涪秀鐵路黃草隧道瓦斯智能化監控信息系統應用研究

賀志榮，薛千里，李定國，左先宇

（中鐵二局集團有限公司，四川 成都610031）

隨著“交通強國、鐵路先行”綱要的發出，加快了中國交通建設速度，鐵路、公路建設延伸至西部山區，山區建設隧道占比較大，地質條件復雜，時常遇到穿越煤層、油氣層等不良地質隧道，施工安全風險異常突出，為確保施工安全，隧道瓦斯濃度的實時監控成了隧道施工的重要步驟和任務。目前，瓦斯隧道通過自動檢測及人工監測兩種方式完成對隧道瓦斯的監測和安全管控。但在隧道瓦斯管理中，各瓦斯隧道監測相互獨立，數據保存格式由各自采用的檢測設備決定，或以Excel、Word 等費結構化形式保留在項目本部電腦上。監測數據沒有統一的格式和標準，沒有集中進行數據的存儲和處理，無法為管理者提供更高層面的瓦斯隧道安全管理支撐。所以，開發一套隧道瓦斯智能化監控信息系統來管理和分析隧道瓦斯濃度數據，可以加強隧道生產安全管理，加大管理力度，方便處理和保存瓦斯數據。

1 概況

新建黃草二線隧道位于武隆縣黃草鄉境內和彭水縣高谷鎮境內，緊臨既有渝懷線右側，兩線間距5～122 m。黃草隧道全長7 131 m，隧道最大埋深約為736 m，穿越頁巖夾炭質頁巖、粉砂質泥巖等巖層，地層本身具備生烴能力；同時結合施工現場超前探孔及炮孔施工等情況，隧道瓦斯主要來源于志留系下統龍馬溪組底部的黑色頁巖夾炭質頁巖、粉砂質泥巖等巖層。

進口斜井工區絕對瓦斯涌出量為1.416 m3/min，絕對二氧化碳涌出量為0.456 m3/min，進口斜井為高瓦斯工區，YDK205+125～YDK206+250 為高瓦斯段落，瓦斯等級為二級，詳見圖1。

隧道在采用人工檢測和自動檢測的基礎上，采用了集團公司自主開發的隧道瓦斯智能化監控信息系統進行隧道瓦斯的數據采集、分析和瓦斯預警等瓦斯管理工作。

2 監控信息系統體系

瓦斯監控信息系統以系統服務器為核心，利用數據采集系統、應用服務器、數據庫服務器，通過自動采集和人工錄入兩種渠道實時收集黃草隧道瓦斯濃度數據，分析瓦斯濃度變化趨勢，形成統計分析結果，并通過短信提醒、系統警報等手段及時提出預警，告知項目管理人員潛在的瓦斯風險，避免發生瓦斯隧道事故，減少瓦斯隧道風險損失，提高瓦斯隧道施工的安全系數，詳見圖2。

圖1 黃草隧道進口斜井工區洞口實景圖

圖2 瓦斯隧道智能化監控系統主界面圖

在已經安裝瓦斯自動監測系統的項目上，洞內監測點數據通過光纜或無線中繼方式將監測數據發送至洞口瓦斯監測中心機上，智能化隧道瓦斯監控系統通過讀取瓦斯檢測中心機中的檢測數據收集瓦斯監測數據。對具備有線網絡條件的瓦斯監測中心機房，直接通過有線網絡將監測數據發送至集團公司瓦斯隧道監測服務器上；對于不具備有線網絡條件的瓦斯監測機房，可通過采用無線網卡方式傳輸數據。

集團公司瓦斯檢測服務器負責接收、存儲和分析來自各條瓦斯隧道的監測數據信息，并根據分析結果，及時向隧道項目管理人員反饋瓦斯數據和發出預警，詳見圖3。

圖3 智能化隧道瓦斯監控系統架構圖

3 系統功能

瓦斯隧道監測系統數據以隧道為單位，實時登記隧道中各瓦斯監測點數據，根據監測結果，系統將各隧道按瓦斯安全級別分類并向用戶展示；對隧道瓦斯濃度超過國家法定標準的，通過手機應用、短信、二局門戶系統等方式向項目和相關管理人員發送警報信息。

3.1 監測數據采集

監測數據采集分為2 種方式：①對于已經安裝的自動瓦斯監測設備中的數據，可通過部署計算機接入瓦斯監測主機的串口接口，實時獲取隧道各瓦斯監測點數據；數據獲取后，計算機通過有線網絡或3G 信號，經由互聯網上傳至集團公司瓦斯監測服務器中。②通過人工手持設備監測，并手工登錄系統填報監測數據的方式完成數據采集。系統對人工監測方式提供基于移動設備的數據錄入接口，瓦檢員可通過手機、平板電腦等移動設備隨時隨地完成數據的錄入上傳工作。

3.2 數據分析

系統根據瓦斯隧道自動或人工錄入的數據，能夠進行相應的瓦斯濃度變化曲線繪制，分析判斷瓦斯濃度變化趨勢，當瓦斯濃度變化不正常時，及時向項目管理人員提出預警，詳見圖4。

3.3 分級預警

系統設置瓦斯濃度預警級別，可包括正常、關注、危險、危急等多個等級，根據實時瓦斯濃度監測數據，各瓦斯隧道可處于不同的危險級別，在系統中按級別對隧道項目進行分類展示。

