上海长江隧桥消防系统的设计与实现

□ 徐延军 王伟利

上海长江隧桥 （崇明越江通道）工程位于上海东北部长江口，是中国最大的越江通道，也是目前世界最大的桥隧结合工程，全长25.5 km。

长江隧道自浦东五号沟，穿越长江南港至长兴岛，有上行和下行两条各长达8.955 km的隧道组成，上行线江中段约7.47 km，下行线江中段约7.46 km。隧道共分上下3层：顶层为排风系统和排烟道；中层为高速公路车道层，每条隧道内为单向3车道，道路宽度为12.25 m，设计行车速度为80 km／h，路面两边设墙式消火栓供水系统、灭火器等灭火设备；下层为电缆通道、安全通道、江中废水泵房等，并预留了轨道交通空间，在中、下层间设有疏散楼梯。长江大桥跨越长江口的北港，至崇明县陈家镇奚家港西，全长16.55k m，其中桥梁长度9.968 km，跨江段长8.5km,主桥面最高处离水面55 m。上海长江大桥按通航与否分为主航道桥、辅航道桥与非航道桥梁3部分，其中主航道桥为双塔双索面分离式钢箱梁斜拉桥。桥面按双向六车道设计，设计时速为100 km／h。非航道桥及辅辅航道桥桥面宽35.3 m，主航道桥面总宽51.5 m。

一、设计目标

面向服务。一方面通过各种业务流程和功能实现来满足系统的各种需求，另一方面通过完善数据分析和数据挖掘，向管理者和用户提供丰富的信息服务。

功能完善。系统不但能满足消防系统的各种运行、管理等方面的功能需求，还提供对消防系统已采用、拟采用的各种新技术的支持。

方便使用。软件设计体现 “以人为本”的设计理念，对业务流程进行优化；前端业务流程简单、可靠、高效，复杂业务流程在后台处理；系统维护高效、低成本；加强系统的安全性、稳定性和可靠性。

结构科学。软件架构、业务流程的设计科学、高效；优化数据结构，提高数据使用效率；提高系统性能；提高系统安全性、可靠性。

扩展灵活。在架构设计上，满足系统使用者不断增长的需求，并便于新技术手段的加入；便于系统各种运行参数、数据应用的灵活扩展。

二、系统架构

上海长江隧桥消防系统按上海市高速公路网交通监控系统总体规划和技术要求实施，以提高运营决策、监管、服务和应急保障能力为目标，以信息资源的整合与利用为重点，具有大型化、隧桥结合、集约化、多接口融合的特点，是保证运营安全，提高隧桥交通管理和服务水平的平台。根据系统的建设目标和需求分析，系统吸取SOA（Service-Oriented Architecture，面向服务架构）软件设计思想的精髓，采用开放式的企业级软件体系架构来构建消防系统应用软件，增强软件对不断变化需求的适应性。

上海长江隧桥消防系统的系统架构如下图所示：

上海长江隧桥消防系统的系统架构

上海长江隧桥消防系统的软件架构如下图所示：

上海长江隧桥消防系统的软件架构

三、系统功能

（一）消防报警子系统。对温度变化曲线图、车行通道感温光纤实时信息、安全通道感温光纤实时信息、电缆通道感温光纤实时信息、手报按钮状态信息、感温光纤火灾报警信息进行监测。当感温光纤实时温度值超过报警限速或者手动报警按钮被按下时，感温光纤或手动报警按钮图标会在设备所属的主界面的底图上自动生成，提示用户注意。报警消除时，图标自动从隧道底图上清除。

（二）预案管理子系统。预案管理子系统借鉴国内外同类项目的经验，通过对领域内专家水平的知识与经验的汇总，完成应急处置的预案管理、系统运行参数设定功能。通过预案管理，用户可以编辑各种预案的内容；在联动预案时，用户可以跟踪预案的执行；在预案结束后，用户可以对预案进行评估。

1.预案编辑。预案编辑功能可以使监控人员根据运行的需求自己添加、编辑合适的预案，可以最大限度的满足运行管理中对预案的需求。可编辑的预案信息包括： （1）基本信息：预案名称、预案说明、预案类型； （2）触发条件：何种情况下启动预案； （3）车辆与人员的调度：预案需要调度的车辆与人员信息； （4）外场设备联动：情报板、车道指示器、风机等外场设备的联动； （5）内场设备联动：管控中心及浦东管理站的视频联动。

