上海長江隧橋消防系統的設計與實現

□ 徐延軍 王偉利

上海長江隧橋 （崇明越江通道）工程位于上海東北部長江口，是中國最大的越江通道，也是目前世界最大的橋隧結合工程，全長25.5 km。

長江隧道自浦東五號溝，穿越長江南港至長興島，有上行和下行兩條各長達8.955 km的隧道組成，上行線江中段約7.47 km，下行線江中段約7.46 km。隧道共分上下3層：頂層為排風系統和排煙道；中層為高速公路車道層，每條隧道內為單向3車道，道路寬度為12.25 m，設計行車速度為80 km／h，路面兩邊設墻式消火栓供水系統、滅火器等滅火設備；下層為電纜通道、安全通道、江中廢水泵房等，并預留了軌道交通空間，在中、下層間設有疏散樓梯。長江大橋跨越長江口的北港，至崇明縣陳家鎮奚家港西，全長16.55k m，其中橋梁長度9.968 km，跨江段長8.5km,主橋面最高處離水面55 m。上海長江大橋按通航與否分為主航道橋、輔航道橋與非航道橋梁3部分，其中主航道橋為雙塔雙索面分離式鋼箱梁斜拉橋。橋面按雙向六車道設計，設計時速為100 km／h。非航道橋及輔輔航道橋橋面寬35.3 m，主航道橋面總寬51.5 m。

一、設計目標

面向服務。一方面通過各種業務流程和功能實現來滿足系統的各種需求，另一方面通過完善數據分析和數據挖掘，向管理者和用戶提供豐富的信息服務。

功能完善。系統不但能滿足消防系統的各種運行、管理等方面的功能需求，還提供對消防系統已采用、擬采用的各種新技術的支持。

方便使用。軟件設計體現 “以人為本”的設計理念，對業務流程進行優化；前端業務流程簡單、可靠、高效，復雜業務流程在后臺處理；系統維護高效、低成本；加強系統的安全性、穩定性和可靠性。

結構科學。軟件架構、業務流程的設計科學、高效；優化數據結構，提高數據使用效率；提高系統性能；提高系統安全性、可靠性。

擴展靈活。在架構設計上，滿足系統使用者不斷增長的需求，并便于新技術手段的加入；便于系統各種運行參數、數據應用的靈活擴展。

二、系統架構

上海長江隧橋消防系統按上海市高速公路網交通監控系統總體規劃和技術要求實施，以提高運營決策、監管、服務和應急保障能力為目標，以信息資源的整合與利用為重點，具有大型化、隧橋結合、集約化、多接口融合的特點，是保證運營安全，提高隧橋交通管理和服務水平的平臺。根據系統的建設目標和需求分析，系統吸取SOA（Service-Oriented Architecture，面向服務架構）軟件設計思想的精髓，采用開放式的企業級軟件體系架構來構建消防系統應用軟件，增強軟件對不斷變化需求的適應性。

上海長江隧橋消防系統的系統架構如下圖所示：

上海長江隧橋消防系統的系統架構

上海長江隧橋消防系統的軟件架構如下圖所示：

上海長江隧橋消防系統的軟件架構

三、系統功能

（一）消防報警子系統。對溫度變化曲線圖、車行通道感溫光纖實時信息、安全通道感溫光纖實時信息、電纜通道感溫光纖實時信息、手報按鈕狀態信息、感溫光纖火災報警信息進行監測。當感溫光纖實時溫度值超過報警限速或者手動報警按鈕被按下時，感溫光纖或手動報警按鈕圖標會在設備所屬的主界面的底圖上自動生成，提示用戶注意。報警消除時，圖標自動從隧道底圖上清除。

（二）預案管理子系統。預案管理子系統借鑒國內外同類項目的經驗，通過對領域內專家水平的知識與經驗的匯總，完成應急處置的預案管理、系統運行參數設定功能。通過預案管理，用戶可以編輯各種預案的內容；在聯動預案時，用戶可以跟蹤預案的執行；在預案結束后，用戶可以對預案進行評估。

