地下水封石洞油庫施工期安全監(jiān)控定位系統(tǒng)

張騰宵,顏凡新

(中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041)

1 概述

地下水封洞庫是現(xiàn)階段大型石油儲備基地的重要發(fā)展方向，地下水封洞庫工程具有地下洞室密集、施工期集中、人員設(shè)備多、施工工序交接頻繁、相互干擾大等特點(diǎn)。地下洞室開挖照明亮度偏低，掌子面空氣質(zhì)量偏差，能見度偏低，施工情況復(fù)雜多變，施工條件較差。傳統(tǒng)的地下工程施工采用人盯人的方式進(jìn)行管理，采用對講機(jī)、固定電話或手機(jī)進(jìn)行通訊，具有人員投入大，信息傳遞滯后、片面，安全風(fēng)險(xiǎn)大的特點(diǎn)。一旦發(fā)生事故，救援人員不能及時(shí)、全面了解洞內(nèi)受困人員狀況，不利于應(yīng)急救援。

為了隨時(shí)掌握作業(yè)面的施工情況、人員設(shè)備動(dòng)態(tài)，實(shí)現(xiàn)施工過程的信息化管理，為安全文明施工提供依據(jù)，在地下水封洞庫中引入安全監(jiān)控定位系統(tǒng)，采用信息化技術(shù)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地記錄洞內(nèi)情況，可以為施工管理和應(yīng)急救援提供有力支持。本文詳細(xì)分析了安全監(jiān)控定位技術(shù)在地下水封洞庫工程中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)施工過程的信息化管理，保證安全文明施工，為施工管理和應(yīng)急救援提供有力支持。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)地下水封洞庫的施工期間生產(chǎn)相關(guān)資源綜合管理調(diào)控能力，建立監(jiān)測、控制、管理一體化的、基于網(wǎng)絡(luò)的信息化系統(tǒng)集成，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的過程控制自動(dòng)化、安全生產(chǎn)綜合調(diào)度指揮和業(yè)務(wù)運(yùn)轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)化、行政辦公無紙高效化。

系統(tǒng)建成后將成為集生產(chǎn)自動(dòng)化及經(jīng)營管理信息化為一體的綜合信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的管控一體化。系統(tǒng)建成后，可在地面中央監(jiān)控室實(shí)現(xiàn)對洞內(nèi)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的集中監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)可靠無人值守運(yùn)行，有效提高生產(chǎn)效率。同時(shí)可實(shí)現(xiàn)整個(gè)地下水封洞庫的生產(chǎn)信息、管理信息的集成化管理，罐洞調(diào)度人員、各級領(lǐng)導(dǎo)和有關(guān)職能部門可以通過網(wǎng)絡(luò)終端進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、及時(shí)調(diào)度。

地下水封石洞油庫施工期安全監(jiān)控定位系統(tǒng)由氣體監(jiān)測系統(tǒng)、人員/車輛定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)和大屏幕系統(tǒng)組成。

2.1 KJ101N安全監(jiān)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)能夠?qū)Ρ坪螽a(chǎn)生的有害氣體CO、NO、粉塵進(jìn)行檢測和報(bào)警。設(shè)備能夠全天候24 h進(jìn)行環(huán)境氣體檢測。

KJ101N安全監(jiān)控系統(tǒng)[2-3]具有優(yōu)異的抗干擾技術(shù)性能，是目前國內(nèi)唯一能高標(biāo)準(zhǔn)通過3級電磁脈沖群干擾和浪涌沖擊測試的系統(tǒng)[4]。系統(tǒng)具有絕對可靠的數(shù)據(jù)采集與傳輸，徹底杜絕了假數(shù)和誤報(bào)警。系統(tǒng)良好的抗干擾性能源于特殊的電源設(shè)計(jì)技術(shù)和智能鎖相傳輸技術(shù)。KJ101N型安全監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)分布式的微計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它由地面設(shè)備、洞內(nèi)設(shè)備和連接它們的傳輸網(wǎng)絡(luò)3大部分組成。傳輸采用樹狀總線方式，洞內(nèi)和地面設(shè)備全部連接在一對傳輸總線上。地面由計(jì)算機(jī)和信息傳輸接口組成，習(xí)慣上稱為“主站”或“主機(jī)”(以下稱主機(jī))；洞內(nèi)設(shè)備的核心是監(jiān)控分站，俗稱“分站”。本系統(tǒng)可以采集洞內(nèi)的各種模擬量傳感器和開關(guān)量傳感器的信息，并對這些信息進(jìn)行分析處理、存儲、顯示、打印等，并根據(jù)分析處理的結(jié)果進(jìn)行聲/光報(bào)警、發(fā)出斷電指令。本系統(tǒng)還可以對洞內(nèi)設(shè)備進(jìn)行遙控。

