摘要：為提高隧道的可維護(hù)性，自研環(huán)境監(jiān)測(cè)智能盒對(duì)氧氣、一氧化碳、硫化氫、可燃?xì)?、溫度、濕度等現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)達(dá)到預(yù)警值時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)排風(fēng)、抽水等相關(guān)輔助設(shè)備進(jìn)行危險(xiǎn)排除，并將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳至控制中心，通過(guò)大屏、手機(jī)等多種顯示終端進(jìn)行顯示。

關(guān)鍵字：隧道；環(huán)境監(jiān)測(cè)；有毒氣體；預(yù)警；設(shè)備聯(lián)動(dòng)。

中圖分類(lèi)號(hào)：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）01（a）-0000-00

0.引言

隨著城市的快速發(fā)展，地面大廈林立、交通擁堵現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，已成為城市發(fā)展的瓶頸，人們?cè)絹?lái)越重視城市地下空間的使用，我國(guó)于1997年發(fā)布了《城市地下空間開(kāi)發(fā)利用管理規(guī)定》，為城市發(fā)展提供基礎(chǔ)和保障。

我國(guó)城市地下隧道建設(shè)存在跨越年代長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)形式多樣、受周邊環(huán)境影響大等特點(diǎn)，隧道高度有1.2m、1.7m、2m、2.3m等多種規(guī)格。目前隧道的維護(hù)工作主要靠人工現(xiàn)場(chǎng)檢查，分為每天路面巡檢和定時(shí)隧道內(nèi)巡檢兩種方式，巡檢內(nèi)容包括路面塌陷、積水、塌方、私放電纜、井蓋丟失/破損等。隧道位于地下，存在有毒氣體、氧含量不足、塌方、積水等危險(xiǎn)因素，在巡檢和檢修過(guò)程中，不時(shí)有危險(xiǎn)情況出現(xiàn)。

為提升工作環(huán)境的安全性，需通過(guò)環(huán)境檢測(cè)設(shè)備對(duì)隧道現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、智能分析，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的聯(lián)動(dòng)，及時(shí)排除危險(xiǎn)隱患；并將監(jiān)測(cè)結(jié)果報(bào)送至控制中心，協(xié)助管理人員全面掌握隧道環(huán)境情況2。

1.潛在危險(xiǎn)性分析

表1 地下隧道潛在危險(xiǎn)性分析

序號(hào)隧道區(qū)域特性共性潛在

危險(xiǎn)源主要潛在

危險(xiǎn)源需監(jiān)測(cè)內(nèi)容

1河流區(qū)域水

氧氣

溫度

有毒氣體

可燃?xì)怏w水淹水位、一氧化碳、氧氣、可燃?xì)怏w、硫化氫

2供水管道區(qū)域 自來(lái)水泄漏水位、一氧化碳、氧氣、可燃?xì)怏w、硫化氫

3排水管道區(qū)域 污水泄漏

產(chǎn)生有毒氣體水位、硫化氫、氧氣、苯、硫化氫、氨氣、一氧化碳、甲烷、可燃?xì)怏w4

4熱力管道區(qū)域 溫度過(guò)高

熱水泄漏水位、一氧化碳、氧氣、可燃?xì)怏w、硫化氫、溫度

5燃?xì)夤艿绤^(qū)域 燃?xì)庑孤┭鯕?、可燃?xì)怏w

備注因管道分布環(huán)境不同，存在危險(xiǎn)源具有差異性，需針對(duì)不同區(qū)域、不同運(yùn)行環(huán)境擬定不同監(jiān)測(cè)內(nèi)容。

通過(guò)對(duì)隧道潛在危險(xiǎn)源分析，得出隧道環(huán)境常規(guī)監(jiān)測(cè)包括環(huán)境溫度、濕度、水位、氧氣、可燃?xì)怏w、硫化氫、一氧化碳等內(nèi)容，因此試探性地研究了基于多傳感器和設(shè)備聯(lián)動(dòng)的隧道環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)，自研隧道環(huán)境監(jiān)測(cè)智能盒，對(duì)各種環(huán)境參數(shù)精確采集的同時(shí)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各類(lèi)環(huán)境參數(shù)，在監(jiān)測(cè)值達(dá)到危險(xiǎn)閾值時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)相關(guān)排風(fēng)、排水等輔助設(shè)備，排除危險(xiǎn)因素，提高整個(gè)隧道系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的可靠性5。

2.環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由智能環(huán)境監(jiān)測(cè)智能盒、匯控箱、通訊網(wǎng)絡(luò)、中心機(jī)房幾部分組成。

圖系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

前端環(huán)境監(jiān)測(cè)智能盒實(shí)時(shí)采集管網(wǎng)內(nèi)環(huán)境參數(shù)，經(jīng)458線匯聚到匯控箱，通信光纜上傳到中心機(jī)房進(jìn)行信息匯總，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)保存?，F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備在監(jiān)測(cè)到相關(guān)環(huán)境參數(shù)達(dá)到危險(xiǎn)值時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行危險(xiǎn)排除，同時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信息。在啟動(dòng)相關(guān)設(shè)備后，如監(jiān)測(cè)的環(huán)境參數(shù)沒(méi)有好轉(zhuǎn)，產(chǎn)生危險(xiǎn)報(bào)警信息。

