基于4G/LORA混合組網(wǎng)方式的電纜隧道工井水位在線監(jiān)測和主動排水系統(tǒng)

嚴有祥 林智雄 陳鴻 陳偉 王俊葳 曾麟

摘要：當前國內(nèi)外針對地下電纜隧道水位在線實時監(jiān)測、反饋并主動排水的解決通信和能源難題的研究相對較少，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)普及應(yīng)用下，為隧道水位監(jiān)測工作提供新的技術(shù)支撐，使監(jiān)測技術(shù)得到優(yōu)化創(chuàng)新。在此背景下，將物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算技術(shù)等引入電纜隧道水位監(jiān)測與排水研究中，可使現(xiàn)存的積水問題得到良好解決。對此，本文針對電纜隧道中積水問題設(shè)計水位在線監(jiān)測與主動排水系統(tǒng)，對該系統(tǒng)的構(gòu)成進行分析，并闡述系統(tǒng)的主要功能、數(shù)據(jù)傳輸與多源無線組網(wǎng)、單元實現(xiàn)等內(nèi)容。力求通過本文研究，使電纜隧道中的水位情況能夠得到實時準確的監(jiān)測，避免嚴重的電纜安全事故發(fā)生，保障用戶與從業(yè)者的生命財產(chǎn)安全。

關(guān)鍵詞：電纜隧道工井水位;在線監(jiān)測;主動排水;混合組網(wǎng)

引言：當前城市化建設(shè)如火如荼，人們生產(chǎn)生活用電需求增加，對電網(wǎng)設(shè)施建設(shè)提出更高要求，加上地下電纜建設(shè)與投運規(guī)模逐漸擴大，對電纜安全運行、水位在線監(jiān)測等要求也逐漸提升。在此背景下，應(yīng)將物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算技術(shù)等引入其中，對電纜隧道水位進行科學監(jiān)管，并針對混合組網(wǎng)電纜隧道創(chuàng)建一套水位在線監(jiān)測與自動排水系統(tǒng)，可在超水位線時向責任人及時預警，同時現(xiàn)場自動排水，使積水問題得到及時和有效的解決。

一、在線監(jiān)測與主動排水現(xiàn)狀與最優(yōu)方案確定

在社會生產(chǎn)生活中，電力作為基礎(chǔ)設(shè)施與能源，在國民經(jīng)濟發(fā)展中具有不可替代的位置。當前城市化進程不斷深入，用電需求量也隨之增加。電力電纜作為電網(wǎng)設(shè)施之一，在電網(wǎng)設(shè)施建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。在地下電纜建設(shè)與投運規(guī)模日益擴大的基礎(chǔ)上，對電纜安全運行提出更高要求。雖然在電纜隧道敷設(shè)中做了防水、排水等處理，避免電纜長期浸泡在水中，使電纜接頭與水接觸發(fā)生安全事故。但在實際應(yīng)用中，仍然因結(jié)構(gòu)滲漏水、敞口雨水等因素影響，使隧道積水情況時有發(fā)生，在線監(jiān)測與主動排水現(xiàn)狀不夠樂觀。如若積水未能及時排除，很容易淹沒電纜，對電纜巡檢與維修工作帶來較大不便，甚至引發(fā)嚴重的電纜安全事故，影響人員安全與各項工作的順利開展。據(jù)調(diào)查，廈門地區(qū)地下水位較高，個別電纜隧道、接頭位置很容易出現(xiàn)積水情況，對電纜本體、排水設(shè)施等構(gòu)成較大威脅[1]。當前，電纜井與隧道積水以人工巡視為主，無法及時發(fā)覺積水情況，需要設(shè)置水位在線監(jiān)測裝置，從而實時掌握隧道低洼地區(qū)積水情況，并在積水上升到指定位置時及時發(fā)出報警。在此背景下，物聯(lián)網(wǎng)與邊緣計算技術(shù)應(yīng)運而生，成為該項問題最佳解決措施，可借助物聯(lián)網(wǎng)與邊緣計算技術(shù)，對隧道水位進行有效監(jiān)管，并與實際情況相結(jié)合，創(chuàng)建數(shù)據(jù)采集語境系統(tǒng)，在隧道地理空間基礎(chǔ)上進行定位導航，使隧道安全運維手段更加完善，全面提高隧道管理水平。

