公路隧道施工通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)方案探析

張晨陽(yáng)

（山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)高速公路隧道有1.91萬(wàn)座，其中，特長(zhǎng)隧道1 175座，總公里數(shù)達(dá)到521.75萬(wàn)m；長(zhǎng)隧道4 784座，總公里數(shù)達(dá)到826.3萬(wàn)m，每年新增里程超過(guò)1 100 km[1]。按照我國(guó)公路建設(shè)規(guī)劃，未來(lái)公路隧道數(shù)量仍將大幅增加，穩(wěn)居世界公路隧道規(guī)模、長(zhǎng)度、難度之首[2]。目前，對(duì)于公路隧道的監(jiān)控管理主要集中于運(yùn)營(yíng)階段，旨在便利公眾出行[3]，而在施工過(guò)程中監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)用較少。為了智能化監(jiān)管公路隧道施工過(guò)程氣體濃度，保證隧道充足通風(fēng)，確保施工人員安全，及時(shí)處理故障隱患，在公路隧道施工過(guò)程中，增加通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)十分必要。此外，隧道施工數(shù)據(jù)的采集與處理關(guān)系后續(xù)隧道安全運(yùn)營(yíng)，在實(shí)現(xiàn)隧道的智慧施工中發(fā)揮重要作用。因此，系統(tǒng)化、合理化、有效化的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集方案，對(duì)設(shè)計(jì)隧道施工通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)至關(guān)重要。

近年來(lái)，數(shù)據(jù)分析及計(jì)算機(jī)技術(shù)被廣泛引用到隧道領(lǐng)域，通過(guò)“智慧交通”“智慧工程”保證隧道建設(shè)的安全質(zhì)量[4]，實(shí)現(xiàn)降本增效。公路隧道施工通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)將采集數(shù)據(jù)與智能監(jiān)管聯(lián)系起來(lái)，由預(yù)設(shè)在隧道固定位置的傳感器收集指標(biāo)參數(shù)，并將指標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸至工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，由專人對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理，定期監(jiān)控，并按周期出具監(jiān)控報(bào)告，及時(shí)排查安全隱患。安全質(zhì)量監(jiān)管部門(mén)在監(jiān)督時(shí)，可接到實(shí)時(shí)預(yù)警，或針對(duì)特定指標(biāo)進(jìn)行專項(xiàng)查看，系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)控需求生成直觀圖表，便于統(tǒng)計(jì)分析。

該研究基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)了適用于企業(yè)管控的隧道施工通風(fēng)監(jiān)測(cè)及控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)收集指標(biāo)數(shù)據(jù)，也可及時(shí)調(diào)整施工運(yùn)行狀態(tài)，為隧道施工管理提供決策[5]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的隧道施工通風(fēng)安全監(jiān)控系統(tǒng)用戶通過(guò)登錄計(jì)算機(jī)進(jìn)行操作，由總控制系統(tǒng)和分散在隧道中的總線式采集數(shù)據(jù)接口連接?？偩€式數(shù)據(jù)采集通過(guò)線纜傳輸，將接收到的數(shù)字信號(hào)通過(guò)光端機(jī)主線之間的接口傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)。

為保證施工安全監(jiān)測(cè)要求，在隧道內(nèi)安設(shè)一氧化碳傳感器、氧氣傳感器、二氧化碳傳感器、溫度傳感器、風(fēng)速傳感器、粉塵傳感器、開(kāi)停傳感器等，實(shí)時(shí)獲取正在施工的隧道內(nèi)一氧化碳濃度、二氧化碳、氧氣含量、環(huán)境溫度、通風(fēng)風(fēng)速風(fēng)量、掌子面空氣中粉塵含量等參數(shù)[6-8]，并將數(shù)據(jù)信息通過(guò)分站采集傳送至監(jiān)控室工業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件進(jìn)行分析處理。其中，有毒、有害氣體一旦超限可自動(dòng)語(yǔ)音報(bào)警，同時(shí)通過(guò)設(shè)備開(kāi)停傳感器對(duì)通風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作狀態(tài)，當(dāng)有害氣體濃度超過(guò)設(shè)定的斷電值以及通風(fēng)機(jī)在停的狀態(tài)時(shí)，饋電斷電器對(duì)被控設(shè)備執(zhí)行自動(dòng)斷電，確保系統(tǒng)可對(duì)隧道情況進(jìn)行24 h實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架圖