系統(tǒng)的主要構(gòu)成有：GTH500型電化學(xué)一氧化碳傳感器；FGD2-A-NO一氧化氮檢測儀；GCG1000型粉塵濃度傳感器；GWSD100/100礦用溫濕度傳感器；KJ101N-F2礦用隔爆兼本安型監(jiān)控分站；KJ101N-J礦用信息傳輸接口；KJ101N型煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)軟件。

系統(tǒng)布設(shè)：

1) 在主施工巷道施工入口出布置兩臺分站，分別引至1號主施工巷道入口和2號主施工巷道入口。將分站布置在同一個(gè)入口處方便后期的維護(hù)作業(yè)。

2) 兩個(gè)入口處根據(jù)施工進(jìn)度和需要監(jiān)測的重點(diǎn)部位同時(shí)布置多臺傳感器。便于對重點(diǎn)施工區(qū)域的全部參數(shù)重點(diǎn)管控。

3) 傳感器掛設(shè)在便于后期挪動(dòng)的合適區(qū)域。根據(jù)施工進(jìn)度的推進(jìn)人工挪動(dòng)接線和傳感器的位置，傳感器和分站之間的傳輸距離不超過2 km，如超過傳輸距離，將分站和傳感器間的距離縮短重新布置即可。

該系統(tǒng)在某地下水封石油洞庫存的構(gòu)成如圖1所示。

2.2KJ106型人員定位系統(tǒng)[1]

KJ106人員定位系統(tǒng)目前已經(jīng)廣泛其用于礦山行業(yè)中，具有監(jiān)測洞內(nèi)人員位置以及攜卡人員出/入井時(shí)刻、重點(diǎn)區(qū)域出/入時(shí)刻、限制區(qū)域出/入時(shí)刻、工作時(shí)間、洞內(nèi)和區(qū)域人員數(shù)量、洞內(nèi)人員或設(shè)備的行走路線等監(jiān)測、顯示、打印、存儲、查詢、報(bào)警、管理等功能。

該項(xiàng)目施工高峰時(shí)期總?cè)藬?shù)有2 000人，車輛200臺。前期兩個(gè)洞口都是人員、車輛出入口，連通后，2號洞口人員、車輛作為入口，1號洞口作為人員、車輛出口，有應(yīng)急報(bào)警功能(上下呼叫功能)，水幕洞室定位監(jiān)測點(diǎn)10個(gè)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)及布設(shè)：

1) 項(xiàng)目施工分前期、中期、最后完工等幾個(gè)階段。前期挖掘兩個(gè)主巷道，并進(jìn)行連通施工。兩個(gè)主巷道完工并連通之后開始挖掘3個(gè)支施工巷道，進(jìn)入中期階段。當(dāng)3個(gè)支施工巷道完工之后，開始在3個(gè)支施工巷道的兩側(cè)挖掘6個(gè)主洞室，此時(shí)項(xiàng)目進(jìn)入最后的工期。前期階段兩個(gè)洞口都是出入口，連通之后，2號主巷道作為入口，1號為出口。這個(gè)過程中，兩個(gè)主巷道需要安裝門禁讀卡器，而且以后不需要進(jìn)行變動(dòng)。在中期和后期的挖掘階段部分設(shè)備位置應(yīng)隨著挖掘進(jìn)行定點(diǎn)和跟隨。