當前國內(nèi)外重點對電纜層、隧道水位監(jiān)測、自動排水原理進行研究，將其分為浮力法、浮力磁力法、浮力重力法等，將信號傳輸分成直流信號、交流信號、無線信號三種。其中，浮力法的原理是利用浮體監(jiān)測水位，使浮體連桿作用到開關(guān)上，采集水位信號;重力法原理在于利用浮體監(jiān)測水位，借助滑輪鋼絲繩牽動重陀，將其作用到微動開關(guān)上，由此采集隧道內(nèi)的水位信息;磁力法是借助浮體監(jiān)測水位，將磁鐵安裝到浮體上，二者共同作用于干簧管，由此采集水位信號;還對傳感器電路法進行研究，即利用傳感器監(jiān)測水位，將水位信息傳遞到電路內(nèi)，由電路做出相應(yīng)反應(yīng)，進而獲得隧道內(nèi)水位信號。每種信號傳輸方式都有各自的優(yōu)缺點，方案對比如下表1所示。通過歸類對比分析，堅持高可靠性原則，將系統(tǒng)設(shè)計成兩個獨立部分，即用傳感器電路法進行自動排水控制，與220V低壓交流電系統(tǒng)相連接進行控制，采用非接觸式傳感進行水位告警信號傳輸，將信號接入4G無線通信網(wǎng)，實時傳送給責任人[2]。

二、在線監(jiān)測與主動排水系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

（一）系統(tǒng)構(gòu)成

當前自動化水平逐漸提升，電纜隧道敷設(shè)方式成為潮流趨勢，可使電纜實際載流量得以提升，運行壽命得以延長。隨著電纜隧道規(guī)模逐漸擴大，許多隧道穿過含水量較多的地層，地表水順著覆蓋層縫隙、孔洞等滲透到隧道之中，加上排水設(shè)施不夠完善，很容易導致隧道內(nèi)部積水，使電纜長期浸泡在水中，中間接頭受潮，形成水樹枝放電，造成電纜故障等安全事故。本文聯(lián)合應(yīng)用了4G傳輸技術(shù)以及近年來新興的LORA網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，設(shè)計了電纜隧道工井水位在線監(jiān)測和主動排水系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括三項內(nèi)容，即水位傳感監(jiān)測、管理系統(tǒng)、邊緣計算控制器系統(tǒng)。

1.水位傳感監(jiān)測。該設(shè)備的作用在于井下水位監(jiān)測，依靠非接觸式電容監(jiān)測技術(shù)，可對積水情況定性測量;水位傳感器可順著電纜隧道設(shè)置在凹陷區(qū)域，為隧道內(nèi)全部水位情況獲取提供便利，且內(nèi)部設(shè)置鋰電池，無需外界電源供應(yīng)，且安全可靠;

2.管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)作用在于井下水位動態(tài)的實時監(jiān)測;由專業(yè)管理者對整個系統(tǒng)用戶進行管理，并根據(jù)用戶角色不同設(shè)置相應(yīng)的使用權(quán)限，提供實時告警、水位監(jiān)測、歷史監(jiān)測、排水設(shè)施工況監(jiān)測登功能，用戶在登錄系統(tǒng)后可使用自身權(quán)限對應(yīng)的功能，還可自由查詢和修改基本信息;

3.邊緣計算控制器安裝到隧道的水泵控制箱或通風井位置，有助于直接對接排水設(shè)施和連接內(nèi)部LORA信號與外部4G信號進行信息傳輸。邊緣計算控制器作用在于現(xiàn)場水泵聯(lián)動與預警分析，在靠近數(shù)據(jù)源頭的一側(cè)，利用網(wǎng)絡(luò)、計算與應(yīng)用能力為一體的開放平臺，提供最近端服務(wù)，系統(tǒng)框架如圖1所示。

