高速公路隧道消防供水智能监测系统设计与应用

韦 维

(广西交通投资集团南宁高速公路运营有限公司，广西 南宁 530218)

0 引言

随着高速公路路网逐步延伸至偏远山区，极大地促进了国民经济的整体发展。但是山区高速公路在修建过程中存在大量的隧道群，多数山区高速公路隧道光线灰暗，视野不开阔，安全性较低。因此高速公路隧道安全是行业应重点关注的问题[1]。高速公路隧道的众多隐患防范的重点之一是对火灾的防范。车辆自燃、车辆追尾、供电线路老化短路、隧道内设备故障等各种原因均会引发隧道火灾，极易造成重大的生命财产损失。因此，必须做好隧道消防管理和监控工作，保证隧道区域行车安全。虽然每个隧道在建设后都配有相应的消防管道，但如果不能及时地发现火灾隐患也无法保证来往车辆的安全，而且消防设备一旦出现故障，在火灾发生的时候也无法灭火，因此，消防设备的状态也需要进行监控。其中，消防供水是火灾救援的根本，在对消防设备进行监测的时候应将消防供水的监测放在第一位，避免因供水监测问题导致无法及时扑灭火灾[2]。本文基于该需求设计了高速公路隧道消防供水智能监测系统。该监测系统利用智能监控的技术原理，对隧道消防供水进行实时监测，能够对供水系统的水压、实时多点并发等状态进行监测。同时，通过对水压值的分析判断设备是否有故障，在设备发生故障时向管理员发出预警信号。此外，应保证消防水箱中的水位一直处于满足需求的状态，当水位异常下降时提醒管理员进行检测和维修，以保证消防设备处于正常使用的状态，及时排查消防水源隐患。

1 消防供水智能监测系统方案

消防供水智能监测系统主要分为硬件部分和软件部分。硬件部分包括信号采集器、水位计、无线智能压力传感器、5G无线监控摄像机等；软件部分主要有消防监控平台软件和移动终端APP和公众号等。消防供水监控系统通过水位计对消防水池、高位水箱中的水位进行实时远程监控，通过无线智能压力水表采集传输消防水系统中消火栓、喷淋末端等关键部位的水压，发现异常迅速发出报警通知值班人员处理，同时将报警信息上传到监控平台软件，监控平台软件受理报警并通过APP推送给联网单位消防负责人，以便及时响应和处理，排查消防隐患。消防供水智能监测系统架构如图1所示。

图1 消防供水智能监测系统架构图

2 高速公路隧道消防供水智能监测系统硬件设计

目前，我国高速公路隧道消防给水系统多采用常压型给水系统，其工作原理是：先从取水装置取水到低位水池，用水泵将低位水池中的水加压输送到高位水池，再由高位水池对隧道消防管网进行供水。常压型给水系统是利用高位水池和自身重力流向隧道内的消防管网供水，使管网始终保持灭火所需的流量和压力，在扑救火灾时可以直接使用消火栓灭火，而不需要启动消防水泵加压。根据隧道最低处高程和最高处高程计算得出高位水池高度，以满足消防栓出水压力要求。为了确保高位水池的高程和容积符合规范要求，其建造位置要求地势平坦，地质结构稳定，给水管的布线要尽量短，以降低水压损失。

2.1 设计光电接触式液位传感器

在设计信号采集器之前，首先要分析被检测信号的特点，在被测隧道中应采集消防供水设备可测点的形状，尤其是设备中的带孔、带槽、齿轮等零件的状态。消防供水设备通常位于隧道当中，所处的环境条件和空旷地带有所差距[3]，因此在对消防供水设备进行监测的时候要考虑周围环境的变化，温度、磁场、光线等因素的变化都会对检测结果造成影响，而这些因素又影响到对信号采集器传感器的选择。通过对检测需求的分析，选择了三种传感器作为高速公路隧道信号采集器的传感器。其参数如表1所示。

