楊曉珂 張 偉 楊博文

(1.陜西省交通建設(shè)集團(tuán)公司秦嶺終南山公路隧道分公司，陜西 西安 710105；2.西安西暉儀器儀表有限公司，陜西 西安 710075； 3.西北大學(xué)，陜西 西安 710069)

隨著山區(qū)高速公路建設(shè)的發(fā)展以及通車?yán)锍痰脑黾樱L(zhǎng)隧道及特長(zhǎng)隧道數(shù)量不斷增多，長(zhǎng)大隧道的安全管理已受到越來(lái)越多的社會(huì)關(guān)注。減少公路隧道火災(zāi)帶來(lái)的損害程度，一方面要在隧道運(yùn)營(yíng)中加強(qiáng)火災(zāi)的監(jiān)控和監(jiān)測(cè)，以做到提早發(fā)現(xiàn)、及時(shí)處置，另一方面要充分保障隧道現(xiàn)有消防應(yīng)急設(shè)施的完好，對(duì)于長(zhǎng)大公路隧道一般設(shè)置有消火栓滅火系統(tǒng)，消火栓按照規(guī)范應(yīng)每50 m設(shè)置一處，尤其是特長(zhǎng)公路隧道消防管網(wǎng)距離長(zhǎng)、消火栓終端數(shù)量多，運(yùn)營(yíng)管理難度大。一旦發(fā)生消防管道爆管、消火栓漏水情況，排查往往需要大量時(shí)間，導(dǎo)致隧道消防高位水池水位快速下降，水量無(wú)法達(dá)到應(yīng)滿足的火災(zāi)延續(xù)時(shí)間，給隧道安全運(yùn)營(yíng)火災(zāi)處置造成了一定安全隱患。物聯(lián)網(wǎng)的高智能程度、可擴(kuò)展性、資源共享的特點(diǎn)，尤其適用于長(zhǎng)大公路隧道消防設(shè)施管道距離長(zhǎng)、終端數(shù)量大、維護(hù)監(jiān)管難的特點(diǎn)。目前，我國(guó)許多城市都已開(kāi)展了城市建筑的智慧消防物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，并取得了良好的應(yīng)用效果，本文以秦嶺終南山公路隧道消防管網(wǎng)運(yùn)營(yíng)實(shí)際為例，對(duì)如何設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的長(zhǎng)大公路隧道消防管網(wǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)予以介紹。

1 需求分析

秦嶺終南山公路隧道雙向四車道，單洞長(zhǎng)度18.02 km，雙洞全長(zhǎng)36.04 km，設(shè)有監(jiān)控中心1處、高位水池1處，消火栓箱每50 m設(shè)置一處，共779個(gè)，隧道消防水系統(tǒng)與隧道同步建成投入使用，現(xiàn)已運(yùn)營(yíng)12年，消防管道距離長(zhǎng)、消火栓數(shù)量多，難免有消火栓或支管漏水情況且不易及時(shí)發(fā)現(xiàn)。該物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道消防管道壓力和流量運(yùn)行變化，一旦消防支管或消火栓漏水，其相應(yīng)位置的支管管道水壓和流量將發(fā)生變化，當(dāng)變化超過(guò)一定閾值時(shí)，監(jiān)測(cè)平臺(tái)自動(dòng)提示報(bào)警信息和對(duì)應(yīng)設(shè)備位置，使監(jiān)控值機(jī)人員能夠及時(shí)掌握漏水點(diǎn)信息，盡快安排維修處置，最終實(shí)現(xiàn)人機(jī)互助、精準(zhǔn)采集、全程測(cè)控的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控模式。

2 監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)隧道管道流量、壓力等數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，首先應(yīng)對(duì)消防支管安裝智能傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、分析及存儲(chǔ)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)Web頁(yè)面顯示管網(wǎng)數(shù)據(jù)、提示報(bào)警信息。隧道消防管網(wǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)采用物聯(lián)網(wǎng)四層架構(gòu)體系，即采集層、傳輸層、數(shù)據(jù)服務(wù)層和應(yīng)用層。采集層通過(guò)各種智能傳感器檢測(cè)隧道水消防管網(wǎng)的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)(壓力、流量等)，并將采集數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)或移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)送至數(shù)據(jù)層；傳輸層通過(guò)不同的通信方式和協(xié)議(ZigBee，有線，4G，GPRS)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳與下載；數(shù)據(jù)服務(wù)層對(duì)傳輸層發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理以及分析，為應(yīng)用層調(diào)用提供支持服務(wù)；應(yīng)用層是平臺(tái)與用戶的交互層，根據(jù)用戶需求調(diào)用數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)不同的應(yīng)用平臺(tái)功能，最終以Web端、APP端形式展現(xiàn)(見(jiàn)圖1)。

