長大隧道高位水池液位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

楊曉珂，楊海峰，杜曉兵

0 引言

隨著山區(qū)高速公路建設(shè)的發(fā)展以及通車里程的不斷增加，長隧道及特長隧道不斷增多，長大隧道的安全管理已成為運營管理的首要任務(wù)。國內(nèi)外許多研究表明，隧道內(nèi)一旦發(fā)生火災(zāi)，往往會造成嚴重的人員傷亡、巨大的經(jīng)濟損失和惡劣的社會影響，故長大隧道安全管理的最大威脅就是火災(zāi)事件［1-4］。對于設(shè)置有消火栓滅火系統(tǒng)的隧道，消防高位水池不僅對隧道內(nèi)消防滅火提供水源保障，液位狀態(tài)和蓄水量更是起到了對整個消防管網(wǎng)供給壓力的作用;因此，消防高位水池液位的監(jiān)控和管理對隧道消火栓系統(tǒng)的正常運行、隧道的行車安全和火災(zāi)事件的緊急救.極其重要［5-6］。

目前，中國高速公路隧道高位水池液位的監(jiān)管普遍采用液位傳感器回傳液位數(shù)據(jù)和人工現(xiàn)場查看的方式［7-8］，根據(jù)隧道高位水池液位變化對水泵進行人工開啟和關(guān)閉操作，一旦液位傳感器或通訊線路發(fā)生故障，高位水池液位管理只能依靠人工巡查和現(xiàn)場處理，監(jiān)管費時費力且無法得到實時保障。還有部分隧道在高位水池的消防泵房內(nèi)設(shè)置水位控制柜，實現(xiàn)了本地消防水泵自動控制液位管理［9-10］，但尚未達到監(jiān)控中心的遠程控制管理，且未在監(jiān)控中心建立針對高位水池液位數(shù)據(jù)采集、消防水泵聯(lián)動控制的高位水池液位管理系統(tǒng)［11-12］。綜上所述，根據(jù)隧道水消防安全管理現(xiàn)狀，搭建隧道高位水池液位遠程實時監(jiān)測和水泵聯(lián)動控制的管理系統(tǒng)已成為迫切需求。

1 系統(tǒng)功能需求分析

秦嶺終南山公路隧道為雙向四車道，單洞長度18.02 km，雙洞全長36.04 km，設(shè)有監(jiān)控中心1處，高位水池1個，兩處相距約32 km?，F(xiàn)有監(jiān)控管理系統(tǒng)功能包含視頻監(jiān)控、交通控制、通信及緊急廣播、環(huán)境采集通風(fēng)控制和照明控制等。現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，共分為三級，即隧道現(xiàn)場控制系統(tǒng)、監(jiān)控中心計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)。監(jiān)控中心計算機網(wǎng)絡(luò)通過光纜數(shù)據(jù)通道與隧道現(xiàn)場PLC控制器連接，隧道現(xiàn)場PLC控制器再分別與環(huán)境檢測器、交通信息采集設(shè)備、照明繼電器、風(fēng)機等設(shè)備相連。隧道現(xiàn)場PLC控制器對各系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)及數(shù)據(jù)進行實時采集，通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機和光纜回傳至隧道監(jiān)控中心監(jiān)控管理系統(tǒng)，統(tǒng)一由監(jiān)控中心的各個監(jiān)控系統(tǒng)對各系統(tǒng)設(shè)備和數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測、存儲、決策以及遠程控制［13］。

為充分利用現(xiàn)有隧道監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的資源和技術(shù)，減少系統(tǒng)二次開發(fā)浪費，可將消防高位水池液位監(jiān)控系統(tǒng)作為隧道監(jiān)控管理系統(tǒng)的一個組成部分。管理系統(tǒng)可實現(xiàn)的功能如下。

(1)能在監(jiān)控中心實時存儲、顯示高位水池液位數(shù)據(jù)。

(2)能自動根據(jù)液位狀態(tài)對水泵進行相應(yīng)聯(lián)動控制操作，也可以由管理人員手動遠程控制水泵啟閉，一旦液位過低則啟動報警程序通知管理人員。

(3)可對各個設(shè)備的狀態(tài)進行周期性采集、存儲和提示。

(4)對高位水池內(nèi)部和外場加裝紅外攝像機，通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)同步傳輸水池內(nèi)部和外場視頻，即使液位數(shù)據(jù)傳輸故障，還可通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測高位水池液位狀態(tài)，有效加強監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖1 隧道監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示，以數(shù)據(jù)為中心進行結(jié)構(gòu)分層，共分為6層。各分層相對獨立，耦合度小，利于擴展，子結(jié)構(gòu)獨立演化，為實現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)采集提供了保證，通過替換通訊層，可實現(xiàn)策略、預(yù)案的模擬仿真。系統(tǒng)以數(shù)據(jù)為中心可發(fā)揮數(shù)據(jù)庫效率高、支持并發(fā)操作的優(yōu)勢，降低分層間數(shù)據(jù)交互的復(fù)雜性;各種開發(fā)工具對數(shù)據(jù)庫有著很好的支持，降低了開發(fā)難度;數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品的穩(wěn)定性為監(jiān)控軟件的穩(wěn)定提供保障;用數(shù)據(jù)庫代替消息中間件，可使成本降低，各分層之間的數(shù)據(jù)交換異步化，進一步降低各分層之間的耦合度。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

