張晨陽

（山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，我國高速公路隧道有1.91萬座，其中，特長隧道1 175座，總公里數(shù)達(dá)到521.75萬m；長隧道4 784座，總公里數(shù)達(dá)到826.3萬m，每年新增里程超過1 100 km[1]。按照我國公路建設(shè)規(guī)劃，未來公路隧道數(shù)量仍將大幅增加，穩(wěn)居世界公路隧道規(guī)模、長度、難度之首[2]。目前，對于公路隧道的監(jiān)控管理主要集中于運營階段，旨在便利公眾出行[3]，而在施工過程中監(jiān)控系統(tǒng)運用較少。為了智能化監(jiān)管公路隧道施工過程氣體濃度，保證隧道充足通風(fēng)，確保施工人員安全，及時處理故障隱患，在公路隧道施工過程中，增加通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)十分必要。此外，隧道施工數(shù)據(jù)的采集與處理關(guān)系后續(xù)隧道安全運營，在實現(xiàn)隧道的智慧施工中發(fā)揮重要作用。因此，系統(tǒng)化、合理化、有效化的監(jiān)控數(shù)據(jù)采集方案，對設(shè)計隧道施工通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)至關(guān)重要。

近年來，數(shù)據(jù)分析及計算機(jī)技術(shù)被廣泛引用到隧道領(lǐng)域，通過“智慧交通”“智慧工程”保證隧道建設(shè)的安全質(zhì)量[4]，實現(xiàn)降本增效。公路隧道施工通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)將采集數(shù)據(jù)與智能監(jiān)管聯(lián)系起來，由預(yù)設(shè)在隧道固定位置的傳感器收集指標(biāo)參數(shù)，并將指標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸至工業(yè)控制計算機(jī)，由專人對指標(biāo)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理，定期監(jiān)控，并按周期出具監(jiān)控報告，及時排查安全隱患。安全質(zhì)量監(jiān)管部門在監(jiān)督時，可接到實時預(yù)警，或針對特定指標(biāo)進(jìn)行專項查看，系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)控需求生成直觀圖表，便于統(tǒng)計分析。

該研究基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計了適用于企業(yè)管控的隧道施工通風(fēng)監(jiān)測及控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實時收集指標(biāo)數(shù)據(jù)，也可及時調(diào)整施工運行狀態(tài)，為隧道施工管理提供決策[5]。

1 系統(tǒng)設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的隧道施工通風(fēng)安全監(jiān)控系統(tǒng)用戶通過登錄計算機(jī)進(jìn)行操作，由總控制系統(tǒng)和分散在隧道中的總線式采集數(shù)據(jù)接口連接。總線式數(shù)據(jù)采集通過線纜傳輸，將接收到的數(shù)字信號通過光端機(jī)主線之間的接口傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)。

為保證施工安全監(jiān)測要求，在隧道內(nèi)安設(shè)一氧化碳傳感器、氧氣傳感器、二氧化碳傳感器、溫度傳感器、風(fēng)速傳感器、粉塵傳感器、開停傳感器等，實時獲取正在施工的隧道內(nèi)一氧化碳濃度、二氧化碳、氧氣含量、環(huán)境溫度、通風(fēng)風(fēng)速風(fēng)量、掌子面空氣中粉塵含量等參數(shù)[6-8]，并將數(shù)據(jù)信息通過分站采集傳送至監(jiān)控室工業(yè)計算機(jī)系統(tǒng)軟件進(jìn)行分析處理。其中，有毒、有害氣體一旦超限可自動語音報警，同時通過設(shè)備開停傳感器對通風(fēng)機(jī)實時監(jiān)測工作狀態(tài)，當(dāng)有害氣體濃度超過設(shè)定的斷電值以及通風(fēng)機(jī)在停的狀態(tài)時，饋電斷電器對被控設(shè)備執(zhí)行自動斷電，確保系統(tǒng)可對隧道情況進(jìn)行24 h實時監(jiān)控。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架圖

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)運行機(jī)制

2 系統(tǒng)模塊介紹

公路隧道施工通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)分為7個功能模塊，分別為數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)預(yù)警、執(zhí)行命令模塊。具體如圖3所示。

圖3 公路隧道施工通風(fēng)監(jiān)控模塊

各模塊功能主要為：

a）數(shù)據(jù)收集 在隧道施工過程中，實時對隧道內(nèi)一氧化碳、二氧化碳、粉塵、氧氣含量等數(shù)據(jù)進(jìn)行收集。

b）數(shù)據(jù)傳輸 通過隧道安裝的傳感器將采集的數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)軟件。

c）數(shù)據(jù)處理 監(jiān)控室工業(yè)計算機(jī)安全監(jiān)控軟件對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，清洗臟數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的歸一化與可解讀化。

d）數(shù)據(jù)分析 對清洗過的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)值進(jìn)行比較，判別關(guān)鍵指標(biāo)及數(shù)值范圍。

e）數(shù)據(jù)可視化 系統(tǒng)通過大屏實時顯示隧道施工中關(guān)鍵數(shù)據(jù)指標(biāo)。

f）數(shù)據(jù)預(yù)警 以隧道施工過程中有毒、有害氣體指標(biāo)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，將數(shù)據(jù)分析、智能感知等前沿技術(shù)應(yīng)用到監(jiān)控體系，提升施工過程中安全問題的主動性，一旦濃度等數(shù)據(jù)超出標(biāo)準(zhǔn)范圍將實現(xiàn)自動語音預(yù)警功能，實現(xiàn)智能隧道監(jiān)控。

g）執(zhí)行命令 監(jiān)控室工業(yè)計算機(jī)安全監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)分級預(yù)警應(yīng)對，當(dāng)有毒、有害氣體濃度超過設(shè)定的斷電值以及通風(fēng)機(jī)在停的狀態(tài)，立即啟動應(yīng)急預(yù)案，進(jìn)行應(yīng)急指揮，饋電斷電器對被控設(shè)備執(zhí)行自動斷電處置，為快速科學(xué)決策提供依據(jù)。