表1 传感器参数一览表

光电传感器是本文设计的信号采集器的主要传感器，其主要由信号发送器和接收器以及相应的电路组成。光发射器和接收器在同一个光电槽中，当电槽通电时就可以实现光电通路传感[4]，电槽两侧中保持无物体状态，但监测到设备存在时，设备会将信号挡住，由此来判断设备的状态。

2.2 设计消防供水无线智能压力传感器

压力传感器的选择应与消防供水设备相配套，需要注意传感器的精度，还应考虑硬件的成本。压力传感器线性特性也很强，应用的范围十分广泛，因此结合本系统对传感压力的需求，在消防供水设备压力传感器中选择PR-3000-PM300-*系列的压力传感器[5]，其扩散硅压力芯体是该传感器用于识别敏感度的原因。该压力传感器的外壳是坚硬的不锈钢体，赫斯曼接头为国外原装进口，可防水防尘防腐蚀抗老化。高强度不锈钢壳体严格的气密性监测可适应各类高压工况。缓冲阻尼设计可防止瞬间大压力对传感器的破坏，能抗2～3倍瞬间压力。该设备不会因为地处恶劣的环境就生锈损坏，延长了系统硬件的寿命。由于部分隧道较长，通过拉线传输施工难度大、成本高，故在压力传感器上集成了无线lora传输模块，每隔1 km安装一个数据网关，保证数据传输的实时性和稳定性。

2.3 5G无线太阳能监控摄像机

在高低位水池上部安装5G无线监控摄像球机，使系统可远程查看高位水池的实时影像、图片、水池水位高度，以及实时查看任一消防水泵的水压，当出现异常时可及时报警。该系统具有不受距离限制、网络稳定即可远程实时观看、安装施工方便、不用长距离输电等优点。

3 高速公路隧道消防供水智能监测系统软件设计

隧道消防供水智能检测系统软件部分主要分为监控平台软件和移动端软件。其中监控平台软件的主要功能有：可远程查看高位水池的实时影像、图片、水池水位高度，以及实时查看任一消防水泵水压，能实现水压水位感知、水压水位异常报警、管网压力监测、水池液位监测、消防栓压力监测、信息推送、监测管理等，当出现异常时可及时报警。移动端主要功能有：实时监测、预警提醒、自检上报、故障巡检、通知公告、APP实时报警等。

要实现上述软件的功能，保证数据实时收发并处理是关键，后台服务端通过5G和lora网关服务器进行通信，数据通过加密的MQTT服务会话主体通信，能够有效解决数据并发和数据传输的实时性和安全性等问题。

4 监测系统应用

在广西交通投资集团柳州高速公路运营有限公司小头岭隧道安装了一套隧道消防供水智能监测系统，进行了隧道消防联动演练测试，并对隧道消防的消防控制、自动报警、应急电话、广播和监控系统进行了分析设计。根据大数据分析以往易发生火灾隧道的历史数据，估算发生火灾时，监测救护人员得到火灾的通知时间；在需水量的计算过程中按照20 min的到场时间进行准备；消防流量分析采用水管网组态软件进行，分析消火栓的流量值的结果得出该地区的消防需水量服从对数正态分布，根据监测系统对消防供水能力概率分布图进行绘制。监控平台软件如图2所示。

图2 监控系统软件模拟界面图

采用本文设计的系统对高速公路隧道消防供水进行智能监测。系统测试的实验结果如下页图3所示。由图3可知，本文设计的系统监测设备所得出的供水量曲线与实际灭火所需的供水量基本吻合，因此，本文设计的系统符合高速公路隧道消防供水智能监测系统的要求。

图3 测试数据分析曲线图

5 结语

本文对消防供水智能监测的需求进行了分析，并基于需求设计了高速公路消防供水智能监测系统。本文设计的系统数据采用无线lora和5G通信传输的方式，保证数据传输的速度、实时性、方便快捷及对消防水源管网水压准确、实时的多点并发监测，当水位或管网系统发生异常时，能够迅速发出报警信息，及时排查消防水源隐患。通过实际系统测试证明，该系统符合高速公路隧道消防供水智能监测系统的要求。