李貴文 郭鎮(zhèn)江 伏冬孝 王浦安
(云南省交通科學(xué)研究院 昆明 650000)
隨著我國交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展,隧道建設(shè)越來越多,其潛在災(zāi)害也得到了更多的重視。在已發(fā)生的各種隧道事故中,隧道火災(zāi)是較嚴(yán)重的一種,不僅會(huì)導(dǎo)致整條線路交通的癱瘓,而且會(huì)造成巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因此,對(duì)交通隧道采取火災(zāi)監(jiān)測尤其重要。
目前的隧道火災(zāi)監(jiān)測技術(shù)主要有如下3種:基于多波長紅外火焰探測器的隧道火災(zāi)監(jiān)測技術(shù),基于分布式光纖溫度傳感器的隧道火災(zāi)監(jiān)測技術(shù)及基于光纖光柵感溫火災(zāi)探測器的隧道火災(zāi)監(jiān)測技術(shù)[1-5]。以上技術(shù)通過火焰產(chǎn)生時(shí)波長、溫度等信號(hào)變化,實(shí)時(shí)監(jiān)測隧道火災(zāi)是否發(fā)生,但無法預(yù)測火災(zāi)發(fā)生的可能性。隨著傳感器及人工智能技術(shù)的發(fā)展,一些新方法在火災(zāi)監(jiān)測和應(yīng)急處理中出現(xiàn),如基于圖像處理技術(shù)的圖像型火災(zāi)探測器及相應(yīng)的火災(zāi)監(jiān)測方法,以及機(jī)器學(xué)習(xí)算法在傳感器優(yōu)化中的應(yīng)用[6-9],但仍無法預(yù)測火災(zāi)的發(fā)生。隨著監(jiān)測要求的提高,大范圍、多參數(shù)成為隧道火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn),網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被應(yīng)用于數(shù)據(jù)監(jiān)測中[10-11],但在火災(zāi)預(yù)測上仍只能在火災(zāi)發(fā)生后進(jìn)行預(yù)警。
針對(duì)上述問題,本文提出了一種基于溫濕度感知的隧道火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng),能夠依靠溫濕度感知預(yù)測火災(zāi)的發(fā)生,監(jiān)測多項(xiàng)隧道內(nèi)空氣參數(shù),并通過處理監(jiān)測的數(shù)據(jù)對(duì)隧道機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行決策,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制設(shè)備。
目前的隧道火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)大都忽略了隧道內(nèi)空氣質(zhì)量與火情間的關(guān)聯(lián),而且僅當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)才能進(jìn)行預(yù)警,無法實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的提前預(yù)測。
為更廣泛地滿足隧道監(jiān)測的需求,本文將火災(zāi)預(yù)測和空氣質(zhì)量監(jiān)測結(jié)合起來,提出了一種更完善的隧道火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)。本監(jiān)測系統(tǒng)從執(zhí)行層次上分為信息感知層、數(shù)據(jù)分析層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)處理層、執(zhí)行層,功能模塊由溫濕度感知模塊、空氣質(zhì)量監(jiān)測模塊、調(diào)控模塊組成,其整體架構(gòu)如圖1所示。
圖1 隧道火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)整體架構(gòu)
其中,信息感知層由溫濕度感知模塊和空氣質(zhì)量監(jiān)測模塊構(gòu)成,溫濕度感知模塊能夠通過溫濕度傳感器實(shí)時(shí)反饋隧道內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)溫度、濕度的數(shù)據(jù),空氣質(zhì)量監(jiān)測模塊能夠監(jiān)測隧道內(nèi)各項(xiàng)空氣參數(shù);數(shù)據(jù)分析層負(fù)責(zé)對(duì)信息感知層數(shù)據(jù)進(jìn)行分析;數(shù)據(jù)傳輸層傳輸處理好的數(shù)據(jù)以進(jìn)行下一步的儲(chǔ)存或調(diào)控等操作;數(shù)據(jù)處理層表現(xiàn)為主節(jié)點(diǎn)對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理,下達(dá)記錄實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或激活應(yīng)急處理的指令;執(zhí)行層由調(diào)控模塊控制,調(diào)控逃生通道和應(yīng)急燈等機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行,預(yù)測火災(zāi)的發(fā)生,根據(jù)空氣參數(shù)調(diào)節(jié)隧道內(nèi)通風(fēng)設(shè)備的運(yùn)行,保證隧道內(nèi)空氣質(zhì)量。
