蘇通 GIL綜合管廊智慧消防監控系統設計

朱超 譚風雷 鄧凱 鄭建勇

摘要：蘇通 GIL綜合管廊傳輸線路長、電壓等級高，當管廊出現火源時，如果處理不及時將造成嚴重后果。為提升蘇通 GIL綜合管廊發生事故時的應急能力，建立了一套智慧消防監控系統，以提高綜合管廊的安全性與可靠性。首先，通過對管廊內部條件進行分析，確定建立智慧消防系統的可行性;然后，根據現場條件建立整個消防監控的實施架構，并以云平臺為開發平臺，完成各個子系統數據的采集、傳輸、與展示。根據實際需求，所設計的 GIL綜合管廊消防系統不僅具有面對 SF6氣體泄露與火災事故的快速消防功能，同時還具備人員定位、應急疏散和應急避難等保護人員生命的價值功能，可降低事故帶來的損失。整個管廊監控系統以云平臺為技術支持，將多個子系統進行統一集成管理，最終實現智慧消防的目標。

關鍵詞：蘇通 GIL綜合管廊工程;智慧消防;監控系統;云平臺

中圖分類號：TP273???????????? 文獻標志碼：A??????? 文章編號：1009-9492（2021）12-0171-05

Design of Intelligent Fire Monitoring System in Sutong GIL Utility Tunnel

Zhu Chao ，Tan Fenglei ，Deng Kai ，Zheng Jianyong

（Maintenance Branch， State Grid Jiangsu Electric Power Co.， Ltd.， Nanjing 211102， China）

Abstract： The Sutong GIL utility tunnel transmission line is long and the voltage level is high. When there is a fire source in the pipe gallery， if it is not handled in time， it will cause serious consequences. In order to improve the emergency response capability of Sutong GIL utility tunnel in case of accident， a set of intelligent fire monitoring system was established to improve the safety and reliability of utility tunnel. Firstly， by analyzing the internal conditions of the pipe gallery， the feasibility of establishing intelligent fire control system is determined. Then， according to the field conditions， the implementation framework of the whole fire monitoring is established， and the cloud platform is used as the development platform to complete the data collection， transmission and display of each subsystem. According to the actual demand， the designed GIL utility tunnel fire control system not only has the function of fast fire control in the face of SF6 gas leakage and fire accidents， but also has the value functions of protecting the lives of personnel such as personnel positioning， emergency evacuation and emergency refuge， which can reduce the losses caused by accidents. The whole pipe gallery monitoring system is supported by the cloud platform， which integrates and manages multiple subsystems in a unified way， and finally achieves the goal of intelligent fire fighting.

Key words： Sutong GIL utility tunnel project; intelligent fire; monitoring system; cloud platform

0 引言

特高壓氣體絕緣金屬封閉輸電線路（Gas Insulated Metal-enclosed Transmission Line ， GIL ），具有傳輸損耗低、傳輸能力強和高運行可靠性的優點，使得該技術已經被應用在多種電能傳輸場合[1-2]。基于此，我國為解決電能傳輸跨江問題以及提升華東電網內部電力交換和電網安全穩定能力，首次采用長距離雙回特高壓 GIL 輸電技術，建成世界上電壓等級最高、距離最長的蘇通 GIL 綜合管廊輸電工程[3-4]。

但是，考慮到該工程傳輸線路長、電壓等級高，對于電網的運維有極高的要求。一旦電纜出現火源等事故可能波及其他回路，直接影響到整個電網的運行安全。因此，為保障電網的安全運行，有必要針對整個管廊工程建立一套消防系統，實現對管廊工程消防的智能化管理[5]。夏天等[6]將物聯網大數據技術運用到智慧消防系統中，借助于云管理平臺可以很好實現消防系統的智能化管理，為消防系統建設提供新的發展方向。

本文在上述理論的基礎上，對蘇通管廊消防系統提供一種可行的物理架構。按照架構配合大數據云平臺優越的集成與管理性能，實現消防的智能化，降低火災發生帶來的損失[7-8]。相比傳統消防，設計的消防系統能夠更加有效安全的保護管廊與現場工作人員。消防系統的建立將有助于蘇通 GIL 綜合管廊實現遠程監測、實時預警與智能分析的功能，對于保持管廊工程的健康運行以及電網的安全具有重要意義。

1 GIL管廊工程概述

蘇通管廊工程示意圖如圖1所示。工程整體采用盾構法隧道方案修建，始發工作井位于長江南岸（蘇州側），接收工作井位于北岸吹填區（南通側）。 GIL 管線單相長度約5820 m ，管廊斷面內徑10.5 m ，外徑11.6 m，下層預留兩回500 kV電纜通道。建成的蘇通 GIL 管廊形成了貫穿皖、蘇、浙、滬負荷中心的華東1000 kV特高壓交流環網，具有保持華東電網內部電力交換和電網安全穩定的功能。

