韋 維

(廣西交通投資集團南寧高速公路運營有限公司，廣西 南寧 530218)

0 引言

隨著高速公路路網(wǎng)逐步延伸至偏遠山區(qū)，極大地促進了國民經(jīng)濟的整體發(fā)展。但是山區(qū)高速公路在修建過程中存在大量的隧道群，多數(shù)山區(qū)高速公路隧道光線灰暗，視野不開闊，安全性較低。因此高速公路隧道安全是行業(yè)應(yīng)重點關(guān)注的問題[1]。高速公路隧道的眾多隱患防范的重點之一是對火災(zāi)的防范。車輛自燃、車輛追尾、供電線路老化短路、隧道內(nèi)設(shè)備故障等各種原因均會引發(fā)隧道火災(zāi)，極易造成重大的生命財產(chǎn)損失。因此，必須做好隧道消防管理和監(jiān)控工作，保證隧道區(qū)域行車安全。雖然每個隧道在建設(shè)后都配有相應(yīng)的消防管道，但如果不能及時地發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患也無法保證來往車輛的安全，而且消防設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，在火災(zāi)發(fā)生的時候也無法滅火，因此，消防設(shè)備的狀態(tài)也需要進行監(jiān)控。其中，消防供水是火災(zāi)救援的根本，在對消防設(shè)備進行監(jiān)測的時候應(yīng)將消防供水的監(jiān)測放在第一位，避免因供水監(jiān)測問題導(dǎo)致無法及時撲滅火災(zāi)[2]。本文基于該需求設(shè)計了高速公路隧道消防供水智能監(jiān)測系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)利用智能監(jiān)控的技術(shù)原理，對隧道消防供水進行實時監(jiān)測，能夠?qū)┧到y(tǒng)的水壓、實時多點并發(fā)等狀態(tài)進行監(jiān)測。同時，通過對水壓值的分析判斷設(shè)備是否有故障，在設(shè)備發(fā)生故障時向管理員發(fā)出預(yù)警信號。此外，應(yīng)保證消防水箱中的水位一直處于滿足需求的狀態(tài)，當(dāng)水位異常下降時提醒管理員進行檢測和維修，以保證消防設(shè)備處于正常使用的狀態(tài)，及時排查消防水源隱患。

1 消防供水智能監(jiān)測系統(tǒng)方案

消防供水智能監(jiān)測系統(tǒng)主要分為硬件部分和軟件部分。硬件部分包括信號采集器、水位計、無線智能壓力傳感器、5G無線監(jiān)控攝像機等；軟件部分主要有消防監(jiān)控平臺軟件和移動終端APP和公眾號等。消防供水監(jiān)控系統(tǒng)通過水位計對消防水池、高位水箱中的水位進行實時遠程監(jiān)控，通過無線智能壓力水表采集傳輸消防水系統(tǒng)中消火栓、噴淋末端等關(guān)鍵部位的水壓，發(fā)現(xiàn)異常迅速發(fā)出報警通知值班人員處理，同時將報警信息上傳到監(jiān)控平臺軟件，監(jiān)控平臺軟件受理報警并通過APP推送給聯(lián)網(wǎng)單位消防負責(zé)人，以便及時響應(yīng)和處理，排查消防隱患。消防供水智能監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 消防供水智能監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 高速公路隧道消防供水智能監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

目前，我國高速公路隧道消防給水系統(tǒng)多采用常壓型給水系統(tǒng)，其工作原理是：先從取水裝置取水到低位水池，用水泵將低位水池中的水加壓輸送到高位水池，再由高位水池對隧道消防管網(wǎng)進行供水。常壓型給水系統(tǒng)是利用高位水池和自身重力流向隧道內(nèi)的消防管網(wǎng)供水，使管網(wǎng)始終保持滅火所需的流量和壓力，在撲救火災(zāi)時可以直接使用消火栓滅火，而不需要啟動消防水泵加壓。根據(jù)隧道最低處高程和最高處高程計算得出高位水池高度，以滿足消防栓出水壓力要求。為了確保高位水池的高程和容積符合規(guī)范要求，其建造位置要求地勢平坦，地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，給水管的布線要盡量短，以降低水壓損失。

2.1 設(shè)計光電接觸式液位傳感器

在設(shè)計信號采集器之前，首先要分析被檢測信號的特點，在被測隧道中應(yīng)采集消防供水設(shè)備可測點的形狀，尤其是設(shè)備中的帶孔、帶槽、齒輪等零件的狀態(tài)。消防供水設(shè)備通常位于隧道當(dāng)中，所處的環(huán)境條件和空曠地帶有所差距[3]，因此在對消防供水設(shè)備進行監(jiān)測的時候要考慮周圍環(huán)境的變化，溫度、磁場、光線等因素的變化都會對檢測結(jié)果造成影響，而這些因素又影響到對信號采集器傳感器的選擇。通過對檢測需求的分析，選擇了三種傳感器作為高速公路隧道信號采集器的傳感器。其參數(shù)如表1所示。

表1 傳感器參數(shù)一覽表

光電傳感器是本文設(shè)計的信號采集器的主要傳感器，其主要由信號發(fā)送器和接收器以及相應(yīng)的電路組成。光發(fā)射器和接收器在同一個光電槽中，當(dāng)電槽通電時就可以實現(xiàn)光電通路傳感[4]，電槽兩側(cè)中保持無物體狀態(tài)，但監(jiān)測到設(shè)備存在時，設(shè)備會將信號擋住，由此來判斷設(shè)備的狀態(tài)。

