基于可編程邏輯控制器（PLC）的隧道安全監控

陳玉鍵CHEN Yu-jian；王璐WANG Lu；閉芬BI Fen；李強LI Qiang

（云南建設投資控股集團有限公司路橋總承包部，昆明650000）

0 引言

隧道工程的安全問題一直是人們探討的重點，科技的快速發展使得隧道施工越來越安全。PLC（Programmable Logic Controller） 技術是世界上較為成熟監測技術，利用PLC 技術對隧道進行監測成為了提高隧道施工安全的一項重要舉措。在我國隧道中實行PLC 安全監控系統對隧道進行安全監控，能隨時獲取隧道內的有效信息并能夠有效保證隧道的安全，文章通過對PLC 安全監控系統進行合理的分析并提出相關意見，為我國隧道建設提供參考。

1 PLC 隧道安全監控系統的發展現狀

隨著我國經濟技術快速發展，隧道建設在公路與橋梁建設中有著舉足輕重的地位，但隧道建設有著中國基礎建設中最為密閉的施工環境，其隧道建設中空氣流通性差，光線強度微弱，建設環境也較為密閉[1]。出于對施工安全因素的考慮，我國對隧道施工安全有著極為嚴格的安全要求，同時我國也積極引進國外先進技術與工藝，通過利用智能化的方式對隧道施工安全進行監控。

武文天（2020）提出在隧道中安裝PLC 監控系統能夠有效的獲取隧道的相關信息。楊?。?020）對PLC 系統存在的問題進行及時的優化升級能夠確保PLC 系統更為高效的運行。朱晶、彭敏（2019）提出PLC 以其簡單、快速、智能和多功能的優點逐步在公路隧道中得到廣泛運用。彭立（2018）通過對控制隧道安全出發，討論了PLC 監控技術在公路隧道中疏導監控管理的應用。許永軍（2014）對利用PLC 控制系統對鳳永高速隧道群進行監控設計，探討智能聯動與工程管理的合理方案。趙向南（2016）利用PLC 系統設計開發了對高速公路隧道的車道指示標志、限速標志、風機及照明等終端設備的控制。

我國大多數地區隧道呈現地理位置復雜、施工難度大、隧道施工長度長的特點。安全問題成為隧道施工中最為重要的部分，為了防止隧道施工中安全事故的發生，近幾年，我國加強對隧道安全監測系統的優化與升級，對施工環境及隧道內部結構進行實時的監控，從而確保隧道施工的安全性。我國現階段有著較為成熟的集成化綜合監測系統，并且正朝著更加安全與智能化的方向發展，如圖1 所示。

圖1 隧道安全監控系統

2 PLC 在隧道安全監控系統中的可行性

2.1 隧道環境指標分析

隧道施工會讓人長期處于一個相對密閉的狀態并且通風效果差，其內部環境以及機械設備所產生的氣體可能會對人體產生不利的影響，因此需要對隧道內部環境參數進行監測。參照GB/T18883-2002 標準及查閱有關文獻資料，隧道內部環境參數對人體的影響如表1 所示。

從表中可以得到，H2S、CH4、CO 都屬于有害氣體，濃度到達一定量的時候會對施工人員造成身體損傷，并且氧氣濃度、相對濕度與溫度也會影響隧道施工人員的舒適性[2]。

2.2 PLC 技術在隧道安全監控系統中可行性分析

隨著科技技術的發展，PLC 控制系統已經具備抗干擾能力強、性能平穩、適應性與兼容性強的優質特點。安全指標權重系數能夠反映各施工段的允許安全值，PLC 技術用于隧道安全監測中需要滿足對各個安全指標能賦予相應的權重系數，使得該監測區間處于系統所允許的安全范圍內并且最為直觀的反映在系統顯示器上?，F通過層次分析法來探討PLC 技術能否滿足理論分析所得的權重系數，從而驗證該方法的可行性。根據層次分析法對隧道安全環境評估各級指標權重計算如下：

建立判斷矩陣P：

表1 隧道內部環境對人體的影響

aij表示指標i 與指標j 之間相比的重要性標度。

計算P 的特征向量及特征值，所求特征向量即為各安全指標的權重排序[3]。

計算mi矩陣P 每一行元素乘積：

通過對ω~=（ω1，ω2，…，ωn）向量歸一化，得到特征向量ω=（ω1，ω2，…，ωn）。

矩陣的一致性驗證：判斷矩陣的一致性，利用CR 檢驗公式對其進行檢驗：

CR：一致性比率；CI：衡量判斷矩陣一致性程度指標；RI：平均隨機一致性指標。

RI 的數值與判斷矩陣的階數n 相關，其關系如表2所示。

表2 RI 值與階數的關系

CI 定義：

當滿足CR＜0.10 時，則判斷矩陣建構合理。

利用PLC 控制系統進行模擬分析，將模擬數據按上式進行計算。PLC 安全監控評估體系指標權重如表3 所示。

表3 PLC 安全監控評估體系指標權重

PLC 舒適性指標判斷矩陣如表4 所示：最大特征值λmax=2.0000，CI=0.0000，RI=0.0000，CR=0.0000＜0.1 滿足一致性檢驗，滿足可行性要求。

表4 PLC 舒適性指標判斷矩陣

構件安全性指標判斷矩陣如表5 所示，最大特征值λmax=3.0952，CI=0.0476，RI=0.58，CR=0.0820＜0.1 滿足一致性檢驗，滿足可行性要求。通過對PLC 安全監控系統導出數據利用層次分析法分析，可以得到該方法滿足可行性驗證，符合要求。

表5 PLC 安全性指標判斷矩陣

由表5 可知，在隧道安全監控評估體系中，安全性與舒適性所占權重分別為0.8571、0.1429，很容易得到安全性說占權重更大；其中在安全性中，消防聯動系統所占權重最大，其次是事故報警系統，最后為火災報警系統。

2.3 PLC 技術在隧道安全監控系統中的注意事項

在隧道中利用PLC 安全監控系統時，需注意根據隧道長度以及數據儲存量的大小合理選擇所需要的儲存空間以及模擬量數字量I/O 點的數量，進而選擇所需要的型號[4]。因為需要對隧道進行長期且穩定的安全監控，所以在考慮隧道監控系統時，應當從隧道的綜合特征以及特別關注點進行綜合考慮，從而達到對隧道的全面監控，做到對重點安全點重點監控，一般監控點實時監控，保證隧道監控系統長期穩定的工作。

3 結語

隧道安全一直是科學家們研究的一個重點問題，本文提出對隧道現有環境及安全問題的探討，基于現有問題提出了利用PLC 安全監控系統對隧道進行安全監控，并對該方法利用層次分析法進行分析，驗證該方法的可行性[5]。利用PLC 安全監控系統對隧道進行監控，從一定程度上保證了隧道的施工安全，降低了隧道安全事故發生的可能性。