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制

2 系統(tǒng)模塊介紹

公路隧道施工通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)分為7個(gè)功能模塊，分別為數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)預(yù)警、執(zhí)行命令模塊。具體如圖3所示。

圖3 公路隧道施工通風(fēng)監(jiān)控模塊

各模塊功能主要為：

a）數(shù)據(jù)收集 在隧道施工過(guò)程中，實(shí)時(shí)對(duì)隧道內(nèi)一氧化碳、二氧化碳、粉塵、氧氣含量等數(shù)據(jù)進(jìn)行收集。

b）數(shù)據(jù)傳輸 通過(guò)隧道安裝的傳感器將采集的數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)軟件。

c）數(shù)據(jù)處理 監(jiān)控室工業(yè)計(jì)算機(jī)安全監(jiān)控軟件對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，清洗臟數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的歸一化與可解讀化。

d）數(shù)據(jù)分析 對(duì)清洗過(guò)的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)值進(jìn)行比較，判別關(guān)鍵指標(biāo)及數(shù)值范圍。

e）數(shù)據(jù)可視化 系統(tǒng)通過(guò)大屏實(shí)時(shí)顯示隧道施工中關(guān)鍵數(shù)據(jù)指標(biāo)。

f）數(shù)據(jù)預(yù)警 以隧道施工過(guò)程中有毒、有害氣體指標(biāo)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，將數(shù)據(jù)分析、智能感知等前沿技術(shù)應(yīng)用到監(jiān)控體系，提升施工過(guò)程中安全問(wèn)題的主動(dòng)性，一旦濃度等數(shù)據(jù)超出標(biāo)準(zhǔn)范圍將實(shí)現(xiàn)自動(dòng)語(yǔ)音預(yù)警功能，實(shí)現(xiàn)智能隧道監(jiān)控。

g）執(zhí)行命令 監(jiān)控室工業(yè)計(jì)算機(jī)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)分級(jí)預(yù)警應(yīng)對(duì)，當(dāng)有毒、有害氣體濃度超過(guò)設(shè)定的斷電值以及通風(fēng)機(jī)在停的狀態(tài)，立即啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，進(jìn)行應(yīng)急指揮，饋電斷電器對(duì)被控設(shè)備執(zhí)行自動(dòng)斷電處置，為快速科學(xué)決策提供依據(jù)。

3 系統(tǒng)配套設(shè)備要求

為保證公路隧道施工通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，需要配備符合要求的監(jiān)控設(shè)備。主要設(shè)備參數(shù)如表1。

表1 系統(tǒng)配套設(shè)備要求

4 系統(tǒng)功能及意義

公路隧道施工通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)感知、數(shù)據(jù)分析為主要技術(shù)手段，將隧道施工過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)預(yù)警、命令執(zhí)行等業(yè)務(wù)匯集一體，建立系統(tǒng)權(quán)限管理，互聯(lián)互通施工全過(guò)程數(shù)據(jù)信息，有助于業(yè)務(wù)管理，達(dá)到健全業(yè)務(wù)、協(xié)同指揮的體系化建設(shè)。通過(guò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整合隧道施工安全跟蹤處理目標(biāo)，將各個(gè)模塊集成，實(shí)現(xiàn)降本增效，有利于深化施工過(guò)程中安全管控，發(fā)揮企業(yè)管理的主動(dòng)性，提高業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性，加強(qiáng)應(yīng)急處置能力，有效防范隧道安全風(fēng)險(xiǎn)。

