基于物联网的长大公路隧道消防管网监测平台设计与实现

杨晓珂 张 伟 杨博文

(1.陕西省交通建设集团公司秦岭终南山公路隧道分公司，陕西 西安 710105；2.西安西晖仪器仪表有限公司，陕西 西安 710075； 3.西北大学，陕西 西安 710069)

随着山区高速公路建设的发展以及通车里程的增加，长隧道及特长隧道数量不断增多，长大隧道的安全管理已受到越来越多的社会关注。减少公路隧道火灾带来的损害程度，一方面要在隧道运营中加强火灾的监控和监测，以做到提早发现、及时处置，另一方面要充分保障隧道现有消防应急设施的完好，对于长大公路隧道一般设置有消火栓灭火系统，消火栓按照规范应每50 m设置一处，尤其是特长公路隧道消防管网距离长、消火栓终端数量多，运营管理难度大。一旦发生消防管道爆管、消火栓漏水情况，排查往往需要大量时间，导致隧道消防高位水池水位快速下降，水量无法达到应满足的火灾延续时间，给隧道安全运营火灾处置造成了一定安全隐患。物联网的高智能程度、可扩展性、资源共享的特点，尤其适用于长大公路隧道消防设施管道距离长、终端数量大、维护监管难的特点。目前，我国许多城市都已开展了城市建筑的智慧消防物联网建设，并取得了良好的应用效果，本文以秦岭终南山公路隧道消防管网运营实际为例，对如何设计和实现基于物联网的长大公路隧道消防管网监测平台予以介绍。

1 需求分析

秦岭终南山公路隧道双向四车道，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处，消火栓箱每50 m设置一处，共779个，隧道消防水系统与隧道同步建成投入使用，现已运营12年，消防管道距离长、消火栓数量多，难免有消火栓或支管漏水情况且不易及时发现。该物联网监测平台应能实现远程实时监测隧道消防管道压力和流量运行变化，一旦消防支管或消火栓漏水，其相应位置的支管管道水压和流量将发生变化，当变化超过一定阈值时，监测平台自动提示报警信息和对应设备位置，使监控值机人员能够及时掌握漏水点信息，尽快安排维修处置，最终实现人机互助、精准采集、全程测控的物联网监控模式。

2 监测平台设计

2.1 总体设计

为实现隧道管道流量、压力等数据的远程实时监测，首先应对消防支管安装智能传感器进行数据采集，利用通信技术和物联网云平台进行数据传输、分析及存储，通过互联网Web页面显示管网数据、提示报警信息。隧道消防管网监测平台采用物联网四层架构体系，即采集层、传输层、数据服务层和应用层。采集层通过各种智能传感器检测隧道水消防管网的相关运行参数(压力、流量等)，并将采集数据通过无线自组网技术或移动通信网络技术发送至数据层；传输层通过不同的通信方式和协议(ZigBee，有线，4G，GPRS)实现数据的上传与下载；数据服务层对传输层发送的数据进行存储、管理以及分析，为应用层调用提供支持服务；应用层是平台与用户的交互层，根据用户需求调用数据层数据开发不同的应用平台功能，最终以Web端、APP端形式展现(见图1)。

2.2 采集层设计

传统消防管道监测采用单一的压力测量方式，只能测量管道或终端瞬间漏水压力变化，在传感器安装时加入流量测量仪表可在压力未明显变化时检测到持续性漏水，达到监测双重保证。隧道消火栓为DN65双出口，内嵌于洞壁内侧消防箱内，间距狭窄无法在消火栓处直接安装传感器，消火栓至消防主管道之间的一段消防支管(约0.7 m)位于隧道检修道下方，通过在消防支管上安装流量和压力传感器，可以实时检测消防支管至消火栓之间管道的流量和压力，根据流量和压力变化，可确定具体漏水点位。

2.3 传输层设计

对于已运营公路隧道，传感器数据传输全部采用有线连接需进行长距离线路敷设，设计成本较高，一般采用数据无线传输。本平台设计考虑到监测系统的独立性、布线成本、易集成等因素，采用移动GPRS方案进行数据传输。传感器采集到的传感数据，把相关数据发送到中继器进行分类整理后根据数据的优先级别发送到DTU，DTU利用移动无线网络GPRS把数据上传到云端服务器，中继器实现数据安全，需保证每条数据上传下载的可靠稳定，当数据无法上传下载时需要保存当前数据。

