长大隧道高位水池液位监控系统的设计与实现

杨晓珂，杨海峰，杜晓兵

0 引言

随着山区高速公路建设的发展以及通车里程的不断增加，长隧道及特长隧道不断增多，长大隧道的安全管理已成为运营管理的首要任务。国内外许多研究表明，隧道内一旦发生火灾，往往会造成严重的人员伤亡、巨大的经济损失和恶劣的社会影响，故长大隧道安全管理的最大威胁就是火灾事件［1-4］。对于设置有消火栓灭火系统的隧道，消防高位水池不仅对隧道内消防灭火提供水源保障，液位状态和蓄水量更是起到了对整个消防管网供给压力的作用;因此，消防高位水池液位的监控和管理对隧道消火栓系统的正常运行、隧道的行车安全和火灾事件的紧急救.极其重要［5-6］。

目前，中国高速公路隧道高位水池液位的监管普遍采用液位传感器回传液位数据和人工现场查看的方式［7-8］，根据隧道高位水池液位变化对水泵进行人工开启和关闭操作，一旦液位传感器或通讯线路发生故障，高位水池液位管理只能依靠人工巡查和现场处理，监管费时费力且无法得到实时保障。还有部分隧道在高位水池的消防泵房内设置水位控制柜，实现了本地消防水泵自动控制液位管理［9-10］，但尚未达到监控中心的远程控制管理，且未在监控中心建立针对高位水池液位数据采集、消防水泵联动控制的高位水池液位管理系统［11-12］。综上所述，根据隧道水消防安全管理现状，搭建隧道高位水池液位远程实时监测和水泵联动控制的管理系统已成为迫切需求。

1 系统功能需求分析

秦岭终南山公路隧道为双向四车道，单洞长度18.02 km，双洞全长36.04 km，设有监控中心1处，高位水池1个，两处相距约32 km。现有监控管理系统功能包含视频监控、交通控制、通信及紧急广播、环境采集通风控制和照明控制等。现有监控系统结构如图1所示，共分为三级，即隧道现场控制系统、监控中心计算机网络系统和计算机控制系统。监控中心计算机网络通过光缆数据通道与隧道现场PLC控制器连接，隧道现场PLC控制器再分别与环境检测器、交通信息采集设备、照明继电器、风机等设备相连。隧道现场PLC控制器对各系统设备状态及数据进行实时采集，通过工业以太网交换机和光缆回传至隧道监控中心监控管理系统，统一由监控中心的各个监控系统对各系统设备和数据进行实时监测、存储、决策以及远程控制［13］。

为充分利用现有隧道监控网络系统的资源和技术，减少系统二次开发浪费，可将消防高位水池液位监控系统作为隧道监控管理系统的一个组成部分。管理系统可实现的功能如下。

(1)能在监控中心实时存储、显示高位水池液位数据。

(2)能自动根据液位状态对水泵进行相应联动控制操作，也可以由管理人员手动远程控制水泵启闭，一旦液位过低则启动报警程序通知管理人员。

(3)可对各个设备的状态进行周期性采集、存储和提示。

(4)对高位水池内部和外场加装红外摄像机，通过视频监控系统同步传输水池内部和外场视频，即使液位数据传输故障，还可通过视频监控系统监测高位水池液位状态，有效加强监控系统的稳定性和可靠性。

2 系统设计

2.1 系统总体架构

图1 隧道监控系统结构

系统总体架构如图2所示，以数据为中心进行结构分层，共分为6层。各分层相对独立，耦合度小，利于扩展，子结构独立演化，为实现分布式数据采集提供了保证，通过替换通讯层，可实现策略、预案的模拟仿真。系统以数据为中心可发挥数据库效率高、支持并发操作的优势，降低分层间数据交互的复杂性;各种开发工具对数据库有着很好的支持，降低了开发难度;数据库产品的稳定性为监控软件的稳定提供保障;用数据库代替消息中间件，可使成本降低，各分层之间的数据交换异步化，进一步降低各分层之间的耦合度。

图2 系统总体架构

设备层包括液位探测仪、数字显示控制仪、水泵等高位水池现场安装的各类设备，是对外场设备进行数据采集和控制的模拟量采集模块、开关量输入输出模块以及PLC控制系统等;通信层收集各类数据(包括设备运行参数信息、设备运行状态及故障信息、从上下级监控系统获得的信息)，下发设备控制指令;存储层除了保存通信采集层的各类数据之外，还是各分层间的协作中枢，为各层的数据交换提供支持;数据处理层包括两大功能，一是通过对设备数据的综合分析，提供设备预警功能，二是通过预先设定的算法和控制策略实现对设备的自动控制;监控管理层提供可视化的设备控制和系统管理功能［14］。