（二）技術(shù)機理

該系統(tǒng)的液位傳感器利用不同介質(zhì)中電容變化原理，對水位進行監(jiān)測。采用擬合差分邊緣計算技術(shù)，可有效避免因介質(zhì)不同導致水位失準的情況發(fā)生，且由鋰電池供電，無需充電，安裝簡便，最低可使用5年，且支持多種環(huán)境應(yīng)用。通過液位監(jiān)測標簽可收集實時監(jiān)控信息，結(jié)合隧道現(xiàn)場需求，可采用LORA/2.4G/NB-loT/4G等多樣化通信方式。在通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋過程中，可借助運營商NB/GPRS/4G網(wǎng)絡(luò)，當無法接收運營商信號時，可利用自建LORA基站進行一對多組網(wǎng)通信，可將1000m范圍內(nèi)的信號傳輸給監(jiān)測主站，實現(xiàn)預警信息傳遞、告警等功能。同時，利用云計算分析物聯(lián)網(wǎng)實時信息，對監(jiān)測點液位變動情況進行預判，為隧道積水監(jiān)控提供全面的數(shù)據(jù)支持[3]。

（三）主要功能

該系統(tǒng)的整體功能如圖2所示。主要包括基礎(chǔ)管理、監(jiān)測及邊緣計算、業(yè)務(wù)管理等內(nèi)容。整體功能如下。

1.傳感設(shè)備管理。主要作用是管理設(shè)置在井下的傳感器，重點管理設(shè)備名稱、位置等信息;

2.GIS地圖。在GIS地圖中可實時獲取監(jiān)測點位置信息、狀態(tài)信息、告警等，還可通過文本形式獲得水位信息、告警狀態(tài)以及歷史記錄等相關(guān)信息;

3.數(shù)據(jù)統(tǒng)計與管理。在數(shù)據(jù)統(tǒng)計方面，該系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)備名稱、位置以及告警信息等進行報表查詢，并通過圖文方式呈現(xiàn)出來。可對實時上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行管理、查詢。在數(shù)據(jù)管理中，可將井下水位超過告警模型時的預警情況記錄下來，并由系統(tǒng)自動發(fā)送信息給值班人員;

4.微信小程序。在小程序中用戶可查看GIS地圖，接收定位與告警信息，享受導航定位服務(wù)等，系統(tǒng)管理人員可實時了解井下水位變化情況，便于及時處理異常問題，避免積水和安全事故發(fā)生[4]。

（四）軟件開發(fā)

邊緣計算控制器程序啟動會等待監(jiān)測點信號，邊緣計算控制器的控制指令分為啟動、數(shù)據(jù)采集、關(guān)閉三種。在監(jiān)測點信號獲取后，進行模型分析，并根據(jù)結(jié)果判斷是否發(fā)送啟動指令后，系統(tǒng)會向水泵發(fā)布命令，并將A/D轉(zhuǎn)換后的電流互感器信息上傳;在接收數(shù)據(jù)采集指令后，系統(tǒng)會自動上傳水位傳感器信息;在接收關(guān)閉指令后，可向水泵發(fā)出控制命令。將P0口與撥碼開關(guān)相連，撥碼開關(guān)數(shù)據(jù)即變送器地址。監(jiān)控軟件依靠人機界面使值班人員能夠迅速準確的把握隧道中各水位監(jiān)測點的運行數(shù)據(jù)和水泵動作信息，對隧道水患預防運行狀態(tài)進行靈活控制與調(diào)節(jié)，軟件開發(fā)可實現(xiàn)以下功能。

1.水位監(jiān)測功能。系統(tǒng)可對隧道中積水深度進行實時監(jiān)測，一旦水位超過某個指標，便會發(fā)出警報，并同時發(fā)出水泵啟動信號[5];

2.日常采集功能。在日常運行中，通過周期采集與水位變化情況分析，將相關(guān)水位信息進行采集和展示，并實時與客戶端聯(lián)動，用戶可對歷史數(shù)據(jù)進行查詢，如電子地圖、表格界面等。在表格界面中包括數(shù)據(jù)類、報警類、故障類等多種形式，可將每日水位情況進行排列，單機表格中任意一點，可彈出測點數(shù)據(jù)窗口，對其詳細查詢和設(shè)置，便可直觀形象的看到報警與故障情況，還可通過圖表形式將水位信息表格內(nèi)容展現(xiàn)出來;

