基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的隧道配電房智能監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)高速公路隧道配電房管理現(xiàn)狀，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套無(wú)人值守的配電房智能監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)控配電房的運(yùn)行狀態(tài)，遇到異常情況能及時(shí)向監(jiān)控員發(fā)出報(bào)警，保證了隧道內(nèi)交通的安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);無(wú)人值守配電房;智能監(jiān)控管理系統(tǒng)

0 引言

高速公路隧道配電房通常分布零散，相隔距離較遠(yuǎn)，所處地理環(huán)境比較復(fù)雜，不利于人工對(duì)其進(jìn)行管理維護(hù)，而配電房?jī)?nèi)部設(shè)備都非常重要，是隧道機(jī)電系統(tǒng)的核心設(shè)備。因此，人們對(duì)配電房的運(yùn)行環(huán)境、安防等管理提出了新的要求，需要對(duì)煙霧、溫濕度、供配電設(shè)施、門禁狀態(tài)、室內(nèi)照明、通風(fēng)、人員入侵以及視頻信息等進(jìn)行集中監(jiān)控管理和分析，以便人員及時(shí)準(zhǔn)確地掌握設(shè)備運(yùn)行信息，實(shí)現(xiàn)故障精確定位，為配電房的安全、可靠運(yùn)行提供有力保障。為此，在現(xiàn)有的高速公路隧道配電房?jī)?nèi)設(shè)置智能化監(jiān)控系統(tǒng)，可以減輕監(jiān)控員和外勤人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本，保證隧道內(nèi)交通的安全運(yùn)行。

1 隧道配電房管理現(xiàn)狀

本文以某高速公路隧道管理所為例，該管理所管轄了3座隧道，一共有5座配電房，這些配電房已投入運(yùn)行15年。當(dāng)時(shí)配電房設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低，沒(méi)有配置智能管理系統(tǒng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)供配電設(shè)備的監(jiān)控和配電房環(huán)境的監(jiān)控，現(xiàn)有監(jiān)控設(shè)施只能讓監(jiān)控員通過(guò)安裝在配電房?jī)?nèi)的攝像機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)控制軟件實(shí)現(xiàn)抽屜柜的開(kāi)合閘。每天外勤人員只進(jìn)行一次配電房巡檢，并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)對(duì)配電房的實(shí)時(shí)監(jiān)控。隧道配電房均設(shè)置在山區(qū)，植被茂盛，動(dòng)物較多，在天氣炎熱、潮濕、梅雨等極端環(huán)境中，設(shè)備運(yùn)行在高溫、潮濕等惡劣環(huán)境下，嚴(yán)重威脅設(shè)備的安全運(yùn)行，成為影響隧道正常運(yùn)行的安全隱患。

2 物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分。顧名思義，物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，包含了兩層意思：第一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，它是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò);第二，其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信。

物聯(lián)網(wǎng)主要由3部分構(gòu)成：感知互動(dòng)層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用服務(wù)層。感知互動(dòng)層，主要由傳感系統(tǒng)、識(shí)別系統(tǒng)和相關(guān)外圍設(shè)備構(gòu)成，具體包括各種配電房溫濕度傳感器、電力儀表、防盜傳感器、煙霧傳感器、攝像頭等設(shè)備，主要負(fù)責(zé)信息采集、信息轉(zhuǎn)換和信息收集。傳感器是觀察和測(cè)量的裝置，類似于人類的感官系統(tǒng)，傳感器技術(shù)涉及學(xué)科眾多，包括光學(xué)、聲學(xué)、半導(dǎo)體技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、信息技術(shù)、微電子技術(shù)等。

網(wǎng)絡(luò)傳輸層，包含移動(dòng)數(shù)據(jù)、藍(lán)牙、光纖和電纜等，主要負(fù)責(zé)信息的提取和傳輸，是連接應(yīng)用層和感知層的數(shù)據(jù)通道。其關(guān)鍵技術(shù)包括無(wú)線通信技術(shù)、Web技術(shù)、數(shù)據(jù)管理技術(shù)、ZigBee技術(shù)等。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)多種不同設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接入，感知層中的感知設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)傳輸層的連接是通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)的。