本系統(tǒng)建立的目標(biāo)為對(duì)隧道火災(zāi)發(fā)生情況進(jìn)行預(yù)測并調(diào)控隧道內(nèi)空氣質(zhì)量,因此信息感知層承擔(dān)重要的數(shù)據(jù)采集工作。信息感知層的功能模塊為溫濕度感知模塊和空氣質(zhì)量監(jiān)測模塊。功能是感知各監(jiān)測子節(jié)點(diǎn)的溫度、濕度及空氣中粉塵、一氧化碳、氮氧化物、碳?xì)浠衔?、氧氣的含量?/p>
雖然引發(fā)隧道火災(zāi)的原因很復(fù)雜,但其本質(zhì)仍是火焰的產(chǎn)生,發(fā)生火災(zāi)仍需滿足燃燒三要素。燃燒三要素中,可燃物和火源對(duì)于監(jiān)測屬于不可控因素,但引發(fā)火災(zāi)所需的高溫及低空氣濕度是可測量。隧道火災(zāi)發(fā)生前,隧道內(nèi)溫濕度監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)值變化一定會(huì)達(dá)到一個(gè)臨界點(diǎn),若能實(shí)時(shí)并且快速地得到監(jiān)測點(diǎn)溫濕度的數(shù)據(jù),就能在數(shù)據(jù)達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的預(yù)測,因此可以通過對(duì)隧道內(nèi)溫度及濕度的感知實(shí)現(xiàn)隧道火災(zāi)的預(yù)測?;谒淼阑馂?zāi)預(yù)測的原理,溫濕度感知模塊應(yīng)包括溫濕度數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸3個(gè)功能。
2.1.1 溫濕度數(shù)據(jù)采集
在大長隧道中傳輸距離長,測溫方式不直接接觸火源,需要監(jiān)測并傳輸空間溫度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),且要滿足溫度的急劇變化,因此需選擇一種測量范圍廣、分辨率高、能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定遠(yuǎn)程傳輸?shù)臏囟葌鞲衅鳌?/p>
光纖溫度傳感器采取非接觸式測溫方法,依靠受溫度影響折射率發(fā)生變化的方式感溫,無需接觸火源,分辨率為0.1 ℃,空間分辨率可達(dá)3 m,傳感距離20~40 km,靈敏度高,傳輸距離長,測量范圍廣,且是無源器件,對(duì)被測對(duì)象不產(chǎn)生影響,不會(huì)產(chǎn)生設(shè)備引發(fā)火災(zāi)的情況,光纖耐高壓、耐腐蝕,在易燃、易爆環(huán)境下工作可靠,其特性可滿足隧道內(nèi)溫度感知的需求,因此本系統(tǒng)采用光纖溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)溫度感知。
當(dāng)隧道內(nèi)空氣相對(duì)濕度較低時(shí),極易發(fā)生火災(zāi),因此需選擇一種能夠測量空氣相對(duì)濕度且靈敏度高的濕度傳感器。
碳濕敏元件具有響應(yīng)速度快、重復(fù)性好、靈敏度高、無沖蝕效應(yīng)和滯后環(huán)窄等優(yōu)點(diǎn),測量不確定度不超過±5% RH,時(shí)間常數(shù)在正溫時(shí)為2~3 s,滯差在7%左右,適用于隧道內(nèi)濕度的感知。
由光纖溫度傳感器和碳濕敏傳感器組成的溫度感知模塊能夠準(zhǔn)確并高效地監(jiān)測隧道內(nèi)溫濕度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),滿足本系統(tǒng)提出的實(shí)時(shí)、快速的要求。
2.1.2 溫濕度數(shù)據(jù)處理
數(shù)據(jù)處理可以通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。溫濕度感知模塊所采集的溫度、濕度數(shù)據(jù)形式簡單,且不需要進(jìn)行復(fù)雜處理,因此使用CD4081單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和處理完全可行。
火災(zāi)預(yù)測是一個(gè)實(shí)時(shí)指令,若正常數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)均通過同一總線傳輸,則數(shù)據(jù)處理過程會(huì)發(fā)生滯后,大大影響預(yù)測的準(zhǔn)確性。為提高數(shù)據(jù)處理的效率,本模塊設(shè)計(jì)雙總線接收溫濕度數(shù)據(jù),以與門的方式對(duì)總線進(jìn)行激活以觸發(fā)不同的數(shù)據(jù)處理方式。