（五）硬件支撐

該系統(tǒng)以AT89S52單片機為核心，由RS485接口電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、看門狗以及電流互感器等內(nèi)容構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。控制器利用水位傳感器信號進行水位監(jiān)測，通過指令設(shè)定水泵控制器參數(shù)。一旦隧道中水位變動大于設(shè)定值，邊緣計算控制器可向控制器發(fā)出啟動指令。利用A/D轉(zhuǎn)換電路將水泵三相電源、電流值轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，傳遞到單片機內(nèi)，完成水泵狀態(tài)檢測目標。在系統(tǒng)運行期間，水泵控制器通過電流互感器檢測水泵運行電流，對水泵狀態(tài)進行判斷。當水泵發(fā)生故障時，對其發(fā)布停止工作的指令，并向監(jiān)控站發(fā)送故障信號。

該系統(tǒng)中水位傳感器選用非接觸式電容式，將其設(shè)置在隧道內(nèi)水位最低點。該設(shè)備兩側(cè)由完全封閉的筒體構(gòu)成，內(nèi)部設(shè)置有非接觸式電容傳感器和控制電路，可根據(jù)非接觸式電容傳感器的電容變化值分別獲取預警水位、報警水位、高/低水位，如圖4所示[6]。

傳感器一側(cè)利用螺塞設(shè)置在固定裝置上，當隧道內(nèi)水位發(fā)生改變時，因不同水位接觸的電容量有所區(qū)別，導致傳感器開閉回路數(shù)量不盡相同。以水位傳感器開關(guān)回路數(shù)值為參考，對水位高度進行判斷。該傳感器的技術(shù)原理在于水的導電性，傳感器整體設(shè)計按照工業(yè)類產(chǎn)品，在-20—70℃環(huán)境下運行，與隧道內(nèi)溫度情況相適宜。該設(shè)備選用ABS材料，抗腐蝕性較強，且螺塞、絕緣套以及本體等部件相互配合，形成柱形結(jié)構(gòu)，具有質(zhì)量佳、結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長等特點。

（六）程序?qū)崿F(xiàn)

1.感應(yīng)式水位采集器。為滿足高可靠性、低成本、長壽命的要求，采用基于感應(yīng)原理的傳感器作為基礎(chǔ)單元。該采集器主要采用電容變化原理實現(xiàn)水位檢測，無機械結(jié)構(gòu)、無需與水直接接觸，采用全密閉方式安裝。此種開關(guān)優(yōu)勢在于密封良好，電氣與外部絕緣，不會受到液體侵蝕。在水位點測量中，將多個感應(yīng)式水位采集器安裝在不同水位監(jiān)測點上，更可形成互為備份和校驗的水位傳感器矩陣，更加可靠穩(wěn)定了解隧道中積水情況。

2.邊緣計算控制器。該設(shè)備可對水位傳感器狀態(tài)進行實時監(jiān)測，將其變?yōu)楸O(jiān)測點水位值后，依靠本地計算進行水泵控制，再利用內(nèi)部邏輯計算，得出水泵當前狀態(tài)。一旦發(fā)生異常情況，及時發(fā)布告警信息，避免出現(xiàn)較大安全事故;在監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計中，有關(guān)人員將邊緣計算控制器、水位傳感器結(jié)合起來，形成一個工作單元，并與系統(tǒng)后臺之間進行數(shù)據(jù)傳輸，提高了水位監(jiān)測的可靠性。在實際控制中，邊緣計算控制器的主要作用是監(jiān)控水位傳感器工作狀態(tài)。同時，系統(tǒng)支持內(nèi)部邏輯運算，可對水泵進行監(jiān)測，當出現(xiàn)異常后，能夠在第一時間發(fā)出警報信息，防止出現(xiàn)二次風險[7]。數(shù)據(jù)傳輸采用了LORA自組網(wǎng)和4G混合組網(wǎng)技術(shù)，相關(guān)方式具有成本低、技術(shù)成熟，在使用過程中不產(chǎn)生其他費用。此外，混合組網(wǎng)技術(shù)也能夠?qū)νㄐ胚M行全覆蓋，可做到根據(jù)實際工作環(huán)境，對不同的傳輸方式進行選擇，極大提高了在線監(jiān)測和主動排水系統(tǒng)的性能，為電纜隧道積水監(jiān)控提供了技術(shù)保障。

