基于NB-IoT技術(shù)的公路隧道消防應(yīng)急設(shè)施遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

作者簡(jiǎn)介：

陳 榮（1987—），工程師，研究方向：高速公路機(jī)電工程施工與管理。

文章對(duì)當(dāng)前廣西高速公路隧道消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行了分析研究，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種消防應(yīng)急設(shè)施遠(yuǎn)程在線監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用STM32F系列的ARM處理器作為主控CPU，并根據(jù)隧道內(nèi)的消防應(yīng)急設(shè)施類型分別選用相應(yīng)的傳感器對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)與采集，通過NB-IoT數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)消防應(yīng)急設(shè)施的工作狀態(tài)，為隧道消防設(shè)施的運(yùn)維工作提供準(zhǔn)確、高效的服務(wù)，以提升隧道的消防安全應(yīng)急保障能力與管理水平。

公路隧道；消防安全；NB-IoT；遠(yuǎn)程監(jiān)控

中圖分類號(hào)：U456.3+3 A 29 093 2

0 引言

隨著“縣縣通高速”的進(jìn)程不斷推進(jìn)，高速公路橋隧里程日漸增加。截至2021年初，我國(guó)已投入運(yùn)營(yíng)的高速公路隧道約為4 600座，總里程高達(dá)2 500多km，成為全球高速公路隧道數(shù)量最多的國(guó)家［1］。由于司機(jī)誤操作、機(jī)動(dòng)車故障、貨物自燃等原因［2］導(dǎo)致的隧道內(nèi)火災(zāi)事故也隨之增多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2000—2019年間發(fā)生了203起中長(zhǎng)隧道火災(zāi)事故［3］。由于隧道的封閉性強(qiáng)、縱深長(zhǎng)、通風(fēng)效果差等特點(diǎn)，隧道內(nèi)的火災(zāi)救援難度遠(yuǎn)大于高速公路的其他路段［4］。而在事故調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，重大隧道火災(zāi)事故的背后，往往存在隧道內(nèi)消防設(shè)施故障不能使用的情況，如射流風(fēng)機(jī)無法啟動(dòng)、消防蓄水池水位不夠、消防栓水壓不足、應(yīng)急照明亮度不達(dá)標(biāo)等問題。出現(xiàn)這些問題的主要原因是：（1）隧道消防設(shè)施數(shù)量龐大，系統(tǒng)巡檢周期長(zhǎng)，養(yǎng)護(hù)頻次低；（2）傳統(tǒng)的人工巡檢方式對(duì)人員的專業(yè)水平及責(zé)任心依賴程度較高，誤檢、漏檢的情況時(shí)有發(fā)生，巡檢養(yǎng)護(hù)質(zhì)量難以得到100%的保證。

針對(duì)以上隧道消防系統(tǒng)存在的問題，本文結(jié)合廣西高速公路隧道消防技術(shù)規(guī)范內(nèi)容，設(shè)計(jì)了隧道消防應(yīng)急設(shè)施的狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路，實(shí)現(xiàn)了消防應(yīng)急設(shè)施的自動(dòng)巡檢功能，有效解決了因人工巡檢效率低、巡檢質(zhì)量不穩(wěn)定而導(dǎo)致隧道消防系統(tǒng)在發(fā)生火災(zāi)事故時(shí)應(yīng)急保障能力被削弱的問題。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集處理終端1～終端N、NB-IoT基站及云數(shù)據(jù)管理平臺(tái)三部分組成。數(shù)據(jù)采集處理終端為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)感知層，主要完成消防設(shè)施的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)上傳，根據(jù)不同的消防設(shè)施，對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)模塊也不一樣。NB-IoT是數(shù)據(jù)接入的傳輸網(wǎng)絡(luò)。云數(shù)據(jù)管理平臺(tái)主要包含云端應(yīng)用服務(wù)器、Web前端可視化應(yīng)用軟件及MySQL數(shù)據(jù)庫管理軟件，完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)顯示和處理。

1.2 系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)的對(duì)象分析

根據(jù)最新實(shí)施的《高速公路隧道消防設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》（DB45/T 2120-2020），廣西區(qū)內(nèi)公路隧道消防安全等級(jí)分為5個(gè)級(jí)別。各級(jí)別隧道內(nèi)消防設(shè)施的設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

其中，滅火設(shè)備、火災(zāi)防排煙設(shè)施、消防應(yīng)急照明及疏散指示標(biāo)志類，在發(fā)生火災(zāi)險(xiǎn)情時(shí)，起到第一時(shí)間控制火情，幫助現(xiàn)場(chǎng)人員安全撤離的關(guān)鍵作用，為本系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)巡檢監(jiān)測(cè)的主要對(duì)象。