2.2 采集層設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)消防管道監(jiān)測(cè)采用單一的壓力測(cè)量方式，只能測(cè)量管道或終端瞬間漏水壓力變化，在傳感器安裝時(shí)加入流量測(cè)量?jī)x表可在壓力未明顯變化時(shí)檢測(cè)到持續(xù)性漏水，達(dá)到監(jiān)測(cè)雙重保證。隧道消火栓為DN65雙出口，內(nèi)嵌于洞壁內(nèi)側(cè)消防箱內(nèi)，間距狹窄無(wú)法在消火栓處直接安裝傳感器，消火栓至消防主管道之間的一段消防支管(約0.7 m)位于隧道檢修道下方，通過(guò)在消防支管上安裝流量和壓力傳感器，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)消防支管至消火栓之間管道的流量和壓力，根據(jù)流量和壓力變化，可確定具體漏水點(diǎn)位。

2.3 傳輸層設(shè)計(jì)

對(duì)于已運(yùn)營(yíng)公路隧道，傳感器數(shù)據(jù)傳輸全部采用有線連接需進(jìn)行長(zhǎng)距離線路敷設(shè)，設(shè)計(jì)成本較高，一般采用數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸。本平臺(tái)設(shè)計(jì)考慮到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的獨(dú)立性、布線成本、易集成等因素，采用移動(dòng)GPRS方案進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。傳感器采集到的傳感數(shù)據(jù)，把相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到中繼器進(jìn)行分類整理后根據(jù)數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)別發(fā)送到DTU，DTU利用移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)GPRS把數(shù)據(jù)上傳到云端服務(wù)器，中繼器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全，需保證每條數(shù)據(jù)上傳下載的可靠穩(wěn)定，當(dāng)數(shù)據(jù)無(wú)法上傳下載時(shí)需要保存當(dāng)前數(shù)據(jù)。

2.4 數(shù)據(jù)服務(wù)層設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)服務(wù)層結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括資源層、服務(wù)層、接口層。資源層用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)資源，為服務(wù)層提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，資源層采用了mysql和redis數(shù)據(jù)庫(kù)，mysql存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，redis做數(shù)據(jù)緩存可為服務(wù)層提供更穩(wěn)定快速的數(shù)據(jù)支撐服務(wù)。服務(wù)層是整個(gè)系統(tǒng)的核心業(yè)務(wù)層，所有的業(yè)務(wù)模塊劃分、業(yè)務(wù)流程、業(yè)務(wù)模塊之間的通信均在服務(wù)層完成，同時(shí)為API網(wǎng)關(guān)提供接口，服務(wù)管理為服務(wù)層各業(yè)務(wù)模塊有序工作提供基礎(chǔ)支撐。接口層通過(guò)API網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)，API網(wǎng)關(guān)是系統(tǒng)的唯一入口，API網(wǎng)關(guān)封裝了系統(tǒng)內(nèi)部架構(gòu)，為每個(gè)客戶端提供一個(gè)定制的API，它還具有身份驗(yàn)證、監(jiān)控、負(fù)載均衡、緩存、請(qǐng)求分片與管理、靜態(tài)響應(yīng)處理功能。

2.5 應(yīng)用層設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)平臺(tái)應(yīng)用層是系統(tǒng)人機(jī)交互的核心，如圖3所示采用B/S架構(gòu)，為了提升整個(gè)系統(tǒng)性能，提高服務(wù)器并發(fā)處理能力和安全，將應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)按照功能劃分設(shè)計(jì)，分為“負(fù)載均衡器”“Web應(yīng)用服務(wù)器”及“數(shù)據(jù)庫(kù)-主、從服務(wù)器”。負(fù)載均衡器提供了一種有效透明的方法擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和服務(wù)器的帶寬、增加吞吐量、加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理能力、提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可用性。Web應(yīng)用服務(wù)器處于負(fù)載均衡服務(wù)器的后一級(jí)節(jié)點(diǎn)，運(yùn)行的是應(yīng)用的后臺(tái)程序，接收用戶請(qǐng)求并將用戶請(qǐng)求經(jīng)過(guò)計(jì)算及解析后，按照用戶請(qǐng)求訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，然后將數(shù)據(jù)庫(kù)返回結(jié)果給軟件界面顯示。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器將數(shù)據(jù)庫(kù)拆分為主和從數(shù)據(jù)庫(kù)，主數(shù)據(jù)庫(kù)為寫(xiě)數(shù)據(jù)庫(kù)，用來(lái)存儲(chǔ)寫(xiě)入采集到的消防管道數(shù)據(jù)；從數(shù)據(jù)庫(kù)為讀數(shù)據(jù)，用來(lái)為監(jiān)測(cè)平臺(tái)讀取數(shù)據(jù)提供服務(wù)，加快數(shù)據(jù)讀寫(xiě)效率。

