基于多傳感器和設備聯動的環境監測技術初探

摘要：為提高隧道的可維護性，自研環境監測智能盒對氧氣、一氧化碳、硫化氫、可燃氣、溫度、濕度等現場環境參數進行監測，當達到預警值時，自動啟動排風、抽水等相關輔助設備進行危險排除，并將現場數據通過網絡實時上傳至控制中心，通過大屏、手機等多種顯示終端進行顯示。

關鍵字：隧道；環境監測；有毒氣體；預警；設備聯動。

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）01（a）-0000-00

0.引言

隨著城市的快速發展，地面大廈林立、交通擁堵現象越來越嚴重，已成為城市發展的瓶頸，人們越來越重視城市地下空間的使用，我國于1997年發布了《城市地下空間開發利用管理規定》，為城市發展提供基礎和保障。

我國城市地下隧道建設存在跨越年代長、結構形式多樣、受周邊環境影響大等特點，隧道高度有1.2m、1.7m、2m、2.3m等多種規格。目前隧道的維護工作主要靠人工現場檢查，分為每天路面巡檢和定時隧道內巡檢兩種方式，巡檢內容包括路面塌陷、積水、塌方、私放電纜、井蓋丟失/破損等。隧道位于地下，存在有毒氣體、氧含量不足、塌方、積水等危險因素，在巡檢和檢修過程中，不時有危險情況出現。

為提升工作環境的安全性，需通過環境檢測設備對隧道現場環境參數進行實時采集、智能分析，實現設備間的聯動，及時排除危險隱患；并將監測結果報送至控制中心，協助管理人員全面掌握隧道環境情況2。

1.潛在危險性分析

表1 地下隧道潛在危險性分析

序號隧道區域特性共性潛在

危險源主要潛在

危險源需監測內容

1河流區域水

氧氣

溫度

有毒氣體

可燃氣體水淹水位、一氧化碳、氧氣、可燃氣體、硫化氫

2供水管道區域 自來水泄漏水位、一氧化碳、氧氣、可燃氣體、硫化氫

3排水管道區域 污水泄漏

產生有毒氣體水位、硫化氫、氧氣、苯、硫化氫、氨氣、一氧化碳、甲烷、可燃氣體4

4熱力管道區域 溫度過高

熱水泄漏水位、一氧化碳、氧氣、可燃氣體、硫化氫、溫度

5燃氣管道區域 燃氣泄漏氧氣、可燃氣體

備注因管道分布環境不同，存在危險源具有差異性，需針對不同區域、不同運行環境擬定不同監測內容。

通過對隧道潛在危險源分析，得出隧道環境常規監測包括環境溫度、濕度、水位、氧氣、可燃氣體、硫化氫、一氧化碳等內容，因此試探性地研究了基于多傳感器和設備聯動的隧道環境監測技術，自研隧道環境監測智能盒，對各種環境參數精確采集的同時，并實時監測各類環境參數，在監測值達到危險閾值時，自動啟動相關排風、排水等輔助設備，排除危險因素，提高整個隧道系統運行環境的可靠性5。

2.環境監控系統架構

環境實時監測系統主要由智能環境監測智能盒、匯控箱、通訊網絡、中心機房幾部分組成。

圖系統總體架構圖

前端環境監測智能盒實時采集管網內環境參數，經458線匯聚到匯控箱，通信光纜上傳到中心機房進行信息匯總，同時進行數據保存。現場環境監測設備在監測到相關環境參數達到危險值時，自動啟動相關設備進行危險排除，同時產生報警信息。在啟動相關設備后，如監測的環境參數沒有好轉，產生危險報警信息。

用戶在系統集成管理平臺上通過圖形化系統軟件實時監測現場環境，環境參數一目了然，對報警等突發事件進行排查和處理。系統支持大屏幕顯示、手機app在線查詢等功能，方便用戶管理和使用。系統主要功能如下：

（1）現場環境監測參數實時顯示。實時正確顯示環境監測智能盒所在位置的環境參數和工作狀態，可按要求顯示前端監測設備的模擬量曲線圖。

監測氣體含量：包括一氧化碳、硫化氫、可燃氣體、氧氣的含量，傳感器設備工作異常；

蓄水坑水位是否正常：包括正常、超過正常值、超過水位上限、設備工作異常；

溫度、濕度：當前溫濕度、設備工作異常；

照明、風機、水泵的狀態；啟動、停止、設備工作異常。

（2）報警功能。前端環境監測智能盒檢測到環境參數超過正常值或設備工作異常時，向控制中心發出報警信息，控制中心以信息報警、聲光報警、電話語音、短信報警等多種方式進行報警提醒。報警的同時顯示報警地點、報警類型、當前檢測值、正常值、報警時間等信息，并可以自動顯示報警點模擬量曲線圖。自動根據報警類型，提示該類型報警的常規處置方法。

（3）前端設備遠程控制。對前端設備包括風機、照明、水泵等設備統一接入環境監測設備進行集中控制，支持用戶遠程啟動、停止操作，不影響原有的手動控制模式。用戶只要經過授權就可以通過軟件對指定前端設備進行遠程控制，當設備啟動時間過長后可進行報警提示。