1.預案編輯。預案編輯功能可以使監控人員根據運行的需求自己添加、編輯合適的預案，可以最大限度的滿足運行管理中對預案的需求。可編輯的預案信息包括： （1）基本信息：預案名稱、預案說明、預案類型； （2）觸發條件：何種情況下啟動預案； （3）車輛與人員的調度：預案需要調度的車輛與人員信息； （4）外場設備聯動：情報板、車道指示器、風機等外場設備的聯動； （5）內場設備聯動：管控中心及浦東管理站的視頻聯動。

2.預案跟蹤。在預案執行過程中，用戶可以對預案執行情況進行跟蹤，為預案的評估提供依據。預案跟蹤的內容包括： （1）設備動作跟蹤：實時記錄外場設備的動作時間及動作內容； （2）跟蹤車輛、人員的調度：對預案調度的單位、人員、車輛的到場及調動過程進行記錄，可以采用實時記錄及事后補錄入2種方式。

跟蹤車輛、人員調度

（3）預案評估。預案執行完畢后，可以分析生成預案的事件信息及預案執行過程，得出預案評估報告。評估報告的內容包括：特殊事件信息：發生地點、發生時間、等級等；業務處置流程與系統聯動流程；聯動設備的動作及狀態信息；聯動車輛、人員的接警、就位、撤離過程，增援信息等。評估報告分為總體描述和分系統描述，可以根據關注的重點選擇總體保存、打印或分系統保存、打印。評估報告是預案具體內容的全面展示，也是預案執行過程及結果的全面總結，是評估預案的合理性及系統運行的穩定性的重要資料。

（三）交通誘導子系統。該系統在接收到消防管理子系統的指令后，根據預案通過信息發布設備發布橋隧的交通誘導信息。交通誘導子系統是向橋隧交通參與者發布及時的交通狀況信息和交通誘導信息，是有效地預防、緩解，盡快消除橋隧交通擁擠的最有效的手段之一。

1.可變信息發布。可變信息標志是現代化交通系統中重要的信息發布設備。它由監控系統中心計算機進行遠程控制，顯示各種圖文信息，疏導交通，促進行車安全。可通過可變地圖信息標志、大型可變信息標志、小型可變信息標志、可變限速標志等，以圖形和文字兩種方式發布行車信息和各種誘導指令，使駕乘人員能夠及時、直觀的了解前方道路狀況，選擇最佳行駛路線，大大提高高速公路的通行能力。

2.交通信息監控。設備包括交通信號燈和車道指示器。顯示隧道交通信號燈和車道指示器的運行狀態、反饋信號，以及設備控制遠程／就地反饋信號。由監控系統中心計算機進行遠程控制，控制交通信號燈或車道指示器的指示信息。

3.有線廣播。當隧道內發生交通阻塞、交通事故或火災等緊急情況時，監控中心可通過本系統對隧道內外進行廣播，指揮調度、疏導交通和組織救援等。

（四）消防處理子系統。

1.橋隧交通照明。橋隧交通照明模塊可以對隧道交通照明進行分類控制。加強照明分布于隧道兩端出入口，可以分別進行控制。

2.通風。采用射流風機誘導型縱向通風加重點排煙的通風方式。正常及阻塞工況時，基本采用縱向通風方式，隧道縱向通風面積約82 m2。在江中盾構段，利用圓形隧道頂部富余的拱形空間作為排煙風道，排煙風道面積約12 m2，每隔60 m設置專用排煙風口，用于火災時的進行重點排煙。在隧道車行道頂部、排煙風道下方懸掛射流風機，輔助正常及堵塞交通時的誘導通風。在浦東、長興島上分別設置風塔，風塔內設置大型排風機和專用排煙軸流風機。風機通過風口、風道與主隧道相連。正常及阻滯工況時，排風機運行將洞內污染空氣集中排放，降低洞口排風對環境的污染。當區間火災時，開啟排煙風機，通過拱頂風道排除和控制洞內煙氣。排煙風口由消防系統進行聯動，不需要通過軟件對排煙風口的開關進行監控。當隧道內發生火災時，由消防系統自動開啟火源處行車方向下游2個風口和上游1個風口。監控軟件中按照通風類型和控制模式的不同，把通風監控系統分為4個子系統來進行監控：射流風機 （隧道內通風設備）；軸流／混流風機（工作井排風排煙設備）；浦東設備用房通風；長興島設備用房通風。通風設備設三級控制：中央級控制、區域控制器自動控制和就地人工控制。

