基于流体三维动态模拟仿真的隧道洪涝预警系统和方法与流程

本发明涉及隧道洪涝灾害预警领域。更具体地说，本发明涉及一种基于流体三维动态模拟仿真的隧道洪涝预警系统和方法。

背景技术：

1、近年来，高速公路不断向山区延伸，穿越崇山峻岭，桥隧比不断攀升。长隧道在省与省、市与市承担着重要的交通功能，其对减少城市道路用地，缩短行车里程，发展城市经济方面起到了非常积极的作用。

2、城市间的长距离隧道也是交通要道，通行频率较高，但由于隧道一般地势较低、坡度较大，在极端天气发生城区内涝时，道路上雨水容易汇集涌入隧道内，成为积水最早、积水最深的地方，不仅严重影响正常交通通行而且极易造成难以预料的损失和灾难。

3、近年来，极端天气频发，多地受到了严重的洪涝灾害遭遇暴雨天气的情形较过往要更严重，特大暴雨往往导致隧道严重积水，瞬间水量快速上升。如何对现役营运隧道或新建隧道进行洪涝预警和处置就显得极为重要。

4、长距离隧道纵深狭长，现有的技术条件下，长距离隧道针对防洪排涝的预警准确率不高、预警时效短，常常要等在灾害发生之后才开始执行相关设备，导致应急滞后，研究如何提高长距离隧道洪涝预警信息的针对性、及时性、渠道和手段，具有重要经济价值和社会价值。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

2、为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于流体三维动态模拟仿真的隧道洪涝预警系统，包括：

3、数据处理模块，其用于储存进水速率模型，所述进水速率模型如公式1和公式2所示：

4、当rz<rz0时，v进＝v0+α×rz+v3+v4-v5；公式1

5、当rz≥rz0时，v进＝v0+α×rz+β×rz+v3+v4-v5；  公式2

6、其中，rz为雨强，α为内部流入率参数，β为外部流入率参数，v0为隧道的平均固定渗漏速率，rz0为雨强阈值，v3为消防用水进水速率，v4为异常进水速率，v5为隧道排水速率，其中，α、β、v0、以及rz0基于隧道历史进水数据和历史排水数据统计分析得到；

7、模型模块，其用于储存隧道水位上涨仿真模拟的切片模型集合，每个切片模型以水为流体，以水位深度为标识，显示呈现隧道积水状态以及对应的关键因子参数信息，每个切片模型具有唯一配置编号，其中，水位深度为进水量与隧道容积计算得到；

8、预测模块，其用于获取未来一段时间内的雨强rz、消防用水进水速率、异常进水速率以及隧道排水速率，并基于雨强rz调用所述进水速率模型计算得到未来一段时间内的进水速率v进，基于进水速率计算得到未来一段时间的进水量和隧道水位深度，调用与水位深度一一对应的配置编号所对应的切片模型和关键因子参数信息，形成预测的水位上涨仿真模拟切片模型；

9、显示模块，其用于以时间为x轴，输出得到按时间轴顺序排列的隧道切片模型，并同时显示对应关键因子参数信息，形成隧道三维水位模拟视频；

10、应急处理模块，其用于统计分析隧道淹没时间和预计排涝完成时间，以及用于预设风险等级判别规则和应急预案，并依据风险等级判别规则的判别结果输出应急预案。

11、优选的是，隧道历史进水数据包括非降雨期的隧道进水量q进，隧道进水量为隧道固有渗漏q0，隧道历史排水数据包括非降雨期的隧道排水量q排，所述数据处理模块基于公式1、3～5统计分析拟合得到参数v0的值；

12、q进＝q排    公式3

13、q进＝q0     公式4

14、v进＝q进/t排公式5。

15、优选的是，隧道历史进水数据包括降雨期的雨强rz、降雨时间和隧道进水量q进，隧道进水量为隧道固有渗漏q0、雨水固定流入量q1以及雨水外部流入量q2，隧道历史排水数据包括降雨期的隧道排水量q排；