系統以隧道為單位進行瓦斯安全分級，當瓦斯濃度數值超標，或瓦斯濃度/時間分析表明瓦斯濃度變化不正常時，可自動將隧道的瓦斯安全級別進行設置，及早提示項目、子公司和集團公司各級管理人員進行關注。管理人員和瓦檢員登錄系統后，系統中所有瓦斯隧道將按預警級別進行分類顯示，危險級別較高，需要特別關注的排在最上方，以黑色標志進行警示；危險級別較低，不需要特別關注的隧道排在最下方，標注為淺灰色。

圖4 智能化隧道瓦斯監控系統數據分析模塊圖

當有隧道瓦斯濃度或濃度變化導致預警級別達到黑色時，系統可根據預先配置的緊急聯絡名單向相關人員手機發送提示信息，及時告知可能的危險，詳見圖5。

圖5 智能化隧道瓦斯監控系統預警示例圖

3.4 身份管理

瓦斯隧道監測系統的用戶身份管理依托于集團公司統一身份體系，不再單獨設立系統賬戶，擁有權限的用戶可以使用集團公司門戶系統的域賬戶登錄系統并進行操作。根據域賬戶用戶所屬項目和單位等，系統可為用戶分配相應權限，避免有人惡意填報數據或竊取有關資料。

3.5 與外部集成

系統提供標準的Web Service 接口進行對外的多樣化的信息交互，分類如下：①對于獲得授權的外部系統，瓦斯隧道監控系統可以提供隧道瓦斯監控數據的查詢或分析結果展示，系統提供標準的Web Service 服務接口，能夠對外部系統發起的查詢請求進行相應，對通過授權驗證的系統，瓦斯隧道監控系統將實時反饋準確的查詢結果。②對于需要通報信息數據的外部系統，比如集團公司安全質量管理系統、集團公司門戶系統，系統將通過相關系統提供的接口規范，按時向它們進行數據推送。比如某隧道瓦斯濃度達到警告標準，系統將向集團公司安全質量管理系統提交預警報告，方便上級管理部門隨時掌握項目安全信息。③瓦斯隧道監測系統已與集團公司門戶系統進行集成，用戶登錄門戶系統后可以直接訪問瓦斯隧道檢測系統。門戶系統提示信息采集功能，可獲取瓦斯隧道監測系統提示信息，將提示信息在門戶系統首頁通知欄中記性顯示，及時對用戶進行預警提示。

4 黃草瓦斯隧道智能化監測系統應用

黃草瓦斯隧道瓦斯監測管理全面接入了集團公司瓦斯隧道智能化監測系統，在數據采集、數據分析反饋、瓦斯分級預警等方面展現出了很強的實用性和有效性，實現了對瓦斯隧道的瓦斯有效管理。

4.1 數據填報

黃草隧道瓦斯數據采集采用了數據自動采集與人工填報相結合的方式，檢驗了系統的適應性。項目現場通過安裝自動設備廠商提供的自動監控設備進行數據收集，定時向系統服務器上報瓦斯濃度數據；在斷網或者無網絡工點，采用人工填報瓦斯監測數據，滿足不同的需要。

4.2 數據分析反饋

黃草隧道利用智能系統取得瓦斯數據后進行一系列的數據分析，形成數據自動采集部分的分析報表，并根據瓦斯濃度數據及時進行預警，達到對高瓦斯隧道項目瓦斯濃度等數據的及時監控，并能實時將監控信息發送至子公司、公司兩級平臺，實現了對瓦斯的實時管理。圖表分析方面，系統提供圖表統計信息，含有日濃度變化圖（手動）、日濃度變化圖（自動）、工點濃度變化圖、隧道濃度變化圖、工程瓦斯預警次數，按周隧道瓦斯最高值、隧道瓦斯濃度統計、隧道預警次數等數據統計。

4.3 瓦斯分級預警

黃草隧道利用智能系統對隧道瓦斯隧道進行了實時預警管理，證明了系統的實用性。系統顯示顯示了工點的詳細預警情況，包括預警狀態、隧道名稱、工點名稱、施工單位。智能化隧道瓦斯監控系統預警界面見圖6。圖6 中右上角的圖文說明標注了各圖標所代表的含義：淺灰色方塊表示瓦斯濃度安全，濃度范圍為0%～0.5%；深灰色方塊表示瓦斯濃度預警，濃度范圍0.5%～1.0%；黑色方塊表示瓦斯濃度危險，濃度范圍大于1.0%（范圍可調整）。紅色旗幟代表高瓦斯濃度隧道、綠色旗幟代表低瓦斯濃度隧道。根據界面右側的日歷，可以顯示顯示不同日期的該工點的瓦斯濃度最高值的情況，黑色表示危險，深灰色預警。點擊不同的日期，可以查詢不同日期該工點的瓦斯濃度預警詳細情況，詳見圖6。

圖6 智能化隧道瓦斯監控系統預警界面圖

5 結束語

經過嚴密的測試和項目上線運行，集團公司研發的瓦斯智能化監控信息系統功能穩定、操作簡單、方便、能根據管理需要生成各種分析報表，以及分析圖例，可實現數據實時上傳、瓦斯濃度超標預警、數據交換、數據有效儲存等功能，特別是保存和處理瓦斯數據以及瓦斯實時預警方面具有巨大優勢，能達到系統的使用需求。另外，瓦斯智能化監控信息系統為管理者提供了全面和有效的瓦斯隧道安全管理支撐，加強了隧道生產安全管理，加大了管理力度，保障了瓦斯隧道瓦斯安全。