基于物聯網的長大公路隧道消防管網監測平臺設計與實現

楊曉珂 張 偉 楊博文

(1.陜西省交通建設集團公司秦嶺終南山公路隧道分公司，陜西 西安 710105；2.西安西暉儀器儀表有限公司，陜西 西安 710075； 3.西北大學，陜西 西安 710069)

隨著山區高速公路建設的發展以及通車里程的增加，長隧道及特長隧道數量不斷增多，長大隧道的安全管理已受到越來越多的社會關注。減少公路隧道火災帶來的損害程度，一方面要在隧道運營中加強火災的監控和監測，以做到提早發現、及時處置，另一方面要充分保障隧道現有消防應急設施的完好，對于長大公路隧道一般設置有消火栓滅火系統，消火栓按照規范應每50 m設置一處，尤其是特長公路隧道消防管網距離長、消火栓終端數量多，運營管理難度大。一旦發生消防管道爆管、消火栓漏水情況，排查往往需要大量時間，導致隧道消防高位水池水位快速下降，水量無法達到應滿足的火災延續時間，給隧道安全運營火災處置造成了一定安全隱患。物聯網的高智能程度、可擴展性、資源共享的特點，尤其適用于長大公路隧道消防設施管道距離長、終端數量大、維護監管難的特點。目前，我國許多城市都已開展了城市建筑的智慧消防物聯網建設，并取得了良好的應用效果，本文以秦嶺終南山公路隧道消防管網運營實際為例，對如何設計和實現基于物聯網的長大公路隧道消防管網監測平臺予以介紹。

1 需求分析

秦嶺終南山公路隧道雙向四車道，單洞長度18.02 km，雙洞全長36.04 km，設有監控中心1處、高位水池1處，消火栓箱每50 m設置一處，共779個，隧道消防水系統與隧道同步建成投入使用，現已運營12年，消防管道距離長、消火栓數量多，難免有消火栓或支管漏水情況且不易及時發現。該物聯網監測平臺應能實現遠程實時監測隧道消防管道壓力和流量運行變化，一旦消防支管或消火栓漏水，其相應位置的支管管道水壓和流量將發生變化，當變化超過一定閾值時，監測平臺自動提示報警信息和對應設備位置，使監控值機人員能夠及時掌握漏水點信息，盡快安排維修處置，最終實現人機互助、精準采集、全程測控的物聯網監控模式。

2 監測平臺設計

2.1 總體設計

為實現隧道管道流量、壓力等數據的遠程實時監測，首先應對消防支管安裝智能傳感器進行數據采集，利用通信技術和物聯網云平臺進行數據傳輸、分析及存儲，通過互聯網Web頁面顯示管網數據、提示報警信息。隧道消防管網監測平臺采用物聯網四層架構體系，即采集層、傳輸層、數據服務層和應用層。采集層通過各種智能傳感器檢測隧道水消防管網的相關運行參數(壓力、流量等)，并將采集數據通過無線自組網技術或移動通信網絡技術發送至數據層；傳輸層通過不同的通信方式和協議(ZigBee，有線，4G，GPRS)實現數據的上傳與下載；數據服務層對傳輸層發送的數據進行存儲、管理以及分析，為應用層調用提供支持服務；應用層是平臺與用戶的交互層，根據用戶需求調用數據層數據開發不同的應用平臺功能，最終以Web端、APP端形式展現(見圖1)。

2.2 采集層設計

傳統消防管道監測采用單一的壓力測量方式，只能測量管道或終端瞬間漏水壓力變化，在傳感器安裝時加入流量測量儀表可在壓力未明顯變化時檢測到持續性漏水，達到監測雙重保證。隧道消火栓為DN65雙出口，內嵌于洞壁內側消防箱內，間距狹窄無法在消火栓處直接安裝傳感器，消火栓至消防主管道之間的一段消防支管(約0.7 m)位于隧道檢修道下方，通過在消防支管上安裝流量和壓力傳感器，可以實時檢測消防支管至消火栓之間管道的流量和壓力，根據流量和壓力變化，可確定具體漏水點位。

2.3 傳輸層設計

對于已運營公路隧道，傳感器數據傳輸全部采用有線連接需進行長距離線路敷設，設計成本較高，一般采用數據無線傳輸。本平臺設計考慮到監測系統的獨立性、布線成本、易集成等因素，采用移動GPRS方案進行數據傳輸。傳感器采集到的傳感數據，把相關數據發送到中繼器進行分類整理后根據數據的優先級別發送到DTU，DTU利用移動無線網絡GPRS把數據上傳到云端服務器，中繼器實現數據安全，需保證每條數據上傳下載的可靠穩定，當數據無法上傳下載時需要保存當前數據。

