紫惠高速隧道消防設施智慧巡檢關鍵技術探討

黃武 羅瑜 湯永成

廣東飛達交通工程有限公司 廣東 廣州 510000

引言

國家有關安全生產工作重要指示批示精神的貫徹落實。通過全面提升公路隧道防災減災救災能力，預防和減少公路隧道交通事故特別是重特大交通事故的發生。近5年，交通運輸部先后開展全國公路隧道安全隱患排查治理、安全風險防控、提質升級3次專項行動，體現了以提高發展質量和效益為中心，推動公路隧道質量評價由追求“合格率”向追求“滿意度”躍升。隧道行車安全是交通運輸行業深化交通運輸基礎設施供給側結構性改革的具體舉措之一。為建設具有國際先進水平的高品質公路基礎設施網絡，實現交通強國戰略目標奠定堅實基礎。

圖1 隧道安全設施一覽圖

1 隧道安全問題總結

1.1 公路隧道運營管理工作面臨巨大的壓力

隨著我國公路隧道由大規模建設時期向運營管理階段的逐步過渡，公路隧道運營管理工作面臨巨大的壓力和嚴峻。我國從公路隧道大國邁向公路隧道強國，最需要補運營管理這塊短板，與歐洲和日本等發達國家相比，公路隧道運營管理水平存在較大差距。運營好、維護好、管理好數以萬計的公路隧道，對促進我國公路交通運輸事業又好又快發展具有十分重要的意義。

1.2 傳統隧道監控的天生不足

目前我國經濟飛速發展，機動化水平仍將快速提高。據統計，2010年汽車保有量為9086萬輛，2015年為1.5億輛，到2020年預計超過2億輛，在十年間汽車保有量翻了一倍。目前制約著機動化進程發展的條件是能源和交通安全兩大塊。截至2017年底，公路網總里程達477.35萬公里，高速公路13.65萬公里，2018年底高速公路更是達14.1萬公里。高速公路為骨架、普通公路為主體的公路網基本形成。即使機電系統在支撐高速公路營運方面發揮了巨大作用，但總體智能運營管理水平不高，監而不控或可監而不可控問題普遍存在，主要表現之一包括有視頻、收費數據等基礎資源比較豐富，挖掘分析綜合利用率卻不高，“平臺思維”、“用戶思維”等互聯網思維缺乏；突發事件、惡劣氣象發現困難，異常狀態的影響分析與預警缺乏，救援保障能力問題突出；目前高速公路隧道上基本上以視頻監控、火災檢測、環境檢測為主，但由于布設原因，還存在著很多盲區。況且現時隧道行車安全已越來越顯得重要，在車流量激增時維護好現有的監測系統，目前只能采取的辦法是定期地進行人工現場巡檢。人工現場巡檢最大的弊端就是實時性不夠強，人工巡檢的手段較為簡單，一般為目測，而且在進行現場巡檢時會增加工作人員及行經隧道的社會車輛的不安全因素[1]。

因此，一整套智能巡檢系統，采用大物聯網（專網）智能傳感器+原來設備數據采集+大數分析管理平臺的方式，可以低成本、高效率地替代大部分人工巡檢。并提供另一獨立途徑的檢測手段對已有系統進行多重校核。

2 行業痛點及需求分析

在高速公路隧道中，機電設備相當密集，而且運行環境較差，但隧道機電設備，尤其是隧道消防設施，對于行車安全尤為重要。在日常養護中，各路段業主都對隧道消防設施的巡檢要求很高，雖如此，但實際在運營過程中還是存在著以下的一些問題：

隧道巡檢的成本相對較高，特別像類似廣樂、廣韶等山區高速公路隧道群眾多的情況下，巡檢一次往往需花費一周的時間。

消防栓、滅火器往往有被盜或違規他用的情況，單靠平常的巡檢頻次太低，發生缺失或失壓時不能及時發現，存在著安全風險，恰好遇上火災事故時安全管理責任重大。

水消防管網沒有做自動監測，出現水壓異常時未能及時發現。

消防水池、消防門、通風風機、現場環境等雖然在機電工程中已安裝有相關傳感器，但未作冗余設計，出現數值異常時，都要手工現場驗證，耗時耗力。

在原有隧道消防系統出現報警信息時，無法從遠程去驗證，大量的誤報都要去現場核實時徒增工作量。

原有傳感器的不準確導致無法實現聯動控制。

本系統設置就是專門針對上述行業痛點，解決廣大業主普遍遇到的問題去開發的一個軟、硬件綜合解決的平臺，作為提高業主管理管理效率的一種技術手段及輔助工具。

3 關鍵技術

該系統設置中，一共采用了三項關鍵技術，分別是超低功耗智能傳感器技術、LoRa容錯無線傳輸技術、智慧運維平臺技術：

3.1 超低功耗智能傳感器技術

能夠應用在高速公路隧道環境的可靠智能傳感器，采用流行的基于ARM內核的低功耗系統芯片再加上自有的低功耗電源管理、無線通信協議技術、低功耗無線傳感器技術，總體實現單依靠自帶電池可以繼續工作五年的目標。