系統(tǒng)作為有效的監(jiān)測(cè)手段，大大彌補(bǔ)實(shí)際工作中人力不足，監(jiān)控不到位等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了超限指標(biāo)預(yù)警化、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)檔案化、故障檢測(cè)自動(dòng)化、設(shè)備維護(hù)可追溯的內(nèi)控管理手段。

a）超限指標(biāo)預(yù)警化 實(shí)時(shí)查看監(jiān)控系統(tǒng)的報(bào)警信息，及時(shí)對(duì)報(bào)警、故障設(shè)備進(jìn)行問(wèn)題查明，并有效解決。每日打印日?qǐng)?bào)表，每月打印月報(bào)表進(jìn)行存檔管理。

b）監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)檔案化 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以日?qǐng)?bào)、周報(bào)、月報(bào)、年報(bào)等形式自動(dòng)電子化存檔。

c）故障檢測(cè)自動(dòng)化 對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)及設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控，分析運(yùn)行情況，實(shí)時(shí)檢測(cè)所有可能影響監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的外來(lái)網(wǎng)絡(luò)攻擊，實(shí)時(shí)監(jiān)控各服務(wù)器運(yùn)行狀態(tài)、流量及入侵監(jiān)控等。對(duì)異常情況進(jìn)行核查，并進(jìn)行相關(guān)的處理。每月檢測(cè)其各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)及監(jiān)控系統(tǒng)傳輸線路質(zhì)量，處理故障隱患，協(xié)助監(jiān)控主管設(shè)定使用級(jí)別等各種數(shù)據(jù)，確保各部分設(shè)備各項(xiàng)功能良好，能夠正常運(yùn)行。如：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器系統(tǒng)、監(jiān)控終端及各種終端外設(shè)。

d）設(shè)備維護(hù)可追溯 對(duì)容易老化的系統(tǒng)設(shè)備部件每月一次進(jìn)行全面檢查，一旦發(fā)現(xiàn)老化現(xiàn)象應(yīng)及時(shí)更換、維修，如風(fēng)扇、裸露在外部的網(wǎng)線及電源線等。每半月對(duì)一氧化碳傳感器、氧氣傳感器、二氧化碳傳感器、粉塵傳感器、風(fēng)速傳感器等進(jìn)行校驗(yàn)檢驗(yàn)并粘貼合格證，每半月對(duì)系統(tǒng)斷電功能進(jìn)行測(cè)試并記錄測(cè)試結(jié)果。每月第一個(gè)工作日，將上月?lián)屝?、維修、維護(hù)、保養(yǎng)記錄表以電子文檔的形式報(bào)送項(xiàng)目維修中心。

實(shí)際應(yīng)用后，對(duì)系統(tǒng)七大功能模塊進(jìn)行了測(cè)試，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的可操作性、結(jié)果可靠性、信息維護(hù)及處理、安全管控等進(jìn)行了綜合評(píng)估。

測(cè)試及評(píng)估結(jié)果顯示系統(tǒng)的功能優(yōu)于預(yù)期設(shè)計(jì)，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，操作便捷，密保等級(jí)符合要求，滿足了隧道安全監(jiān)控的管理需求，達(dá)到預(yù)警效果，有助于應(yīng)急處置，符合系統(tǒng)構(gòu)建初衷。

5 結(jié)語(yǔ)

公路行業(yè)的快速發(fā)展，要求建設(shè)施工運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的智能化、集成化、數(shù)據(jù)化配套提高，將傳統(tǒng)的管控提升為智能化綜合的監(jiān)控模式，充分利用物聯(lián)網(wǎng)等前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)管理統(tǒng)一化、規(guī)范化，這是現(xiàn)在公路隧道安全監(jiān)管部門(mén)的必經(jīng)之路。

隧道施工通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)作為“智慧”的信息化監(jiān)管工具，有效解決了傳統(tǒng)監(jiān)管的瓶頸，提供良好的交互體驗(yàn)，實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集，通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)處理模塊完成清洗，預(yù)警超限指標(biāo)，系統(tǒng)正確處理所有模塊命令，在工業(yè)計(jì)算機(jī)支持下，實(shí)現(xiàn)信息化管理。該系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)今后施工過(guò)程中安全管控具有一定的借鑒意義。