使正常數(shù)據(jù)輸出為0,異常數(shù)據(jù)輸出為1,則總線1,2的與門判斷方式如表1所示。
表1 總線1,2的與門判斷方式
當(dāng)數(shù)據(jù)均正常或僅一項(xiàng)數(shù)據(jù)異常時(shí),與門輸出低電平;數(shù)據(jù)均異常時(shí),輸出高電平。雙總線的電路設(shè)計(jì)如圖2所示。
圖2 雙總線電路
當(dāng)輸出為低電平時(shí),開關(guān)狀態(tài)不變,激活總線1,數(shù)據(jù)處理方式為調(diào)取存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并傳輸;當(dāng)輸出為高電平時(shí),常閉開關(guān)斷開,常開開關(guān)閉合,激活總線2,數(shù)據(jù)處理方式為直接連通控制模塊對(duì)火災(zāi)進(jìn)行預(yù)測并調(diào)控隧道機(jī)電設(shè)備運(yùn)行。
雙總線的設(shè)計(jì)能夠有效對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分流,提高了數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)男省?/p>
2.1.3 溫濕度數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸
相對(duì)于有線傳輸,利用無線傳輸?shù)姆绞匠杀靖?,信?hào)范圍更廣,可有效確保溫濕度傳感與主控制器間的數(shù)據(jù)傳輸。
數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無線傳輸可以通過路由節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。在每兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)之間設(shè)置一個(gè)路由節(jié)點(diǎn),單片機(jī)通過串口連接紅外接收/發(fā)送器,數(shù)據(jù)以Wi-Fi傳輸?shù)姆绞酵ㄟ^路由節(jié)點(diǎn)無線傳輸至主節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)。本模塊數(shù)據(jù)傳輸流程如圖3所示。
由于隧道為半封閉結(jié)構(gòu),車輛行駛產(chǎn)生的污染物如不及時(shí)排出,將嚴(yán)重影響隧道內(nèi)駕乘人員的行車安全和身體健康,且隧道內(nèi)氧氣含量過低也會(huì)對(duì)駕駛員造成影響。因此,對(duì)隧道內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測對(duì)隧道安全具有重要意義。
圖3 數(shù)據(jù)傳輸流程
2.2.1 空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)采集
在隧道空氣污染物中,粉塵、一氧化碳、氮氧化物和碳?xì)浠衔锸呛孔罡咔矣绊懽畲蟮?。粉塵會(huì)導(dǎo)致慢性病,大量吸入甚至?xí)?dǎo)致呼吸困難,出現(xiàn)窒息;一氧化碳會(huì)使駕駛員缺氧,引起頭痛、眩暈,甚至窒息死亡;氮氧化物會(huì)刺激人的呼吸道,誘發(fā)支氣管類、肺氣腫等疾?。惶?xì)浠衔飼?huì)刺激眼睛、呼吸器官及皮膚, 更可能與氮氧化物形成光化學(xué)煙霧,導(dǎo)致人呼吸困難。同時(shí),隧道內(nèi)氧氣的含量也關(guān)乎行車安全。因此,本模塊將對(duì)粉塵、一氧化碳、氮氧化物、碳?xì)浠衔锖脱鯕獾暮窟M(jìn)行監(jiān)測。
粉塵的監(jiān)測使用SDS018粉塵傳感器,能夠得到0.3~10 μm懸浮顆粒物濃度,精度高、響應(yīng)快;一氧化碳監(jiān)測使用ME3-CO一氧化碳傳感器,其公稱范圍可達(dá)到1 000 ppm,分辨率為0.5 ppm,具有較高的穩(wěn)定性;氮氧化物監(jiān)測使用SGA-700B-NOX氮氧化物濃度傳感器,自帶溫度補(bǔ)償,測量精確,接口多樣,可對(duì)多種有毒氣體進(jìn)行監(jiān)測;碳?xì)浠衔锉O(jiān)測使用SGA-700-HC智能型碳?xì)浠衔餁怏w傳感器,誤差≤±3%,工作溫度-20~50 ℃,適應(yīng)性好;氧氣監(jiān)測使用SGA-400-O2智能型氧氣傳感器,能夠使用串口輸出,適合本系統(tǒng)要求的無線傳輸。
2.2.2 空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸
為實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測,本文采用Zig Bee 技術(shù)構(gòu)建空氣質(zhì)量監(jiān)測模塊。Zig Bee 技術(shù)是一種全分布式網(wǎng)絡(luò)、短距離無線通信系統(tǒng),監(jiān)測范圍廣、監(jiān)測精度和可靠性高、擴(kuò)展性強(qiáng),融合了傳感器、網(wǎng)絡(luò)、無線通信、單片機(jī)和自動(dòng)控制,適用于隧道多參數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、傳輸。
