紫惠高速隧道消防設施智慧巡檢關鍵技術(shù)探討

黃武 羅瑜 湯永成

廣東飛達交通工程有限公司 廣東 廣州 510000

引言

國家有關安全生產(chǎn)工作重要指示批示精神的貫徹落實。通過全面提升公路隧道防災減災救災能力，預防和減少公路隧道交通事故特別是重特大交通事故的發(fā)生。近5年，交通運輸部先后開展全國公路隧道安全隱患排查治理、安全風險防控、提質(zhì)升級3次專項行動，體現(xiàn)了以提高發(fā)展質(zhì)量和效益為中心，推動公路隧道質(zhì)量評價由追求“合格率”向追求“滿意度”躍升。隧道行車安全是交通運輸行業(yè)深化交通運輸基礎設施供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的具體舉措之一。為建設具有國際先進水平的高品質(zhì)公路基礎設施網(wǎng)絡，實現(xiàn)交通強國戰(zhàn)略目標奠定堅實基礎。

圖1 隧道安全設施一覽圖

1 隧道安全問題總結(jié)

1.1 公路隧道運營管理工作面臨巨大的壓力

隨著我國公路隧道由大規(guī)模建設時期向運營管理階段的逐步過渡，公路隧道運營管理工作面臨巨大的壓力和嚴峻。我國從公路隧道大國邁向公路隧道強國，最需要補運營管理這塊短板，與歐洲和日本等發(fā)達國家相比，公路隧道運營管理水平存在較大差距。運營好、維護好、管理好數(shù)以萬計的公路隧道，對促進我國公路交通運輸事業(yè)又好又快發(fā)展具有十分重要的意義。

1.2 傳統(tǒng)隧道監(jiān)控的天生不足

目前我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，機動化水平仍將快速提高。據(jù)統(tǒng)計，2010年汽車保有量為9086萬輛，2015年為1.5億輛，到2020年預計超過2億輛，在十年間汽車保有量翻了一倍。目前制約著機動化進程發(fā)展的條件是能源和交通安全兩大塊。截至2017年底，公路網(wǎng)總里程達477.35萬公里，高速公路13.65萬公里，2018年底高速公路更是達14.1萬公里。高速公路為骨架、普通公路為主體的公路網(wǎng)基本形成。即使機電系統(tǒng)在支撐高速公路營運方面發(fā)揮了巨大作用，但總體智能運營管理水平不高，監(jiān)而不控或可監(jiān)而不可控問題普遍存在，主要表現(xiàn)之一包括有視頻、收費數(shù)據(jù)等基礎資源比較豐富，挖掘分析綜合利用率卻不高，“平臺思維”、“用戶思維”等互聯(lián)網(wǎng)思維缺乏；突發(fā)事件、惡劣氣象發(fā)現(xiàn)困難，異常狀態(tài)的影響分析與預警缺乏，救援保障能力問題突出；目前高速公路隧道上基本上以視頻監(jiān)控、火災檢測、環(huán)境檢測為主，但由于布設原因，還存在著很多盲區(qū)。況且現(xiàn)時隧道行車安全已越來越顯得重要，在車流量激增時維護好現(xiàn)有的監(jiān)測系統(tǒng)，目前只能采取的辦法是定期地進行人工現(xiàn)場巡檢。人工現(xiàn)場巡檢最大的弊端就是實時性不夠強，人工巡檢的手段較為簡單，一般為目測，而且在進行現(xiàn)場巡檢時會增加工作人員及行經(jīng)隧道的社會車輛的不安全因素[1]。

因此，一整套智能巡檢系統(tǒng)，采用大物聯(lián)網(wǎng)（專網(wǎng)）智能傳感器+原來設備數(shù)據(jù)采集+大數(shù)分析管理平臺的方式，可以低成本、高效率地替代大部分人工巡檢。并提供另一獨立途徑的檢測手段對已有系統(tǒng)進行多重校核。

2 行業(yè)痛點及需求分析

在高速公路隧道中，機電設備相當密集，而且運行環(huán)境較差，但隧道機電設備，尤其是隧道消防設施，對于行車安全尤為重要。在日常養(yǎng)護中，各路段業(yè)主都對隧道消防設施的巡檢要求很高，雖如此，但實際在運營過程中還是存在著以下的一些問題：

隧道巡檢的成本相對較高，特別像類似廣樂、廣韶等山區(qū)高速公路隧道群眾多的情況下，巡檢一次往往需花費一周的時間。

消防栓、滅火器往往有被盜或違規(guī)他用的情況，單靠平常的巡檢頻次太低，發(fā)生缺失或失壓時不能及時發(fā)現(xiàn)，存在著安全風險，恰好遇上火災事故時安全管理責任重大。

水消防管網(wǎng)沒有做自動監(jiān)測，出現(xiàn)水壓異常時未能及時發(fā)現(xiàn)。

消防水池、消防門、通風風機、現(xiàn)場環(huán)境等雖然在機電工程中已安裝有相關傳感器，但未作冗余設計，出現(xiàn)數(shù)值異常時，都要手工現(xiàn)場驗證，耗時耗力。

在原有隧道消防系統(tǒng)出現(xiàn)報警信息時，無法從遠程去驗證，大量的誤報都要去現(xiàn)場核實時徒增工作量。

原有傳感器的不準確導致無法實現(xiàn)聯(lián)動控制。

本系統(tǒng)設置就是專門針對上述行業(yè)痛點，解決廣大業(yè)主普遍遇到的問題去開發(fā)的一個軟、硬件綜合解決的平臺，作為提高業(yè)主管理管理效率的一種技術(shù)手段及輔助工具。