2) 在施工的初期(兩個(gè)主巷道未打通之前)，兩個(gè)主巷道既可以作為出口，也可以作為入口。

由于讀卡器到分站的距離可以達(dá)到2 km，分站到傳輸接口的距離長達(dá)20 km，故可在井口放置分站，距離施工點(diǎn)20 m處放置讀卡器，并隨著施工的進(jìn)行，讀卡器向施工方向移動(dòng)，但始終保持20 m的距離。最終分站的信號線匯總到一起傳輸?shù)秸{(diào)度室傳輸接口并送主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

在距兩個(gè)主巷道井口10～15 m分別設(shè)置兩個(gè)門禁讀卡器1-1、1-2，都連接在1號分站上，實(shí)現(xiàn)上下井的考勤功能。1號分站的位置安裝在2號主巷道距井口10～15 m的位置上，距1號主巷道井口10～15 m的位置放置3號分站。在主巷道施工的過程中，距離施工距離20 m處安裝3-1讀卡器，其連接3號分站，隨著施工的進(jìn)行，3-1讀卡器是不斷向施工方向移動(dòng)的，但始終距施工點(diǎn)20 m。同樣的道理2號分站放置在距2號主巷道10～15 m處，同時(shí)隨著中間主巷道施工的進(jìn)行，放置2-1讀卡器，其連接2號分站，2-1讀卡器距施工距離20 m并不斷移動(dòng)。1、2、3號分站的信號線匯總到一起，傳輸?shù)秸{(diào)度室傳輸接口中，并送給主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。施工初期的人員定位系統(tǒng)布設(shè)見圖2所示。

圖2 施工初期人員定位系統(tǒng)布設(shè)示意

3) 當(dāng)施工進(jìn)行到中期(兩個(gè)主巷道打通之后)，此時(shí)2號的主巷道作為入口，1號主巷道作為出口。下階段將要施工的是3條支施工巷道。

此階段的方案設(shè)備布局見圖3，1-1、1-2兩個(gè)門讀卡器和1號分站的位置不變，兩個(gè)讀卡器仍舊連接1號分站。2-1、2-2、2-3、2-4四個(gè)讀卡器連接2號分站，負(fù)責(zé)1號主巷道和1號支施工巷道(從左往右數(shù))位置的檢測，2-3讀卡器跟隨1號支施工巷道的施工不斷進(jìn)行移動(dòng)的，距離施工點(diǎn)20 m，當(dāng)1號支施工巷道完成之后，把2-3讀卡器的位置放置離1號支施工巷道和打通之后的主巷道交點(diǎn)20米處。同理3-1、3-2、3-3、3-4、3-5、3-6讀卡器負(fù)責(zé)2、3號支施工巷道和2號主巷道的位置檢測，其連接3號分站。最終2、3號分站的信號線匯集一起并從中間主巷道上傳到地面，隨1號分站的信號線一起上傳調(diào)度室傳輸接口，并送主機(jī)處理顯示等。

圖3 施工中期人員定位系統(tǒng)布設(shè)示意

4) 施工后期，當(dāng)3條支施工巷道完成之后，開始向左右兩邊進(jìn)行主洞室施工。此時(shí)在圖3的基礎(chǔ)上，增加了主洞室的定位(如圖4所示)，其中5-1、5-2、5-3、5-4、5-5讀卡器負(fù)責(zé)1號主洞室(從左往右依次為1-6號主洞室)的位置檢測。1號主洞室和1號支施工巷道的交叉點(diǎn)放置5-2、5-3、5-4三個(gè)讀卡器，而5-1和5-5是在1號主洞室施工的過程中不斷向施工方向移動(dòng)的，并放置在距施工點(diǎn)20 m處。當(dāng)施工完成之后，5號分站連接的5個(gè)讀卡器位置如圖4所示。同樣的道理，2-6主洞室的位置檢測亦是如此布設(shè)。

2.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)[5-6]

整個(gè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)由地面控制中心、巷道內(nèi)的攝像頭系統(tǒng)組成。地面控制中心可以檢索、回放或者下載視頻，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控視頻，且可根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻，通過廣播或者無線通訊系統(tǒng)與巷道內(nèi)進(jìn)行溝通；攝像頭系統(tǒng)主要起采集巷道內(nèi)的信息并反饋到地面的作用。視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及布設(shè)如下。

