基于物聯網技術的隧道配電房智能監控管理系統設計

摘要：針對高速公路隧道配電房管理現狀，利用物聯網技術，設計了一套無人值守的配電房智能監控管理系統。該系統可實時監控配電房的運行狀態，遇到異常情況能及時向監控員發出報警，保證了隧道內交通的安全運行。

關鍵詞：物聯網;無人值守配電房;智能監控管理系統

0 引言

高速公路隧道配電房通常分布零散，相隔距離較遠，所處地理環境比較復雜，不利于人工對其進行管理維護，而配電房內部設備都非常重要，是隧道機電系統的核心設備。因此，人們對配電房的運行環境、安防等管理提出了新的要求，需要對煙霧、溫濕度、供配電設施、門禁狀態、室內照明、通風、人員入侵以及視頻信息等進行集中監控管理和分析，以便人員及時準確地掌握設備運行信息，實現故障精確定位，為配電房的安全、可靠運行提供有力保障。為此，在現有的高速公路隧道配電房內設置智能化監控系統，可以減輕監控員和外勤人員的勞動強度，降低設備運行維護成本，保證隧道內交通的安全運行。

1 隧道配電房管理現狀

本文以某高速公路隧道管理所為例，該管理所管轄了3座隧道，一共有5座配電房，這些配電房已投入運行15年。當時配電房設計標準較低，沒有配置智能管理系統，無法實現對供配電設備的監控和配電房環境的監控，現有監控設施只能讓監控員通過安裝在配電房內的攝像機進行實時監控，通過控制軟件實現抽屜柜的開合閘。每天外勤人員只進行一次配電房巡檢，并沒有實現對配電房的實時監控。隧道配電房均設置在山區，植被茂盛，動物較多，在天氣炎熱、潮濕、梅雨等極端環境中，設備運行在高溫、潮濕等惡劣環境下，嚴重威脅設備的安全運行，成為影響隧道正常運行的安全隱患。

2 物聯網結構及關鍵技術

物聯網是新一代信息技術的重要組成部分。顧名思義，物聯網就是物物相連的互聯網，包含了兩層意思：第一，物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，它是在互聯網基礎上延伸和擴展的網絡;第二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通信。

物聯網主要由3部分構成：感知互動層、網絡傳輸層和應用服務層。感知互動層，主要由傳感系統、識別系統和相關外圍設備構成，具體包括各種配電房溫濕度傳感器、電力儀表、防盜傳感器、煙霧傳感器、攝像頭等設備，主要負責信息采集、信息轉換和信息收集。傳感器是觀察和測量的裝置，類似于人類的感官系統，傳感器技術涉及學科眾多，包括光學、聲學、半導體技術、測量技術、信息技術、微電子技術等。

網絡傳輸層，包含移動數據、藍牙、光纖和電纜等，主要負責信息的提取和傳輸，是連接應用層和感知層的數據通道。其關鍵技術包括無線通信技術、Web技術、數據管理技術、ZigBee技術等。物聯網網關可以實現多種不同設備的網絡接入，感知層中的感知設備與網絡傳輸層的連接是通過物聯網網關實現的。

應用服務層，包含本地主機和控制器、物聯網中間件和物聯網應用平臺。應用層主要是基于計算機和軟件技術進行各種數據處理。作為海量數據的存儲和分析平臺的云計算技術，是物聯網應用層的重要組成部分。物聯網中間件可以將計算機管理、設備控制和定位進行統一封裝，將物聯網技術與各個行業的服務系統相連，對互聯網傳送來的數據進行處理、過濾、整合后，提供給所需的后端應用系統。

3 隧道配電房智能監控管理系統設計

基于物聯網技術，本文提出了隧道配電房智能監控管理系統的集成技術解決方案。本文以某配電房為例，通過在配電房內設置環境監控系統，檢測漏水、煙霧、溫濕度、人員入侵等信息，設置供配電設備的數據實時監控系統，監控各個設備運行狀態，并上傳至中控室，實現對設備的集中監控、統計分析，能夠實現及時記錄、查詢和自動報警等功能，讓監控員和外勤人員及時接收到告警信息，以便及時處理異常事故。

隧道配電房智能監控管理系統由智能設備、傳輸線路和集成監控主機組成。配電房內所有設備通過以太網、串口服務器接入到網絡內;集成監控主機直接接入監控以太網，與中控室網絡相連，從而實現數據交互，系統構架如圖1所示。該系統采用集中管理、分散控制的方式，不但滿足了對分散監控點集中統一管理的需要，更滿足了數據安全等方面的要求。