2.2 系统设计原理

系统设计原理如图3所示，在高位水池现场增设液位仪测量高度，数字显示控制仪对采集到的液位模拟量信号进行现场数显，并对模拟量信号进行控制运算和线性矫正。数字显示控制仪输出接口连接至消防配电箱的PLC模拟量采集模块和PLC控制器，经过现场交换机接入隧道工业以太网，实现液位数据回传监控中心［15］。现场PLC控制器的开关量输入输出模块与水泵交流接触器连接，通过PLC控制器实现对水泵的自动控制和远程操作指令的发布。水池内部和水池外场的红外摄像机的视频图像通过光纤收发器传输至消防控制箱内的光交换机，接入视频监控系统环网，实现水池监控图像向监控中心的回传。监控中心监控管理机和服务器将液位数据和设备状态参数集中显示、分析和存储并进行控制，实现预期功能。

图3 系统设计原理

2.3 系统控制模式设计

根据隧道高位水池液位变化和设计容量的情况，制定系统液位控制策略为:高位水池液位警戒高度为1.5 m，当液位低于1.5 m系统自动开启主、副水泵模式并发出警报提示时，值机人员注意排查消防管道是否存在大面积渗液;当液位升高到2.5 m时，主泵关闭、副泵开启以维持水池液位稳定。控制阈值可根据实际情况在操作软件上进行更改。

系统控制模式分为本地人工控制、系统自动控制、监控中心管理员人工远程控制3种。控制流程如图4所示。本地控制是管理人员直接在高位水池配电控制柜内直接对水泵进行启闭操作，一般是在通讯数据故障及设备检修状况下进行。系统自动控制是监控管理软件根据实时采集到的液位有效数据和已设定的液位控制策略，向现场PLC控制模块发出相应模式的水泵控制命令，以实现高位水池液位自动化反馈调节和控制。如果监控中心值机人员在监控系统水池内外部的实时视频图像中发现有控制策略之外的异常事件，可直接在监控管理软件上对水泵状态进行控制［16］。

2.4 采集数据滤波处理

图4 系统控制流程

回传的实时液位数据需滤波处理，防止数据噪声触发控制操作，从而提高检测精度。由于液位数据变化是连续量，数据突变可能性较小，经对比研究发现，在监控软件设计中采取限幅平均滤波算法能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰［17-18］。在软件设计中，将监控软件采集周期设置为5 s，每次采样到新值时均需判断，对第n次采集到的数据An进行有效幅度判断:首先，剔除幅度之外的数据;其次，若本次采样值与历史采样平均值之差小于设定的最大采样偏离值，则本次采样值有效，并及时更新历史采样平均值;若本次采样值与历史采样平均值之差大于最大采样偏离值，则本次采样值无效，剔除此次采样值，并选取历史采样平均值作为本次采样值。所以，通过限幅滤波的采样最终输出值Mn为

式中:An为第n次采集到的数据;Ac为历史采样平均值;At为系统设定的最大采样偏离值。

3 系统实现

系统液位传感器采用星仪CYW11通用型，数显控制仪表使用昌辉SWP-C803型号。为了与现有隧道监控网络兼容，现场PLC控制器CPU模块、开关量输入输出模块、以太网模块以及模拟量输入模块均使用罗克韦尔公司(AB)1756系列设备。监控管理软件系统使用delphi 2006和SQL Server 2005开发。PLC数据通讯采用RSLinx Classic组态软件进行编程和实现，RSLinx Classic加入了先进的数据优化技术，并包含一套诊断机制，应用程序编程接口(API)支持用RSLinx Classic SDK开发的自定义应用序。

系统软件主界面如图5所示，主要由4个部分组成:状态监视区显示液位监测系统工作、主副泵开启、低位报警值状态等;操作菜单区可对水泵进行控制操作;设备控制区显示液位监测系统开始、停止、参数设置等功能;运行反馈区显示液位监测系统指令下达与反馈状态。当水位监测软件处于正常运行状态时，软件系统的指令下达与反馈均可5 s实现1次反馈，自动与现场液位监控设备进行数据交互，获取高位水池液位高度数据以及水泵运行情况，并把获取的数据代码展示到监控软件界面下部的白色文本框中。

图5 软件主界面

根据上文系统控制模式设计，系统软件可根据实际需求设置相应的控制模式，设定水泵开启与关闭的液位阈值，也包含低液位报警开关的设置。如果设置为开，当液位低于设定值后，弹出报警页面并报警，如果设置为关，低于设定值后不进行报警。控制参数设置的界面如图6所示。

图6 软件参数设置界面

4 结语

目前，本文设计的高位水池液位管理系统已开发测试完成并投入使用，实现了隧道高位水池液位的监控管理和水泵远程联动控制，能有效增强隧道水消防系统的安全保障，提升运行效率，降低维护成本。对于长大隧道的高位水池液位监控系统设计，应该充分利用、整合隧道其余监控系统资源，减少资源浪费。对高位水池液位采集实时数据进行限幅平均滤波算法，可大大提高数据采集的实时性和准确性。同时，系统监控软件操作界面宜根据功能需要进行合理的分区布局，达到操作便利和状态直观的目的。下一步将根据系统日常用水量、消防泵开启时间以及供水压力等数据，对现有监控业务进行挖掘和分析，探求长大隧道消防水系统的运行规律和最佳养管模式。

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