3 關鍵技術(shù)

該系統(tǒng)設置中，一共采用了三項關鍵技術(shù)，分別是超低功耗智能傳感器技術(shù)、LoRa容錯無線傳輸技術(shù)、智慧運維平臺技術(shù)：

3.1 超低功耗智能傳感器技術(shù)

能夠應用在高速公路隧道環(huán)境的可靠智能傳感器，采用流行的基于ARM內(nèi)核的低功耗系統(tǒng)芯片再加上自有的低功耗電源管理、無線通信協(xié)議技術(shù)、低功耗無線傳感器技術(shù)，總體實現(xiàn)單依靠自帶電池可以繼續(xù)工作五年的目標。

圖2 智能傳感器結(jié)構(gòu)圖

3.2 向前糾錯的LoRa無線傳輸技術(shù)

3.2.1 LoRa無線通信的特性。LoRa（Long Range Radio）網(wǎng)絡易于建設和部署，已成為當前最為普遍應用的物聯(lián)網(wǎng)專用網(wǎng)絡通信技術(shù)，發(fā)展形勢如火如荼。

低功耗廣域網(wǎng)絡在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中占據(jù)重要位置，因此芯片廠商、運營商、大型設備商都開始對這個領域熱衷起來。隨著中國LoRa應用聯(lián)盟(CLAA)的成立，LoRa技術(shù)的CLAA網(wǎng)絡架構(gòu)系統(tǒng)已經(jīng)形成，國內(nèi)LoRa網(wǎng)絡部署全面起跑。

圖3 使用DSSS擴頻技術(shù)示意圖

傳輸距離：城市可達2-5Km，郊區(qū)可達15 Km；

工作頻率：ISM 頻段 包括433、868、915 MHz等；

標準：IEEE 802.15.4g；

調(diào)制方式：基于擴頻技術(shù)，線性調(diào)制擴頻（CSS）的一個變種，具有前向糾錯（FEC）能力，這在高速公路復雜環(huán)境下使用有很大幫助；

容量：一個LoRa網(wǎng)關可以連接上千上萬個LoRa節(jié)點；

電池壽命：電池壽命長。LoRa模塊的接收電流10MA,休眠電流小于200NA，電池壽命一般可長達10年；

安全：AES128加密。

3.2.2 主流物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)的比較。目前主流應用的比較有前景的無距離物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)主要有NB-IoT和LoRa，兩種的技術(shù)特點非常相似，都是低功耗、廣覆蓋，適合海量連接場景。但是，NB-IoT是運營商建網(wǎng)和提供服務，而LoRa是自建網(wǎng)絡。它們的對比如下表：

圖4 NB-IoT和LoRa 對比效果圖

圖5 LoRaWan的網(wǎng)絡架構(gòu)圖

3.3 智慧運維平臺技術(shù)

對設備整個生命周期進行完整的實時健康監(jiān)測，能夠及時預測設備失效及故障時及時告警。

平臺可提供標準協(xié)議，給任意的廠家新增加設備的接入，也可通過各種對接協(xié)議及轉(zhuǎn)換器，把已有的非標準的設備接入到運維平臺的數(shù)據(jù)采集服務器中。一般可以接入消防報警系統(tǒng)、通風控制系統(tǒng)，防火門控制系統(tǒng)、水消防系統(tǒng)，通過這些外部平臺獲取到它們包含的種種傳感的運行狀態(tài)進行數(shù)據(jù)分析。

4 亮點

本套系統(tǒng)中，最大的高點是采用了滅火器智能欠壓檢測技術(shù)，采用該技術(shù)可以大大節(jié)省繁多的滅火器一個個巡檢的問題，且人工巡檢間隔時間太長，當有滅火器漏氣而沒及時發(fā)現(xiàn)，又剛好發(fā)生火災時，將會出現(xiàn)很嚴重的后果。

4.1 智能監(jiān)控、操作可溯源

4.2 AI+云計算

4.3 物聯(lián)網(wǎng)消防預警、自動巡防系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)消防預警系統(tǒng)隨時提供給使用者、管理者和消防部門設備周邊環(huán)境數(shù)據(jù)，當出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)會通過監(jiān)控中心、相關管理部門負責人手機、客戶端管理平臺、客戶端App做出多次提醒（包括自動語音提醒）及視頻聯(lián)動、視頻推送等，及早發(fā)現(xiàn)防患于未然。

自動巡防系統(tǒng)：用戶可針對隧道不同區(qū)域、設備類型、時間段設置自動巡檢策略，自動生成巡檢報告，并通過App一鍵派單給對應的人員。軟件包括管理端App、微信服務號、PC管理平臺，結(jié)合“檢”和“管”實現(xiàn)即時上下行管理的系統(tǒng)。

5 隧道無線網(wǎng)布設

圖6 隧道無線網(wǎng)布設示意圖

6 智慧消防管理平臺

圖7 智慧消防管理平臺

7 結(jié)束語

通過對紫惠高速隧道消防設施智慧巡檢關鍵技術(shù)分析，科學有效地解決了有關問題，實現(xiàn)了紫惠高速隧道消防的安全運營管理。實現(xiàn)智慧巡檢的目的。值得借鑒和推廣應用。為建設具有國際先進水平的高品質(zhì)公路基礎設施網(wǎng)絡，實現(xiàn)交通強國戰(zhàn)略目標奠定堅實基礎。