一种可联网的智能下水道井盖系统及其控制方法与流程

本发明涉及井盖系统，具体涉及一种可联网的智能下水道井盖系统及其控制方法。

背景技术：

每年夏季，我国多个地区都会受到台风影响带来强降雨天气，造成很大的财产损失和人员伤亡，路面积水不能及时排出，给人们的生产生活和出行带来了极大的不便利。

传统的排水道井盖排水速度缓慢，当需要大量排水时，需要人为将下水道井盖全部开启，不能及时有效进行排水工作；此外，暴雨天气，由于下水道排水口径过大，这样会给来往行人和车辆造成极大的安全隐患，行人不慎坠入下水道的情况也时有发生；而且，各路段实时积水深度也不能实时搞告知行人和司机，如何创建更加智能安全的海绵型城市成为一个亟待解决的问题。

不同于现有的已经设计的下水道井盖系统，本发明通过信息采集系统确定水位高低来实现高水位排水与低水位排水相结合的模式，极大的提高了排水效率和节约了电能；通过迅速高效的自动启闭排水工作和清障处理，保证了智能下水道井盖系统的正常工作；通过实时联网上传不同路段当前水位信息可实时告知行人和司机路况，极大的提高了信息传输速度和有效性；通过合理的设计高水位和低水位排水口径，极大地降低了安全隐患，也保证了排水速度。因此，设计一种可联网的智能下水道井盖系统具有重要的实际意义。

技术实现要素：

本发明设计开发了一种可联网的智能下水道井盖系统，本发明的发明目的是解决排水口径存在安全隐患，开启不便的问题。

本发明设计开发了一种可联网的智能下水道井盖系统的控制方法，本发明的发明目的之一是解决暴雨天气自动开启下水道井盖排水、清除排水时排水口障碍物、提高排水安全性和实时为行人和司机提供各路段水位信息的问题。