本設計圍繞著 GIL 綜合管廊運營管理目標建立一套包括數據應用、可視化設施設備統一監控平臺以及集值守管理、運行監測、應急管理與處置于一體的消防綜合管理運營平臺。實現對綜合管廊各類設施、設備及其運行數據在 GIS電子地圖中的準確定位及消防單元的可視化展現，使現有的 GIL 綜合管廊由現有的模擬化控制邁入數字化階段，實現“智慧管廊”建設目標。

2 消防監控系統整體架構設計

2.1 消防監控架構設計

綜合管廊綜合監控系統是蘇通 GIL 管廊綜合運營管理的中樞，它將在監控中心對蘇通 GIL 管廊整體運行情況進行綜合監控和運營管理。圖 2所示為蘇通 GIL 消防監控系統架構圖。將整個物理架構分為3層分別進行介紹。第一層為接入層。在該層將根據監控功能和子系統劃分，接入監控系統的部分包括管廊 ACU、火災報警監控、氣體泄漏監控、消防系統、應急避險系統、人員定位系統等;第二層為匯聚層，針對消防專網和監控專網進行系統數據與功能匯聚;第三層為服務層，是面向監控、管理和日常運維人員，主要是采集底層各子系統數據，實現數據集成和監控功能集成。

2.2 智慧消防數據平臺架構設計

智慧消防系統最突出的特點在于對系統數據的優越處理性能，具體包括數據傳輸速度快、低讀寫延遲和高存儲性能，最終實現從終端設備到服務平臺、從機器設備到業務流程、從數據信息到管理決策達到全數據數據挖掘。采用 Hadoop云平臺，充分利用集群的強大功能進行大容量存儲和并行計算，可以完成這個系統的數據處理工作[9]。針對管廊消防系統的 Hadoop云平臺工作流程主要有3個階段，如圖3所示。

第一階段為消防系統數據采集。該階段將消防子系統包括通風、人員定位、應急避難、供電系統等產生的數據同步到大數據系統中，數據庫同步通常用 Sqoop，打點采集的數據經過標準化處理后轉換后通過Kafka傳遞。

第二階段為消防系統數據處理。不同的數據源產生的數據質量可能差別很大且數據類型各異，需要先進行數據的預處理。數據處理后的數據導入到數據同步系統，存儲在 HDFS 。MapReduce、Hive、Spark 等計算任務讀取 HDFS 上的數據進行計算，再將計算結果寫入 HDFS。

第三階段為消防系統數據輸出與展示。將 HDFS中的數據導出到數據庫中，數據同步導出相對比較容易，計算產生的數據都比較規范，稍作處理就可以用 Sqoop 之類的系統導出到數據庫，此時應用程序就可以直接訪問數據庫中的數據，同時將這些數據以曲線或者表格的形式實時展示給用戶。

3 蘇通GIL管廊消防功能設計

按照設計目標，所設計的消防系統需要具備一些重要功能包含SF6氣體泄露消防、火災消防以及人員定位、應急疏散、應急避難等。下面對這5個功能分別進行詳細介紹。

3.1 考慮SF6泄漏的消防功能

GIL 管廊通風通道內充斥著大量的 SF6氣體，一旦泄露，對于管廊的通風環境是不利的。所以考慮消防功能時需要考慮 SF6氣體泄露的情況。蘇通 GIL 管廊 SF6氣體泄露時的消防工作原理如圖4所示。

整個蘇通 GIL 管廊隧道內通風采用南北岸機械排風的方式。整個通風系統共設置6臺大型立式軸流風機、4臺大型臥式軸流風機、4臺 SF6專用離心排風機，分別負責隧道上腔通風隧道、隧道下腔巡視通道通風、SF6排除通風。當蘇通 GIL 管廊隧道內 GIL 管道 SF6氣體泄漏時，隧道內 SF6探測器會進行濃度監測。具體的實施方案為如下。

當上腔 SF6泄漏，南岸區域內任一點監測到 SF6濃度大于或等于100 ppm 報警濃度時，將會啟動報警點①，同時將兩岸的3臺主通道大型立式軸流風機全部開啟，同時開啟兩岸所有4臺 SF6排風機，打開 SF6泄漏南岸區域內鄰近泄漏點1最低點兩個斷面（可能兩個都是斷面1，或是一個斷面1一個斷面2） 的閥門;當上腔最低點 SF6泄漏，南、北岸區域內任一點監測到 SF6濃度大于或等于100 ppm報警濃度時，報警點②啟動發出報警，通風機、排風機開啟方式同前一種。但是將打開最低點 SF6泄漏南、北岸區域內4個斷面2的閥門。

只要檢測管廊氣體濃度達到報警濃度，消防系統會立即報警并打開排風斷面的電動密閉閥門，與主通風一同作用將泄漏的 SF6氣體排出，快速的高濃度 SF6排出，保證管廊通道內良好的空氣環境。