3 系統(tǒng)配套設(shè)備要求

為保證公路隧道施工通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)，需要配備符合要求的監(jiān)控設(shè)備。主要設(shè)備參數(shù)如表1。

表1 系統(tǒng)配套設(shè)備要求

4 系統(tǒng)功能及意義

公路隧道施工通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)感知、數(shù)據(jù)分析為主要技術(shù)手段，將隧道施工過程中實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)預(yù)警、命令執(zhí)行等業(yè)務(wù)匯集一體，建立系統(tǒng)權(quán)限管理，互聯(lián)互通施工全過程數(shù)據(jù)信息，有助于業(yè)務(wù)管理，達(dá)到健全業(yè)務(wù)、協(xié)同指揮的體系化建設(shè)。通過系統(tǒng)，實現(xiàn)整合隧道施工安全跟蹤處理目標(biāo)，將各個模塊集成，實現(xiàn)降本增效，有利于深化施工過程中安全管控，發(fā)揮企業(yè)管理的主動性，提高業(yè)務(wù)實時性，加強(qiáng)應(yīng)急處置能力，有效防范隧道安全風(fēng)險。

系統(tǒng)作為有效的監(jiān)測手段，大大彌補(bǔ)實際工作中人力不足，監(jiān)控不到位等問題，實現(xiàn)了超限指標(biāo)預(yù)警化、監(jiān)控數(shù)據(jù)檔案化、故障檢測自動化、設(shè)備維護(hù)可追溯的內(nèi)控管理手段。

a）超限指標(biāo)預(yù)警化 實時查看監(jiān)控系統(tǒng)的報警信息，及時對報警、故障設(shè)備進(jìn)行問題查明，并有效解決。每日打印日報表，每月打印月報表進(jìn)行存檔管理。

b）監(jiān)控數(shù)據(jù)檔案化 監(jiān)測數(shù)據(jù)以日報、周報、月報、年報等形式自動電子化存檔。

c）故障檢測自動化 對監(jiān)控系統(tǒng)及設(shè)備的運行情況進(jìn)行監(jiān)控，分析運行情況，實時檢測所有可能影響監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的外來網(wǎng)絡(luò)攻擊，實時監(jiān)控各服務(wù)器運行狀態(tài)、流量及入侵監(jiān)控等。對異常情況進(jìn)行核查，并進(jìn)行相關(guān)的處理。每月檢測其各項技術(shù)參數(shù)及監(jiān)控系統(tǒng)傳輸線路質(zhì)量，處理故障隱患，協(xié)助監(jiān)控主管設(shè)定使用級別等各種數(shù)據(jù)，確保各部分設(shè)備各項功能良好，能夠正常運行。如：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器系統(tǒng)、監(jiān)控終端及各種終端外設(shè)。

d）設(shè)備維護(hù)可追溯 對容易老化的系統(tǒng)設(shè)備部件每月一次進(jìn)行全面檢查，一旦發(fā)現(xiàn)老化現(xiàn)象應(yīng)及時更換、維修，如風(fēng)扇、裸露在外部的網(wǎng)線及電源線等。每半月對一氧化碳傳感器、氧氣傳感器、二氧化碳傳感器、粉塵傳感器、風(fēng)速傳感器等進(jìn)行校驗檢驗并粘貼合格證，每半月對系統(tǒng)斷電功能進(jìn)行測試并記錄測試結(jié)果。每月第一個工作日，將上月?lián)屝?、維修、維護(hù)、保養(yǎng)記錄表以電子文檔的形式報送項目維修中心。

實際應(yīng)用后，對系統(tǒng)七大功能模塊進(jìn)行了測試，同時對系統(tǒng)的可操作性、結(jié)果可靠性、信息維護(hù)及處理、安全管控等進(jìn)行了綜合評估。

測試及評估結(jié)果顯示系統(tǒng)的功能優(yōu)于預(yù)期設(shè)計，系統(tǒng)運行平穩(wěn)，操作便捷，密保等級符合要求，滿足了隧道安全監(jiān)控的管理需求，達(dá)到預(yù)警效果，有助于應(yīng)急處置，符合系統(tǒng)構(gòu)建初衷。

5 結(jié)語

公路行業(yè)的快速發(fā)展，要求建設(shè)施工運營過程中的智能化、集成化、數(shù)據(jù)化配套提高，將傳統(tǒng)的管控提升為智能化綜合的監(jiān)控模式，充分利用物聯(lián)網(wǎng)等前沿技術(shù)，實現(xiàn)管理統(tǒng)一化、規(guī)范化，這是現(xiàn)在公路隧道安全監(jiān)管部門的必經(jīng)之路。

隧道施工通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)作為“智慧”的信息化監(jiān)管工具，有效解決了傳統(tǒng)監(jiān)管的瓶頸，提供良好的交互體驗，實際應(yīng)用中，通過傳感器實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集，通過光纖實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)處理模塊完成清洗，預(yù)警超限指標(biāo)，系統(tǒng)正確處理所有模塊命令，在工業(yè)計算機(jī)支持下，實現(xiàn)信息化管理。該系統(tǒng)的應(yīng)用對今后施工過程中安全管控具有一定的借鑒意義。