本发明的发明目的之二是通过水深和水流量对下水道井盖的开启关闭以及障碍物清除做合理控制。

本发明提供的技术方案为：

一种可联网的智能下水道井盖系统，包括：

井盖外缘连接部，其下部固定安装锁止装置；

倾斜凹槽部，其设置在所述井盖外缘部内侧，所述倾斜凹槽部沿圆周均布排水圆孔；

中间井盖部，其设置在所述倾斜凹槽部内侧；

其中，所述中间井盖部包括通过合页铰接的外缘不可动部和四个可动的中间井盖部，在所述外缘不可动部上部设置多个压力传感器，在所述四个可动的中间井盖部下部设置锁止套筒；

圆形钢管，其与所述锁止装置相匹配卡合固定；

多个支撑套筒，其沿所述圆形钢管圆周均布，与所述圆形钢管固定连接；

多个连接机构，其分别与所述支撑套筒固定连接，并且所述连接机构顶部设置结合套筒，所述结合套筒与所述锁止套筒相匹配卡合固定。

优选的是，所述可动的中间井盖部包括：

高水位排水口处井盖，其下部设置第一锁止套筒，并且在所述高水位排水口处井盖内壁设置流量传感器；

中间井盖障碍物清除部，其下部设置第二锁止套筒；

其中，所述高水位排水口处井盖一端与所述中间井盖障碍物清除部通过合页铰接。

优选的是，所述连接机构包括：

第一连接机构，其顶部设置第一结合套筒；

第二连接机构，其顶部设置第二结合套筒；

其中，所述第一结合套筒与所述第一锁止套筒相匹配卡合固定，所述第二结合套筒与所述第二锁止套筒相匹配卡合固定。

优选的是，还包括：信息采集系统、控制系统和实体系统；

其中，所述控制系统与所述连接机构电联；以及

通过使用所述信息采集系统采集信息后，通过所述控制系统对所述实体系统控制。

优选的是，所述信息采集系统包括：

水深测量模块，其用于测量水深，并将数据传输至所述控制系统；

排水口障碍物感知模块，其用于测量排水口处排水流量，并将数据传输到所述控制系统；

数据信息入网模块，其用于将采集的各路段水位信息实时上传到网络平台，通过音频设备实时告知路上行人和车辆相关路段情况；

所述控制系统包括：

电源供给模块，其用于提供能量；

排水口处井盖开度控制模块，其用于根据水位信息比对处理模块结果，控制排水口处井盖开度；

水位信息比对处理模块，其用于将采集的水位数据平均值处理后与排水口启闭阈值进行比对，并将数据传送至所述排水口处井盖开度控制模块；

障碍物清除控制模块，其用于所述接收排水口障碍物感知模块传来的流量信息，经过分析后判断是否需要进行障碍物清除操作；以及

所述智能水道井盖实体系统包括：

压力传感器模块，其用于测量实时水位；

流量传感器模块，其用于测量高水位排水口模块实时排水流量；

高水位排水口模块，其用于在积水路段水位高于阈值时开启，进行排水工作；

低水位排水口模块，其用于在积水路段水位低于阈值时，进行排水工作。

一种可联网的智能下水道井盖系统的控制方法，使用所述的智能下水道井盖系统，包括如下步骤：

步骤一、通过水深测量模块和流量传感器模块分别检测水深和四个高水位排水口处的水流量；

步骤二、在水位信息比对处理模块中设定阈值，当水深达到阈值时，控制开启高水位排水口处井盖，并对开度进行调节，同时根据四个高水位排水口处的水流量中任意两个水流量差值控制障碍物清除控制模块的启动；

步骤三、将水深情况、高水位排水口处井盖开启关闭情况和障碍物清除控制模块开启关闭情况的数据进行输出，并且进行实时监测。

优选的是，在所述步骤二中采用模糊控制输出所述高水位排水口处井盖开度，包括如下步骤：

分别将实际水深和所述阈值的差值、实际水深和所述阈值差值变化率以及所述高水位排水口处井盖开度转换为模糊论域中的量化等级；

将所述实际水深和所述阈值差值以及所述实际水深和所述阈值差值变化率输入模糊控制模型，均分为5个等级；

模糊控制模型输出为所述高水位排水口处井盖开度，分为5个等级；

根据所述高水位排水口处井盖开度对所述高水位排水口处井盖进行控制；

其中，所述实际水深和所述阈值差值的论域为[0，5]，所述实际水深和所述阈值差值变化率的论域为[0，2.5]，所述高水位排水口处井盖开度的论域为[0，1]，设量化因子都为1。

优选的是，所述实际水深和所述阈值差值的模糊集为{zo，ps，pm，pb，pvb}，所述实际水深和所述阈值差值变化率的模糊集为{n，nm，m，ml，l}，所述高水位排水口处井盖开度的模糊集为{s，sm，m，mb，b}；隶属函数均选用三角函数。

优选的是，在所述步骤二中采用模糊控制输出所述障碍物清除控制模块的开启概率进而判断所述障碍物清除控制模块是否开启，包括如下步骤：

分别将所述任意两个水流量差值的绝对值、所述任意两个水流量差值变化率的绝对值以及开启概率转换为模糊论域中的量化等级；

将所述任意两个水流量差值的绝对值以及所述任意两个水流量差值变化率的绝对值输入模糊控制模型，均分为5个等级；

模糊控制模型输出为所述开启概率，分为5个等级；

根据所述开启概率判断所述障碍物清除控制模块是否开启；

其中，所述任意两个水流量差值的绝对值的论域为[0，5]，所述任意两个水流量差值变化率的绝对值的论域为[0，1]，开启概率的论域为[0，1]，设量化因子都为1，设定开启概率的阈值为0.55～0.63中的一个值。

优选的是，所述任意两个水流量差值的绝对值的模糊集为{zo，ps，pm，pb，pvb}，所述任意两个水流量差值的变化率的绝对值的模糊集为{n，nm，m，ml，l}，开启概率的模糊集为{s，sm，m，mb，b}；隶属函数均选用三角函数。

本发明与现有技术相比较所具有的有益效果：本发明通过实时与预约的车位供给方式，给用户提供不同情况下的停车车位选择，简化了停车过程，提高空间利用率，降低了人工成本；本发明通过信息采集系统确定水位高低来实现高水位排水与低水位排水相结合的模式，极大的提高了排水效率和节约了电能；通过迅速高效的自动启闭排水工作和清障处理，保证了智能下水道井盖系统的正常工作；通过实时联网上传不同路段当前水位信息可实时告知行人和司机路况，极大的提高了信息传输速度和有效性；通过合理的设计高水位和低水位排水口径，极大地降低了安全隐患，也保证了排水速度；同时，通过模糊控制的方法，根据水深和水流量对高水位排水口井盖开启的开度和障碍物清除模块的开启关闭做合理控制。

