公路隧道施工通風監控系統方案探析

張晨陽

（山西路橋建設集團有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

據統計，我國高速公路隧道有1.91萬座，其中，特長隧道1 175座，總公里數達到521.75萬m；長隧道4 784座，總公里數達到826.3萬m，每年新增里程超過1 100 km[1]。按照我國公路建設規劃，未來公路隧道數量仍將大幅增加，穩居世界公路隧道規模、長度、難度之首[2]。目前，對于公路隧道的監控管理主要集中于運營階段，旨在便利公眾出行[3]，而在施工過程中監控系統運用較少。為了智能化監管公路隧道施工過程氣體濃度，保證隧道充足通風，確保施工人員安全，及時處理故障隱患，在公路隧道施工過程中，增加通風監控系統十分必要。此外，隧道施工數據的采集與處理關系后續隧道安全運營，在實現隧道的智慧施工中發揮重要作用。因此，系統化、合理化、有效化的監控數據采集方案，對設計隧道施工通風監控系統至關重要。

近年來，數據分析及計算機技術被廣泛引用到隧道領域，通過“智慧交通”“智慧工程”保證隧道建設的安全質量[4]，實現降本增效。公路隧道施工通風監控系統將采集數據與智能監管聯系起來，由預設在隧道固定位置的傳感器收集指標參數，并將指標數據傳輸至工業控制計算機，由專人對指標數據庫進行管理，定期監控，并按周期出具監控報告，及時排查安全隱患。安全質量監管部門在監督時，可接到實時預警，或針對特定指標進行專項查看，系統根據監控需求生成直觀圖表，便于統計分析。

該研究基于物聯網設計了適用于企業管控的隧道施工通風監測及控制系統。該系統可實時收集指標數據，也可及時調整施工運行狀態，為隧道施工管理提供決策[5]。

1 系統設計

基于物聯網的隧道施工通風安全監控系統用戶通過登錄計算機進行操作，由總控制系統和分散在隧道中的總線式采集數據接口連接。總線式數據采集通過線纜傳輸，將接收到的數字信號通過光端機主線之間的接口傳輸到控制系統。

為保證施工安全監測要求，在隧道內安設一氧化碳傳感器、氧氣傳感器、二氧化碳傳感器、溫度傳感器、風速傳感器、粉塵傳感器、開停傳感器等，實時獲取正在施工的隧道內一氧化碳濃度、二氧化碳、氧氣含量、環境溫度、通風風速風量、掌子面空氣中粉塵含量等參數[6-8]，并將數據信息通過分站采集傳送至監控室工業計算機系統軟件進行分析處理。其中，有毒、有害氣體一旦超限可自動語音報警，同時通過設備開停傳感器對通風機實時監測工作狀態，當有害氣體濃度超過設定的斷電值以及通風機在停的狀態時，饋電斷電器對被控設備執行自動斷電，確保系統可對隧道情況進行24 h實時監控。

圖1 監控系統構架圖

圖2 監控系統運行機制

2 系統模塊介紹

公路隧道施工通風監控系統分為7個功能模塊，分別為數據收集、數據傳輸、數據處理、數據分析、數據可視化、數據預警、執行命令模塊。具體如圖3所示。

圖3 公路隧道施工通風監控模塊

各模塊功能主要為：

a）數據收集 在隧道施工過程中，實時對隧道內一氧化碳、二氧化碳、粉塵、氧氣含量等數據進行收集。

b）數據傳輸 通過隧道安裝的傳感器將采集的數據傳輸至系統軟件。

c）數據處理 監控室工業計算機安全監控軟件對收集的數據進行處理，清洗臟數據，實現數據的歸一化與可解讀化。

d）數據分析 對清洗過的數據與標準數據值進行比較，判別關鍵指標及數值范圍。

e）數據可視化 系統通過大屏實時顯示隧道施工中關鍵數據指標。

f）數據預警 以隧道施工過程中有毒、有害氣體指標數據為標準，將數據分析、智能感知等前沿技術應用到監控體系，提升施工過程中安全問題的主動性，一旦濃度等數據超出標準范圍將實現自動語音預警功能，實現智能隧道監控。

g）執行命令 監控室工業計算機安全監測數據，實現分級預警應對，當有毒、有害氣體濃度超過設定的斷電值以及通風機在停的狀態，立即啟動應急預案，進行應急指揮，饋電斷電器對被控設備執行自動斷電處置，為快速科學決策提供依據。