Zig Bee 技術(shù)采用的自組織網(wǎng)建立了一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)間互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò),在某一條通訊線路出現(xiàn)故障時(shí)能夠自動(dòng)尋找另一條通道傳輸數(shù)據(jù)。本模塊使用的網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。
在該Mesh網(wǎng)絡(luò)中,協(xié)調(diào)器作為網(wǎng)絡(luò)組織的管理者具有最高的網(wǎng)絡(luò)權(quán)限;全功能設(shè)備定義為主節(jié)點(diǎn),精簡功能設(shè)備定義為傳感器節(jié)點(diǎn)。
基于設(shè)置好的網(wǎng)絡(luò),空氣質(zhì)量監(jiān)測模塊監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖4 空氣質(zhì)量監(jiān)測模塊數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)
圖5 空氣質(zhì)量監(jiān)測模塊監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
本模塊由分布于隧道內(nèi)部的傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn),位于網(wǎng)絡(luò)末端的主節(jié)點(diǎn),數(shù)據(jù)接口及主控制器組成。相鄰兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)之間的距離為10 m,呈線狀分布,安裝于隧道頂部,每個(gè)節(jié)點(diǎn)均被標(biāo)定固定地址;傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、主節(jié)點(diǎn)間連接方式為網(wǎng)絡(luò)連接,主節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為全功能節(jié)點(diǎn),負(fù)責(zé)全部數(shù)據(jù)的收發(fā);傳感器節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)設(shè)置為精簡功能節(jié)點(diǎn),主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)?。主?jié)點(diǎn)通過接口電路與主控制器連接,選擇接口而不是網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞绞菫榱朔乐箶?shù)據(jù)丟包并提高數(shù)據(jù)傳輸速度,實(shí)現(xiàn)模塊的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性。
執(zhí)行層作為系統(tǒng)最后一層,是系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)層。為實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的預(yù)測和機(jī)電設(shè)備的遠(yuǎn)程調(diào)控,當(dāng)各傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)由數(shù)據(jù)感知層到數(shù)據(jù)處理層的處理之后,需要構(gòu)建調(diào)控模塊對(duì)信息進(jìn)行響應(yīng),遠(yuǎn)程調(diào)控隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備,如通風(fēng)設(shè)施、逃生通道、應(yīng)急燈等的運(yùn)行。
調(diào)控模塊具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。調(diào)控模塊的處理器接收路由器傳輸?shù)男畔⑻幚韺訑?shù)據(jù)并分析,依據(jù)分析結(jié)果對(duì)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控。
遠(yuǎn)程調(diào)控模塊中火災(zāi)預(yù)警的機(jī)電設(shè)備執(zhí)行方式如圖7所示。