4 配電房智能監控管理系統的硬件設計

配電房需安裝的采集設備有煙霧傳感器、溫濕度傳感器、漏水傳感器、紅外防盜傳感器、集成監控主機、三層交換機等。

（1）集成監控主機帶有串口通信、AI/DI、以太網接口，可以對配電房運行環境進行數據采集和控制，現場通過以太網接口接入到監控環網，將數據傳輸至隧道管理所中控室的服務器進行處理，現場采用機架式無風扇工控機，保證系統安全可靠、維護方便。

（2）低壓配電柜監控設施，采用遠程電源管理控制器，不僅可以顯示每個抽屜柜、智能斷路器的電流、電壓、負載等，還能顯示雙電源工作狀態以及配電柜內的溫濕度、煙霧、門禁等信息。當門禁被打開、煙霧產生時會觸發報警。遠程電源管理控制器與各個抽屜柜的儀表使用485接口連接，采用國際通用的SNMP、Modbus協議等通信，讀取儀表數據。遠程電源管理控制器使用以太網接口接入到監控環網，中控室服務器直接讀取配電柜的運行狀態和相關數據。

（3）溫濕度傳感器：配電房內的電子設備對環境溫濕度有較高的要求，保障機房環境條件，對充分發揮系統性能，延長設備使用壽命，確保數據安全性以及準確性具有重要意義。本文設計的智能監控管理系統內的溫濕度傳感器將檢測到的數據傳輸給集成監控主機，通過監控主機發送給中控室的服務器，就可以在監控室監控電腦上進行直觀顯示。一旦溫濕度超過臨界值，系統會提醒監控人員并自動啟動風扇，記錄下相關數據，監控員可以根據各季節的溫濕度狀況進行調整，防止溫濕度變化對設備造成不必要的損害。

（4）煙霧探測器：由光電煙感發出的報警信號（開關量信號），傳送至監控主機，實時監測現場是否發生火災，如果遇到火災，系統自動在中控室監控電腦上發出告警，提醒監控員。

（5）漏水檢測器：配電房內強電、弱電、光纜、信號線縱橫交錯，配電房一旦漏水，后果不堪設想。配電房漏水不容易被發現，需要對配電房內的漏水狀態進行實時檢測。本系統采用漏水檢測器，通過檢測電阻，實現開關量輸出，采用直流12 V供電，應用簡單可靠。

（6）紅外探測器：隧道配電房是無人值守的配電房，為了防止非法入侵，在配電房內安裝紅外探測器，誤報率低，性價比高。如果發生入侵事件，報警器通過輸出模塊，將開關量信號抄送給控制主機。該探測器采用直流12 V供電，吸頂安裝，可全方位360°探測，探測直徑達8 m，功耗小于1 W。

（7）監控攝像機：系統采用帶有移動報警功能的網絡攝像機，像素高，采用POE供電，實現對配電房的實時監控。

現場采集設備對配電房內的溫濕度、門禁狀態、漏水狀態、煙霧、電力數據等進行實時監控，并將采集的信息通過局域網實時傳送給中控室的監控服務器，并直觀顯示在監控電腦上。

5 配電房智能監控管理系統的軟件設計

配電房智能監控管理系統軟件對監控服務器采集到的現場數據進行集中處理、記錄、統計等，將數據統計結果形象地顯示在界面上，使監控員和外勤人員能夠直觀、輕松地掌握整個配電房的運行狀態。此外，該系統還具備權限管理、報警管理、日志管理、報表輸出等功能，配電房監控軟件實現與視頻監控系統和隧道控制系統的數據交互。

該系統軟件需要支持TCP/IP、Modbus、SNMP等眾多協議，支持二次開發，具有以下功能：

（1）采用電子地圖模式，直觀顯示隧道配電房的位置和各個配電柜、抽屜柜的位置，通過全局地圖了解配電房是否有報警信息，在地圖中選中一個配電房后進入該配電房進行整體巡查，包括巡查溫濕度等信息，在布置圖上選中一個配電柜可以查看該配電柜的電壓、電流等信息。

（2）通過查看系統日志和報表，了解各個設備運行狀態并生成報表。

（3）在監控系統軟件上，可以隨意選擇聯動的設備。比如，當檢測到配電房溫度達到設定值時，打開排風扇，對配電房進行降溫，以保護設備。當煙霧傳感器檢測到有火災煙霧時，立即自動啟動排風扇并自動切斷智能斷路器、切斷電源等。這些功能使“無人值守”配電房的實現成為可能。

6 結語

本文設計的基于物聯網技術的隧道配電房智能監控管理系統，實現了隧道配電房集中監控、精確故障定位、及時報警的管理模式，提高了對隧道配電房的監控能力以及對數據自動化處理和分析的水平，為高速公路信息化應用和綜合管理系統應用提供了強有力的運維保障，延長了設備的使用壽命。

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收稿日期：2020-07-24

作者簡介：陳咨鑫（1976—），男，浙江平陽人，助理工程師，研究方向：高速公路機電。