16、所述数据处理模块用于基于公式1统计分析，进水速率增大时对应的雨强，即得到参数rz0的值；

17、选取雨强rz<rz0的隧道历史进水数据，所述数据处理模块基于公式1统计分析拟合得到参数α的值；

18、选取雨强rz>rz0的隧道历史进水数据，所述数据处理模块基于公式2统计分析拟合得到参数β的值。

19、优选的是，还包括末端采集装置，其用于采集隧道历史进水数据和历史排水数据，所述末端采用装置包括：

20、雨量计，其用于实时采集降雨量和降雨时间，计算输出实时雨强平均值rz，并存储，得到历史雨强数据rz；

21、消防管道流量计，其用于检测消防用水管道流量，所述数据处理模块基于消防用水管道流量计算得到消防用水进水速率v3；

22、液位计，其用于检测液位上升值和上升时间，所述数据处理模块基于液位上升值和上升时间计算液位上升速度v升，以及采用公式6计算异常进水速率v4；

23、v4＝v升×s     公式6

24、其中，s为泵房水尺横截面积；

25、排水管道流量计和排水泵流量计，其用于采集排水量，统计各泵总流量，排水量和各泵总流量用于计算得到水泵实际排水速率v泵，所述数据处理模块采用公式7计算得到隧道排水速率v5；

26、v5＝n×v泵     公式7

27、其中，n为水泵实际运行数量，v泵为水泵实际排水速率。

28、优选的是，还包括设备运行态势监测装置，其包括：

29、多个有源电子标签，多个有源电子标签设置于水泵和配电箱上，所述有源电子标签用于实时监测并保存配电箱出线的电压及电流参数数值、进线电缆的温度，同时监测开关分合闸位置状态、脱扣情况，以及用于实时监测水泵设备的运行流量、扬程、轴功率及比转数；

30、多对主射频模块和从射频模块，多对主从射频模块和从射频模块间隔设置于隧道顶上，多对主射频模块和从射频模块用于识别处于天线辐射范围内的泵房及配电房的有源电子标签的数据信息，以及实现rfid系统双通道数据通信；

31、zigbee终端节点，其通过无线与主射频模块和从射频模块连接，zigbee终端节点用于接收主射频模块和从射频模块传输的有源电子标签的数据信息，同时也用于将控制命令回传至主射频模块和从射频模块；

32、zigbee协调器节点，其与zigbee终端节点无线连接，zigbee协调器节点用于接收zigbee终端节点发送的数据信息，同时也用于将控制命令回传至zigbee终端节点；

33、pc上位机，其通过局域网与zigbee协调器节点连接，pc上位机用于接收zigbee协调器节点发送的数据信息，并基于数据信息按照预设规则判断配电箱和水泵运行状态，同时也用于将控制命令回传至zigbee协调器节点。

