楊曉珂，楊海峰，杜曉兵

0 引言

隨著山區(qū)高速公路建設的發(fā)展以及通車里程的不斷增加，長隧道及特長隧道不斷增多，長大隧道的安全管理已成為運營管理的首要任務。國內(nèi)外許多研究表明，隧道內(nèi)一旦發(fā)生火災，往往會造成嚴重的人員傷亡、巨大的經(jīng)濟損失和惡劣的社會影響，故長大隧道安全管理的最大威脅就是火災事件［1-4］。對于設置有消火栓滅火系統(tǒng)的隧道，消防高位水池不僅對隧道內(nèi)消防滅火提供水源保障，液位狀態(tài)和蓄水量更是起到了對整個消防管網(wǎng)供給壓力的作用;因此，消防高位水池液位的監(jiān)控和管理對隧道消火栓系統(tǒng)的正常運行、隧道的行車安全和火災事件的緊急救.極其重要［5-6］。

目前，中國高速公路隧道高位水池液位的監(jiān)管普遍采用液位傳感器回傳液位數(shù)據(jù)和人工現(xiàn)場查看的方式［7-8］，根據(jù)隧道高位水池液位變化對水泵進行人工開啟和關閉操作，一旦液位傳感器或通訊線路發(fā)生故障，高位水池液位管理只能依靠人工巡查和現(xiàn)場處理，監(jiān)管費時費力且無法得到實時保障。還有部分隧道在高位水池的消防泵房內(nèi)設置水位控制柜，實現(xiàn)了本地消防水泵自動控制液位管理［9-10］，但尚未達到監(jiān)控中心的遠程控制管理，且未在監(jiān)控中心建立針對高位水池液位數(shù)據(jù)采集、消防水泵聯(lián)動控制的高位水池液位管理系統(tǒng)［11-12］。綜上所述，根據(jù)隧道水消防安全管理現(xiàn)狀，搭建隧道高位水池液位遠程實時監(jiān)測和水泵聯(lián)動控制的管理系統(tǒng)已成為迫切需求。

1 系統(tǒng)功能需求分析

秦嶺終南山公路隧道為雙向四車道，單洞長度18.02 km，雙洞全長36.04 km，設有監(jiān)控中心1處，高位水池1個，兩處相距約32 km?，F(xiàn)有監(jiān)控管理系統(tǒng)功能包含視頻監(jiān)控、交通控制、通信及緊急廣播、環(huán)境采集通風控制和照明控制等?，F(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，共分為三級，即隧道現(xiàn)場控制系統(tǒng)、監(jiān)控中心計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)。監(jiān)控中心計算機網(wǎng)絡通過光纜數(shù)據(jù)通道與隧道現(xiàn)場PLC控制器連接，隧道現(xiàn)場PLC控制器再分別與環(huán)境檢測器、交通信息采集設備、照明繼電器、風機等設備相連。隧道現(xiàn)場PLC控制器對各系統(tǒng)設備狀態(tài)及數(shù)據(jù)進行實時采集，通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機和光纜回傳至隧道監(jiān)控中心監(jiān)控管理系統(tǒng)，統(tǒng)一由監(jiān)控中心的各個監(jiān)控系統(tǒng)對各系統(tǒng)設備和數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測、存儲、決策以及遠程控制［13］。

為充分利用現(xiàn)有隧道監(jiān)控網(wǎng)絡系統(tǒng)的資源和技術，減少系統(tǒng)二次開發(fā)浪費，可將消防高位水池液位監(jiān)控系統(tǒng)作為隧道監(jiān)控管理系統(tǒng)的一個組成部分。管理系統(tǒng)可實現(xiàn)的功能如下。