3.2 考慮火災的消防功能

管廊發生火災是威脅管廊安全的另一大隱患，所以需要針對發生火災的情況進行消防功能設計。GIL 管廊部分不考慮消防水系統，僅設置了移動式消防設施。根據 GIL 管廊下腔中部巡視通道的配電柜集中區域分布情況，在管廊內設置了12個消防分區，每個消防分區包含一套懸掛式超細干粉滅火聯動控制系統，原理如圖5所示。

當系統出現火情時，現場人員和火災探測器識別到都能夠觸發火災報警聯動控制。在火災報警系統聯動控制方式下，當干粉滅火控制器收到本消防分區的兩個不同類型的火災探測信號后，干粉滅火控制器啟動，聯動關閉本防火分區的防火門和管廊內風機，同時啟動本防火分區的聲光報警器。干粉滅火控制器啟動后延遲30 s 干粉滅火裝置開始噴放，當控制器接收到噴放的反饋信號后點亮防火分區入口處的釋放門燈，直到滅火成功，再恢復設備到正常工作狀態。

3.3 人員定位功能

對管廊人員定位是一項重要功能，尤其當管廊下發生火災等事故時，可以根據人員定位系統對隧道中人員進行快速定，方便開展及時的救援措施。目前對于管廊、隧道等工作場所，常用的人員定位技術包括：WiFi 人員定位、RFID 人員定位、ZigBee人員定位和 UWB 人員定位。這些方式各有優勢，從定位精度、安全性、抗干擾、功耗等角度出發，本設計中采用 UWB 技術，其工作拓撲如圖6所示。

針對GIL管廊工程，采用UWB有兩大優勢，具體如下。

（1） 容量大，傳輸速度快。UWB 通信的帶寬都在500 MHz以上，其傳輸速率超過1 Gb/s 。而傳統的無線載波通信系統由于頻帶窄，要使傳輸速率達到100 Mb/s以上，必須采用多進制調制等方法，這樣對信噪比提出了很高的要求，同時也加大了系統構建的復雜性。

（2） 定位精度高。UWB 信號具有超寬頻帶的特性，使得 UWB 系統的距離分辨精度遠高于其他系統。在事故狀況下開展救援工作具有巨大優勢。

3.4 應急疏散功能

針對傳統的消防應急疏散系統存在的疏散指示方向固定、煙霧狀態下透光性差、維護成本較高等問題，提出采用智能消防應急疏散系統。此系統采用應急照明控制器（主機）+集中電源+分配電裝置+燈具四層結構組網模式，其工作原理如圖7所示。從圖中可以看出，燈具與配電裝置之間采用二總線通訊，而監控器與集中電源、配電裝置之間采用 RS485通訊，可以滿足通訊實時性的要求。其智能控制主要體現在不但可與消防報警系統聯動，確定火災發生的位置，而且應急指示標志的指示方向可以根據火災發生的具體位置進行變化，并且應急指示標志增加閃爍和聲音提示，便于現場人員快速確定逃生方向。

3.5 應急避難功能

根據已發生管廊事故調查，在火災、爆炸等事故發生現場瞬間直接受傷亡的人數并不多，大部分的人是由于不能及時升井或逃離高溫、有毒氣體現場，造成窒息或中毒傷亡。建設避難硐室和救生艙成為解決此問題的一種辦法，根據蘇通 GIL 管廊的實際情況，增設移動避險艙，便于現場人員可以就近選擇避難。

救生艙類型可分為硬質救生艙和軟質救生艙，具體形式如圖8所示。硬質救生艙外殼為硬度大的金屬，這種多用于容易坍塌的隧道和煤礦中，而軟質救生艙外層為有機材料制作的覆蓋膜，具有耐高溫、隔絕外界空氣的特點，蘇通 GIL 管廊通道基本不會出現坍塌事故，隱患主要類型為火災和毒氣泄漏。故本次設計采用軟體移動救生艙，既不占用大空間，又能在危機時能快速充氣，保證人員在極短時間內進入救生艙。

4 結束語

鑒于傳統管廊消防系統存在事故消防不及時、現場人員來不及逃離現場等問題，本文對蘇通 GIL 綜合管廊工程的消防系統作出改進，設計一套基于云平臺的蘇通 GIL 管廊智慧消防與監控系統。當事故發生時，可以依靠管廊內安裝的傳感器立即觸發消防功能，排除隱患;并考慮現場人員安全設計了人員疏散與避難功能，從根本上降低了事故帶來的損失。依靠云平臺作為技術支持實現子系統的集成與在線監控，完成智慧消防監控系統的建設，達到系統的預期建設目標。此系統的成功實踐可以為同類相關管廊工程消防建設提供參考。

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第一作者簡介：朱超（1987-），男，博士，高級工程師，研究領域為特高壓工程技術，已發表論文44篇。

（編輯：刁少華）