涪秀鐵路黃草隧道瓦斯智能化監(jiān)控信息系統(tǒng)應(yīng)用研究

賀志榮，薛千里，李定國，左先宇

（中鐵二局集團(tuán)有限公司，四川 成都610031）

隨著“交通強(qiáng)國、鐵路先行”綱要的發(fā)出，加快了中國交通建設(shè)速度，鐵路、公路建設(shè)延伸至西部山區(qū)，山區(qū)建設(shè)隧道占比較大，地質(zhì)條件復(fù)雜，時(shí)常遇到穿越煤層、油氣層等不良地質(zhì)隧道，施工安全風(fēng)險(xiǎn)異常突出，為確保施工安全，隧道瓦斯?jié)舛鹊膶?shí)時(shí)監(jiān)控成了隧道施工的重要步驟和任務(wù)。目前，瓦斯隧道通過自動(dòng)檢測(cè)及人工監(jiān)測(cè)兩種方式完成對(duì)隧道瓦斯的監(jiān)測(cè)和安全管控。但在隧道瓦斯管理中，各瓦斯隧道監(jiān)測(cè)相互獨(dú)立，數(shù)據(jù)保存格式由各自采用的檢測(cè)設(shè)備決定，或以Excel、Word 等費(fèi)結(jié)構(gòu)化形式保留在項(xiàng)目本部電腦上。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)沒有統(tǒng)一的格式和標(biāo)準(zhǔn)，沒有集中進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理，無法為管理者提供更高層面的瓦斯隧道安全管理支撐。所以，開發(fā)一套隧道瓦斯智能化監(jiān)控信息系統(tǒng)來管理和分析隧道瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，可以加強(qiáng)隧道生產(chǎn)安全管理，加大管理力度，方便處理和保存瓦斯數(shù)據(jù)。

1 概況

新建黃草二線隧道位于武隆縣黃草鄉(xiāng)境內(nèi)和彭水縣高谷鎮(zhèn)境內(nèi)，緊臨既有渝懷線右側(cè)，兩線間距5～122 m。黃草隧道全長7 131 m，隧道最大埋深約為736 m，穿越頁巖夾炭質(zhì)頁巖、粉砂質(zhì)泥巖等巖層，地層本身具備生烴能力；同時(shí)結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)超前探孔及炮孔施工等情況，隧道瓦斯主要來源于志留系下統(tǒng)龍馬溪組底部的黑色頁巖夾炭質(zhì)頁巖、粉砂質(zhì)泥巖等巖層。

進(jìn)口斜井工區(qū)絕對(duì)瓦斯涌出量為1.416 m3/min，絕對(duì)二氧化碳涌出量為0.456 m3/min，進(jìn)口斜井為高瓦斯工區(qū)，YDK205+125～YDK206+250 為高瓦斯段落，瓦斯等級(jí)為二級(jí)，詳見圖1。

隧道在采用人工檢測(cè)和自動(dòng)檢測(cè)的基礎(chǔ)上，采用了集團(tuán)公司自主開發(fā)的隧道瓦斯智能化監(jiān)控信息系統(tǒng)進(jìn)行隧道瓦斯的數(shù)據(jù)采集、分析和瓦斯預(yù)警等瓦斯管理工作。

2 監(jiān)控信息系統(tǒng)體系

瓦斯監(jiān)控信息系統(tǒng)以系統(tǒng)服務(wù)器為核心，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，通過自動(dòng)采集和人工錄入兩種渠道實(shí)時(shí)收集黃草隧道瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，分析瓦斯?jié)舛茸兓厔?shì)，形成統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，并通過短信提醒、系統(tǒng)警報(bào)等手段及時(shí)提出預(yù)警，告知項(xiàng)目管理人員潛在的瓦斯風(fēng)險(xiǎn)，避免發(fā)生瓦斯隧道事故，減少瓦斯隧道風(fēng)險(xiǎn)損失，提高瓦斯隧道施工的安全系數(shù)，詳見圖2。

