紫惠高速隧道消防设施智慧巡检关键技术探讨

黄武 罗瑜 汤永成

广东飞达交通工程有限公司 广东 广州 510000

引言

国家有关安全生产工作重要指示批示精神的贯彻落实。通过全面提升公路隧道防灾减灾救灾能力，预防和减少公路隧道交通事故特别是重特大交通事故的发生。近5年，交通运输部先后开展全国公路隧道安全隐患排查治理、安全风险防控、提质升级3次专项行动，体现了以提高发展质量和效益为中心，推动公路隧道质量评价由追求“合格率”向追求“满意度”跃升。隧道行车安全是交通运输行业深化交通运输基础设施供给侧结构性改革的具体举措之一。为建设具有国际先进水平的高品质公路基础设施网络，实现交通强国战略目标奠定坚实基础。

图1 隧道安全设施一览图

1 隧道安全问题总结

1.1 公路隧道运营管理工作面临巨大的压力

随着我国公路隧道由大规模建设时期向运营管理阶段的逐步过渡，公路隧道运营管理工作面临巨大的压力和严峻。我国从公路隧道大国迈向公路隧道强国，最需要补运营管理这块短板，与欧洲和日本等发达国家相比，公路隧道运营管理水平存在较大差距。运营好、维护好、管理好数以万计的公路隧道，对促进我国公路交通运输事业又好又快发展具有十分重要的意义。

1.2 传统隧道监控的天生不足

目前我国经济飞速发展，机动化水平仍将快速提高。据统计，2010年汽车保有量为9086万辆，2015年为1.5亿辆，到2020年预计超过2亿辆，在十年间汽车保有量翻了一倍。目前制约着机动化进程发展的条件是能源和交通安全两大块。截至2017年底，公路网总里程达477.35万公里，高速公路13.65万公里，2018年底高速公路更是达14.1万公里。高速公路为骨架、普通公路为主体的公路网基本形成。即使机电系统在支撑高速公路营运方面发挥了巨大作用，但总体智能运营管理水平不高，监而不控或可监而不可控问题普遍存在，主要表现之一包括有视频、收费数据等基础资源比较丰富，挖掘分析综合利用率却不高，“平台思维”、“用户思维”等互联网思维缺乏；突发事件、恶劣气象发现困难，异常状态的影响分析与预警缺乏，救援保障能力问题突出；目前高速公路隧道上基本上以视频监控、火灾检测、环境检测为主，但由于布设原因，还存在着很多盲区。况且现时隧道行车安全已越来越显得重要，在车流量激增时维护好现有的监测系统，目前只能采取的办法是定期地进行人工现场巡检。人工现场巡检最大的弊端就是实时性不够强，人工巡检的手段较为简单，一般为目测，而且在进行现场巡检时会增加工作人员及行经隧道的社会车辆的不安全因素[1]。

因此，一整套智能巡检系统，采用大物联网（专网）智能传感器+原来设备数据采集+大数分析管理平台的方式，可以低成本、高效率地替代大部分人工巡检。并提供另一独立途径的检测手段对已有系统进行多重校核。

2 行业痛点及需求分析

在高速公路隧道中，机电设备相当密集，而且运行环境较差，但隧道机电设备，尤其是隧道消防设施，对于行车安全尤为重要。在日常养护中，各路段业主都对隧道消防设施的巡检要求很高，虽如此，但实际在运营过程中还是存在着以下的一些问题：

