電力隧道有限空間精益化管理技術研究

摘要：電力隧道及綜合管廊是電網建設的重要組成部分，隨著電力基礎設施投入的逐年增大，電力隧道、溝道的長度迅速增加。電力隧道及綜合管廊是地下有限空間，地下有限空間作業管理是目前安全管理的一個盲區，由于地下管道或者隧道不具備高質量的通信方式，導致有限空間內的作業看不到、聽不到，作業環境感知不清，因此無法對其作業進行精益化管理。按照作業安全的相關規定，需要加強有限空間作業安全管理，落實企業安全生產主體責任，預防、控制中毒窒息事故發生，對此文章提出了有限空間作業精細化管理解決方案。

關鍵詞：電力隧道；有限空間；精益化管理；無線網絡

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.05.009

中圖分類號：TM 75" " " " " " " "文獻標示碼：A" " " " " " " "文章編碼：1672-7274（2023）05-00-03

Abstract： Power tunnels and integrated pipe corridors are important components of power grid construction. With the increasing investment in power infrastructure， the length of power tunnels and trenches has increased rapidly. Power tunnels and comprehensive pipe corridors are underground confined spaces， and the management of operations in underground confined spaces is currently a blind spot in safety management. Due to the lack of high-quality communication methods for underground pipelines or tunnels， operations in confined spaces cannot be seen or heard， and the operating environment is not clearly understood， so it is impossible to conduct lean management of their operations. According to the relevant regulations on work safety， it is necessary to strengthen the safety management of confined space operations， implement the main responsibilities of enterprise safety production， and prevent and control the occurrence of poisoning and suffocation accidents. This article proposes a refined management solution for confined space operations.

Key words： power tunnel; limited space; lean management; wireless network

在綜合管廊及隧道工程施工中，為了確保施工安全，施工方需要將管廊內的施工情況以視頻的方式實時傳輸至隧道外的指揮中心。通過無線網絡覆蓋方式，接入移動終端，移動終端可以通過無線信號將視頻和管廊內的數據傳回中心，保證管廊內的情況實時傳輸，確保獲取一手數據。

本文所介紹項目需要解決兩個問題：一是如何構建高帶寬的便攜式無線網絡，解決地下管道或者隧道無電源、不具備高質量的通信方式、導致有限空間內的作業看不到、聽不到，作業環境感知不清的問題；二是要開發集成多種感知設備于一體的安全管理終端裝置，以構建網絡的信息傳輸通道，解決對隧道內人員的安全監管，如氣體檢測、血氧檢測、人員跌落、撞擊和靜默報警以及人員與后臺的語音、視頻交互等問題。因此，項目的開發主要包括兩部分：一是構建便攜式可移動的無線網絡；二是采用安全管理裝置的終端設備，對人員進行安全監控。

1" 設計原則和技術需求

本項目依據國網北京電力公司電安〔2018〕58號《國網北京市電力公司有限空間作業安全工作規定》的通知要求開展。

1.1 遵循標準

無線局域網采用的技術支持應為國際標準或業界標準，不使用某個廠商的專用技術和協議，以保證網絡設備的兼容性，有利于網絡的運行維護。

遵循IEEE 802.11及IEEE 802.11后續標準，使網絡在兼容性、安全性等方面得到更好的保證。IEEE 802.11標準包含了有關無線局域網射頻頻段、調制技術、安全性、兼容性、速率等各方面標準，為無線局域網建設提供最基本依據[1]。

1.2 可擴展可升級

通過一個集中的無線局域網網管軟件平臺實現對所有的AP功能的配置和管理，AP在提供無線接入的同時，也可進行無線入侵監控、無線電波傳輸分析。同時整個系統可以根據用戶的需要進行規模上的擴展，擴展后所有功能和管理的模式保持不變。

1.3 易管理易維護

（1）無線網絡的便宜管理。

（2）系統后臺和設備易管理和維護特性。

1.4 經濟實用

充分考慮目前的應用需求，設計既能夠滿足目前的應用需求又能支持未來應用需求升級的系統方案，同時又要保證提供服務時的經濟性。在滿足系統功能要求的前提下，盡量降低建設成本，考慮今后升級時設備的可持續使用，節約成本[2]。

1.5 技術需求

根據隧道無線傳輸系統建設要求，無線局域網系統建設原則如下。

（1）使用高寬帶的傳輸，保證視頻的傳輸流暢度。

（2）全程鏈路加密，防止入侵人員非法操作使用。

（3）無線局域網系統要能方便和靈活地調整與擴充。

（4）安全管理裝置終端采用2.4 GHz接入設備構建的無線網絡。

（5）后臺應便于操作，能夠以網頁版、手機App版等各種方式進行實時交互。

2" 用戶需求

在全長2000 m的隧道內進行無線覆蓋，用戶通過安全管理終端裝置連接Wi-Fi信號，將移動終端獲取到的視頻和數據以及其他信息通過無線網絡回傳到監控中心，保證與監控中心聯絡暢通，便于實時監管，同時結合北京關于有限作業空間安全保障措施，保證進入隧道人員和隧道施工人員的安全。

3" 系統整體設計

系統整體設計主要包括兩部分：一是有限作業空間無線網絡的構建，二是研發安全管理終端和系統。

無線網絡覆蓋應充分結合現場需求，采用一體化設計，集供電電源、支架、無線AP和天線于一體，方便移動和隨時構建。安全管理裝置終端集定位、光感應器、血氧檢測、氣體檢測、通信模塊于一體，并通過研發的后臺，以無線網絡為通道開展對人員的安全監管、視頻和語音交互等功能，實現有限空間的安全監測[3]。