設(shè)備層包括液位探測儀、數(shù)字顯示控制儀、水泵等高位水池現(xiàn)場安裝的各類設(shè)備，是對外場設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集和控制的模擬量采集模塊、開關(guān)量輸入輸出模塊以及PLC控制系統(tǒng)等;通信層收集各類數(shù)據(jù)(包括設(shè)備運行參數(shù)信息、設(shè)備運行狀態(tài)及故障信息、從上下級監(jiān)控系統(tǒng)獲得的信息)，下發(fā)設(shè)備控制指令;存儲層除了保存通信采集層的各類數(shù)據(jù)之外，還是各分層間的協(xié)作中樞，為各層的數(shù)據(jù)交換提供支持;數(shù)據(jù)處理層包括兩大功能，一是通過對設(shè)備數(shù)據(jù)的綜合分析，提供設(shè)備預(yù)警功能，二是通過預(yù)先設(shè)定的算法和控制策略實現(xiàn)對設(shè)備的自動控制;監(jiān)控管理層提供可視化的設(shè)備控制和系統(tǒng)管理功能［14］。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計原理

系統(tǒng)設(shè)計原理如圖3所示，在高位水池現(xiàn)場增設(shè)液位儀測量高度，數(shù)字顯示控制儀對采集到的液位模擬量信號進行現(xiàn)場數(shù)顯，并對模擬量信號進行控制運算和線性矯正。數(shù)字顯示控制儀輸出接口連接至消防配電箱的PLC模擬量采集模塊和PLC控制器，經(jīng)過現(xiàn)場交換機接入隧道工業(yè)以太網(wǎng)，實現(xiàn)液位數(shù)據(jù)回傳監(jiān)控中心［15］?，F(xiàn)場PLC控制器的開關(guān)量輸入輸出模塊與水泵交流接觸器連接，通過PLC控制器實現(xiàn)對水泵的自動控制和遠程操作指令的發(fā)布。水池內(nèi)部和水池外場的紅外攝像機的視頻圖像通過光纖收發(fā)器傳輸至消防控制箱內(nèi)的光交換機，接入視頻監(jiān)控系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)，實現(xiàn)水池監(jiān)控圖像向監(jiān)控中心的回傳。監(jiān)控中心監(jiān)控管理機和服務(wù)器將液位數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)參數(shù)集中顯示、分析和存儲并進行控制，實現(xiàn)預(yù)期功能。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計原理

2.3 系統(tǒng)控制模式設(shè)計

根據(jù)隧道高位水池液位變化和設(shè)計容量的情況，制定系統(tǒng)液位控制策略為:高位水池液位警戒高度為1.5 m，當(dāng)液位低于1.5 m系統(tǒng)自動開啟主、副水泵模式并發(fā)出警報提示時，值機人員注意排查消防管道是否存在大面積滲液;當(dāng)液位升高到2.5 m時，主泵關(guān)閉、副泵開啟以維持水池液位穩(wěn)定?？刂崎撝悼筛鶕?jù)實際情況在操作軟件上進行更改。

系統(tǒng)控制模式分為本地人工控制、系統(tǒng)自動控制、監(jiān)控中心管理員人工遠程控制3種?？刂屏鞒倘鐖D4所示。本地控制是管理人員直接在高位水池配電控制柜內(nèi)直接對水泵進行啟閉操作，一般是在通訊數(shù)據(jù)故障及設(shè)備檢修狀況下進行。系統(tǒng)自動控制是監(jiān)控管理軟件根據(jù)實時采集到的液位有效數(shù)據(jù)和已設(shè)定的液位控制策略，向現(xiàn)場PLC控制模塊發(fā)出相應(yīng)模式的水泵控制命令，以實現(xiàn)高位水池液位自動化反饋調(diào)節(jié)和控制。如果監(jiān)控中心值機人員在監(jiān)控系統(tǒng)水池內(nèi)外部的實時視頻圖像中發(fā)現(xiàn)有控制策略之外的異常事件，可直接在監(jiān)控管理軟件上對水泵狀態(tài)進行控制［16］。