隧道巡检的成本相对较高，特别像类似广乐、广韶等山区高速公路隧道群众多的情况下，巡检一次往往需花费一周的时间。

消防栓、灭火器往往有被盗或违规他用的情况，单靠平常的巡检频次太低，发生缺失或失压时不能及时发现，存在着安全风险，恰好遇上火灾事故时安全管理责任重大。

水消防管网没有做自动监测，出现水压异常时未能及时发现。

消防水池、消防门、通风风机、现场环境等虽然在机电工程中已安装有相关传感器，但未作冗余设计，出现数值异常时，都要手工现场验证，耗时耗力。

在原有隧道消防系统出现报警信息时，无法从远程去验证，大量的误报都要去现场核实时徒增工作量。

原有传感器的不准确导致无法实现联动控制。

本系统设置就是专门针对上述行业痛点，解决广大业主普遍遇到的问题去开发的一个软、硬件综合解决的平台，作为提高业主管理管理效率的一种技术手段及辅助工具。

3 关键技术

该系统设置中，一共采用了三项关键技术，分别是超低功耗智能传感器技术、LoRa容错无线传输技术、智慧运维平台技术：

3.1 超低功耗智能传感器技术

能够应用在高速公路隧道环境的可靠智能传感器，采用流行的基于ARM内核的低功耗系统芯片再加上自有的低功耗电源管理、无线通信协议技术、低功耗无线传感器技术，总体实现单依靠自带电池可以继续工作五年的目标。

图2 智能传感器结构图

3.2 向前纠错的LoRa无线传输技术

3.2.1 LoRa无线通信的特性。LoRa（Long Range Radio）网络易于建设和部署，已成为当前最为普遍应用的物联网专用网络通信技术，发展形势如火如荼。

低功耗广域网络在物联网发展中占据重要位置，因此芯片厂商、运营商、大型设备商都开始对这个领域热衷起来。随着中国LoRa应用联盟(CLAA)的成立，LoRa技术的CLAA网络架构系统已经形成，国内LoRa网络部署全面起跑。

图3 使用DSSS扩频技术示意图

传输距离：城市可达2-5Km，郊区可达15 Km；

工作频率：ISM 频段 包括433、868、915 MHz等；

标准：IEEE 802.15.4g；

调制方式：基于扩频技术，线性调制扩频（CSS）的一个变种，具有前向纠错（FEC）能力，这在高速公路复杂环境下使用有很大帮助；

容量：一个LoRa网关可以连接上千上万个LoRa节点；

电池寿命：电池寿命长。LoRa模块的接收电流10MA,休眠电流小于200NA，电池寿命一般可长达10年；

安全：AES128加密。

3.2.2 主流物联网无线通信技术的比较。目前主流应用的比较有前景的无距离物联网无线通信技术主要有NB-IoT和LoRa，两种的技术特点非常相似，都是低功耗、广覆盖，适合海量连接场景。但是，NB-IoT是运营商建网和提供服务，而LoRa是自建网络。它们的对比如下表：

图4 NB-IoT和LoRa 对比效果图

图5 LoRaWan的网络架构图

3.3 智慧运维平台技术

对设备整个生命周期进行完整的实时健康监测，能够及时预测设备失效及故障时及时告警。

平台可提供标准协议，给任意的厂家新增加设备的接入，也可通过各种对接协议及转换器，把已有的非标准的设备接入到运维平台的数据采集服务器中。一般可以接入消防报警系统、通风控制系统，防火门控制系统、水消防系统，通过这些外部平台获取到它们包含的种种传感的运行状态进行数据分析。

4 亮点

本套系统中，最大的高点是采用了灭火器智能欠压检测技术，采用该技术可以大大节省繁多的灭火器一个个巡检的问题，且人工巡检间隔时间太长，当有灭火器漏气而没及时发现，又刚好发生火灾时，将会出现很严重的后果。

4.1 智能监控、操作可溯源

4.2 AI+云计算

4.3 物联网消防预警、自动巡防系统

物联网消防预警系统随时提供给使用者、管理者和消防部门设备周边环境数据，当出现异常数据时，系统会通过监控中心、相关管理部门负责人手机、客户端管理平台、客户端App做出多次提醒（包括自动语音提醒）及视频联动、视频推送等，及早发现防患于未然。

自动巡防系统：用户可针对隧道不同区域、设备类型、时间段设置自动巡检策略，自动生成巡检报告，并通过App一键派单给对应的人员。软件包括管理端App、微信服务号、PC管理平台，结合“检”和“管”实现即时上下行管理的系统。

5 隧道无线网布设

图6 隧道无线网布设示意图

6 智慧消防管理平台

图7 智慧消防管理平台

7 结束语

通过对紫惠高速隧道消防设施智慧巡检关键技术分析，科学有效地解决了有关问题，实现了紫惠高速隧道消防的安全运营管理。实现智慧巡检的目的。值得借鉴和推广应用。为建设具有国际先进水平的高品质公路基础设施网络，实现交通强国战略目标奠定坚实基础。