导致隧道出现内涝、设备损坏等问题，进而引发交通事故、交通拥堵等一系列安全问题。为此，本文对城市隧道水位监测预警系统进行研究，深入分析系统的结构和功能，旨在推动城市隧道水位监测预警系统的应用和发展。

一、概述水位监测技术及预警方法

（一）水位监测技术

城市隧道水位监测预警系统需要采集水位信息，传感器技术是实现水位信息采集的关键。目前，常见的水位监测技术包括悬浮式水位计、压力式水位计和超声波水位计等。悬浮式水位计通过悬浮物的上升和下降实现对水位高低的测量；压力式水位计则是利用液体静压力与液位高度之间的关系来测量水位高低；超声波水位计则是利用声波在空气与液体中传播速度的差异来计算液位高度。这些水位监测技术各有优劣，应根据实际应用场景选择合适的技术[1]。

（二）水位预警方法

预警方法一般包括基于阈值的方法和基于模型的方法。基于阈值的方法通过设定水位高低的阈值来判断是否预警，适用于简单的水位监测预警系统；基于模型的方法则是利用隧道排水系统的模型，根据当前状态预测未来水位变化，并做出预警。基于模型的方法具有较高的精度，适用于较为复杂的水位监测预警系统[2]。除了以上两种方法，还有一些其他的预警方法，如基于模糊数学的方法和基于人工智能的方法等，在实际应用中，可根据实际情况选择或结合使用。

二、城市隧道水位监测预警系统框架设计

（一）系统组成部分

城市隧道水位监测预警系统主要由五个组成部分构成，分别是水位监测模块、视频监控模块、数据采集模块、预警模块、远程监控模块[3]。

1. 水位监测模块

水位监测模块是城市隧道水位监测预警系统的基础部分，它负责实时监测城市隧道水位的高低，获取水位数据并将其传输给数据采集模块。为了保证监测数据的准确性和可靠性，水位监测模块的设计需要考虑传感器类型、安装位置和数量等因素。

2. 视频监控模块

视频监控模块是城市隧道水位监测预警系统的辅助部分，用于监测隧道内部的交通情况和安全状况。视频监控系统包括摄像头、视频录像机等，可以实时监测隧道内部的交通情况和安全状况。

3. 数据采集模块

数据采集模块是城市隧道水位监测预警系统的核心部分，它负责对水位监测模块的数据进行采集，并将采集到的数据传输给预警模块。为了满足实时性要求，数据采集模块的设计需要考虑采集设备、通信方式和数据处理程序等因素。

4. 预警模块

预警模块同样是城市隧道水位监测预警系统的另一个核心组成部分，它负责对采集到的数据进行处理、分析和存储，根据分析结果发出相应的预警和报警信号。为了提高预警的准确性和及时性，预警模块的设计需要考虑预警方法、预警阈值、预警方式和预警信号等因素。

5. 远程监控模块

远程监控模块是城市隧道水位监测预警系统的管理模块，它负责实现对城市隧道水位的后台数据管理，能够实时监测城市隧道内的水位信息和视频画面，作出预警和报警处理，确保值班人员及时发现水位异常情况和安全问题。

（二）功能关系

在城市隧道水位监测预警系统中，各个组成部分之间存在着密切的功能关系。其中，水位监测模块、视频监控模块和数据采集模块构成了数据采集子系统，实时监测城市隧道水位的高低、采集水位数据并将其传输给预警模块。预警模块负责对采集到的水位数据进行预处理和分析，并根据分析结果及时发出预警信号。远程监控模块作为系统的管理子系统，便于管理人员快速响应预警信息并采取相应措施，提高系统的运行效率和准确性。

三、城市隧道水位监测预警系统软件设计

（一）数据处理与分析

城市隧道水位监测预警系统需要对采集到的水位信息进行处理和分析，包括数据预处理、模型选择与训练、模型预测与预警等技术内容，挖掘数据中的隐藏信息和规律，为管理人员提供更加准确的预测和决策支持。

1. 数据预处理

数据预处理是数据挖掘过程中的一个重要步骤，它主要包括数据清洗、数据标准化、特征提取等操作。对采集到的隧道水位及相关数据进行预处理并剔除异常值，优化采集数据的质量，为后续的预测模型打下基础。

2. 模型选择与训练

根据预处理后的数据特定，选择合适的模型并进行对其训练，城市隧道水位监测预警系统常用的模型有ARIMA、SARIMA、LSTM等。其中，ARIMA模型可以用于预测隧道水位的未来走势，SARIMA可以处理季节性数据，LSTM则是一种常用于序列数据处理的神经网络模型，可以有效地捕捉数据中的长期依赖关系。

3. 模型预测与预警

模型预测是数据处理的最终目标，完成模型训练后，得到的预测模型可以用于预测隧道水位的变化趋势，便于用户提前做好预警和应对措施。当然，为了应对各种各种水灾情况，系统需步设置预警机制，当水位达到一定的预警值时，系统能够自动触发报警和机制，通知相关人员进行处理。

（二）远程监控

远程监控模块借助网络通信技术来实现对城市隧道水位的远程监测和管理，该模块应具备远程访问、数据可视化、报警处理等功能，以便随时监测城市隧道水位变化情况，并做出适时的处理。

1. 远程访问

远程访问是远程监控模块的基础，可对系统中的有效数据进行查询和实时监测，也能够实现对城市隧道水位监测设备的远程控制和调节，确保管理人员及时发现异常并做出相应的处理和决策，使整个系统的控制和管理更加高效可靠。

2. 数据可视化

数据可视化是远程监控模块的基本要求，该功能将采集到的数据以图表或其他形式展示出来，使数据更加直观和易于理解。数据可视化可以在远程监控界面中实现，以便用户了解隧道水位变化的趋势和规律。

3. 报警处理

报警处理是远程监控模块的关键要求。当水位超过预设的预警阈值时，预警模块发出警报信号，并同时将相关信息发送给监控中心。远程监控模块应及时响应并采取相应的措施，如启动排水泵等，以避免出现严重的交通事故或其他安全问题。

四、结束语

本文从城市交通安全出发，对城市隧道水位监测预警系统进行了深入研究。在对水位监测技术和水位预警方法进行总结的基础上，分析了城市隧道水位监测预警系统的框架结构和功能。本文研究对提高城市隧道安全水平具有一定的理论和实践意义，同时也为城市交通建设的可持续发展提供一些参考和借鉴。相信随着城市交通建设的不断发展，城市隧道水位监测预警系统的研究和应用将得到更广泛的关注和应用。

参考文献：

[1]杨莹.城市隧道水位监测预警系统的研究[J].智能建筑电气技术,2022,16(06):132-135.

[2]张立鹏,魏文胜,刘浩.城市下沉式隧道防汛监测与报警系统设计和应用[J].自动化应用,2022(11):114-117.

[3]陈程,顾庆福,陈丽甜.广州南大干线隧道水雨情监测系统方案研究[J].城市道桥与防洪,2022(06):156-158+20.