初三学生发明道路积水监控报警系统

　　北京的立交桥多，其中下凹式立交桥容易在汛期被积水淹没，去年北京“7·21”特大暴雨发生的人员伤亡和财产损失，有很多是因为机动车驾驶人误入积水区域被困而导致。在那次灾害中，北京市个别路段积水甚至深达6米，但很多驶往该地区的机动车驾驶员对危险丝毫没有察觉。

　　北京市第八十中学初三学生杨东麟从小学习单片机、电子制作，他想试着解决道路的积水监控预警问题。他多次前往北京市区内下凹式立交桥和快速路的深槽路段实地勘察，在指导老师陈宇红的帮助下，最终完成了设计，他的《一种积水监控报警系统》已经荣获两项国家专利，在今年4月到8月，他的发明先后获得“第28届全国青少年科技创新大赛”一等奖、“全国青少年电子信息创新大赛”一等奖、“第33届北京青少年科技创新大赛”一等奖、第13届北京市中小学生金鹏科技论坛一等奖等多个奖项。

　　我的发现

　　已有预警设施形同虚设

　　自从确定自己的研究目标后，我就开始收集和观察北京立交桥、高速路预警设施的情况，我发现，其实早在2004年北京市就在下凹式立交桥和高速路的深槽路段墙壁上施划了积水深度警戒线，2010年7月又在110处容易积水的地区安装、施划积水深度标尺，但这些标志根本没有起到提前预警的作用。原因是多方面的。首先，部分警戒线施划位置和积水标尺安装位置，都是在道路两侧的墙壁上。驾驶员即使是低速行驶，在10米之外都很难发现；其次，这些警戒线的高度只有20至32厘米，当路面积水超过40厘米时，则根本看不到警戒线；第三，少数红白相间的积水深度标尺，施划在车辆行驶的正面桥墩上，画线初期，在能见度好的白天，可以在50米之外看到标尺轮廓，但看不到刻度。由于无人定期维护，很多标尺表面很脏，或者已经掉漆，即使在近处也看不出具体的刻度值。此外北京经常出现的雾霾天气，使得能见度低，在恶劣天气条件下司机很难注意到桥下和路上的警戒线、标尺。

　　怎样能够让来往车辆、行人在形成积水的第一时间获悉险情，立即止步？如何最大范围地告知即将或者可能前往积水路段的人员、车辆及时绕路行驶？如何在救援人员到达之前就先行排水，解除灾害隐患？如何让系统持续、长期发挥作用？这些问题引起了我的思考。

　　我的调查

　　国内城市尚无相关设施

　　在老师指导下，我首先进行科技查新。我发现，很多城市都很重视因自然灾害引发的城市安全预警系统的建设，如哈尔滨市开发了“城市暴雨内涝监测预警系统”，西安市推行 “市内涝灾害预报预警系统”，福州市着眼于GIS技术、引进“基于GIS城市暴雨内涝监测系统”，广东省则有“城市内涝预警系统”等。经过仔细研究，我发现虽然这些已投入使用的系统各有侧重，但普遍存在缺陷，如耗资巨大、系统庞杂、建设周期长等等。

　　针对个人的道路积水预警系统也有，但依然存在缺点。如浙江有人提出利用超声波进行水深测量，但它不涉及报警和排水功能。山东也有人发明了一种轿车涉水深度报警器，是将一个水位显示仪安装到机动车上，当车辆涉水而过时，驾驶员可以在车内获知涉水深度，但并不能做到事先预告，只能是车辆已涉水时才起作用。

　　通过研究目前他人已有的发明成果，我发现那种专门用来针对机动车驾驶员、行人等交通参与者个体的大型预警、预报系统在国内还没有出现，而这正是我要解决的问题。经过认真思考，我确定了自己的研究重点：集中多种感应装置以提升系统整体的可靠性；在迫近告警的同时再进行短信远程报警；增加自动排水的功能，确保制作出一个较为完善、可靠的系统。