應(yīng)用服務(wù)層，包含本地主機(jī)和控制器、物聯(lián)網(wǎng)中間件和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)。應(yīng)用層主要是基于計(jì)算機(jī)和軟件技術(shù)進(jìn)行各種數(shù)據(jù)處理。作為海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析平臺(tái)的云計(jì)算技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的重要組成部分。物聯(lián)網(wǎng)中間件可以將計(jì)算機(jī)管理、設(shè)備控制和定位進(jìn)行統(tǒng)一封裝，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與各個(gè)行業(yè)的服務(wù)系統(tǒng)相連，對(duì)互聯(lián)網(wǎng)傳送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、過(guò)濾、整合后，提供給所需的后端應(yīng)用系統(tǒng)。

3 隧道配電房智能監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，本文提出了隧道配電房智能監(jiān)控管理系統(tǒng)的集成技術(shù)解決方案。本文以某配電房為例，通過(guò)在配電房?jī)?nèi)設(shè)置環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，檢測(cè)漏水、煙霧、溫濕度、人員入侵等信息，設(shè)置供配電設(shè)備的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控各個(gè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并上傳至中控室，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的集中監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)分析，能夠?qū)崿F(xiàn)及時(shí)記錄、查詢和自動(dòng)報(bào)警等功能，讓監(jiān)控員和外勤人員及時(shí)接收到告警信息，以便及時(shí)處理異常事故。

隧道配電房智能監(jiān)控管理系統(tǒng)由智能設(shè)備、傳輸線路和集成監(jiān)控主機(jī)組成。配電房?jī)?nèi)所有設(shè)備通過(guò)以太網(wǎng)、串口服務(wù)器接入到網(wǎng)絡(luò)內(nèi);集成監(jiān)控主機(jī)直接接入監(jiān)控以太網(wǎng)，與中控室網(wǎng)絡(luò)相連，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。該系統(tǒng)采用集中管理、分散控制的方式，不但滿足了對(duì)分散監(jiān)控點(diǎn)集中統(tǒng)一管理的需要，更滿足了數(shù)據(jù)安全等方面的要求。

4 配電房智能監(jiān)控管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

配電房需安裝的采集設(shè)備有煙霧傳感器、溫濕度傳感器、漏水傳感器、紅外防盜傳感器、集成監(jiān)控主機(jī)、三層交換機(jī)等。

（1）集成監(jiān)控主機(jī)帶有串口通信、AI/DI、以太網(wǎng)接口，可以對(duì)配電房運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)以太網(wǎng)接口接入到監(jiān)控環(huán)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)傳輸至隧道管理所中控室的服務(wù)器進(jìn)行處理，現(xiàn)場(chǎng)采用機(jī)架式無(wú)風(fēng)扇工控機(jī)，保證系統(tǒng)安全可靠、維護(hù)方便。

（2）低壓配電柜監(jiān)控設(shè)施，采用遠(yuǎn)程電源管理控制器，不僅可以顯示每個(gè)抽屜柜、智能斷路器的電流、電壓、負(fù)載等，還能顯示雙電源工作狀態(tài)以及配電柜內(nèi)的溫濕度、煙霧、門禁等信息。當(dāng)門禁被打開(kāi)、煙霧產(chǎn)生時(shí)會(huì)觸發(fā)報(bào)警。遠(yuǎn)程電源管理控制器與各個(gè)抽屜柜的儀表使用485接口連接，采用國(guó)際通用的SNMP、Modbus協(xié)議等通信，讀取儀表數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程電源管理控制器使用以太網(wǎng)接口接入到監(jiān)控環(huán)網(wǎng)，中控室服務(wù)器直接讀取配電柜的運(yùn)行狀態(tài)和相關(guān)數(shù)據(jù)。

（3）溫濕度傳感器：配電房?jī)?nèi)的電子設(shè)備對(duì)環(huán)境溫濕度有較高的要求，保障機(jī)房環(huán)境條件，對(duì)充分發(fā)揮系統(tǒng)性能，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，確保數(shù)據(jù)安全性以及準(zhǔn)確性具有重要意義。本文設(shè)計(jì)的智能監(jiān)控管理系統(tǒng)內(nèi)的溫濕度傳感器將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸給集成監(jiān)控主機(jī)，通過(guò)監(jiān)控主機(jī)發(fā)送給中控室的服務(wù)器，就可以在監(jiān)控室監(jiān)控電腦上進(jìn)行直觀顯示。一旦溫濕度超過(guò)臨界值，系統(tǒng)會(huì)提醒監(jiān)控人員并自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)扇，記錄下相關(guān)數(shù)據(jù)，監(jiān)控員可以根據(jù)各季節(jié)的溫濕度狀況進(jìn)行調(diào)整，防止溫濕度變化對(duì)設(shè)備造成不必要的損害。