3.應急逃生。應急逃生設備包括工作井通道卷簾門、連接通道／安全通道逃生門、逃生蓋板和疏散標志。工作井通道卷簾門設置在浦東工作井和長興島工作井通道兩側，在應急情況下，可通過現場開關手動控制開啟或關閉，也可通過軟件來控制卷簾門開啟或關閉。連接通道／安全通道逃生門設置在連接隧道兩個洞子的橫通道的兩側，可通過現場開關手動控制開啟或關閉。逃生蓋板分布在隧道內行車方向左側靠近墻壁的路面上，可通過現場開關手動控制開啟或關閉。疏散標志分布在隧道內兩側墻壁上，當發生火災等應急情況時，由疏散標志控制主機自動控制疏散標志的顯示狀態。

4.給排水。設置有承擔廢水排放的廢水泵房、江中泵房，消防用的消防泵房，攔截雨水的雨水泵房。其中消防泵房設備由消防系統聯動。給排水系統設備設三級控制：中控室遙控、區域控制器水位自動控制和就地人工控制。給排水監控系統按照功能分為三部分：廢水泵房監控、消防泵房監控、雨水泵房監控。

（五）視頻檢測子系統。視頻檢測子系統得到的交通流運行參數、車型、事件、擁擠、圖像等信息由視頻攝像頭傳到隧道監控處理中心后，監控處理中心通過對這些數據進行分析，實現以下管理功能：接受視頻檢測信息發送的事件、擁擠警告，通過視頻圖像或閉路電視圖像進一步確認事件是否發生及其地點、嚴重性等，而后采取相應的緊急救援或處理措施；由監視屏的動態視頻圖像監視各條路段上的交通流狀況；將視頻檢測獲得的流量、速度、事件、擁擠等信息通過可變情報板向駕駛員發布；通過更改視頻檢測子系統的設置參數，控制視頻檢測子系統的工作進程。

（六）系統管理子系統。

1.人員管理，可添加、修改、刪除人員，并設置人員的各種操作權限，可修改人員的登陸密碼。

2.編輯常用語句，可添加、刪除情報板和限速板的常用語句，常用語句可包括文字和圖標，并可設置常用語句字體的各種屬性和播放模式。

3.圖標編輯，可添加、刪除包括情報板、限速板和大圖片等圖標。

4.事件管理，包括事件登記和事件處理。事件登記的內容包括事件的基本情況和事件的原因；事件處理的內容包括根據事件的發生事件和處理類型查詢各種事件，可查看某個事件的具體信息并生成報表，可人工輸入事件產生的后果、各種損失數據和處理意見。

5.設備管理，可根據條件查詢各個設備的各種信息，包括：設備名稱、安裝位置、出廠無故障運行時間、已運行時間、使用狀態等信息，并可根據權限添加、修改或刪除信息；可查看和編輯某一個設備的故障情況和維修記錄。

四、系統特點

1.面向服務的軟件架構。上海長江隧橋消防系統采用基于SOA的軟件架構，其優點在于：

（1）可擴展性。軟件的整體設計是面向服務的。它將應用程序的不同功能單元 （服務）通過服務之間定義良好的接口和契約聯系起來，業務服務匯集在應用層的總線上，由總線對服務進行組織，并提供給展示層的客戶端。這種設計方式具有很強的靈活性和可擴展性。當某些服務的內部結構和實現發生變化時，只需要對特定的服務進行修改，然后重新掛接入系統即可，而不需要對整個應用程序進行修改。當有新的系統需要接入時，首先檢查新系統需要的功能服務在應用服務層中是否已經存在，如果已經存在則通過簡單配置即可接入系統，否則重新開發新的服務并掛接到應用服務層中，而這些更改都不會影響到現存的系統架構，也不需要對現存的應用程序進行大的修改。可擴展性保證了后續崇啟高速公路和下層軌道消防系統的接入本系統進行統一監控管理，滿足上海長江隧橋工程發展的需求。