2.4 數據服務層設計

數據服務層結構如圖2所示，包括資源層、服務層、接口層。資源層用來存儲數據資源，為服務層提供基礎數據，資源層采用了mysql和redis數據庫，mysql存儲結構化數據，redis做數據緩存可為服務層提供更穩定快速的數據支撐服務。服務層是整個系統的核心業務層，所有的業務模塊劃分、業務流程、業務模塊之間的通信均在服務層完成，同時為API網關提供接口，服務管理為服務層各業務模塊有序工作提供基礎支撐。接口層通過API網關實現，API網關是系統的唯一入口，API網關封裝了系統內部架構，為每個客戶端提供一個定制的API，它還具有身份驗證、監控、負載均衡、緩存、請求分片與管理、靜態響應處理功能。

2.5 應用層設計

監測平臺應用層是系統人機交互的核心，如圖3所示采用B/S架構，為了提升整個系統性能，提高服務器并發處理能力和安全，將應用層網絡架構按照功能劃分設計，分為“負載均衡器”“Web應用服務器”及“數據庫-主、從服務器”。負載均衡器提供了一種有效透明的方法擴展網絡設備和服務器的帶寬、增加吞吐量、加強網絡數據處理能力、提高網絡的靈活性和可用性。Web應用服務器處于負載均衡服務器的后一級節點，運行的是應用的后臺程序，接收用戶請求并將用戶請求經過計算及解析后，按照用戶請求訪問數據庫，然后將數據庫返回結果給軟件界面顯示。數據庫服務器將數據庫拆分為主和從數據庫，主數據庫為寫數據庫，用來存儲寫入采集到的消防管道數據；從數據庫為讀數據，用來為監測平臺讀取數據提供服務，加快數據讀寫效率。

監測平臺軟件功能應實現在GIS地圖上顯示測量點位置、數據、現場設備信息，支持消防管道壓力、流量的數據采集、顯示和存儲，可完成歷史數據的查詢導出，可根據現場消防管道實際壓力、流量更改報警閾值，超出閾值可在Web頁面自動彈出報警信息，并顯示具體位置。

3 平臺實現

監測平臺壓力測量儀表采用西暉儀器XHP830T-C7T，流量測量儀表采用西暉儀器XHLD-8004021101ER2MB，壓力傳感器位于檢修道地溝內，環境較為潮濕，宜采用IP68防護等級，焊接連接；流量傳感器插入式或外夾式，由于公路隧道車輛經過會產生一定震動，影響測量準確性，采用管段式流量傳感器可有效避免管道震動。實現采集數據無線傳輸的GPRS模塊采用西暉儀器XHD530W-N7W。監測平臺系統使用IntelliJ IDEA×64和MySQL5.7開發實現，物連網云平臺服務器采用百度云服務器BBC。

監測平臺界面左側為導航功能界面，可快速點擊進入用戶角色管理、設備信息管理、信息總覽(GIS地圖顯示)、設備監控等功能模塊。各消防管網實時壓力和流量數據在界面直觀顯示，平臺還可根據消防支管實際運行情況，手動設置壓力、流量報警的變化閾值，顯示采集數據的歷史變化曲線。當某個消防支管或消火栓發生漏水，壓力和流量數據將發生明顯變化，在超出一定范圍時，平臺能夠自動監測并根據對應漏水位置快速彈出報警提示對話框，監控值機人員可以迅速做出響應。

4 結論及建議

目前，該監測平臺已開發完成并投入使用，采用基于物聯網和GPRS無線通訊技術開發的長大公路隧道消防管網監測平臺，解決了在役長大公路隧道消防設施監管距離長、位置偏遠、較為分散且沒有預留智能化接口的問題，平臺的運行實現了對長大隧道消防管網壓力和流量的遠程實時監測和異常報警，能夠快速、高效和精準發現管道漏水位置，大大減少了管道漏水處置的響應時間，降低人工巡查頻率，有效提高長大隧道水消防系統監管的效率和實時性。下一步將根據各消防管網終端的實際情況，研究合理準確的壓力和流量變化閾值，既減少平臺的誤報率，又確保報警提示的快速性，并且通過消防管網監測平臺的大數據進一步挖掘長大隧道消防水消防管網的運行規律和最佳養管模式。