圖4 施工后期人員定位系統(tǒng)布設(shè)示意

1) 地面控制中心：在監(jiān)控中心機(jī)房配置1臺DH-NVR作為存儲服務(wù)器，用來存儲視頻資料和方便調(diào)用視頻，實(shí)現(xiàn)對各監(jiān)控點(diǎn)視頻的管理、存儲和視頻瀏覽以及對前端攝像機(jī)的控制，并能將視頻放置大屏上播放。中心站內(nèi)有2個(gè)攝像頭，用來實(shí)時(shí)監(jiān)控中心站的安全；每個(gè)巷道口有1個(gè)攝像頭，用來實(shí)時(shí)監(jiān)控進(jìn)入巷道內(nèi)的人員車輛以及設(shè)備。地面攝像頭直接與中心站內(nèi)的交換機(jī)連接；

2) 巷道內(nèi)攝像頭系統(tǒng)：主要由攝像頭，光纖和交換機(jī)組成。3臺跟進(jìn)攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)控施工現(xiàn)場，確保施工現(xiàn)場在地面中心站能夠播放。每個(gè)巷道口內(nèi)用標(biāo)準(zhǔn)的線架(線槽)放置光纖，確保光纖不會(huì)因?yàn)橐馔舛鴶啵瑥亩绊懻麄€(gè)監(jiān)控系統(tǒng)。巷道內(nèi)的固定攝像頭由光電交換機(jī)進(jìn)行連接，在第1個(gè)固定點(diǎn)確定前，一直使用光電模塊或者交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。當(dāng)確定了固定點(diǎn)后，在對應(yīng)位置放置設(shè)備箱，內(nèi)置1個(gè)全光千兆交換機(jī)，用于第1個(gè)固定攝像頭的數(shù)據(jù)傳輸，以及支施工巷道內(nèi)的攝像頭數(shù)據(jù)的傳輸。支施工巷道內(nèi)，根據(jù)連接巷道間的距離確定攝像頭數(shù)量需要3個(gè)(最多6個(gè))，5個(gè)通往主洞室的巷道共15個(gè)(最多30個(gè))。主施工巷道內(nèi)設(shè)有6個(gè)固定攝像頭點(diǎn)，在這6個(gè)點(diǎn)中，選取合適位置放置交換機(jī)，根據(jù)負(fù)責(zé)支施工巷道的數(shù)量確定從主交換引出的光纖的數(shù)量(具體分配要按照實(shí)際施工方案來確定，1個(gè)支施工巷道內(nèi)至少3條光纖)。支施工巷道內(nèi)攝像頭全部采用光點(diǎn)模塊(根據(jù)需求可用交換機(jī))與主交換機(jī)進(jìn)行連接。

巷道內(nèi)視頻監(jiān)控系統(tǒng)攝像頭分布：主巷道共6個(gè)，支巷道至少10個(gè)，總共至少16個(gè)(如圖5所示)。

圖5 攝像頭分布示意

2.4廣播系統(tǒng)

廣播系統(tǒng)主要功能是地下洞庫爆破作業(yè)時(shí)通知洞內(nèi)人員車輛避讓，設(shè)定8個(gè)廣播點(diǎn)，不要求回?fù)埽从啥赐庀蚨磧?nèi)進(jìn)行信息廣播，并可以選擇廣播的路數(shù)，可以是選擇1路進(jìn)行廣播，也可以選擇2路進(jìn)行廣播，最多8路進(jìn)行廣播。隨著施工的開展，8路廣播音箱的位置要跟著施工組進(jìn)行不斷的變換，并保持一定的安全距離，確保音箱不會(huì)被爆破作業(yè)損壞。

廣播系統(tǒng)主要由話筒、功放、電源箱等組成。話筒負(fù)責(zé)提供音頻源，功放把話筒傳入的音頻源進(jìn)行放大并輸出一定等級的壓電信號，輸出信號有8路，可以選擇其中的幾路或全部有效。系統(tǒng)配備1個(gè)話筒、8個(gè)音箱、1個(gè)電源箱及通信線纜等。話筒采用兩節(jié)7號電池3 V供電。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)及布設(shè)如下：