2.2 設(shè)計消防供水無線智能壓力傳感器

壓力傳感器的選擇應(yīng)與消防供水設(shè)備相配套，需要注意傳感器的精度，還應(yīng)考慮硬件的成本。壓力傳感器線性特性也很強，應(yīng)用的范圍十分廣泛，因此結(jié)合本系統(tǒng)對傳感壓力的需求，在消防供水設(shè)備壓力傳感器中選擇PR-3000-PM300-*系列的壓力傳感器[5]，其擴散硅壓力芯體是該傳感器用于識別敏感度的原因。該壓力傳感器的外殼是堅硬的不銹鋼體，赫斯曼接頭為國外原裝進口，可防水防塵防腐蝕抗老化。高強度不銹鋼殼體嚴格的氣密性監(jiān)測可適應(yīng)各類高壓工況。緩沖阻尼設(shè)計可防止瞬間大壓力對傳感器的破壞，能抗2～3倍瞬間壓力。該設(shè)備不會因為地處惡劣的環(huán)境就生銹損壞，延長了系統(tǒng)硬件的壽命。由于部分隧道較長，通過拉線傳輸施工難度大、成本高，故在壓力傳感器上集成了無線lora傳輸模塊，每隔1 km安裝一個數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和穩(wěn)定性。

2.3 5G無線太陽能監(jiān)控攝像機

在高低位水池上部安裝5G無線監(jiān)控攝像球機，使系統(tǒng)可遠程查看高位水池的實時影像、圖片、水池水位高度，以及實時查看任一消防水泵的水壓，當(dāng)出現(xiàn)異常時可及時報警。該系統(tǒng)具有不受距離限制、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定即可遠程實時觀看、安裝施工方便、不用長距離輸電等優(yōu)點。

3 高速公路隧道消防供水智能監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

隧道消防供水智能檢測系統(tǒng)軟件部分主要分為監(jiān)控平臺軟件和移動端軟件。其中監(jiān)控平臺軟件的主要功能有：可遠程查看高位水池的實時影像、圖片、水池水位高度，以及實時查看任一消防水泵水壓，能實現(xiàn)水壓水位感知、水壓水位異常報警、管網(wǎng)壓力監(jiān)測、水池液位監(jiān)測、消防栓壓力監(jiān)測、信息推送、監(jiān)測管理等，當(dāng)出現(xiàn)異常時可及時報警。移動端主要功能有：實時監(jiān)測、預(yù)警提醒、自檢上報、故障巡檢、通知公告、APP實時報警等。

要實現(xiàn)上述軟件的功能，保證數(shù)據(jù)實時收發(fā)并處理是關(guān)鍵，后臺服務(wù)端通過5G和lora網(wǎng)關(guān)服務(wù)器進行通信，數(shù)據(jù)通過加密的MQTT服務(wù)會話主體通信，能夠有效解決數(shù)據(jù)并發(fā)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和安全性等問題。

4 監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

在廣西交通投資集團柳州高速公路運營有限公司小頭嶺隧道安裝了一套隧道消防供水智能監(jiān)測系統(tǒng)，進行了隧道消防聯(lián)動演練測試，并對隧道消防的消防控制、自動報警、應(yīng)急電話、廣播和監(jiān)控系統(tǒng)進行了分析設(shè)計。根據(jù)大數(shù)據(jù)分析以往易發(fā)生火災(zāi)隧道的歷史數(shù)據(jù)，估算發(fā)生火災(zāi)時，監(jiān)測救護人員得到火災(zāi)的通知時間；在需水量的計算過程中按照20 min的到場時間進行準備；消防流量分析采用水管網(wǎng)組態(tài)軟件進行，分析消火栓的流量值的結(jié)果得出該地區(qū)的消防需水量服從對數(shù)正態(tài)分布，根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)對消防供水能力概率分布圖進行繪制。監(jiān)控平臺軟件如圖2所示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件模擬界面圖

采用本文設(shè)計的系統(tǒng)對高速公路隧道消防供水進行智能監(jiān)測。系統(tǒng)測試的實驗結(jié)果如下頁圖3所示。由圖3可知，本文設(shè)計的系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備所得出的供水量曲線與實際滅火所需的供水量基本吻合，因此，本文設(shè)計的系統(tǒng)符合高速公路隧道消防供水智能監(jiān)測系統(tǒng)的要求。

圖3 測試數(shù)據(jù)分析曲線圖

5 結(jié)語

本文對消防供水智能監(jiān)測的需求進行了分析，并基于需求設(shè)計了高速公路消防供水智能監(jiān)測系統(tǒng)。本文設(shè)計的系統(tǒng)數(shù)據(jù)采用無線lora和5G通信傳輸?shù)姆绞?，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?、實時性、方便快捷及對消防水源管網(wǎng)水壓準確、實時的多點并發(fā)監(jiān)測，當(dāng)水位或管網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生異常時，能夠迅速發(fā)出報警信息，及時排查消防水源隱患。通過實際系統(tǒng)測試證明，該系統(tǒng)符合高速公路隧道消防供水智能監(jiān)測系統(tǒng)的要求。