2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

如圖1所示，系統(tǒng)硬件電路采用模塊化標(biāo)準(zhǔn)接口的硬件設(shè)計(jì)方案，終端1與終端N的消防設(shè)施監(jiān)測(cè)模塊根據(jù)所監(jiān)測(cè)消防設(shè)施的類型分別連接不同的RS485模塊功能。STM32主控CUP主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集并通過通信模塊轉(zhuǎn)發(fā)至云數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，其最小系統(tǒng)電路如圖2所示。其中，IoT_RXD、IoT_TXD分別相連NB-IoT通訊模塊串口的接收與發(fā)送端信號(hào)管腳。D1、D2、D3為L(zhǎng)ED狀態(tài)指示燈，分別指示網(wǎng)絡(luò)通信模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊及系統(tǒng)運(yùn)行的工作狀態(tài)。

2.1 消防設(shè)施監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

為了簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，同時(shí)方便系統(tǒng)功能后期擴(kuò)展，消防設(shè)施監(jiān)測(cè)模塊統(tǒng)一采用RS485接口，系統(tǒng)根據(jù)不同的監(jiān)測(cè)信號(hào)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)模塊。

2.1.1 滅火設(shè)備監(jiān)測(cè)模塊

滅火設(shè)備主要包括滅火器、室內(nèi)消防栓、固定式水成膜泡沫滅火裝置、水泵接合器及泡沫-水噴霧系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過稱重傳感器測(cè)量滅火器的重量，實(shí)現(xiàn)對(duì)滅火器失效狀態(tài)的監(jiān)測(cè)；通過超聲波水位傳感器測(cè)量消防蓄水池的水位高度；電流互感器測(cè)量蓄水泵的工作電流狀態(tài)；水壓傳感器測(cè)量消防管道水壓；在固定式滅火裝置的門上安裝電磁檢測(cè)開關(guān)實(shí)現(xiàn)設(shè)備防盜監(jiān)測(cè)功能。

2.1.2 火災(zāi)防排煙設(shè)施監(jiān)測(cè)模塊

隧道主要通過射流風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)隧道的排煙及換氣功能。該系統(tǒng)通過在隧道內(nèi)安裝風(fēng)速傳感器及在風(fēng)機(jī)電力線纜上設(shè)置電流互感器，即可監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)。

2.1.3 消防應(yīng)急照明及疏散指示標(biāo)志監(jiān)測(cè)模塊

消防應(yīng)急照明及疏散指示標(biāo)志主要監(jiān)測(cè)其發(fā)光亮度，可通過在隧道內(nèi)分布安裝光亮度計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.2 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)通信模塊

NB-IoT為Narrow Band Internet of Things的首字母簡(jiǎn)寫，是基于蜂窩數(shù)據(jù)連接的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，具備信號(hào)覆蓋廣、功耗低、設(shè)備連接數(shù)量大、成本低等特點(diǎn)，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，特別適用于待機(jī)時(shí)間短、網(wǎng)絡(luò)連接質(zhì)量高的應(yīng)用場(chǎng)合［6］。本系統(tǒng)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)通信模塊型號(hào)為移遠(yuǎn)BC26，該通信模塊支持全球頻段，具備TCP/CoAP/MQTT等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，極大地方便終端程序的開發(fā)，系統(tǒng)CPU通過發(fā)送簡(jiǎn)單的AT指令即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程無線傳輸?shù)墓δ堋?/p>

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集處理終端程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集處理終端主要完成監(jiān)測(cè)模塊串口數(shù)據(jù)的讀取，并進(jìn)行統(tǒng)一編碼后通過BC26網(wǎng)絡(luò)通信模塊發(fā)送到云數(shù)據(jù)服務(wù)器。主要實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

3.2 隧道消防設(shè)施監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)云平臺(tái)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)云平臺(tái)軟件采用前后端分離的微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)。前端web頁面主要負(fù)責(zé)對(duì)消防設(shè)施狀態(tài)及故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)結(jié)果的顯示，包括UI界面設(shè)計(jì)、前后端數(shù)據(jù)接口對(duì)接和數(shù)據(jù)采集處理終端注冊(cè)等內(nèi)容。后端采用Nginx作為HTTP服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器建立設(shè)備socket連接接口，負(fù)責(zé)接收并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)采集處理終端發(fā)送的狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括MySQL數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)、終端ID數(shù)據(jù)表的建立、數(shù)據(jù)表內(nèi)容的“增、改、刪、查”操作及前端軟件數(shù)據(jù)接口與處理等內(nèi)容。

4 試驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)分別選用了消防蓄水池監(jiān)測(cè)、消防管道水壓監(jiān)測(cè)及風(fēng)機(jī)電流狀態(tài)監(jiān)測(cè)3種類型終端進(jìn)行調(diào)試。終端通過注冊(cè)接入云管理平臺(tái)后，經(jīng)驗(yàn)證，3種終端數(shù)據(jù)均能正常上傳且與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的結(jié)果一致。

5 結(jié)語

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了隧道消防應(yīng)急設(shè)施的遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控功能，能夠及時(shí)有效地完成消防關(guān)鍵設(shè)施的巡檢及異常警告功能，提升了消防設(shè)施的應(yīng)急保障能力。同時(shí)，該系統(tǒng)采用的模塊化電路設(shè)計(jì)及前后端分離的微服務(wù)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)，為后期擴(kuò)大監(jiān)控設(shè)備種類、完善系統(tǒng)功能的研究工作奠定了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2022-10-26