(1)能在監(jiān)控中心實時存儲、顯示高位水池液位數(shù)據(jù)。

(2)能自動根據(jù)液位狀態(tài)對水泵進行相應聯(lián)動控制操作，也可以由管理人員手動遠程控制水泵啟閉，一旦液位過低則啟動報警程序通知管理人員。

(3)可對各個設備的狀態(tài)進行周期性采集、存儲和提示。

(4)對高位水池內(nèi)部和外場加裝紅外攝像機，通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)同步傳輸水池內(nèi)部和外場視頻，即使液位數(shù)據(jù)傳輸故障，還可通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測高位水池液位狀態(tài)，有效加強監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖1 隧道監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示，以數(shù)據(jù)為中心進行結(jié)構(gòu)分層，共分為6層。各分層相對獨立，耦合度小，利于擴展，子結(jié)構(gòu)獨立演化，為實現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)采集提供了保證，通過替換通訊層，可實現(xiàn)策略、預案的模擬仿真。系統(tǒng)以數(shù)據(jù)為中心可發(fā)揮數(shù)據(jù)庫效率高、支持并發(fā)操作的優(yōu)勢，降低分層間數(shù)據(jù)交互的復雜性;各種開發(fā)工具對數(shù)據(jù)庫有著很好的支持，降低了開發(fā)難度;數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品的穩(wěn)定性為監(jiān)控軟件的穩(wěn)定提供保障;用數(shù)據(jù)庫代替消息中間件，可使成本降低，各分層之間的數(shù)據(jù)交換異步化，進一步降低各分層之間的耦合度。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

設備層包括液位探測儀、數(shù)字顯示控制儀、水泵等高位水池現(xiàn)場安裝的各類設備，是對外場設備進行數(shù)據(jù)采集和控制的模擬量采集模塊、開關量輸入輸出模塊以及PLC控制系統(tǒng)等;通信層收集各類數(shù)據(jù)(包括設備運行參數(shù)信息、設備運行狀態(tài)及故障信息、從上下級監(jiān)控系統(tǒng)獲得的信息)，下發(fā)設備控制指令;存儲層除了保存通信采集層的各類數(shù)據(jù)之外，還是各分層間的協(xié)作中樞，為各層的數(shù)據(jù)交換提供支持;數(shù)據(jù)處理層包括兩大功能，一是通過對設備數(shù)據(jù)的綜合分析，提供設備預警功能，二是通過預先設定的算法和控制策略實現(xiàn)對設備的自動控制;監(jiān)控管理層提供可視化的設備控制和系統(tǒng)管理功能［14］。

2.2 系統(tǒng)設計原理

系統(tǒng)設計原理如圖3所示，在高位水池現(xiàn)場增設液位儀測量高度，數(shù)字顯示控制儀對采集到的液位模擬量信號進行現(xiàn)場數(shù)顯，并對模擬量信號進行控制運算和線性矯正。數(shù)字顯示控制儀輸出接口連接至消防配電箱的PLC模擬量采集模塊和PLC控制器，經(jīng)過現(xiàn)場交換機接入隧道工業(yè)以太網(wǎng)，實現(xiàn)液位數(shù)據(jù)回傳監(jiān)控中心［15］?，F(xiàn)場PLC控制器的開關量輸入輸出模塊與水泵交流接觸器連接，通過PLC控制器實現(xiàn)對水泵的自動控制和遠程操作指令的發(fā)布。水池內(nèi)部和水池外場的紅外攝像機的視頻圖像通過光纖收發(fā)器傳輸至消防控制箱內(nèi)的光交換機，接入視頻監(jiān)控系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)，實現(xiàn)水池監(jiān)控圖像向監(jiān)控中心的回傳。監(jiān)控中心監(jiān)控管理機和服務器將液位數(shù)據(jù)和設備狀態(tài)參數(shù)集中顯示、分析和存儲并進行控制，實現(xiàn)預期功能。

圖3 系統(tǒng)設計原理

2.3 系統(tǒng)控制模式設計

根據(jù)隧道高位水池液位變化和設計容量的情況，制定系統(tǒng)液位控制策略為:高位水池液位警戒高度為1.5 m，當液位低于1.5 m系統(tǒng)自動開啟主、副水泵模式并發(fā)出警報提示時，值機人員注意排查消防管道是否存在大面積滲液;當液位升高到2.5 m時，主泵關閉、副泵開啟以維持水池液位穩(wěn)定。控制閾值可根據(jù)實際情況在操作軟件上進行更改。

