高速公路隧道消防供水智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

韋 維

(廣西交通投資集團(tuán)南寧高速公路運(yùn)營有限公司，廣西 南寧 530218)

0 引言

隨著高速公路路網(wǎng)逐步延伸至偏遠(yuǎn)山區(qū)，極大地促進(jìn)了國民經(jīng)濟(jì)的整體發(fā)展。但是山區(qū)高速公路在修建過程中存在大量的隧道群，多數(shù)山區(qū)高速公路隧道光線灰暗，視野不開闊，安全性較低。因此高速公路隧道安全是行業(yè)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的問題[1]。高速公路隧道的眾多隱患防范的重點(diǎn)之一是對(duì)火災(zāi)的防范。車輛自燃、車輛追尾、供電線路老化短路、隧道內(nèi)設(shè)備故障等各種原因均會(huì)引發(fā)隧道火災(zāi)，極易造成重大的生命財(cái)產(chǎn)損失。因此，必須做好隧道消防管理和監(jiān)控工作，保證隧道區(qū)域行車安全。雖然每個(gè)隧道在建設(shè)后都配有相應(yīng)的消防管道，但如果不能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患也無法保證來往車輛的安全，而且消防設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，在火災(zāi)發(fā)生的時(shí)候也無法滅火，因此，消防設(shè)備的狀態(tài)也需要進(jìn)行監(jiān)控。其中，消防供水是火災(zāi)救援的根本，在對(duì)消防設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)的時(shí)候應(yīng)將消防供水的監(jiān)測(cè)放在第一位，避免因供水監(jiān)測(cè)問題導(dǎo)致無法及時(shí)撲滅火災(zāi)[2]。本文基于該需求設(shè)計(jì)了高速公路隧道消防供水智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用智能監(jiān)控的技術(shù)原理，對(duì)隧道消防供水進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠?qū)┧到y(tǒng)的水壓、實(shí)時(shí)多點(diǎn)并發(fā)等狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。同時(shí)，通過對(duì)水壓值的分析判斷設(shè)備是否有故障，在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)向管理員發(fā)出預(yù)警信號(hào)。此外，應(yīng)保證消防水箱中的水位一直處于滿足需求的狀態(tài)，當(dāng)水位異常下降時(shí)提醒管理員進(jìn)行檢測(cè)和維修，以保證消防設(shè)備處于正常使用的狀態(tài)，及時(shí)排查消防水源隱患。

1 消防供水智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案

消防供水智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為硬件部分和軟件部分。硬件部分包括信號(hào)采集器、水位計(jì)、無線智能壓力傳感器、5G無線監(jiān)控?cái)z像機(jī)等；軟件部分主要有消防監(jiān)控平臺(tái)軟件和移動(dòng)終端APP和公眾號(hào)等。消防供水監(jiān)控系統(tǒng)通過水位計(jì)對(duì)消防水池、高位水箱中的水位進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，通過無線智能壓力水表采集傳輸消防水系統(tǒng)中消火栓、噴淋末端等關(guān)鍵部位的水壓，發(fā)現(xiàn)異常迅速發(fā)出報(bào)警通知值班人員處理，同時(shí)將報(bào)警信息上傳到監(jiān)控平臺(tái)軟件，監(jiān)控平臺(tái)軟件受理報(bào)警并通過APP推送給聯(lián)網(wǎng)單位消防負(fù)責(zé)人，以便及時(shí)響應(yīng)和處理，排查消防隱患。消防供水智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 消防供水智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 高速公路隧道消防供水智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

目前，我國高速公路隧道消防給水系統(tǒng)多采用常壓型給水系統(tǒng)，其工作原理是：先從取水裝置取水到低位水池，用水泵將低位水池中的水加壓輸送到高位水池，再由高位水池對(duì)隧道消防管網(wǎng)進(jìn)行供水。常壓型給水系統(tǒng)是利用高位水池和自身重力流向隧道內(nèi)的消防管網(wǎng)供水，使管網(wǎng)始終保持滅火所需的流量和壓力，在撲救火災(zāi)時(shí)可以直接使用消火栓滅火，而不需要啟動(dòng)消防水泵加壓。根據(jù)隧道最低處高程和最高處高程計(jì)算得出高位水池高度，以滿足消防栓出水壓力要求。為了確保高位水池的高程和容積符合規(guī)范要求，其建造位置要求地勢(shì)平坦，地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，給水管的布線要盡量短，以降低水壓損失。

2.1 設(shè)計(jì)光電接觸式液位傳感器

在設(shè)計(jì)信號(hào)采集器之前，首先要分析被檢測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)，在被測(cè)隧道中應(yīng)采集消防供水設(shè)備可測(cè)點(diǎn)的形狀，尤其是設(shè)備中的帶孔、帶槽、齒輪等零件的狀態(tài)。消防供水設(shè)備通常位于隧道當(dāng)中，所處的環(huán)境條件和空曠地帶有所差距[3]，因此在對(duì)消防供水設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)的時(shí)候要考慮周圍環(huán)境的變化，溫度、磁場(chǎng)、光線等因素的變化都會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成影響，而這些因素又影響到對(duì)信號(hào)采集器傳感器的選擇。通過對(duì)檢測(cè)需求的分析，選擇了三種傳感器作為高速公路隧道信號(hào)采集器的傳感器。其參數(shù)如表1所示。