用戶在系統(tǒng)集成管理平臺(tái)上通過(guò)圖形化系統(tǒng)軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，環(huán)境參數(shù)一目了然，對(duì)報(bào)警等突發(fā)事件進(jìn)行排查和處理。系統(tǒng)支持大屏幕顯示、手機(jī)app在線查詢等功能，方便用戶管理和使用。系統(tǒng)主要功能如下：

（1）現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)實(shí)時(shí)顯示。實(shí)時(shí)正確顯示環(huán)境監(jiān)測(cè)智能盒所在位置的環(huán)境參數(shù)和工作狀態(tài)，可按要求顯示前端監(jiān)測(cè)設(shè)備的模擬量曲線圖。

監(jiān)測(cè)氣體含量：包括一氧化碳、硫化氫、可燃?xì)怏w、氧氣的含量，傳感器設(shè)備工作異常；

蓄水坑水位是否正常：包括正常、超過(guò)正常值、超過(guò)水位上限、設(shè)備工作異常；

溫度、濕度：當(dāng)前溫濕度、設(shè)備工作異常；

照明、風(fēng)機(jī)、水泵的狀態(tài)；啟動(dòng)、停止、設(shè)備工作異常。

（2）報(bào)警功能。前端環(huán)境監(jiān)測(cè)智能盒檢測(cè)到環(huán)境參數(shù)超過(guò)正常值或設(shè)備工作異常時(shí)，向控制中心發(fā)出報(bào)警信息，控制中心以信息報(bào)警、聲光報(bào)警、電話語(yǔ)音、短信報(bào)警等多種方式進(jìn)行報(bào)警提醒。報(bào)警的同時(shí)顯示報(bào)警地點(diǎn)、報(bào)警類(lèi)型、當(dāng)前檢測(cè)值、正常值、報(bào)警時(shí)間等信息，并可以自動(dòng)顯示報(bào)警點(diǎn)模擬量曲線圖。自動(dòng)根據(jù)報(bào)警類(lèi)型，提示該類(lèi)型報(bào)警的常規(guī)處置方法。

（3）前端設(shè)備遠(yuǎn)程控制。對(duì)前端設(shè)備包括風(fēng)機(jī)、照明、水泵等設(shè)備統(tǒng)一接入環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行集中控制，支持用戶遠(yuǎn)程啟動(dòng)、停止操作，不影響原有的手動(dòng)控制模式。用戶只要經(jīng)過(guò)授權(quán)就可以通過(guò)軟件對(duì)指定前端設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，當(dāng)設(shè)備啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)后可進(jìn)行報(bào)警提示。

（4）電子地圖。在電子地圖上，按設(shè)備部署位置顯示每個(gè)設(shè)備的部署地點(diǎn)、設(shè)備工作狀態(tài)及監(jiān)測(cè)值。

（5）建立應(yīng)急預(yù)案處理流程資源庫(kù)。對(duì)不同的類(lèi)型前端監(jiān)測(cè)設(shè)備的報(bào)警，分別建立應(yīng)急預(yù)案處理基本流程，協(xié)助工作人員對(duì)各類(lèi)報(bào)警事件快速制定解決預(yù)案，及時(shí)消除危險(xiǎn)隱患。

（6）事件分析與預(yù)警。對(duì)多發(fā)事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，形成事件統(tǒng)計(jì)/預(yù)警報(bào)表、危險(xiǎn)分析預(yù)警報(bào)表等，協(xié)助工作人員形成管理預(yù)案。

3.環(huán)境監(jiān)測(cè)智能盒

環(huán)境監(jiān)測(cè)智能盒根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)配備一套監(jiān)測(cè)智能盒，完成前端數(shù)據(jù)采集、設(shè)備聯(lián)動(dòng)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽湓O(shè)計(jì)原理如下圖所示：

圖環(huán)境監(jiān)測(cè)智能盒原理

為提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器的精確測(cè)量，解決多種數(shù)據(jù)的有效傳輸，智能盒特采用雙核結(jié)構(gòu)配置，包括一個(gè)多功能MCU和ARM嵌入式處理器。多功能MCU主要完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)多種數(shù)據(jù)的采集、緩存、控制、發(fā)送、用戶IO擴(kuò)展和鍵盤(pán)管理等工作。ARM處理器除了配備自身程序運(yùn)行的必要存儲(chǔ)模塊之外，外掛SD卡，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信息的本地存儲(chǔ)功能，記錄擾動(dòng)時(shí)的波形，作為環(huán)境質(zhì)量分析和故障分析的依據(jù)；外接大尺寸觸摸屏幕，以實(shí)現(xiàn)本地的人機(jī)交互功能；集成日歷芯片，方便記錄故障發(fā)生的時(shí)間。