（2）開放性。系統在總線下掛接各種接口服務，接口服務根據外部接口 （健康監測系統、大橋陰極保護系統、養護管理MIS系統、收費系統、公安交警、消防、上海市高速公路聯網監控系統以及其他將來接入的接口）的數據需求，分別從總線上獲取數據、控制命令與服務，同時把系統數據和控制命令傳輸到各外部系統中。對于消防系統和各外部系統的數據交互，只需要在總線下掛接相應的接口服務即可，不需要對消防系統本身的架構或代碼進行修改。這種模塊組合方式能完全滿足系統開放性設計的要求，實現 “一次采集，多處共享”，提高系統資源的利用率。

（3）實時性。通過應用層的各個服務 （外場設備服務、外部接口服務）采集到的各種數據統一匯總到總線上，由總線對數據進行分析處理后實時更新到展示層中，同時總線把處理后的數據輸入到數據層的數據庫中進行存儲。這樣做不但保證了整個系統數據的一致性，使得子系統之間的緊密性更強，而且避免了子系統之間由于數據交互而造成的數據處理延時，提高了系統的實時性。總線在數據接收和分發過程中采用多線程技術提高系統數據的實時性。

（4）可靠性。數據層和應用層在長興島監控中心和浦東管理站各部署一份，并實現兩地之間的相互冗余，保證不會由于單點故障而影響整個系統的運行，保證了系統的可靠性。正常運行時，長興島監控中心和浦東管理站的應用層一份處于激活狀態，一份處于休眠狀態。當處于激活狀態的軟件出現故障，系統自動把休眠狀態的軟件切換為激活狀態，并向展示層發送提示信息，保證故障時系統的平穩過渡。監控中心和浦東管理站的數據層通過數據傳輸中間件實現相互之間的數據冗余備份。

2.完善而有針對性的預案設計。以 “掌握現狀、找出規律、科學誘導、有效指揮”的指導思想為依據，根據長江隧橋的運營規律和特點，消防系統實現了預警、應急處置與指揮的功能，提高了管理人員的運營管理水平，為系統安全、暢通地運行提供了保障。從長江隧橋的安全運營、道路通行能力、交通組織等多方面著手，系統將可能影響長江隧橋運營的事件按照 “分類、分級、分區”的辦法，共劃分為16類系統聯動預案，針對事件的類別、嚴重程度和發生地點，根據需要針對性地制定相關預案。16類系統聯動預案包括：正常運營預案、緊急電話報警預案、逃生蓋板報警預案、交通事件預案、火災預案、惡劣天氣預案、隧道空氣污染嚴重超標預案、車輛超限預案、隧道淹水預案、隧橋結構體損壞預案、斷電預案、隧橋機電管養預案、船舶撞橋卡橋預案、車輛人員墜落大海預案、交保交管預案、用戶自定義預案。

（1）預案編輯。隨著客觀條件的變化和運營經驗的積累，系統中的預案也會發生變化。預案編輯功能可以使監控人員根據運行的需求自己添加、編輯合適的預案，可以最大限度的滿足運行管理中對預案的需求。

（2）預案執行與跟蹤。系統實時接收并處理數據，如果發現異常則以圖形、聲音等方式報警提示用戶。同時自動執行該報警關聯的、被設置為自動執行的動作 （通常是視頻動作），同時提示用戶當前建議采用的預案 （包括設備動作、車輛／人員調度等）。用戶可以選擇按照建議的方式直接執行，或者在建議的方式基礎上進行更改后再執行。在預案執行過程中，用戶可以對預案執行情況進行跟蹤。跟蹤的內容包括設備動作跟蹤、車輛／人員的調度。

（3）預案評估。預案執行完畢后，系統分析生成預案的事件信息及預案執行過程，得出預案評估報告。評估報告是預案具體內容的全面展示，是預案執行過程及結果的全面總結，是評估預案的合理性及系統運行穩定性的重要資料，是改進預案的重要依據。

綜上所述，長江隧橋消防系統的設計和實施充分考慮了系統自身的特征，緊密結合長江隧橋的實際情況。自系統開通以來，系統運行良好，符合長江隧橋的運營管理需求，是一個準確而高效的系統。