表1 傳感器參數(shù)一覽表

光電傳感器是本文設(shè)計(jì)的信號(hào)采集器的主要傳感器，其主要由信號(hào)發(fā)送器和接收器以及相應(yīng)的電路組成。光發(fā)射器和接收器在同一個(gè)光電槽中，當(dāng)電槽通電時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)光電通路傳感[4]，電槽兩側(cè)中保持無物體狀態(tài)，但監(jiān)測(cè)到設(shè)備存在時(shí)，設(shè)備會(huì)將信號(hào)擋住，由此來判斷設(shè)備的狀態(tài)。

2.2 設(shè)計(jì)消防供水無線智能壓力傳感器

壓力傳感器的選擇應(yīng)與消防供水設(shè)備相配套，需要注意傳感器的精度，還應(yīng)考慮硬件的成本。壓力傳感器線性特性也很強(qiáng)，應(yīng)用的范圍十分廣泛，因此結(jié)合本系統(tǒng)對(duì)傳感壓力的需求，在消防供水設(shè)備壓力傳感器中選擇PR-3000-PM300-*系列的壓力傳感器[5]，其擴(kuò)散硅壓力芯體是該傳感器用于識(shí)別敏感度的原因。該壓力傳感器的外殼是堅(jiān)硬的不銹鋼體，赫斯曼接頭為國外原裝進(jìn)口，可防水防塵防腐蝕抗老化。高強(qiáng)度不銹鋼殼體嚴(yán)格的氣密性監(jiān)測(cè)可適應(yīng)各類高壓工況。緩沖阻尼設(shè)計(jì)可防止瞬間大壓力對(duì)傳感器的破壞，能抗2～3倍瞬間壓力。該設(shè)備不會(huì)因?yàn)榈靥帎毫拥沫h(huán)境就生銹損壞，延長了系統(tǒng)硬件的壽命。由于部分隧道較長，通過拉線傳輸施工難度大、成本高，故在壓力傳感器上集成了無線lora傳輸模塊，每隔1 km安裝一個(gè)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。

2.3 5G無線太陽能監(jiān)控?cái)z像機(jī)

在高低位水池上部安裝5G無線監(jiān)控?cái)z像球機(jī)，使系統(tǒng)可遠(yuǎn)程查看高位水池的實(shí)時(shí)影像、圖片、水池水位高度，以及實(shí)時(shí)查看任一消防水泵的水壓，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)可及時(shí)報(bào)警。該系統(tǒng)具有不受距離限制、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定即可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)觀看、安裝施工方便、不用長距離輸電等優(yōu)點(diǎn)。

3 高速公路隧道消防供水智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

隧道消防供水智能檢測(cè)系統(tǒng)軟件部分主要分為監(jiān)控平臺(tái)軟件和移動(dòng)端軟件。其中監(jiān)控平臺(tái)軟件的主要功能有：可遠(yuǎn)程查看高位水池的實(shí)時(shí)影像、圖片、水池水位高度，以及實(shí)時(shí)查看任一消防水泵水壓，能實(shí)現(xiàn)水壓水位感知、水壓水位異常報(bào)警、管網(wǎng)壓力監(jiān)測(cè)、水池液位監(jiān)測(cè)、消防栓壓力監(jiān)測(cè)、信息推送、監(jiān)測(cè)管理等，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)可及時(shí)報(bào)警。移動(dòng)端主要功能有：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警提醒、自檢上報(bào)、故障巡檢、通知公告、APP實(shí)時(shí)報(bào)警等。

要實(shí)現(xiàn)上述軟件的功能，保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)收發(fā)并處理是關(guān)鍵，后臺(tái)服務(wù)端通過5G和lora網(wǎng)關(guān)服務(wù)器進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)通過加密的MQTT服務(wù)會(huì)話主體通信，能夠有效解決數(shù)據(jù)并發(fā)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和安全性等問題。

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用

在廣西交通投資集團(tuán)柳州高速公路運(yùn)營有限公司小頭嶺隧道安裝了一套隧道消防供水智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行了隧道消防聯(lián)動(dòng)演練測(cè)試，并對(duì)隧道消防的消防控制、自動(dòng)報(bào)警、應(yīng)急電話、廣播和監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)。根據(jù)大數(shù)據(jù)分析以往易發(fā)生火災(zāi)隧道的歷史數(shù)據(jù)，估算發(fā)生火災(zāi)時(shí)，監(jiān)測(cè)救護(hù)人員得到火災(zāi)的通知時(shí)間；在需水量的計(jì)算過程中按照20 min的到場(chǎng)時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)備；消防流量分析采用水管網(wǎng)組態(tài)軟件進(jìn)行，分析消火栓的流量值的結(jié)果得出該地區(qū)的消防需水量服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)消防供水能力概率分布圖進(jìn)行繪制。監(jiān)控平臺(tái)軟件如圖2所示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件模擬界面圖

采用本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)高速公路隧道消防供水進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下頁圖3所示。由圖3可知，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備所得出的供水量曲線與實(shí)際滅火所需的供水量基本吻合，因此，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)符合高速公路隧道消防供水智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求。

圖3 測(cè)試數(shù)據(jù)分析曲線圖

5 結(jié)語

本文對(duì)消防供水智能監(jiān)測(cè)的需求進(jìn)行了分析，并基于需求設(shè)計(jì)了高速公路消防供水智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)采用無線lora和5G通信傳輸?shù)姆绞?，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?、?shí)時(shí)性、方便快捷及對(duì)消防水源管網(wǎng)水壓準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的多點(diǎn)并發(fā)監(jiān)測(cè)，當(dāng)水位或管網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生異常時(shí)，能夠迅速發(fā)出報(bào)警信息，及時(shí)排查消防水源隱患。通過實(shí)際系統(tǒng)測(cè)試證明，該系統(tǒng)符合高速公路隧道消防供水智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求。