2.4 采集數(shù)據(jù)濾波處理

圖4 系統(tǒng)控制流程

回傳的實時液位數(shù)據(jù)需濾波處理，防止數(shù)據(jù)噪聲觸發(fā)控制操作，從而提高檢測精度。由于液位數(shù)據(jù)變化是連續(xù)量，數(shù)據(jù)突變可能性較小，經(jīng)對比研究發(fā)現(xiàn)，在監(jiān)控軟件設(shè)計中采取限幅平均濾波算法能有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾［17-18］。在軟件設(shè)計中，將監(jiān)控軟件采集周期設(shè)置為5 s，每次采樣到新值時均需判斷，對第n次采集到的數(shù)據(jù)An進行有效幅度判斷:首先，剔除幅度之外的數(shù)據(jù);其次，若本次采樣值與歷史采樣平均值之差小于設(shè)定的最大采樣偏離值，則本次采樣值有效，并及時更新歷史采樣平均值;若本次采樣值與歷史采樣平均值之差大于最大采樣偏離值，則本次采樣值無效，剔除此次采樣值，并選取歷史采樣平均值作為本次采樣值。所以，通過限幅濾波的采樣最終輸出值Mn為

式中:An為第n次采集到的數(shù)據(jù);Ac為歷史采樣平均值;At為系統(tǒng)設(shè)定的最大采樣偏離值。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)液位傳感器采用星儀CYW11通用型，數(shù)顯控制儀表使用昌輝SWP-C803型號。為了與現(xiàn)有隧道監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)兼容，現(xiàn)場PLC控制器CPU模塊、開關(guān)量輸入輸出模塊、以太網(wǎng)模塊以及模擬量輸入模塊均使用羅克韋爾公司(AB)1756系列設(shè)備。監(jiān)控管理軟件系統(tǒng)使用delphi 2006和SQL Server 2005開發(fā)。PLC數(shù)據(jù)通訊采用RSLinx Classic組態(tài)軟件進行編程和實現(xiàn)，RSLinx Classic加入了先進的數(shù)據(jù)優(yōu)化技術(shù)，并包含一套診斷機制，應(yīng)用程序編程接口(API)支持用RSLinx Classic SDK開發(fā)的自定義應(yīng)用序。

系統(tǒng)軟件主界面如圖5所示，主要由4個部分組成:狀態(tài)監(jiān)視區(qū)顯示液位監(jiān)測系統(tǒng)工作、主副泵開啟、低位報警值狀態(tài)等;操作菜單區(qū)可對水泵進行控制操作;設(shè)備控制區(qū)顯示液位監(jiān)測系統(tǒng)開始、停止、參數(shù)設(shè)置等功能;運行反饋區(qū)顯示液位監(jiān)測系統(tǒng)指令下達與反饋狀態(tài)。當(dāng)水位監(jiān)測軟件處于正常運行狀態(tài)時，軟件系統(tǒng)的指令下達與反饋均可5 s實現(xiàn)1次反饋，自動與現(xiàn)場液位監(jiān)控設(shè)備進行數(shù)據(jù)交互，獲取高位水池液位高度數(shù)據(jù)以及水泵運行情況，并把獲取的數(shù)據(jù)代碼展示到監(jiān)控軟件界面下部的白色文本框中。

圖5 軟件主界面

根據(jù)上文系統(tǒng)控制模式設(shè)計，系統(tǒng)軟件可根據(jù)實際需求設(shè)置相應(yīng)的控制模式，設(shè)定水泵開啟與關(guān)閉的液位閾值，也包含低液位報警開關(guān)的設(shè)置。如果設(shè)置為開，當(dāng)液位低于設(shè)定值后，彈出報警頁面并報警，如果設(shè)置為關(guān)，低于設(shè)定值后不進行報警?？刂茀?shù)設(shè)置的界面如圖6所示。

圖6 軟件參數(shù)設(shè)置界面

4 結(jié)語

目前，本文設(shè)計的高位水池液位管理系統(tǒng)已開發(fā)測試完成并投入使用，實現(xiàn)了隧道高位水池液位的監(jiān)控管理和水泵遠程聯(lián)動控制，能有效增強隧道水消防系統(tǒng)的安全保障，提升運行效率，降低維護成本。對于長大隧道的高位水池液位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計，應(yīng)該充分利用、整合隧道其余監(jiān)控系統(tǒng)資源，減少資源浪費。對高位水池液位采集實時數(shù)據(jù)進行限幅平均濾波算法，可大大提高數(shù)據(jù)采集的實時性和準確性。同時，系統(tǒng)監(jiān)控軟件操作界面宜根據(jù)功能需要進行合理的分區(qū)布局，達到操作便利和狀態(tài)直觀的目的。下一步將根據(jù)系統(tǒng)日常用水量、消防泵開啟時間以及供水壓力等數(shù)據(jù)，對現(xiàn)有監(jiān)控業(yè)務(wù)進行挖掘和分析，探求長大隧道消防水系統(tǒng)的運行規(guī)律和最佳養(yǎng)管模式。

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