系統(tǒng)控制模式分為本地人工控制、系統(tǒng)自動控制、監(jiān)控中心管理員人工遠程控制3種?？刂屏鞒倘鐖D4所示。本地控制是管理人員直接在高位水池配電控制柜內(nèi)直接對水泵進行啟閉操作，一般是在通訊數(shù)據(jù)故障及設備檢修狀況下進行。系統(tǒng)自動控制是監(jiān)控管理軟件根據(jù)實時采集到的液位有效數(shù)據(jù)和已設定的液位控制策略，向現(xiàn)場PLC控制模塊發(fā)出相應模式的水泵控制命令，以實現(xiàn)高位水池液位自動化反饋調(diào)節(jié)和控制。如果監(jiān)控中心值機人員在監(jiān)控系統(tǒng)水池內(nèi)外部的實時視頻圖像中發(fā)現(xiàn)有控制策略之外的異常事件，可直接在監(jiān)控管理軟件上對水泵狀態(tài)進行控制［16］。

2.4 采集數(shù)據(jù)濾波處理

圖4 系統(tǒng)控制流程

回傳的實時液位數(shù)據(jù)需濾波處理，防止數(shù)據(jù)噪聲觸發(fā)控制操作，從而提高檢測精度。由于液位數(shù)據(jù)變化是連續(xù)量，數(shù)據(jù)突變可能性較小，經(jīng)對比研究發(fā)現(xiàn)，在監(jiān)控軟件設計中采取限幅平均濾波算法能有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾［17-18］。在軟件設計中，將監(jiān)控軟件采集周期設置為5 s，每次采樣到新值時均需判斷，對第n次采集到的數(shù)據(jù)An進行有效幅度判斷:首先，剔除幅度之外的數(shù)據(jù);其次，若本次采樣值與歷史采樣平均值之差小于設定的最大采樣偏離值，則本次采樣值有效，并及時更新歷史采樣平均值;若本次采樣值與歷史采樣平均值之差大于最大采樣偏離值，則本次采樣值無效，剔除此次采樣值，并選取歷史采樣平均值作為本次采樣值。所以，通過限幅濾波的采樣最終輸出值Mn為

式中:An為第n次采集到的數(shù)據(jù);Ac為歷史采樣平均值;At為系統(tǒng)設定的最大采樣偏離值。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)液位傳感器采用星儀CYW11通用型，數(shù)顯控制儀表使用昌輝SWP-C803型號。為了與現(xiàn)有隧道監(jiān)控網(wǎng)絡兼容，現(xiàn)場PLC控制器CPU模塊、開關量輸入輸出模塊、以太網(wǎng)模塊以及模擬量輸入模塊均使用羅克韋爾公司(AB)1756系列設備。監(jiān)控管理軟件系統(tǒng)使用delphi 2006和SQL Server 2005開發(fā)。PLC數(shù)據(jù)通訊采用RSLinx Classic組態(tài)軟件進行編程和實現(xiàn)，RSLinx Classic加入了先進的數(shù)據(jù)優(yōu)化技術，并包含一套診斷機制，應用程序編程接口(API)支持用RSLinx Classic SDK開發(fā)的自定義應用序。

系統(tǒng)軟件主界面如圖5所示，主要由4個部分組成:狀態(tài)監(jiān)視區(qū)顯示液位監(jiān)測系統(tǒng)工作、主副泵開啟、低位報警值狀態(tài)等;操作菜單區(qū)可對水泵進行控制操作;設備控制區(qū)顯示液位監(jiān)測系統(tǒng)開始、停止、參數(shù)設置等功能;運行反饋區(qū)顯示液位監(jiān)測系統(tǒng)指令下達與反饋狀態(tài)。當水位監(jiān)測軟件處于正常運行狀態(tài)時，軟件系統(tǒng)的指令下達與反饋均可5 s實現(xiàn)1次反饋，自動與現(xiàn)場液位監(jiān)控設備進行數(shù)據(jù)交互，獲取高位水池液位高度數(shù)據(jù)以及水泵運行情況，并把獲取的數(shù)據(jù)代碼展示到監(jiān)控軟件界面下部的白色文本框中。

圖5 軟件主界面

根據(jù)上文系統(tǒng)控制模式設計，系統(tǒng)軟件可根據(jù)實際需求設置相應的控制模式，設定水泵開啟與關閉的液位閾值，也包含低液位報警開關的設置。如果設置為開，當液位低于設定值后，彈出報警頁面并報警，如果設置為關，低于設定值后不進行報警?？刂茀?shù)設置的界面如圖6所示。