當(dāng)監(jiān)測到的節(jié)點(diǎn)溫濕度超標(biāo)時(shí),啟動(dòng)火災(zāi)預(yù)警,隧道內(nèi)應(yīng)急燈亮,提醒駕駛者可能有火災(zāi)情況出現(xiàn),警示駕駛者小心駕駛。當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)溫度達(dá)到明火的溫度時(shí),說明已有火災(zāi)發(fā)生,立即打開逃生通道方便駕駛者疏散。根據(jù)相關(guān)部門的規(guī)定,隧道內(nèi)運(yùn)營溫度不得超過30 ℃,但由于車輛行駛或擁堵產(chǎn)生的高溫和低燃點(diǎn)的易燃物品存在,且出于人體舒適溫度的綜合考慮,將溫度臨界點(diǎn)定為40 ℃。根據(jù)資料,當(dāng)空氣相對(duì)濕度小于50% RH時(shí)易發(fā)生火災(zāi),因此將濕度臨界點(diǎn)定為50% RH。當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)高于臨界點(diǎn)和濕度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)低于臨界點(diǎn)兩個(gè)條件同時(shí)發(fā)生時(shí),即認(rèn)為隧道可能發(fā)生火災(zāi),立即進(jìn)行預(yù)警。
圖6 調(diào)控模塊具體結(jié)構(gòu)
圖7 火災(zāi)預(yù)警執(zhí)行方式
遠(yuǎn)程調(diào)控模塊中調(diào)節(jié)空氣質(zhì)量的機(jī)電設(shè)備執(zhí)行方式如圖8所示。當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)的污染物含量超標(biāo)時(shí),立即加大通風(fēng)通道功率,進(jìn)行有害氣體的排出;當(dāng)運(yùn)行一段時(shí)間后污染物含量仍超標(biāo),則說明發(fā)生了粉塵爆炸、火災(zāi)等產(chǎn)生大量有毒氣體和有害顆粒物的事故,需立即開啟逃生通道。
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn)過程中由系統(tǒng)軟件來實(shí)現(xiàn)各個(gè)物理量的采集及數(shù)據(jù)分析。其中,溫度監(jiān)測模塊主要實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)各個(gè)斷面溫度、結(jié)構(gòu)溫度、排煙道內(nèi)溫度的采集與數(shù)據(jù)分析;熱輻射監(jiān)測模塊主要采集各個(gè)斷面的熱輻射數(shù)據(jù),并通過總輻射熱流密度來反推火災(zāi)情況;煙霧流速監(jiān)測模塊主要實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)風(fēng)速及排煙道內(nèi)的風(fēng)速監(jiān)測,計(jì)算排煙能力;煙霧成分分析模塊主要處理煙霧分析儀中的數(shù)據(jù),繪制不同位置的煙霧成分?jǐn)?shù)據(jù)曲線。
圖8 空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)執(zhí)行方式
該系統(tǒng)主要在云南省某高速隧道進(jìn)行測試,監(jiān)測共分3個(gè)標(biāo)段,隧道具體情況如表2所示,系統(tǒng)布置如圖9所示。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,針對(duì)高速隧道內(nèi)部固定火源和移動(dòng)火源兩種火災(zāi)情況,該監(jiān)測系統(tǒng)均具有良好的探測和響應(yīng)性能。此外,通過判斷隧道內(nèi)部的風(fēng)速和風(fēng)向情況,該系統(tǒng)還可以對(duì)火源進(jìn)行定位,能夠應(yīng)對(duì)較為復(fù)雜的火災(zāi)環(huán)境。
表2 某高速隧道相關(guān)參數(shù)
圖9 火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場布置
(1)以目前的隧道火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)在預(yù)測火災(zāi)上的缺陷為出發(fā)點(diǎn),提出了一種基于溫濕度感知響應(yīng)的隧道火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng),以其執(zhí)行層次構(gòu)建了系統(tǒng)架構(gòu)。
(2)以溫濕度感知相結(jié)合的方式構(gòu)建了溫濕度感知模塊,準(zhǔn)確并快速地預(yù)測火災(zāi)發(fā)生。
(3)基于Zig Bee 技術(shù)構(gòu)建了空氣質(zhì)量監(jiān)測模塊,監(jiān)測多項(xiàng)隧道內(nèi)空氣參數(shù),并構(gòu)建了調(diào)控模塊,依據(jù)傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程控制機(jī)電設(shè)備。
(4)實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)的預(yù)測且能夠?qū)λ淼纼?nèi)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,提高了設(shè)備響應(yīng)的效率,對(duì)提高隧道安全水平、減少生命及財(cái)產(chǎn)損失、實(shí)現(xiàn)隧道機(jī)電一體化有一定的推進(jìn)作用。