（4）煙霧探測(cè)器：由光電煙感發(fā)出的報(bào)警信號(hào)（開(kāi)關(guān)量信號(hào)），傳送至監(jiān)控主機(jī)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)是否發(fā)生火災(zāi)，如果遇到火災(zāi)，系統(tǒng)自動(dòng)在中控室監(jiān)控電腦上發(fā)出告警，提醒監(jiān)控員。

（5）漏水檢測(cè)器：配電房?jī)?nèi)強(qiáng)電、弱電、光纜、信號(hào)線縱橫交錯(cuò)，配電房一旦漏水，后果不堪設(shè)想。配電房漏水不容易被發(fā)現(xiàn)，需要對(duì)配電房?jī)?nèi)的漏水狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。本系統(tǒng)采用漏水檢測(cè)器，通過(guò)檢測(cè)電阻，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量輸出，采用直流12 V供電，應(yīng)用簡(jiǎn)單可靠。

（6）紅外探測(cè)器：隧道配電房是無(wú)人值守的配電房，為了防止非法入侵，在配電房?jī)?nèi)安裝紅外探測(cè)器，誤報(bào)率低，性價(jià)比高。如果發(fā)生入侵事件，報(bào)警器通過(guò)輸出模塊，將開(kāi)關(guān)量信號(hào)抄送給控制主機(jī)。該探測(cè)器采用直流12 V供電，吸頂安裝，可全方位360°探測(cè)，探測(cè)直徑達(dá)8 m，功耗小于1 W。

（7）監(jiān)控?cái)z像機(jī)：系統(tǒng)采用帶有移動(dòng)報(bào)警功能的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，像素高，采用POE供電，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電房的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備對(duì)配電房?jī)?nèi)的溫濕度、門禁狀態(tài)、漏水狀態(tài)、煙霧、電力數(shù)據(jù)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將采集的信息通過(guò)局域網(wǎng)實(shí)時(shí)傳送給中控室的監(jiān)控服務(wù)器，并直觀顯示在監(jiān)控電腦上。

5 配電房智能監(jiān)控管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

配電房智能監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件對(duì)監(jiān)控服務(wù)器采集到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理、記錄、統(tǒng)計(jì)等，將數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果形象地顯示在界面上，使監(jiān)控員和外勤人員能夠直觀、輕松地掌握整個(gè)配電房的運(yùn)行狀態(tài)。此外，該系統(tǒng)還具備權(quán)限管理、報(bào)警管理、日志管理、報(bào)表輸出等功能，配電房監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)和隧道控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。

該系統(tǒng)軟件需要支持TCP/IP、Modbus、SNMP等眾多協(xié)議，支持二次開(kāi)發(fā)，具有以下功能：

（1）采用電子地圖模式，直觀顯示隧道配電房的位置和各個(gè)配電柜、抽屜柜的位置，通過(guò)全局地圖了解配電房是否有報(bào)警信息，在地圖中選中一個(gè)配電房后進(jìn)入該配電房進(jìn)行整體巡查，包括巡查溫濕度等信息，在布置圖上選中一個(gè)配電柜可以查看該配電柜的電壓、電流等信息。

（2）通過(guò)查看系統(tǒng)日志和報(bào)表，了解各個(gè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)并生成報(bào)表。

（3）在監(jiān)控系統(tǒng)軟件上，可以隨意選擇聯(lián)動(dòng)的設(shè)備。比如，當(dāng)檢測(cè)到配電房溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，打開(kāi)排風(fēng)扇，對(duì)配電房進(jìn)行降溫，以保護(hù)設(shè)備。當(dāng)煙霧傳感器檢測(cè)到有火災(zāi)煙霧時(shí)，立即自動(dòng)啟動(dòng)排風(fēng)扇并自動(dòng)切斷智能斷路器、切斷電源等。這些功能使“無(wú)人值守”配電房的實(shí)現(xiàn)成為可能。

6 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的隧道配電房智能監(jiān)控管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了隧道配電房集中監(jiān)控、精確故障定位、及時(shí)報(bào)警的管理模式，提高了對(duì)隧道配電房的監(jiān)控能力以及對(duì)數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理和分析的水平，為高速公路信息化應(yīng)用和綜合管理系統(tǒng)應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的運(yùn)維保障，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

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收稿日期：2020-07-24

作者簡(jiǎn)介：陳咨鑫（1976—），男，浙江平陽(yáng)人，助理工程師，研究方向：高速公路機(jī)電。