附图说明

图1为本发明实施例的一种可联网的智能下水道井盖系统原理结构示意图。

图2为本发明实施例的一种可联网的智能下水道井盖系统实体结构示意图。

图3为本发明实施例的一种可联网的智能下水道井盖系统实体结构俯视图。

图4为本发明实施例的一种可联网的智能下水道井盖系统固定支架示意图。

图5为本发明实施例的一种可联网的智能下水道井盖系统连杆机构示意图。

图6为本发明实施例的一种可联网的智能下水道井盖系统井盖连接示意图。

图7为本发明实施例的一种可联网的智能下水道井盖系统连杆连接示意图。

图8是实际水深和阈值的差值的隶属函数。

图9是实际水深和阈值的差值的变化率隶属函数。

图10是高水位排水口处井盖开度的隶属函数。

图11是任意两个水流量差值的绝对值的隶属函数。

图12是任意两个水流量差值变化率的绝对值的隶属函数。

图13是开启概率的隶属函数。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明公开了一种可联网的智能下水道井盖系统1原理结构示意图，包括信息采集系统2、控制系统3和智能水道井盖实体系统4，在后期维护过程中，如果检测有损坏则直接更换相应系统中的模块即可。

信息采集系统2包括水深测量模块5、排水口障碍物感知模块6、数据信息入网模块7。

水深测量模块5，用于测量雨天积水路段水深，并发送给控制模块3中的水位信息处理比对模块9；在本实施例中，当测得水深大于2mm，说明低水位排水口15单独工作是不足以及时有效排除路面积水，通过排水口处井盖开度控制模块10打开高水位排水口模块14与低水位排水口15协同工作进行排水。

排水口障碍物感知模块6，包括四个流量传感器模块，用于收集排水口处排水流量信息，当有各组数据比对出现异常流量值时，确定障碍物存在，将信息传送给排水口障碍物感知模块，进行排水障碍物清除，以确保系统正常高效排水；在本实施例中，当水深测量模块5测得路面深度大于2mm后，高水位排水口模块14中的四个高水位排水口通过流量传感器模块13测得的排水流量信息是相同的，当四个高水位排水口处排水流量有较大差异时，障碍物感知模块便可感知障碍物存在。

数据信息入网模块7，用于将采集的各路段水位信息实时上传到网络平台，通过app或音频设备实时告知路上行人和车辆相关路段情况。

控制系统3包括电源供给模块8、水位信息处理比对模块9、排水口处井盖开度控制模块10和障碍物清除控制模块11。

电源供给模块8，布置于下水道井盖下方密封盒中，用于给智能下水道井盖系统1的正常工作提供能量。

水位信息比对处理模块9，用于将从水深测量模块5采集的水位数据平均值处理后与排水口启闭阈值进行比对，并将结果传送至排水口处井盖开度控制模块10。

排水口处井盖开度控制模块10，包括四个高水位排水口模块，在积水路段水位高于阈值时开启，低于阈值时关闭，延长电源供给模块工作时长，用于根据水位信息比对处理模块9传送的结果，控制高水位排水口模块14处井盖开度。

障碍物清除控制模块11，用于接收排水口障碍物感知模块6传来的高水位排水口模块14的流量信息，经过分析后判断是否需要进行障碍物清除操作。

智能水道井盖实体系统4包括压力传感器模块12、流量传感器模块13、高水位排水口模块14、低水位排水口模块15。

压力传感器模块12，包括四个压力传感器，其对称布置于下水道井盖边缘，扩大数据采集范围，保证准确性，用于测量积水路段实时水位数据，汇聚到水深测量模块5后传输到控制模块3中的水位信息处理比对模块9。

流量传感器模块13，包括四个流量传感器模块，其布置于高水位排水口内壁，来收集各排水口处排水流量信息，判断是否有障碍物需要清除，同时用于测量高水位排水口模块14实时排水流量，并通过信息采集系统2中的排水口障碍物感知模块6将数据传输到障碍物清除控制模块11。

高水位排水口模块14，包括高水位排水口启闭连杆机构、固定支架和四个对称分布的高水位排水口，用于在积水路段水位高于阈值时开启，进行主要排水工作。

低水位排水口模块15为无盖圆孔，设置在井盖外缘部内侧的倾斜凹槽部分17，并且沿圆周均布；用于在积水路段水位低于阈值是进行主要排水工作。

在另一种实施例中，压力传感器模块12进行液位测量时的一个好处是非接触性，安装相对比较方便，此外，在测量原理上相比激光和超声波等同类非接触测量方式，压力传感器测原理关系式更加简单且具有线性性，在数据处理分析和处理上更加直观。