1) 把施工組進(jìn)行編號1-8號。

2) 在調(diào)度室內(nèi)安裝好話筒。

3) 初期兩個(gè)主巷道的井口從左到右可以實(shí)行3-2的進(jìn)線方式，并進(jìn)行標(biāo)號1-8，同時(shí)將功放的1-8路與施工組的8個(gè)編號一一對應(yīng)起來，即第1路功放的引出線一直跟隨編號為1的施工組所在的施工點(diǎn)，若1號的施工組更改施工地點(diǎn)，則第1路功放也要更換位置，不變的是與1號施工組的施工地點(diǎn)相隔一定的安全距離100 m等。其余幾路功放也和相應(yīng)的施工組編號對應(yīng)起來。做好相應(yīng)的匹配記錄并形成文件。

4) 根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況適當(dāng)?shù)母鼡Q施工隊(duì)的編號，做出相應(yīng)調(diào)整并做好更改記錄，形成文件并作出通知，方便洞外發(fā)布廣播信息能通知到位。

2.5液晶大屏系統(tǒng)

1) 46寸超窄邊DID液晶拼接顯示單元

液晶拼接顯示單元所采用RZ-DID460UE的A+類型液晶面板。顯示屏幕對角線尺寸為46英寸，觀看視角到達(dá)水平/垂直178°，確保畫面的輸出精確和穩(wěn)定，色彩飽和靚麗，屏幕明亮，畫質(zhì)清晰，畫面銜接流暢自然，整體顯示流暢完美，呈現(xiàn)完美的顯示效果。物理分辨率1 920×1 080；屏幕比例為16:9，響應(yīng)時(shí)間≤8 ms，整屏畫面穩(wěn)定無閃爍。46英寸 RZ-DID(LCD)黑邊屏，高亮度，支持7×24 h開機(jī)使用，保證系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)行，不間斷工作。

2) 圖形拼接處理器

采用嵌入式的拼接器，無操作系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)完全封閉式運(yùn)行，帶畫面四分割功能。液晶拼接器接口：輸入：VGA、BNC、HDMI、RGB、DVI；輸出: LVDS、輸出分辨率640×480～1 366×768P。操作方式為標(biāo)準(zhǔn)RS232端口(隨機(jī)提供系統(tǒng)操控軟件)。具有識別各種復(fù)合視頻的能力，能處理各種標(biāo)準(zhǔn)RGB或常用的非標(biāo)準(zhǔn)VGA 信號。

3) VGA矩陣

VGA信號8進(jìn)16出，最高分辨率為1 920×1 080，具備RS232通訊接口，可以方便與電腦，各種遠(yuǎn)端控制設(shè)備配合使用；帶寬為400 MHz；輸入輸出接口為HD15PIN(VGA)，切換速度≤50 ns，具有斷電保護(hù)功能。

某地下水封洞庫液晶大屏系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用效果見圖6所示。

圖6 液晶大屏系統(tǒng)示意

3 經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益

1) 經(jīng)濟(jì)效益

該系統(tǒng)在某地下水封石洞油庫項(xiàng)目建設(shè)維護(hù)費(fèi)用約187萬元，運(yùn)行僅需2名調(diào)度人員兼職值守值班室。相比傳統(tǒng)管理方式，本項(xiàng)目減少地下施工管理人員12人(高峰期6條主洞室)，減少2個(gè)洞口值班人員4人。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間按30個(gè)月計(jì)，減少人員工資投入約252萬元，扣除系統(tǒng)建設(shè)可節(jié)約管理成本65萬元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

2) 社會(huì)效益

監(jiān)控定位系統(tǒng)的引入大大減少了管理人員的投入，提高了工作效率，保證了采集信息的真實(shí)性，加快了信息傳遞速度，為提高管理水平提供了保證，在減少事故發(fā)生和事故救援過程中具有顯著的效果，具有極大的社會(huì)效益。

4 結(jié)語

地下水封石洞油庫施工期安全監(jiān)控定位系統(tǒng)研制成功后，可在水電、地下水封洞庫等領(lǐng)域內(nèi)大力推廣，可以極大地提高施工管理的信息化程度和管理水平，保證施工期的人員設(shè)備安全，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，提高工作效率，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有較大的推廣應(yīng)用空間。