監(jiān)測(cè)平臺(tái)軟件功能應(yīng)實(shí)現(xiàn)在GIS地圖上顯示測(cè)量點(diǎn)位置、數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息，支持消防管道壓力、流量的數(shù)據(jù)采集、顯示和存儲(chǔ)，可完成歷史數(shù)據(jù)的查詢導(dǎo)出，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)消防管道實(shí)際壓力、流量更改報(bào)警閾值，超出閾值可在Web頁(yè)面自動(dòng)彈出報(bào)警信息，并顯示具體位置。

3 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

監(jiān)測(cè)平臺(tái)壓力測(cè)量?jī)x表采用西暉儀器XHP830T-C7T，流量測(cè)量?jī)x表采用西暉儀器XHLD-8004021101ER2MB，壓力傳感器位于檢修道地溝內(nèi)，環(huán)境較為潮濕，宜采用IP68防護(hù)等級(jí)，焊接連接；流量傳感器插入式或外夾式，由于公路隧道車輛經(jīng)過(guò)會(huì)產(chǎn)生一定震動(dòng)，影響測(cè)量準(zhǔn)確性，采用管段式流量傳感器可有效避免管道震動(dòng)。實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)腉PRS模塊采用西暉儀器XHD530W-N7W。監(jiān)測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)使用IntelliJ IDEA×64和MySQL5.7開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)，物連網(wǎng)云平臺(tái)服務(wù)器采用百度云服務(wù)器BBC。

監(jiān)測(cè)平臺(tái)界面左側(cè)為導(dǎo)航功能界面，可快速點(diǎn)擊進(jìn)入用戶角色管理、設(shè)備信息管理、信息總覽(GIS地圖顯示)、設(shè)備監(jiān)控等功能模塊。各消防管網(wǎng)實(shí)時(shí)壓力和流量數(shù)據(jù)在界面直觀顯示，平臺(tái)還可根據(jù)消防支管實(shí)際運(yùn)行情況，手動(dòng)設(shè)置壓力、流量報(bào)警的變化閾值，顯示采集數(shù)據(jù)的歷史變化曲線。當(dāng)某個(gè)消防支管或消火栓發(fā)生漏水，壓力和流量數(shù)據(jù)將發(fā)生明顯變化，在超出一定范圍時(shí)，平臺(tái)能夠自動(dòng)監(jiān)測(cè)并根據(jù)對(duì)應(yīng)漏水位置快速?gòu)棾鰣?bào)警提示對(duì)話框，監(jiān)控值機(jī)人員可以迅速做出響應(yīng)。

4 結(jié)論及建議

目前，該監(jiān)測(cè)平臺(tái)已開(kāi)發(fā)完成并投入使用，采用基于物聯(lián)網(wǎng)和GPRS無(wú)線通訊技術(shù)開(kāi)發(fā)的長(zhǎng)大公路隧道消防管網(wǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，解決了在役長(zhǎng)大公路隧道消防設(shè)施監(jiān)管距離長(zhǎng)、位置偏遠(yuǎn)、較為分散且沒(méi)有預(yù)留智能化接口的問(wèn)題，平臺(tái)的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)了對(duì)長(zhǎng)大隧道消防管網(wǎng)壓力和流量的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和異常報(bào)警，能夠快速、高效和精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)管道漏水位置，大大減少了管道漏水處置的響應(yīng)時(shí)間，降低人工巡查頻率，有效提高長(zhǎng)大隧道水消防系統(tǒng)監(jiān)管的效率和實(shí)時(shí)性。下一步將根據(jù)各消防管網(wǎng)終端的實(shí)際情況，研究合理準(zhǔn)確的壓力和流量變化閾值，既減少平臺(tái)的誤報(bào)率，又確保報(bào)警提示的快速性，并且通過(guò)消防管網(wǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的大數(shù)據(jù)進(jìn)一步挖掘長(zhǎng)大隧道消防水消防管網(wǎng)的運(yùn)行規(guī)律和最佳養(yǎng)管模式。