3 系統配套設備要求

為保證公路隧道施工通風監控系統正常運轉，需要配備符合要求的監控設備。主要設備參數如表1。

表1 系統配套設備要求

4 系統功能及意義

公路隧道施工通風監控系統以物聯網感知、數據分析為主要技術手段，將隧道施工過程中實時監測、數據預警、命令執行等業務匯集一體，建立系統權限管理，互聯互通施工全過程數據信息，有助于業務管理，達到健全業務、協同指揮的體系化建設。通過系統，實現整合隧道施工安全跟蹤處理目標，將各個模塊集成，實現降本增效，有利于深化施工過程中安全管控，發揮企業管理的主動性，提高業務實時性，加強應急處置能力，有效防范隧道安全風險。

系統作為有效的監測手段，大大彌補實際工作中人力不足，監控不到位等問題，實現了超限指標預警化、監控數據檔案化、故障檢測自動化、設備維護可追溯的內控管理手段。

a）超限指標預警化 實時查看監控系統的報警信息，及時對報警、故障設備進行問題查明，并有效解決。每日打印日報表，每月打印月報表進行存檔管理。

b）監控數據檔案化 監測數據以日報、周報、月報、年報等形式自動電子化存檔。

c）故障檢測自動化 對監控系統及設備的運行情況進行監控，分析運行情況，實時檢測所有可能影響監控網絡設備的外來網絡攻擊，實時監控各服務器運行狀態、流量及入侵監控等。對異常情況進行核查，并進行相關的處理。每月檢測其各項技術參數及監控系統傳輸線路質量，處理故障隱患，協助監控主管設定使用級別等各種數據，確保各部分設備各項功能良好，能夠正常運行。如：網絡設備、服務器系統、監控終端及各種終端外設。

d）設備維護可追溯 對容易老化的系統設備部件每月一次進行全面檢查，一旦發現老化現象應及時更換、維修，如風扇、裸露在外部的網線及電源線等。每半月對一氧化碳傳感器、氧氣傳感器、二氧化碳傳感器、粉塵傳感器、風速傳感器等進行校驗檢驗并粘貼合格證，每半月對系統斷電功能進行測試并記錄測試結果。每月第一個工作日，將上月搶修、維修、維護、保養記錄表以電子文檔的形式報送項目維修中心。

實際應用后，對系統七大功能模塊進行了測試，同時對系統的可操作性、結果可靠性、信息維護及處理、安全管控等進行了綜合評估。

測試及評估結果顯示系統的功能優于預期設計，系統運行平穩，操作便捷，密保等級符合要求，滿足了隧道安全監控的管理需求，達到預警效果，有助于應急處置，符合系統構建初衷。

5 結語

公路行業的快速發展，要求建設施工運營過程中的智能化、集成化、數據化配套提高，將傳統的管控提升為智能化綜合的監控模式，充分利用物聯網等前沿技術，實現管理統一化、規范化，這是現在公路隧道安全監管部門的必經之路。

隧道施工通風監控系統作為“智慧”的信息化監管工具，有效解決了傳統監管的瓶頸，提供良好的交互體驗，實際應用中，通過傳感器實現數據收集，通過光纖實現數據傳輸，數據處理模塊完成清洗，預警超限指標，系統正確處理所有模塊命令，在工業計算機支持下，實現信息化管理。該系統的應用對今后施工過程中安全管控具有一定的借鑒意義。