基于可编程逻辑控制器（PLC）的隧道安全监控

陈玉键CHEN Yu-jian；王璐WANG Lu；闭芬BI Fen；李强LI Qiang

（云南建设投资控股集团有限公司路桥总承包部，昆明650000）

0 引言

隧道工程的安全问题一直是人们探讨的重点，科技的快速发展使得隧道施工越来越安全。PLC（Programmable Logic Controller） 技术是世界上较为成熟监测技术，利用PLC 技术对隧道进行监测成为了提高隧道施工安全的一项重要举措。在我国隧道中实行PLC 安全监控系统对隧道进行安全监控，能随时获取隧道内的有效信息并能够有效保证隧道的安全，文章通过对PLC 安全监控系统进行合理的分析并提出相关意见，为我国隧道建设提供参考。

1 PLC 隧道安全监控系统的发展现状

随着我国经济技术快速发展，隧道建设在公路与桥梁建设中有着举足轻重的地位，但隧道建设有着中国基础建设中最为密闭的施工环境，其隧道建设中空气流通性差，光线强度微弱，建设环境也较为密闭[1]。出于对施工安全因素的考虑，我国对隧道施工安全有着极为严格的安全要求，同时我国也积极引进国外先进技术与工艺，通过利用智能化的方式对隧道施工安全进行监控。

武文天（2020）提出在隧道中安装PLC 监控系统能够有效的获取隧道的相关信息。杨恪（2020）对PLC 系统存在的问题进行及时的优化升级能够确保PLC 系统更为高效的运行。朱晶、彭敏（2019）提出PLC 以其简单、快速、智能和多功能的优点逐步在公路隧道中得到广泛运用。彭立（2018）通过对控制隧道安全出发，讨论了PLC 监控技术在公路隧道中疏导监控管理的应用。许永军（2014）对利用PLC 控制系统对凤永高速隧道群进行监控设计，探讨智能联动与工程管理的合理方案。赵向南（2016）利用PLC 系统设计开发了对高速公路隧道的车道指示标志、限速标志、风机及照明等终端设备的控制。

我国大多数地区隧道呈现地理位置复杂、施工难度大、隧道施工长度长的特点。安全问题成为隧道施工中最为重要的部分，为了防止隧道施工中安全事故的发生，近几年，我国加强对隧道安全监测系统的优化与升级，对施工环境及隧道内部结构进行实时的监控，从而确保隧道施工的安全性。我国现阶段有着较为成熟的集成化综合监测系统，并且正朝着更加安全与智能化的方向发展，如图1 所示。

图1 隧道安全监控系统

2 PLC 在隧道安全监控系统中的可行性

2.1 隧道环境指标分析

隧道施工会让人长期处于一个相对密闭的状态并且通风效果差，其内部环境以及机械设备所产生的气体可能会对人体产生不利的影响，因此需要对隧道内部环境参数进行监测。参照GB/T18883-2002 标准及查阅有关文献资料，隧道内部环境参数对人体的影响如表1 所示。

从表中可以得到，H2S、CH4、CO 都属于有害气体，浓度到达一定量的时候会对施工人员造成身体损伤，并且氧气浓度、相对湿度与温度也会影响隧道施工人员的舒适性[2]。

2.2 PLC 技术在隧道安全监控系统中可行性分析

随着科技技术的发展，PLC 控制系统已经具备抗干扰能力强、性能平稳、适应性与兼容性强的优质特点。安全指标权重系数能够反映各施工段的允许安全值，PLC 技术用于隧道安全监测中需要满足对各个安全指标能赋予相应的权重系数，使得该监测区间处于系统所允许的安全范围内并且最为直观的反映在系统显示器上。现通过层次分析法来探讨PLC 技术能否满足理论分析所得的权重系数，从而验证该方法的可行性。根据层次分析法对隧道安全环境评估各级指标权重计算如下：

建立判断矩阵P：

表1 隧道内部环境对人体的影响

aij表示指标i 与指标j 之间相比的重要性标度。

计算P 的特征向量及特征值，所求特征向量即为各安全指标的权重排序[3]。

计算mi矩阵P 每一行元素乘积：

通过对ω~=（ω1，ω2，…，ωn）向量归一化，得到特征向量ω=（ω1，ω2，…，ωn）。

矩阵的一致性验证：判断矩阵的一致性，利用CR 检验公式对其进行检验：

CR：一致性比率；CI：衡量判断矩阵一致性程度指标；RI：平均随机一致性指标。

RI 的数值与判断矩阵的阶数n 相关，其关系如表2所示。

表2 RI 值与阶数的关系

CI 定义：

当满足CR＜0.10 时，则判断矩阵建构合理。

利用PLC 控制系统进行模拟分析，将模拟数据按上式进行计算。PLC 安全监控评估体系指标权重如表3 所示。

表3 PLC 安全监控评估体系指标权重

PLC 舒适性指标判断矩阵如表4 所示：最大特征值λmax=2.0000，CI=0.0000，RI=0.0000，CR=0.0000＜0.1 满足一致性检验，满足可行性要求。

表4 PLC 舒适性指标判断矩阵

构件安全性指标判断矩阵如表5 所示，最大特征值λmax=3.0952，CI=0.0476，RI=0.58，CR=0.0820＜0.1 满足一致性检验，满足可行性要求。通过对PLC 安全监控系统导出数据利用层次分析法分析，可以得到该方法满足可行性验证，符合要求。

表5 PLC 安全性指标判断矩阵

由表5 可知，在隧道安全监控评估体系中，安全性与舒适性所占权重分别为0.8571、0.1429，很容易得到安全性说占权重更大；其中在安全性中，消防联动系统所占权重最大，其次是事故报警系统，最后为火灾报警系统。

2.3 PLC 技术在隧道安全监控系统中的注意事项

在隧道中利用PLC 安全监控系统时，需注意根据隧道长度以及数据储存量的大小合理选择所需要的储存空间以及模拟量数字量I/O 点的数量，进而选择所需要的型号[4]。因为需要对隧道进行长期且稳定的安全监控，所以在考虑隧道监控系统时，应当从隧道的综合特征以及特别关注点进行综合考虑，从而达到对隧道的全面监控，做到对重点安全点重点监控，一般监控点实时监控，保证隧道监控系统长期稳定的工作。

3 结语

隧道安全一直是科学家们研究的一个重点问题，本文提出对隧道现有环境及安全问题的探讨，基于现有问题提出了利用PLC 安全监控系统对隧道进行安全监控，并对该方法利用层次分析法进行分析，验证该方法的可行性[5]。利用PLC 安全监控系统对隧道进行监控，从一定程度上保证了隧道的施工安全，降低了隧道安全事故发生的可能性。