3.1 無線網絡構建

3.1.1 無線網絡設計原理圖

圖1是管廊無線移動漫游覆蓋局域網結構原理圖。

3.1.2 無線方案設計

無線方案設計的要求和原則如下。

（1）在覆蓋區域內，保證工作人員能夠順暢連接到無線基站上。

（2）在覆蓋區域內，工作人員在移動過程中，信號切換及網絡訪問要做到無感知。

（3）在覆蓋區域內，能夠保障視頻及其他通信數據快速流暢地進行傳輸。

（4）所有傳輸數據最后通過4G路由器傳送到公網上。

（5）覆蓋基站需要采用可移動基站，自帶移動供電電源，根據工程需要進行基站點位調整。

（6）整體無線網絡最后測試信號應在-75 dBm。

經過勘查，管廊長約2000 m，寬約2 m，高度2.4 m，距離地面10 m。在管廊中大約150 m有一口豎井通向地面。管廊中的工作人員頭戴移動終端，移動終端的無線頻率為2.4 GHz。最終效果是將移動工作人員頭盔采集到的數據傳回控制中心。

3.1.3 整體方案設計

根據我們對管廊的現場結構情況和客戶具體需求的了解，按照每臺基站設備在管廊中有效覆蓋距離為80 m進行設計。具體如下：管廊中每150 m有一口豎井通向地面，我們采用4臺移動基站，使其有效覆蓋范圍達到300 m，以確保數據能夠及時傳到地面的4G路由器。我們將4臺移動基站分別標識為B1、B2、B3和B4，由于基站可移動，所以我們將管廊2 000 m分段進行覆蓋，以300 m距離為一個覆蓋小區域，下一個300 m，將基站進行前移即可。下面以300 m小區域覆蓋為例進行方案說明。

首先，4臺無線移動基站需要按標識順序進行排序架設，B1放置在第一個通向地面的豎井處向前覆蓋，B2在B1前方80 m處，繼續向前覆蓋，B3放置在第二個通向地面的豎井處向前覆蓋，B4在B3前方80 m處，繼續向前覆蓋，使4臺基站對300 m區域達到全覆蓋效果。

其次，4臺移動基站通過無線橋接的模式進行連接通信，工作人員在300 m覆蓋區域內，連接任何基站都可在4臺基站中進行數據交互。

最后，在B1基站所在豎井的地面處放置一臺4G路由器，將B1基站和4G路由器采用有線的方式進行連接。管廊中工作人員采集的數據，可通過B1基站與4G路由器的交互，傳輸到公網。

3.1.4 網絡結構設計圖

3.2 安全管理裝置及運維系統

安全管理裝置及運維系統主要包括終端和系統后臺。以在有限空間構建的無線Wi-Fi網絡為信息的傳輸通道，安全管理裝置終端連接到2.4 GHz的無線網絡上與后臺進行交互。

總體思路：研究集成陀螺儀傳感器、攝像、GPS、Wi-Fi/4G、血氧檢測和四合一氣體檢測儀等智能化的安全管理運維終端；安全管理運維終端，通過物聯網、數據分析等技術，研究智能化運維平臺云架構，實現數據采集和存儲、系統資源管理，告警管理、安全終端管理、運維過程監控、遠程協作、人員定位、靜默、跌落等告警，實現平臺的巡視、檢修、故障處理、安全監管等；現場與監控中心的交互需要考慮網絡傳輸，目前的傳輸主要采用Wi-Fi或4G的方式實現。

（1）安全管理終端主要以安全帽為載體，加配各種物聯網傳感設備等構成。核心部件包括主機電路板、電路板、電池、攝像頭、光感傳感器、血氧傳感器（選配）和主板連接線，通信接口支持Wi-Fi和4G兩種通信方式，可實現語音對講、手電照明、定位、靜電感應，健康檢測并集成四合一氣體檢測儀，更注重人性化、舒適度和輕便性。

（2）遠程協助系統：基于云平臺的方式，通過安全管理終端訪問云服務器，實現現場與后臺的交換，可實現遠程對有限作業空間施工人員安全監管、精細化管理和一個專家多地同時指導及故障診斷，提高了效率。

4" 項目亮點

（1）便攜式一體化設計無線AP覆蓋，解決了無線設備的安裝、供電等問題，方便根據現場環境調整和部署。

（2）安全管理裝置及運維系統實現了有限作業空間的安全監管，包括有限作業空間的血樣檢測、有限作業空間的氣體檢測、通過電子圍欄實現作業區域禁出和禁入，實現人員監管和定位、軌跡回放、跌落、靜默、精電等情況的報警。

（3）音視頻實時交互、一鍵報警，實現了精細化管理，實現工作可追溯、可評價遠程診斷和指導。

5" 應用前景

第一，符合北京市關于有限作業空間安全工作的規定，能夠實時監控有限地下空間作業人員的狀態。可應用于智能化運檢，采用移動運檢理念，實時推送數據分析結果，提升智能化水平。第二，本項目可實現遠程故障診斷、遠程專家指導和處理。第三，本系統可拓展應用于發、輸、變、配、用等現場設備巡檢的智能運檢，實現人員安全定位、安全監管、工作（含隱蔽工程）可查、可管、可控。

參考文獻

[1] 王孔耀．淺析電力工程精益化建設[J]．電力系統裝備，2020（1）：134-136.

[2] 譚云．隧道無線公網覆蓋電力工程方案淺析[J]．世界軌道交通，2021（7）：60-61.

[3] 黃宏偉，張東明．長大隧道工程結構安全風險精細化感控研究進展[J]．中國公路學報，2020（12）：46-61.