如图2、图3所示，本发明公开了一种可联网的智能下水道井盖系统1实体结构示意图，下水道井盖盖体由井盖外缘连接部分16、倾斜凹槽部分17和中间井盖部分18组成。

井盖外缘连接部分16，用于与路基形成连接以固定智能下水道井盖系统1；

倾斜凹槽部分17，底部为低水位排水口模块15，即为一周对称分布的排水圆孔19，一直参与排水工作直至积水排尽；

中间井盖部分18，包含固定在中间井盖部分不可动边缘的四个压力传感器25、四个可动的中间井盖部分22；

可动的中间井盖部分22，通过合页21与不可动边缘的压力传感器25部分连接，包含高水位排水口处井盖20、流量传感器模块13中的四个发流量传感器和可动的中间井盖障碍物清除部分23；

压力传感器模块12中的四个压力传感器25对称布置于中间井盖部分不可动边缘，扩大数据采集范围，保证准确性；

流量传感器模块13，包括四个流量传感器24，其布置于高水位排水口模块14内壁，来收集各排水口处排水流量信息，判断是否有障碍物需要清除；

高水位排水口模块14，包括高水位排水口模块14启闭的小连杆机构31和四个对称分布的高水位排水口；

障碍物清除控制模块11，包括可动的中间井盖障碍物清除部分23和可以控制的大连杆机构32的运动来控制可动的中间井盖障碍物清除部分23的启闭，实现障碍物的清除；

如图4所示，本发明公开了一种可联网的智能下水道井盖系统1固定支架26示意图，固定支架26，由一个圆形钢管27和四个长方形薄壁套筒28焊接为圆台型结构组成，连杆机构通过固定支架26的四个长方形薄壁套筒28电连接于控制模块3，控制模块中排水口处井盖开度控制模块10和障碍物清除控制模块11控制连杆机构的运动实现高水位排水口模块14处井盖和可动的中间井盖障碍物清除部分23的启闭，实现排水和障碍物清除；

如图5所示，小连杆机构由四个安装在固定支架26的四个长方形薄壁套筒28上用于支撑和启闭四个高水位排水口处井盖24以排去积水的连杆机构组成；

大连杆机构32由四个安装于固定支架26的四个长方形薄壁套筒28上用于支撑和启闭可动的中间井盖障碍物清除部分23的连杆机构组成，控制系统3分析信息采集系统2传输来的数据，然后通过控制连杆机构中上杆29与下杆30的相对运动，即可调控盖端启闭，实现所需功能。

如图6所示，井盖外缘连接部分下面固连的固定支架钢管锁止装置33，高水位排水口处井盖20的固连带销孔钢管结合套筒35和可动的中间井盖障碍物清除部分23的带销孔钢管结合套筒34，用于与固定支架26部分及小连杆机构30和大连杆机构32连接。

如图7所示，小连杆机构30的固连带销孔钢管结合套筒36和大连杆机构32的固连带销孔钢管结合套筒37，井盖部分与固定支架26部分及小连杆机构30和大连杆机构32连接时，固定支架26的圆形钢管27与井盖外缘连接部分下面固连的四个固定支架钢管锁止装置33形成连接，小连杆机构30和大连杆机构32通过固连带销孔钢管结合套筒36与高水位排水口处井盖20的固连带销孔钢管结合套筒35形成锁止连接，固连带销孔钢管结合套筒37与可动的中间井盖障碍物清除部分23的带销孔钢管结合套筒34形成锁止连接，通过上述锁止连接对井盖部分给予支撑和开启关闭，并保证系统正常运行。

本发明还提供了一种可联网的智能下水道井盖系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤一、通过水深测量模块和流量传感器模块检测水深和四个高水位排水口处的水流量；

步骤二、在水位信息比对处理模块中设定阈值，当水深达到阈值时，控制开启高水位排水口处井盖，并对开度进行调节，同时根据四个高水位排水口处的水流量中任意两个水流量差值控制障碍物清除控制模块的启动；

步骤三、将水深情况、高水位排水口处井盖开启关闭情况和障碍物清除控制模块开启关闭情况的数据进行输出，进行实时监测。

在另一种实施例中，在步骤二中，阈值为2mm。

在另一种实施例中，在步骤二中，控制系统采用模糊控制模型输出高水位排水口处井盖开度，具体包括如下：

分别将实际水深和所述阈值的差值d、实际水深和所述阈值差值变化率ed以及高水位排水口处井盖开度β转换为模糊论域中的量化等级；将实际水深和所述阈值的差值d以及实际水深和所述阈值差值变化率ed输入模糊控制模型，模糊控制模型输出为高水位排水口处井盖开度β。