圖1 黃草隧道進(jìn)口斜井工區(qū)洞口實(shí)景圖

圖2 瓦斯隧道智能化監(jiān)控系統(tǒng)主界面圖

在已經(jīng)安裝瓦斯自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的項(xiàng)目上，洞內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過光纜或無線中繼方式將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至洞口瓦斯監(jiān)測(cè)中心機(jī)上，智能化隧道瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)通過讀取瓦斯檢測(cè)中心機(jī)中的檢測(cè)數(shù)據(jù)收集瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。對(duì)具備有線網(wǎng)絡(luò)條件的瓦斯監(jiān)測(cè)中心機(jī)房，直接通過有線網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至集團(tuán)公司瓦斯隧道監(jiān)測(cè)服務(wù)器上；對(duì)于不具備有線網(wǎng)絡(luò)條件的瓦斯監(jiān)測(cè)機(jī)房，可通過采用無線網(wǎng)卡方式傳輸數(shù)據(jù)。

集團(tuán)公司瓦斯檢測(cè)服務(wù)器負(fù)責(zé)接收、存儲(chǔ)和分析來自各條瓦斯隧道的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)分析結(jié)果，及時(shí)向隧道項(xiàng)目管理人員反饋瓦斯數(shù)據(jù)和發(fā)出預(yù)警，詳見圖3。

圖3 智能化隧道瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 系統(tǒng)功能

瓦斯隧道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)以隧道為單位，實(shí)時(shí)登記隧道中各瓦斯監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，系統(tǒng)將各隧道按瓦斯安全級(jí)別分類并向用戶展示；對(duì)隧道瓦斯?jié)舛瘸^國家法定標(biāo)準(zhǔn)的，通過手機(jī)應(yīng)用、短信、二局門戶系統(tǒng)等方式向項(xiàng)目和相關(guān)管理人員發(fā)送警報(bào)信息。

3.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集分為2 種方式：①對(duì)于已經(jīng)安裝的自動(dòng)瓦斯監(jiān)測(cè)設(shè)備中的數(shù)據(jù)，可通過部署計(jì)算機(jī)接入瓦斯監(jiān)測(cè)主機(jī)的串口接口，實(shí)時(shí)獲取隧道各瓦斯監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)獲取后，計(jì)算機(jī)通過有線網(wǎng)絡(luò)或3G 信號(hào)，經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)上傳至集團(tuán)公司瓦斯監(jiān)測(cè)服務(wù)器中。②通過人工手持設(shè)備監(jiān)測(cè)，并手工登錄系統(tǒng)填報(bào)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的方式完成數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)對(duì)人工監(jiān)測(cè)方式提供基于移動(dòng)設(shè)備的數(shù)據(jù)錄入接口，瓦檢員可通過手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備隨時(shí)隨地完成數(shù)據(jù)的錄入上傳工作。

3.2 數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)根據(jù)瓦斯隧道自動(dòng)或人工錄入的數(shù)據(jù)，能夠進(jìn)行相應(yīng)的瓦斯?jié)舛茸兓€繪制，分析判斷瓦斯?jié)舛茸兓厔?shì)，當(dāng)瓦斯?jié)舛茸兓徽r(shí)，及時(shí)向項(xiàng)目管理人員提出預(yù)警，詳見圖4。

3.3 分級(jí)預(yù)警

系統(tǒng)設(shè)置瓦斯?jié)舛阮A(yù)警級(jí)別，可包括正常、關(guān)注、危險(xiǎn)、危急等多個(gè)等級(jí)，根據(jù)實(shí)時(shí)瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，各瓦斯隧道可處于不同的危險(xiǎn)級(jí)別，在系統(tǒng)中按級(jí)別對(duì)隧道項(xiàng)目進(jìn)行分類展示。