環(huán)境監(jiān)測(cè)智能盒對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的多種環(huán)境參量進(jìn)行采集監(jiān)測(cè)，控制多個(gè)環(huán)境處理設(shè)備的啟停，同時(shí)向上發(fā)送采集的多種數(shù)據(jù)，并接收上沿發(fā)送來(lái)的控制命令。智能盒在采集各傳感器參數(shù)和與上沿通信時(shí)采用目前技術(shù)比較成熟的485總線方式，將采集用的485總線稱作下沿485總線，將與上沿通信的485總線稱作上沿485總線。上沿485總線連接到數(shù)據(jù)匯控箱，數(shù)據(jù)匯控箱負(fù)責(zé)對(duì)多個(gè)智能盒數(shù)據(jù)的匯總，匯總后的數(shù)據(jù)以光纖的方式發(fā)送到控制中心。下沿485總線連接前端采集模塊，前端采集模塊負(fù)責(zé)底層采集各種傳感器的環(huán)境參量，包括模擬傳感器信號(hào)的調(diào)理、放大、A/D轉(zhuǎn)換、采集處理，處理后的數(shù)據(jù)直接送到 485總線上，同時(shí)采集模塊直接配置了對(duì)每種傳感器的聲光報(bào)警功能。

環(huán)境監(jiān)測(cè)智能盒預(yù)留了RJ45網(wǎng)口、CAN總線接口、GPRS、3G的通信方式，以便于不同環(huán)境的應(yīng)用和日后升級(jí)6，其能如下：（1）環(huán)境監(jiān)測(cè)功能。實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)的精確采集，監(jiān)測(cè)氣體包括氧氣、一氧化碳、硫化氫、可燃?xì)猓瑴y(cè)量精度不低于5%（F.S）；監(jiān)測(cè)集水坑中水位包括水位下限和水位上限；監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度、濕度，溫度準(zhǔn)確度不低于±1℃，濕度準(zhǔn)確度不低于±3%RH（20%-80%RH）。（2）聯(lián)動(dòng)功能。在監(jiān)測(cè)值超過(guò)閾值時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)相關(guān)輔助設(shè)備，如風(fēng)機(jī)、抽水泵、照明等設(shè)備進(jìn)行危險(xiǎn)排除。（3）報(bào)警功能。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)前端各類(lèi)傳感器的工作狀態(tài)和監(jiān)測(cè)值，對(duì)設(shè)備狀態(tài)異常、監(jiān)測(cè)參數(shù)超過(guò)閾值時(shí)及時(shí)生成報(bào)警數(shù)據(jù)，上傳至控制中心。（4）存儲(chǔ)功能。存儲(chǔ)采集的傳感器數(shù)據(jù)、控制指令、報(bào)警信息等數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)時(shí)間不少于90天。（5）遠(yuǎn)程控制功能。接收控制中心的控制指令，可對(duì)本機(jī)參數(shù)進(jìn)行配置，對(duì)前端傳感器、輔助設(shè)備進(jìn)行控制，支持設(shè)備的遠(yuǎn)程重啟。（6）數(shù)據(jù)上傳功能。將采集到的傳感器參數(shù)值、報(bào)警信息等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，光纖通信條件下數(shù)據(jù)采集終端上送到主站開(kāi)關(guān)量小于3秒，模擬量小于5秒。

4.實(shí)驗(yàn)與分析

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，所安裝的前端環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備采集的數(shù)據(jù)經(jīng)匯控盒發(fā)送到后臺(tái)控制中心后，發(fā)現(xiàn)收到的數(shù)據(jù)比現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀器檢測(cè)的值偏小，但是相對(duì)誤差在2.0%以內(nèi)，滿足工程使用要求。偏差原因初步分析有兩方面，一是現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀器檢測(cè)的瞬時(shí)值偏高；二是傳感器自身存在響應(yīng)時(shí)間及調(diào)理電路的精度誤差。數(shù)據(jù)分析結(jié)果見(jiàn)下表：

表現(xiàn)場(chǎng)儀器和監(jiān)控中心獲得的氣體體積分?jǐn)?shù)值

時(shí)間（min）現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)體積分?jǐn)?shù)（×10-6）現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)體積分?jǐn)?shù)（×10-6）相對(duì)誤差（%）

0100991.0

151501472.0

302001962.0

452502471.2

603002971.0

753503441.7

904003941.5

1054504451.2

1205004961.8

5.結(jié)束語(yǔ)

隧道環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本滿足隧道維護(hù)要求，但有些隧道周邊環(huán)境復(fù)雜，監(jiān)控環(huán)境參數(shù)類(lèi)型應(yīng)根據(jù)實(shí)際環(huán)境境況進(jìn)行擴(kuò)充和調(diào)整，環(huán)境監(jiān)測(cè)智能盒及系統(tǒng)應(yīng)具備更高的靈活性和可擴(kuò)展性。

參考文獻(xiàn)

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