（4）電子地圖。在電子地圖上，按設備部署位置顯示每個設備的部署地點、設備工作狀態及監測值。

（5）建立應急預案處理流程資源庫。對不同的類型前端監測設備的報警，分別建立應急預案處理基本流程，協助工作人員對各類報警事件快速制定解決預案，及時消除危險隱患。

（6）事件分析與預警。對多發事件進行統計、分析，形成事件統計/預警報表、危險分析預警報表等，協助工作人員形成管理預案。

3.環境監測智能盒

環境監測智能盒根據現場環境特點進行設計，每個監測點配備一套監測智能盒，完成前端數據采集、設備聯動、數據傳輸等功能，其設計原理如下圖所示：

圖環境監測智能盒原理

為提高系統的反應速度，實現對各種環境監測傳感器的精確測量，解決多種數據的有效傳輸，智能盒特采用雙核結構配置，包括一個多功能MCU和ARM嵌入式處理器。多功能MCU主要完成對現場多種數據的采集、緩存、控制、發送、用戶IO擴展和鍵盤管理等工作。ARM處理器除了配備自身程序運行的必要存儲模塊之外，外掛SD卡，實現監測信息的本地存儲功能，記錄擾動時的波形，作為環境質量分析和故障分析的依據；外接大尺寸觸摸屏幕，以實現本地的人機交互功能；集成日歷芯片，方便記錄故障發生的時間。

環境監測智能盒對每個監測點的多種環境參量進行采集監測，控制多個環境處理設備的啟停，同時向上發送采集的多種數據，并接收上沿發送來的控制命令。智能盒在采集各傳感器參數和與上沿通信時采用目前技術比較成熟的485總線方式，將采集用的485總線稱作下沿485總線，將與上沿通信的485總線稱作上沿485總線。上沿485總線連接到數據匯控箱，數據匯控箱負責對多個智能盒數據的匯總，匯總后的數據以光纖的方式發送到控制中心。下沿485總線連接前端采集模塊，前端采集模塊負責底層采集各種傳感器的環境參量，包括模擬傳感器信號的調理、放大、A/D轉換、采集處理，處理后的數據直接送到 485總線上，同時采集模塊直接配置了對每種傳感器的聲光報警功能。

環境監測智能盒預留了RJ45網口、CAN總線接口、GPRS、3G的通信方式，以便于不同環境的應用和日后升級6，其能如下：（1）環境監測功能。實現現場環境參數的精確采集，監測氣體包括氧氣、一氧化碳、硫化氫、可燃氣，測量精度不低于5%（F.S）；監測集水坑中水位包括水位下限和水位上限；監測現場環境溫度、濕度，溫度準確度不低于±1℃，濕度準確度不低于±3%RH（20%-80%RH）。（2）聯動功能。在監測值超過閾值時，自動啟動相關輔助設備，如風機、抽水泵、照明等設備進行危險排除。（3）報警功能。實時監測前端各類傳感器的工作狀態和監測值，對設備狀態異常、監測參數超過閾值時及時生成報警數據，上傳至控制中心。（4）存儲功能。存儲采集的傳感器數據、控制指令、報警信息等數據，存儲時間不少于90天。（5）遠程控制功能。接收控制中心的控制指令，可對本機參數進行配置，對前端傳感器、輔助設備進行控制，支持設備的遠程重啟。（6）數據上傳功能。將采集到的傳感器參數值、報警信息等數據實時進行數據上傳，光纖通信條件下數據采集終端上送到主站開關量小于3秒，模擬量小于5秒。

4.實驗與分析

經過試驗測試，所安裝的前端環境監測設備采集的數據經匯控盒發送到后臺控制中心后，發現收到的數據比現場檢測儀器檢測的值偏小，但是相對誤差在2.0%以內，滿足工程使用要求。偏差原因初步分析有兩方面，一是現場檢測儀器檢測的瞬時值偏高；二是傳感器自身存在響應時間及調理電路的精度誤差。數據分析結果見下表：

表現場儀器和監控中心獲得的氣體體積分數值

時間（min）現場檢測體積分數（×10-6）現場檢測體積分數（×10-6）相對誤差（%）

0100991.0

151501472.0

302001962.0

452502471.2

603002971.0

753503441.7

904003941.5

1054504451.2

1205004961.8

5.結束語

隧道環境監測系統基本滿足隧道維護要求，但有些隧道周邊環境復雜，監控環境參數類型應根據實際環境境況進行擴充和調整，環境監測智能盒及系統應具備更高的靈活性和可擴展性。

參考文獻

1.《北京電力隧道現狀與發展》；張一凡；北京電力公司；《巖土錨固工程》，2007年第3期 46-50頁

2.《Tunnel monitoring》，Anonymous，Railway Gazette International，2009，Vol.165 （2），pp.22

3.隧道環境監測系統在福州電力隧道中的建設和應用，陳熹，陳志忠，全國第九次電力電纜運行經驗交流會論文集

4.《城市下水道及化糞池可燃氣體監控預警系統研制與應用》，包亮，重慶大學學報。2009.12

5.《An Improved Clustering Algorithm of Tunnel Monitoring Data for Cloud Computing》，Luo Zhong， KunHao Tang，The Scientific World Journal，2014， Vol.2014

6.《Communication System Design Based on TMS320F2407 with CAN Bus》，Guang Liu，AASRI Procedia，2012，Vol.3，pp.463-467