系統(tǒng)以隧道為單位進(jìn)行瓦斯安全分級(jí)，當(dāng)瓦斯?jié)舛葦?shù)值超標(biāo)，或瓦斯?jié)舛?時(shí)間分析表明瓦斯?jié)舛茸兓徽r(shí)，可自動(dòng)將隧道的瓦斯安全級(jí)別進(jìn)行設(shè)置，及早提示項(xiàng)目、子公司和集團(tuán)公司各級(jí)管理人員進(jìn)行關(guān)注。管理人員和瓦檢員登錄系統(tǒng)后，系統(tǒng)中所有瓦斯隧道將按預(yù)警級(jí)別進(jìn)行分類顯示，危險(xiǎn)級(jí)別較高，需要特別關(guān)注的排在最上方，以黑色標(biāo)志進(jìn)行警示；危險(xiǎn)級(jí)別較低，不需要特別關(guān)注的隧道排在最下方，標(biāo)注為淺灰色。

圖4 智能化隧道瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析模塊圖

當(dāng)有隧道瓦斯?jié)舛然驖舛茸兓瘜?dǎo)致預(yù)警級(jí)別達(dá)到黑色時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)先配置的緊急聯(lián)絡(luò)名單向相關(guān)人員手機(jī)發(fā)送提示信息，及時(shí)告知可能的危險(xiǎn)，詳見圖5。

圖5 智能化隧道瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)警示例圖

3.4 身份管理

瓦斯隧道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的用戶身份管理依托于集團(tuán)公司統(tǒng)一身份體系，不再單獨(dú)設(shè)立系統(tǒng)賬戶，擁有權(quán)限的用戶可以使用集團(tuán)公司門戶系統(tǒng)的域賬戶登錄系統(tǒng)并進(jìn)行操作。根據(jù)域賬戶用戶所屬項(xiàng)目和單位等，系統(tǒng)可為用戶分配相應(yīng)權(quán)限，避免有人惡意填報(bào)數(shù)據(jù)或竊取有關(guān)資料。

3.5 與外部集成

系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)的Web Service 接口進(jìn)行對(duì)外的多樣化的信息交互，分類如下：①對(duì)于獲得授權(quán)的外部系統(tǒng)，瓦斯隧道監(jiān)控系統(tǒng)可以提供隧道瓦斯監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的查詢或分析結(jié)果展示，系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)的Web Service 服務(wù)接口，能夠?qū)ν獠肯到y(tǒng)發(fā)起的查詢請(qǐng)求進(jìn)行相應(yīng)，對(duì)通過授權(quán)驗(yàn)證的系統(tǒng)，瓦斯隧道監(jiān)控系統(tǒng)將實(shí)時(shí)反饋準(zhǔn)確的查詢結(jié)果。②對(duì)于需要通報(bào)信息數(shù)據(jù)的外部系統(tǒng)，比如集團(tuán)公司安全質(zhì)量管理系統(tǒng)、集團(tuán)公司門戶系統(tǒng)，系統(tǒng)將通過相關(guān)系統(tǒng)提供的接口規(guī)范，按時(shí)向它們進(jìn)行數(shù)據(jù)推送。比如某隧道瓦斯?jié)舛冗_(dá)到警告標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)將向集團(tuán)公司安全質(zhì)量管理系統(tǒng)提交預(yù)警報(bào)告，方便上級(jí)管理部門隨時(shí)掌握項(xiàng)目安全信息。③瓦斯隧道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已與集團(tuán)公司門戶系統(tǒng)進(jìn)行集成，用戶登錄門戶系統(tǒng)后可以直接訪問瓦斯隧道檢測(cè)系統(tǒng)。門戶系統(tǒng)提示信息采集功能，可獲取瓦斯隧道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提示信息，將提示信息在門戶系統(tǒng)首頁通知欄中記性顯示，及時(shí)對(duì)用戶進(jìn)行預(yù)警提示。

4 黃草瓦斯隧道智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用

黃草瓦斯隧道瓦斯監(jiān)測(cè)管理全面接入了集團(tuán)公司瓦斯隧道智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析反饋、瓦斯分級(jí)預(yù)警等方面展現(xiàn)出了很強(qiáng)的實(shí)用性和有效性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)瓦斯隧道的瓦斯有效管理。

4.1 數(shù)據(jù)填報(bào)