34、优选的是，所述预设规则包括：

35、当配电箱出线回路的电压、电流变化率较大或开关动作异常时，则对水泵运行状态中的流量、扬程及轴功率判断，具体为：

36、当与或与的数值相差5～10％，则预警等级为初级；

37、当与或与的数值相差11～25％，则预警等级为中级；

38、当与或与的数值相差26～40％，则预警等级为特级；

39、其中，h1和h2表示两个不同时段之间的扬程，q3和q4表示两个不同时段之间的流量，n1和n2表示两个不同时段之间的轴功率。

40、优选的是，还包括模型预警等级判别规则，其包括：

41、当隧道水位深度高于预设的标准水位的5～10％、以及v进小于0时，则模型预警等级为初级；

42、当隧道水位深度高于预设的标准水位的11～25％、以及v进接近0时，则模型预警等级为中级；

43、当隧道水位深度高于预设的标准水位的26～40％、以及v进大于0时，则模型预警等级为特级；

44、所述风险等级判别规则包括：

45、当配电箱和水泵运行状态的预警等级为初级时，以及当模型预警等级为初级或中级时，则风险等级为一级；

46、当配电箱和水泵运行状态的预警等级为初级时，以及当模型预警等级为高级时，则风险等级为二级；

47、当配电箱和水泵运行状态的预警等级为中级时，以及当模型预警等级为初级时，则风险等级为一级；

48、当配电箱和水泵运行状态的预警等级为中级时，以及当模型预警等级为中级时，则风险等级为二级；

49、当配电箱和水泵运行状态的预警等级为中级时，以及当模型预警等级为高级时，则风险等级为三级；

50、当配电箱和水泵运行状态的预警等级为高级时，以及当模型预警等级为初级或中级或高级时，则风险等级为三级。

51、优选的是，所述应急预案包括：

52、当风险等级为一级时，于隧道口门架显示牌实时显示隧道内积水情况；

53、当风险等级为二级时，禁止车辆进入；

54、当风险等级为三级时，禁止车辆进入，并且联动交警信号灯系统，位于隧道前一个路口通往隧道方向的信号灯统一显示红灯，且分流通往隧道方向的所有车辆。

55、优选的是，所述隧道切片模型的建立方法包括：

56、采用激光扫描获取隧道的三维点云数据，采用点云处理软件对三维点云数据进行拟合并导出隧道的三维模型至本地；

57、将隧道的三维模型导入三维建模软件，将设施的三维模型和设备的三维模型装配隧道的三维模型上，得到隧道精细化三维模型，其中，所述设施包括拦水沟、导水沟、雨污水管道以及泵房，所述设备包括雨量计、给排水设备、交通设施设备以及管道设备；

58、将隧道精细化三维模型导入流体仿真软件，设定网格化参数，自动生成结构化网格，设定流体为水、设定边界条件以及环境条件参数，得到隧道的结构化网格模型；

59、设定关键因子参数，其包括水位深度，每一水位深度对应淹没仿真水体表面轮廓、淹没仿真水体表面轮廓位置坐标、隧道可容纳水的容积、积水中心点坐标、低点坐标，其中，积水中心点坐标为轮廓几何中心；

60、仿真模拟均匀流速隧道积水状况，并将隧道的结构化网格模型从低向高逐层扫描，自动输出每一水位深度对应的关键因子参数信息；

61、以关键参数因子参数信息建立水位上涨仿真模拟切片模型，以水位深度作为标识，设置配置编号，并导出切片模型，得到切片模型集合。

62、提供一种基于流体三维动态模拟仿真的隧道洪涝预警系统的预警方法，包括以下步骤：

63、s1、建立并储存进水速率模型，所述进水速率模型如公式1和公式2所示：

64、当rz<rz0时，v进＝v0+α×rz+v3+v4-v5；公式1

65、当rz≥rz0时，v进＝v0+α×rz+β×rz+v3+v4-v5；  公式2

66、其中，rz为雨强，α为内部流入率参数，β为外部流入率参数，v0为隧道的平均固定渗漏速率，rz0为雨强阈值，v3为消防用水进水速率，v4为异常进水速率，v5为隧道排水速率，其中，α、β、v0、以及rz0基于隧道历史进水数据和历史排水数据统计分析得到；

67、s2、建立并储存隧道水位上涨仿真模拟的切片模型集合，每个切片模型以水为流体，以水位深度为标识，显示呈现隧道积水状态以及对应的关键因子参数信息，每个切片模型具有唯一配置编号，其中，水位深度为进水量与隧道容积计算得到；

68、s3、获取未来一段时间内的雨强rz、消防用水进水速率、异常进水速率以及隧道排水速率，并基于雨强rz调用所述进水速率模型计算得到未来一段时间内的进水速率v进，基于进水速率计算得到未来一段时间的进水量和隧道水位深度，调用与水位深度一一对应的配置编号所对应的切片模型和关键因子参数信息，形成预测的水位上涨仿真模拟切片模型；

69、s4、以时间为x轴，输出得到按时间轴顺序排列的隧道切片模型，并同时显示对应关键因子参数信息，形成隧道三维水位模拟视频；

70、s5、统计分析隧道淹没时间和预计排涝完成时间，预设风险等级判别规则和应急预案，并依据风险等级判别规则的判别结果输出应急预案。

71、本发明至少包括以下有益效果：本发明聚焦长距离隧道降雨量、道路积水等信息采集、设备运行态势监测、算法模型建立、应急预警及处置四个部分，形成防御洪涝灾害的分级手段，细化各级洪涝灾害应急预案、发挥预警作用，最大限度减少洪涝灾害造成的损失。

72、本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。