圖6 軟件參數(shù)設置界面

4 結(jié)語

目前，本文設計的高位水池液位管理系統(tǒng)已開發(fā)測試完成并投入使用，實現(xiàn)了隧道高位水池液位的監(jiān)控管理和水泵遠程聯(lián)動控制，能有效增強隧道水消防系統(tǒng)的安全保障，提升運行效率，降低維護成本。對于長大隧道的高位水池液位監(jiān)控系統(tǒng)設計，應該充分利用、整合隧道其余監(jiān)控系統(tǒng)資源，減少資源浪費。對高位水池液位采集實時數(shù)據(jù)進行限幅平均濾波算法，可大大提高數(shù)據(jù)采集的實時性和準確性。同時，系統(tǒng)監(jiān)控軟件操作界面宜根據(jù)功能需要進行合理的分區(qū)布局，達到操作便利和狀態(tài)直觀的目的。下一步將根據(jù)系統(tǒng)日常用水量、消防泵開啟時間以及供水壓力等數(shù)據(jù)，對現(xiàn)有監(jiān)控業(yè)務進行挖掘和分析，探求長大隧道消防水系統(tǒng)的運行規(guī)律和最佳養(yǎng)管模式。

參考文獻:

［1］ 賴金星，周 慧，程 飛，等.公路隧道火災事故統(tǒng)計分析及防災減災對策［J］.隧道建設，2017，37(4):409-415.

［2］ SANTOS-REYESA J，BEARD A N.An Analysis of the Emergency Response System of the 1996 Channel Tunnel Fire［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2017(65):121-139.

［3］ 趙 峰，夏永旭，謝 濤.公路隧道運營事故統(tǒng)計分析研究［J］.公路，2014(6):280-286.

［4］ 曾 磊，王少飛，盧 輝.高速公路長大隧道防火減災與應急管理［J］.地下空間與工程學報，2012，8(S):1586-1590.

［5］ 馬民生，張永濤，同 鑫，等.山區(qū)高速公路隧道消防系統(tǒng)設計研究［J］.公路隧道，2013，83(3):16-20.

［6］ 張 崇.公路隧道火災致災機理及消防安全評估方法研究［D］.長沙:中南大學，2013.

［7］ 陳 東.雷家坡公路隧道火災仿真及其消防系統(tǒng)研究［D］.西安:長安大學，2016.

［8］ 錢經(jīng)緯.渝廣高速公路華鎣山隧道消防系統(tǒng)設計［J］.中國給水排水，2014，29(22):75-78.

［9］ 趙雙紅，陳 帥.穩(wěn)高壓供水系統(tǒng)在山區(qū)高速公路隧道消防系統(tǒng)中的應用［J］.公路交通技術，2015(6):118-121.

［10］ 丁曉雷，劉松榮，蔡堅健.隧道消防水池液位控制系統(tǒng)改造［J］.中國交通信息化，2013(8):117-118.

［11］ 張澤慧.城市下穿隧道泵站自動控制及遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究和實現(xiàn)［D］.成都:西南交通大學，2011.

［12］ 王華斌.城市隧道監(jiān)控系統(tǒng)中水泵監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［D］.武漢:武漢理工大學，2008.

［13］ 侯久望.終南山隧道監(jiān)控系統(tǒng)設計與關鍵技術研究［D］.成都:西南交通大學，2005.

［14］ 王維娜，李 剛.公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)PLC控制方案探討［J］.中國交通信息化，2014(5):116-117.

［15］ 徐 敏，姚年春，丁 琳.公路隧道排水泵站智能監(jiān)控系統(tǒng)設計［J］.隧道建設，2016，36(6):695-700.

［16］ 周 倜，鐘 珞，孟碧波.基于PLC的城市隧道水泵監(jiān)控系統(tǒng)［J］.微計算機信息(測控自動化)，2008，24(11):28-29.

［17］ 文常保，高麗紅，方吉善，等.基于改進型限幅平均濾波法的高精度稱重系統(tǒng)研究［J］.傳感技術學報，2014，27(5):649-653.

［18］ 伍靈杰.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中數(shù)字濾波算法的研究［D］.北京:北京林業(yè)大學，2010.