高速公路隧道消防供水智能監測系統設計與應用

韋 維

(廣西交通投資集團南寧高速公路運營有限公司，廣西 南寧 530218)

0 引言

隨著高速公路路網逐步延伸至偏遠山區，極大地促進了國民經濟的整體發展。但是山區高速公路在修建過程中存在大量的隧道群，多數山區高速公路隧道光線灰暗，視野不開闊，安全性較低。因此高速公路隧道安全是行業應重點關注的問題[1]。高速公路隧道的眾多隱患防范的重點之一是對火災的防范。車輛自燃、車輛追尾、供電線路老化短路、隧道內設備故障等各種原因均會引發隧道火災，極易造成重大的生命財產損失。因此，必須做好隧道消防管理和監控工作，保證隧道區域行車安全。雖然每個隧道在建設后都配有相應的消防管道，但如果不能及時地發現火災隱患也無法保證來往車輛的安全，而且消防設備一旦出現故障，在火災發生的時候也無法滅火，因此，消防設備的狀態也需要進行監控。其中，消防供水是火災救援的根本，在對消防設備進行監測的時候應將消防供水的監測放在第一位，避免因供水監測問題導致無法及時撲滅火災[2]。本文基于該需求設計了高速公路隧道消防供水智能監測系統。該監測系統利用智能監控的技術原理，對隧道消防供水進行實時監測，能夠對供水系統的水壓、實時多點并發等狀態進行監測。同時，通過對水壓值的分析判斷設備是否有故障，在設備發生故障時向管理員發出預警信號。此外，應保證消防水箱中的水位一直處于滿足需求的狀態，當水位異常下降時提醒管理員進行檢測和維修，以保證消防設備處于正常使用的狀態，及時排查消防水源隱患。

1 消防供水智能監測系統方案

消防供水智能監測系統主要分為硬件部分和軟件部分。硬件部分包括信號采集器、水位計、無線智能壓力傳感器、5G無線監控攝像機等；軟件部分主要有消防監控平臺軟件和移動終端APP和公眾號等。消防供水監控系統通過水位計對消防水池、高位水箱中的水位進行實時遠程監控，通過無線智能壓力水表采集傳輸消防水系統中消火栓、噴淋末端等關鍵部位的水壓，發現異常迅速發出報警通知值班人員處理，同時將報警信息上傳到監控平臺軟件，監控平臺軟件受理報警并通過APP推送給聯網單位消防負責人，以便及時響應和處理，排查消防隱患。消防供水智能監測系統架構如圖1所示。

圖1 消防供水智能監測系統架構圖

2 高速公路隧道消防供水智能監測系統硬件設計

目前，我國高速公路隧道消防給水系統多采用常壓型給水系統，其工作原理是：先從取水裝置取水到低位水池，用水泵將低位水池中的水加壓輸送到高位水池，再由高位水池對隧道消防管網進行供水。常壓型給水系統是利用高位水池和自身重力流向隧道內的消防管網供水，使管網始終保持滅火所需的流量和壓力，在撲救火災時可以直接使用消火栓滅火，而不需要啟動消防水泵加壓。根據隧道最低處高程和最高處高程計算得出高位水池高度，以滿足消防栓出水壓力要求。為了確保高位水池的高程和容積符合規范要求，其建造位置要求地勢平坦，地質結構穩定，給水管的布線要盡量短，以降低水壓損失。

2.1 設計光電接觸式液位傳感器

在設計信號采集器之前，首先要分析被檢測信號的特點，在被測隧道中應采集消防供水設備可測點的形狀，尤其是設備中的帶孔、帶槽、齒輪等零件的狀態。消防供水設備通常位于隧道當中，所處的環境條件和空曠地帶有所差距[3]，因此在對消防供水設備進行監測的時候要考慮周圍環境的變化，溫度、磁場、光線等因素的變化都會對檢測結果造成影響，而這些因素又影響到對信號采集器傳感器的選擇。通過對檢測需求的分析，選擇了三種傳感器作為高速公路隧道信號采集器的傳感器。其參數如表1所示。