2.4 数据服务层设计

数据服务层结构如图2所示，包括资源层、服务层、接口层。资源层用来存储数据资源，为服务层提供基础数据，资源层采用了mysql和redis数据库，mysql存储结构化数据，redis做数据缓存可为服务层提供更稳定快速的数据支撑服务。服务层是整个系统的核心业务层，所有的业务模块划分、业务流程、业务模块之间的通信均在服务层完成，同时为API网关提供接口，服务管理为服务层各业务模块有序工作提供基础支撑。接口层通过API网关实现，API网关是系统的唯一入口，API网关封装了系统内部架构，为每个客户端提供一个定制的API，它还具有身份验证、监控、负载均衡、缓存、请求分片与管理、静态响应处理功能。

2.5 应用层设计

监测平台应用层是系统人机交互的核心，如图3所示采用B/S架构，为了提升整个系统性能，提高服务器并发处理能力和安全，将应用层网络架构按照功能划分设计，分为“负载均衡器”“Web应用服务器”及“数据库-主、从服务器”。负载均衡器提供了一种有效透明的方法扩展网络设备和服务器的带宽、增加吞吐量、加强网络数据处理能力、提高网络的灵活性和可用性。Web应用服务器处于负载均衡服务器的后一级节点，运行的是应用的后台程序，接收用户请求并将用户请求经过计算及解析后，按照用户请求访问数据库，然后将数据库返回结果给软件界面显示。数据库服务器将数据库拆分为主和从数据库，主数据库为写数据库，用来存储写入采集到的消防管道数据；从数据库为读数据，用来为监测平台读取数据提供服务，加快数据读写效率。

监测平台软件功能应实现在GIS地图上显示测量点位置、数据、现场设备信息，支持消防管道压力、流量的数据采集、显示和存储，可完成历史数据的查询导出，可根据现场消防管道实际压力、流量更改报警阈值，超出阈值可在Web页面自动弹出报警信息，并显示具体位置。

3 平台实现

监测平台压力测量仪表采用西晖仪器XHP830T-C7T，流量测量仪表采用西晖仪器XHLD-8004021101ER2MB，压力传感器位于检修道地沟内，环境较为潮湿，宜采用IP68防护等级，焊接连接；流量传感器插入式或外夹式，由于公路隧道车辆经过会产生一定震动，影响测量准确性，采用管段式流量传感器可有效避免管道震动。实现采集数据无线传输的GPRS模块采用西晖仪器XHD530W-N7W。监测平台系统使用IntelliJ IDEA×64和MySQL5.7开发实现，物连网云平台服务器采用百度云服务器BBC。

监测平台界面左侧为导航功能界面，可快速点击进入用户角色管理、设备信息管理、信息总览(GIS地图显示)、设备监控等功能模块。各消防管网实时压力和流量数据在界面直观显示，平台还可根据消防支管实际运行情况，手动设置压力、流量报警的变化阈值，显示采集数据的历史变化曲线。当某个消防支管或消火栓发生漏水，压力和流量数据将发生明显变化，在超出一定范围时，平台能够自动监测并根据对应漏水位置快速弹出报警提示对话框，监控值机人员可以迅速做出响应。

4 结论及建议

目前，该监测平台已开发完成并投入使用，采用基于物联网和GPRS无线通讯技术开发的长大公路隧道消防管网监测平台，解决了在役长大公路隧道消防设施监管距离长、位置偏远、较为分散且没有预留智能化接口的问题，平台的运行实现了对长大隧道消防管网压力和流量的远程实时监测和异常报警，能够快速、高效和精准发现管道漏水位置，大大减少了管道漏水处置的响应时间，降低人工巡查频率，有效提高长大隧道水消防系统监管的效率和实时性。下一步将根据各消防管网终端的实际情况，研究合理准确的压力和流量变化阈值，既减少平台的误报率，又确保报警提示的快速性，并且通过消防管网监测平台的大数据进一步挖掘长大隧道消防水消防管网的运行规律和最佳养管模式。