黃草隧道瓦斯數(shù)據(jù)采集采用了數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與人工填報(bào)相結(jié)合的方式，檢驗(yàn)了系統(tǒng)的適應(yīng)性。項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)通過安裝自動(dòng)設(shè)備廠商提供的自動(dòng)監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，定時(shí)向系統(tǒng)服務(wù)器上報(bào)瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)；在斷網(wǎng)或者無網(wǎng)絡(luò)工點(diǎn)，采用人工填報(bào)瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，滿足不同的需要。

4.2 數(shù)據(jù)分析反饋

黃草隧道利用智能系統(tǒng)取得瓦斯數(shù)據(jù)后進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)分析，形成數(shù)據(jù)自動(dòng)采集部分的分析報(bào)表，并根據(jù)瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行預(yù)警，達(dá)到對(duì)高瓦斯隧道項(xiàng)目瓦斯?jié)舛鹊葦?shù)據(jù)的及時(shí)監(jiān)控，并能實(shí)時(shí)將監(jiān)控信息發(fā)送至子公司、公司兩級(jí)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)瓦斯的實(shí)時(shí)管理。圖表分析方面，系統(tǒng)提供圖表統(tǒng)計(jì)信息，含有日濃度變化圖（手動(dòng)）、日濃度變化圖（自動(dòng)）、工點(diǎn)濃度變化圖、隧道濃度變化圖、工程瓦斯預(yù)警次數(shù)，按周隧道瓦斯最高值、隧道瓦斯?jié)舛冉y(tǒng)計(jì)、隧道預(yù)警次數(shù)等數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

4.3 瓦斯分級(jí)預(yù)警

黃草隧道利用智能系統(tǒng)對(duì)隧道瓦斯隧道進(jìn)行了實(shí)時(shí)預(yù)警管理，證明了系統(tǒng)的實(shí)用性。系統(tǒng)顯示顯示了工點(diǎn)的詳細(xì)預(yù)警情況，包括預(yù)警狀態(tài)、隧道名稱、工點(diǎn)名稱、施工單位。智能化隧道瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)警界面見圖6。圖6 中右上角的圖文說明標(biāo)注了各圖標(biāo)所代表的含義：淺灰色方塊表示瓦斯?jié)舛劝踩?，濃度范圍?%～0.5%；深灰色方塊表示瓦斯?jié)舛阮A(yù)警，濃度范圍0.5%～1.0%；黑色方塊表示瓦斯?jié)舛任ｋU(xiǎn)，濃度范圍大于1.0%（范圍可調(diào)整）。紅色旗幟代表高瓦斯?jié)舛人淼?、綠色旗幟代表低瓦斯?jié)舛人淼?。根?jù)界面右側(cè)的日歷，可以顯示顯示不同日期的該工點(diǎn)的瓦斯?jié)舛茸罡咧档那闆r，黑色表示危險(xiǎn)，深灰色預(yù)警。點(diǎn)擊不同的日期，可以查詢不同日期該工點(diǎn)的瓦斯?jié)舛阮A(yù)警詳細(xì)情況，詳見圖6。

圖6 智能化隧道瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)警界面圖

5 結(jié)束語

經(jīng)過嚴(yán)密的測(cè)試和項(xiàng)目上線運(yùn)行，集團(tuán)公司研發(fā)的瓦斯智能化監(jiān)控信息系統(tǒng)功能穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單、方便、能根據(jù)管理需要生成各種分析報(bào)表，以及分析圖例，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳、瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)預(yù)警、數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)有效儲(chǔ)存等功能，特別是保存和處理瓦斯數(shù)據(jù)以及瓦斯實(shí)時(shí)預(yù)警方面具有巨大優(yōu)勢(shì)，能達(dá)到系統(tǒng)的使用需求。另外，瓦斯智能化監(jiān)控信息系統(tǒng)為管理者提供了全面和有效的瓦斯隧道安全管理支撐，加強(qiáng)了隧道生產(chǎn)安全管理，加大了管理力度，保障了瓦斯隧道瓦斯安全。