表1 傳感器參數一覽表

光電傳感器是本文設計的信號采集器的主要傳感器，其主要由信號發送器和接收器以及相應的電路組成。光發射器和接收器在同一個光電槽中，當電槽通電時就可以實現光電通路傳感[4]，電槽兩側中保持無物體狀態，但監測到設備存在時，設備會將信號擋住，由此來判斷設備的狀態。

2.2 設計消防供水無線智能壓力傳感器

壓力傳感器的選擇應與消防供水設備相配套，需要注意傳感器的精度，還應考慮硬件的成本。壓力傳感器線性特性也很強，應用的范圍十分廣泛，因此結合本系統對傳感壓力的需求，在消防供水設備壓力傳感器中選擇PR-3000-PM300-*系列的壓力傳感器[5]，其擴散硅壓力芯體是該傳感器用于識別敏感度的原因。該壓力傳感器的外殼是堅硬的不銹鋼體，赫斯曼接頭為國外原裝進口，可防水防塵防腐蝕抗老化。高強度不銹鋼殼體嚴格的氣密性監測可適應各類高壓工況。緩沖阻尼設計可防止瞬間大壓力對傳感器的破壞，能抗2～3倍瞬間壓力。該設備不會因為地處惡劣的環境就生銹損壞，延長了系統硬件的壽命。由于部分隧道較長，通過拉線傳輸施工難度大、成本高，故在壓力傳感器上集成了無線lora傳輸模塊，每隔1 km安裝一個數據網關，保證數據傳輸的實時性和穩定性。

2.3 5G無線太陽能監控攝像機

在高低位水池上部安裝5G無線監控攝像球機，使系統可遠程查看高位水池的實時影像、圖片、水池水位高度，以及實時查看任一消防水泵的水壓，當出現異常時可及時報警。該系統具有不受距離限制、網絡穩定即可遠程實時觀看、安裝施工方便、不用長距離輸電等優點。

3 高速公路隧道消防供水智能監測系統軟件設計

隧道消防供水智能檢測系統軟件部分主要分為監控平臺軟件和移動端軟件。其中監控平臺軟件的主要功能有：可遠程查看高位水池的實時影像、圖片、水池水位高度，以及實時查看任一消防水泵水壓，能實現水壓水位感知、水壓水位異常報警、管網壓力監測、水池液位監測、消防栓壓力監測、信息推送、監測管理等，當出現異常時可及時報警。移動端主要功能有：實時監測、預警提醒、自檢上報、故障巡檢、通知公告、APP實時報警等。

要實現上述軟件的功能，保證數據實時收發并處理是關鍵，后臺服務端通過5G和lora網關服務器進行通信，數據通過加密的MQTT服務會話主體通信，能夠有效解決數據并發和數據傳輸的實時性和安全性等問題。

4 監測系統應用

在廣西交通投資集團柳州高速公路運營有限公司小頭嶺隧道安裝了一套隧道消防供水智能監測系統，進行了隧道消防聯動演練測試，并對隧道消防的消防控制、自動報警、應急電話、廣播和監控系統進行了分析設計。根據大數據分析以往易發生火災隧道的歷史數據，估算發生火災時，監測救護人員得到火災的通知時間；在需水量的計算過程中按照20 min的到場時間進行準備；消防流量分析采用水管網組態軟件進行，分析消火栓的流量值的結果得出該地區的消防需水量服從對數正態分布，根據監測系統對消防供水能力概率分布圖進行繪制。監控平臺軟件如圖2所示。

圖2 監控系統軟件模擬界面圖

采用本文設計的系統對高速公路隧道消防供水進行智能監測。系統測試的實驗結果如下頁圖3所示。由圖3可知，本文設計的系統監測設備所得出的供水量曲線與實際滅火所需的供水量基本吻合，因此，本文設計的系統符合高速公路隧道消防供水智能監測系統的要求。

圖3 測試數據分析曲線圖

5 結語

本文對消防供水智能監測的需求進行了分析，并基于需求設計了高速公路消防供水智能監測系統。本文設計的系統數據采用無線lora和5G通信傳輸的方式，保證數據傳輸的速度、實時性、方便快捷及對消防水源管網水壓準確、實時的多點并發監測，當水位或管網系統發生異常時，能夠迅速發出報警信息，及時排查消防水源隱患。通過實際系統測試證明，該系統符合高速公路隧道消防供水智能監測系統的要求。