　　我的设计

　　实用居首兼顾经济环保

　　自从确定研究方向，我坚持把“实用性”放在首位，也就是说，我要设计的这个系统将来可以用于实际的城市道路管理，而且能持续不断地发挥作用。

　　基于此，我的这套预警系统在设计时着重考虑了几个方面：一是远程预警，提前告警。近处采用光电告警：通过使用红绿两色的LED显示屏，在平时没有积水现象时，通过绿色文字显示公益广告，或者预报正常的出行信息。而一旦发生积水，即改用红色，按照积水的程度，发布报警信息，提示已经临近积水区域的人员、车辆尽早撤离，绝对不可以误入积水区域。同时，通过短信控制卡向指定手机（可以设定为交管、消防、水务、气象、新闻媒体等单位的具体联系人）发送短信，指引即将或者可能前往积水区域的机动车、非机动车、行人提前绕路行驶，避开积水路段。

　　二是经济、实用，可操作性强。在没有形成规模采购的前提下，单个系统的硬件总成本还不到4000元人民币，按每个城市部署100个点计算，总的硬件投入仅约40万元人民币。另外，系统选用的部件的体积均比较小，压力、浮子传感器可部署在道路最低点两侧的墙壁内（侧面开槽，将系统嵌入槽内），可将超声波传感器架设在监控摄像头附近，还可以与摄像头共用电源。

　　三是稳定、可靠，确保不发生漏报。在感应子系统设计中，分别使用压力液位传感器、磁性浮子传感器，又增加了超声波传感器。三个液位感应器同时工作，以监测到的液位最大值显示至LED屏。另外通过程序控制三个液位感应器相互监测，当任意一个监测到的液位深度与其他两个相差在10厘米以上时，及时向指定手机发送维修指令。这样，即使在其中一个或者两个感应装置失效的情况下，至少还有一种传感器仍然可以感应到积水现象，并发出警报。此外，还在压力液位传感器和磁性浮子传感器外面，增加了一个保护罩，避免垃圾、泥土堵塞入水口。后续还可以在浮球处伸展出来毛刷，平常利用浮球上下浮动的力量，自动清洁护罩内壁。

　　四是节能、环保，避免重复建设。为减少能源消耗，降低二氧化碳排放，选择使用太阳能电池板发电。同时，为了保证系统在连续阴雨天气的情况下，仍然可以正常运行，把市电接入作为备选电源，实现双路供电。系统要求做到全天候实时、不间断地对特定地区是否积水进行监测，保证系统反应的及时性。

　　鉴于北京市公安交通管理局在2011年以前就已经在全市范围内安装了超过400块LED诱导显示屏，所以建议在现有的《北京城市智能化交通管理系统》基础上，增加一个积水远程报警和自动排水的功能，目的是充分利用现有的资源，同时还能持续不断地发挥系统的作用。

　　五是具有一定的智能性。当积水超过预定深度的第一时间，自动启动排水子系统；另外还可以通过短信控制卡，由特定人员通过手机主动向水泵发出指令，远程启动排水子系统，在救援人员到达现场之前，先行启动抢险。

　　我的期望

　　预警系统对接

　　交通导航

　　经过反复实验与不断改进，我研究、设计并制作的“路面积水远程报警及自动排水系统”终于成功了，它能对积水深度进行实时、不间断地监测，并在第一时间通过LED屏显示报警文字，提醒已经迫近该地区的机动车驾驶员和行人；同时能够利用通信技术将积水信息向指定的手机发送报警短信，提示积水位置、深度；还能够通过控制卡，向水泵发出指令，远程启动排水子系统。

　　如果将这个小系统放大，并进一步完善其稳定性和可靠性，应该可以在解决下凹式立交桥和高速路的深槽路段积水问题上，对现有的智能交通系统形成较好的补充，为北京市民的出行提供一定的安全保障。

　　虽然我的“积水监控预警系统”设计成功了，但并不是十全十美，我将在后期对它继续完善，下一步我想结合北方地区户外气候条件，在部件选型上，注意防风、防雨、防腐蚀、防雷、抗震等因素，更加提升系统整体的稳定性和可靠性。同时，我还想联系有关政府部门，争取能让这个系统与现行的“交通诱导系统”对接以试验其可行性。此外，我还想对接汽车导航仪厂商，将来若在导航仪上增加这样一个功能，对广大驾驶员来说将是一个福音。

　　本报记者蔡文清 文并摄 J177

　　插图 冯晨清 H126