实际水深和所述阈值的差值d的变化范围为[0，5]，实际水深和所述阈值差值变化率ed的变化范围为[0，2.5]，设定量化因子都为1，因此实际水深和所述阈值的差值d以及实际水深和所述阈值差值变化率ed的论域分别为[0，5]和[0，2.5]，高水位排水口处井盖开度β的论域为[0，1]；为了保证控制的精度，使其在不同的环境下都能够很好地进行控制，根据反复试验，最终将实际水深和所述阈值的差值d的变化范围分为5个等级，模糊集为{zo，ps，pm，pb，pvb}，zo表示零，ps表示小，pm表示中等，pb表示大，pvb表示极大；将实际水深和所述阈值差值变化率ed的变化范围分为5个等级，模糊集为{n，nm，m，ml，l}，n表示小，nm表示较小，m表示中等，ml表示较大，l表示大；输出的高水位排水口处井盖开度β分为5个等级，模糊集为{s，sm，m，mb，b}，s表示小，sm表示较小，m表示中等，mb表示较大，b表示大；隶属函数均选用三角形隶属函数，如图8、9、10所示。

模糊控制模型的控制规则选取经验为：

如果实际水深和所述阈值的差值d为极大，实际水深和所述阈值差值变化率ed为较大，则高水位排水口处井盖开度β为大；

如果实际水深和所述阈值的差值d为小或零，实际水深和所述阈值差值变化率ed为小，则高水位排水口处井盖开度β为小；

也就是说，如果高水位排水口处井盖开度β为“小或较小”，则高水位排水口处井盖开度小；如果高水位排水口处井盖开度β为“大或较大”，则高水位排水口处井盖开度大；此种情况，如果水深稍有变化，则必然会有情况的切换。

具体的模糊控制规则如表1所示。

表1模糊控制规则

在另一种实施例中，控制模块采用模糊控制模型输出障碍物清除控制模块的开启概率进而判断所述障碍物清除控制模块是否开启，具体包括如下：

分别将任意两个水流量差值的绝对值d、任意两个水流量差值变化率的绝对值ed以及开启概率转换为模糊论域中的量化等级；将任意两个水流量差值的绝对值d以及任意两个水流量差值变化率的绝对值ed输入模糊控制模型，模糊控制模型输出为开启概率，进而判断是否障碍物清除控制模块是否开启，开启概率的阈值为0.55～0.63中的一个值，如果开启概率达到设定阈值，判断为障碍物清除控制模块开启；在本实施例中，为了保证控制的精度，使其在不同的环境下都能够很好地进行控制，根据反复试验，将阈值确定为0.58。

任意两个水流量差值的绝对值d的变化范围为[0，5]，任意两个水流量差值变化率的绝对值ed的变化范围为[0，1]，设定量化因子都为1，因此任意两个水流量差值的绝对值d以及任意两个水流量差值变化率的绝对值ed的论域分别为[0，5]和[0，1]，开启概率的论域为[0，1]；为了保证控制的精度，使其在不同的环境下都能够很好地进行控制，根据反复试验，最终将任意两个水流量差值的绝对值d的变化范围分为5个等级，模糊集为{zo，ps，pm，pb，pvb}，zo表示零，ps表示小，pm表示中等，pb表示大，pvb表示极大；将，任意两个水流量差值变化率的绝对值ed的变化范围分为5个等级，模糊集为{n，nm，m，ml，l}，n表示小，nm表示较小，m表示中等，ml表示较大，l表示大；输出的开启概率分为5个等级，模糊集为{s，sm，m，mb，b}，s表示小，sm表示较小，m表示中等，mb表示较大，b表示大；隶属函数均选用三角形隶属函数，如图11、12、13所示。

模糊控制模型的控制规则选取经验为：

如果任意两个水流量差值的绝对值d为极大，任意两个水流量差值变化率的绝对值ed为较大或者大，则开启概率为大，即障碍物清除控制模块开启；

如果任意两个水流量差值的绝对值d为零，任意两个水流量差值变化率的绝对值ed为小或者较小，则开启概率为小，即障碍物清除控制模块关闭；

也就是说，如果开启概率为“小或较小”，则障碍物清除控制模块关闭；如果开启概率为“大或较大”，则障碍物清除控制模块开启；如果开启概率为“中等”，则该开启概率为阈值，此种情况，如果四个高水位排水口水流量发生变化，则必然会有障碍物清除控制模块开启或关闭这两种情况的切换。

具体的模糊控制规则如表2所示。

表2模糊控制规则

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。