三、在線監(jiān)測與主動排水系統(tǒng)在線安裝問題與解決措施

（一）安裝問題

該系統(tǒng)安裝之前，應(yīng)在測量水位的隧道合適位置采用膨脹螺栓將固定卡口固定，再將感應(yīng)式水位采集器固定在卡口上，感應(yīng)式水位采集器位置以水位標示線對準水位線為準。感應(yīng)式水位采集器是根據(jù)不同介質(zhì)中電容發(fā)生改變的原理進行水位監(jiān)測，由鋰電池供電，裝置安裝便利，使用壽命長，且能夠采用LORA自組網(wǎng)技術(shù)將自身采集的信號向外傳送，可在水下5m內(nèi)正常運行。本系統(tǒng)引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，感應(yīng)式水位采集器與邊緣計算控制器無需有線連接且可以根據(jù)實際需要進行一對一、一對多多種部署方式，在現(xiàn)場安裝時如何完成設(shè)備自動組網(wǎng)，需要一個簡單有效的方法。

（二）解決措施

針對上述問題，系統(tǒng)設(shè)計了對碼按鈕，在現(xiàn)場安裝完成后，可通過對碼按鈕按下開始現(xiàn)場自組網(wǎng)檢測，如邊緣計算控制器檢測到附近的感應(yīng)式水位采集器信號，將會進行展示并等待確認，確認后，即完成自組網(wǎng)。

在感應(yīng)式水位采集器安裝完畢后，對于水位低于正常測量值的情況，自動進入低功耗非警戒狀態(tài)下運行，減少設(shè)備損耗。例如，當實際水位沒有達到正常水位值，或者雖然有所提升但仍未達到設(shè)置值時，自動進入低功耗非警戒狀態(tài);如若遇到連續(xù)降雨天氣，當隧道水位達到最高警戒值時，感應(yīng)式水位采集器自動進入偵測模式，發(fā)出報警，直至水位低于警戒值，如若隧道水位仍然處于警戒值，則一直處于偵測模式，直至水位恢復到警戒線下方位置。

（三）系統(tǒng)試運行

該系統(tǒng)采用4G技術(shù)與LORA組網(wǎng)相結(jié)合的方式，后者擁有終端模塊成本低，且無其他日常費用等優(yōu)勢。現(xiàn)場設(shè)備與后臺系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)可利用4G/NB-IOT通信，十分成熟可靠，覆蓋面積較大，可根據(jù)實際傳輸需求靈活調(diào)整。在該系統(tǒng)運行中，水位采集器可將所處位置的水位值實時傳遞給控制器中，由控制器將組內(nèi)全部水位值打包后，集中傳遞到后臺系統(tǒng)，并將電源狀態(tài)、水泵狀態(tài)等信息一同上傳。后臺在接收到無線指令后，可完成水位信息展示、告警、水泵工況監(jiān)測等。

該系統(tǒng)在廈門供電公司電纜中心安裝上線以來，運行狀態(tài)良好，實際解決了電纜隧道長期困擾的水患監(jiān)測難題。取得的成效包括以下：

1.完成對現(xiàn)有的排水設(shè)施供電情況、水泵故障的實時監(jiān)測、解決了現(xiàn)場因電源故障、水泵故障帶來的水患二次災害;

2.實現(xiàn)了對于現(xiàn)場水位的實時監(jiān)測、超限水位的告警，為水患災害的及時響應(yīng)提供了有效準確的數(shù)據(jù)支撐，大大降低了一線作業(yè)人員的巡檢壓力，提升了電纜中心對于水患災害的預防和處置能力;

結(jié)論：綜上所述，當前城市電纜地下建設(shè)范圍逐漸擴大，電纜隧道的積水問題很容易引發(fā)安全事故，威脅人員生命安全。對此，在結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)支持下設(shè)計的水位在線監(jiān)測與主動排水系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)的應(yīng)用，當水位超過限定值時能夠自動排水，在必要的情況下人工輔助排水，使電纜隧道中長期積水問題得到妥善解決，充分保障了電纜安全與用戶用電需求，大力推動電纜建設(shè)工作順利高效開展。

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