圖2 智能傳感器結構圖

3.2 向前糾錯的LoRa無線傳輸技術

3.2.1 LoRa無線通信的特性。LoRa（Long Range Radio）網絡易于建設和部署，已成為當前最為普遍應用的物聯網專用網絡通信技術，發展形勢如火如荼。

低功耗廣域網絡在物聯網發展中占據重要位置，因此芯片廠商、運營商、大型設備商都開始對這個領域熱衷起來。隨著中國LoRa應用聯盟(CLAA)的成立，LoRa技術的CLAA網絡架構系統已經形成，國內LoRa網絡部署全面起跑。

圖3 使用DSSS擴頻技術示意圖

傳輸距離：城市可達2-5Km，郊區可達15 Km；

工作頻率：ISM 頻段 包括433、868、915 MHz等；

標準：IEEE 802.15.4g；

調制方式：基于擴頻技術，線性調制擴頻（CSS）的一個變種，具有前向糾錯（FEC）能力，這在高速公路復雜環境下使用有很大幫助；

容量：一個LoRa網關可以連接上千上萬個LoRa節點；

電池壽命：電池壽命長。LoRa模塊的接收電流10MA,休眠電流小于200NA，電池壽命一般可長達10年；

安全：AES128加密。

3.2.2 主流物聯網無線通信技術的比較。目前主流應用的比較有前景的無距離物聯網無線通信技術主要有NB-IoT和LoRa，兩種的技術特點非常相似，都是低功耗、廣覆蓋，適合海量連接場景。但是，NB-IoT是運營商建網和提供服務，而LoRa是自建網絡。它們的對比如下表：

圖4 NB-IoT和LoRa 對比效果圖

圖5 LoRaWan的網絡架構圖

3.3 智慧運維平臺技術

對設備整個生命周期進行完整的實時健康監測，能夠及時預測設備失效及故障時及時告警。

平臺可提供標準協議，給任意的廠家新增加設備的接入，也可通過各種對接協議及轉換器，把已有的非標準的設備接入到運維平臺的數據采集服務器中。一般可以接入消防報警系統、通風控制系統，防火門控制系統、水消防系統，通過這些外部平臺獲取到它們包含的種種傳感的運行狀態進行數據分析。

4 亮點

本套系統中，最大的高點是采用了滅火器智能欠壓檢測技術，采用該技術可以大大節省繁多的滅火器一個個巡檢的問題，且人工巡檢間隔時間太長，當有滅火器漏氣而沒及時發現，又剛好發生火災時，將會出現很嚴重的后果。

4.1 智能監控、操作可溯源

4.2 AI+云計算

4.3 物聯網消防預警、自動巡防系統

物聯網消防預警系統隨時提供給使用者、管理者和消防部門設備周邊環境數據，當出現異常數據時，系統會通過監控中心、相關管理部門負責人手機、客戶端管理平臺、客戶端App做出多次提醒（包括自動語音提醒）及視頻聯動、視頻推送等，及早發現防患于未然。

自動巡防系統：用戶可針對隧道不同區域、設備類型、時間段設置自動巡檢策略，自動生成巡檢報告，并通過App一鍵派單給對應的人員。軟件包括管理端App、微信服務號、PC管理平臺，結合“檢”和“管”實現即時上下行管理的系統。

5 隧道無線網布設

圖6 隧道無線網布設示意圖

6 智慧消防管理平臺

圖7 智慧消防管理平臺

7 結束語

通過對紫惠高速隧道消防設施智慧巡檢關鍵技術分析，科學有效地解決了有關問題，實現了紫惠高速隧道消防的安全運營管理。實現智慧巡檢的目的。值得借鑒和推廣應用。為建設具有國際先進水平的高品質公路基礎設施網絡，實現交通強國戰略目標奠定堅實基礎。