2.预案跟踪。在预案执行过程中，用户可以对预案执行情况进行跟踪，为预案的评估提供依据。预案跟踪的内容包括： （1）设备动作跟踪：实时记录外场设备的动作时间及动作内容； （2）跟踪车辆、人员的调度：对预案调度的单位、人员、车辆的到场及调动过程进行记录，可以采用实时记录及事后补录入2种方式。

跟踪车辆、人员调度

（3）预案评估。预案执行完毕后，可以分析生成预案的事件信息及预案执行过程，得出预案评估报告。评估报告的内容包括：特殊事件信息：发生地点、发生时间、等级等；业务处置流程与系统联动流程；联动设备的动作及状态信息；联动车辆、人员的接警、就位、撤离过程，增援信息等。评估报告分为总体描述和分系统描述，可以根据关注的重点选择总体保存、打印或分系统保存、打印。评估报告是预案具体内容的全面展示，也是预案执行过程及结果的全面总结，是评估预案的合理性及系统运行的稳定性的重要资料。

（三）交通诱导子系统。该系统在接收到消防管理子系统的指令后，根据预案通过信息发布设备发布桥隧的交通诱导信息。交通诱导子系统是向桥隧交通参与者发布及时的交通状况信息和交通诱导信息，是有效地预防、缓解，尽快消除桥隧交通拥挤的最有效的手段之一。

1.可变信息发布。可变信息标志是现代化交通系统中重要的信息发布设备。它由监控系统中心计算机进行远程控制，显示各种图文信息，疏导交通，促进行车安全。可通过可变地图信息标志、大型可变信息标志、小型可变信息标志、可变限速标志等，以图形和文字两种方式发布行车信息和各种诱导指令，使驾乘人员能够及时、直观的了解前方道路状况，选择最佳行驶路线，大大提高高速公路的通行能力。

2.交通信息监控。设备包括交通信号灯和车道指示器。显示隧道交通信号灯和车道指示器的运行状态、反馈信号，以及设备控制远程／就地反馈信号。由监控系统中心计算机进行远程控制，控制交通信号灯或车道指示器的指示信息。

3.有线广播。当隧道内发生交通阻塞、交通事故或火灾等紧急情况时，监控中心可通过本系统对隧道内外进行广播，指挥调度、疏导交通和组织救援等。

（四）消防处理子系统。

1.桥隧交通照明。桥隧交通照明模块可以对隧道交通照明进行分类控制。加强照明分布于隧道两端出入口，可以分别进行控制。

2.通风。采用射流风机诱导型纵向通风加重点排烟的通风方式。正常及阻塞工况时，基本采用纵向通风方式，隧道纵向通风面积约82 m2。在江中盾构段，利用圆形隧道顶部富余的拱形空间作为排烟风道，排烟风道面积约12 m2，每隔60 m设置专用排烟风口，用于火灾时的进行重点排烟。在隧道车行道顶部、排烟风道下方悬挂射流风机，辅助正常及堵塞交通时的诱导通风。在浦东、长兴岛上分别设置风塔，风塔内设置大型排风机和专用排烟轴流风机。风机通过风口、风道与主隧道相连。正常及阻滞工况时，排风机运行将洞内污染空气集中排放，降低洞口排风对环境的污染。当区间火灾时，开启排烟风机，通过拱顶风道排除和控制洞内烟气。排烟风口由消防系统进行联动，不需要通过软件对排烟风口的开关进行监控。当隧道内发生火灾时，由消防系统自动开启火源处行车方向下游2个风口和上游1个风口。监控软件中按照通风类型和控制模式的不同，把通风监控系统分为4个子系统来进行监控：射流风机 （隧道内通风设备）；轴流／混流风机（工作井排风排烟设备）；浦东设备用房通风；长兴岛设备用房通风。通风设备设三级控制：中央级控制、区域控制器自动控制和就地人工控制。

3.应急逃生。应急逃生设备包括工作井通道卷帘门、连接通道／安全通道逃生门、逃生盖板和疏散标志。工作井通道卷帘门设置在浦东工作井和长兴岛工作井通道两侧，在应急情况下，可通过现场开关手动控制开启或关闭，也可通过软件来控制卷帘门开启或关闭。连接通道／安全通道逃生门设置在连接隧道两个洞子的横通道的两侧，可通过现场开关手动控制开启或关闭。逃生盖板分布在隧道内行车方向左侧靠近墙壁的路面上，可通过现场开关手动控制开启或关闭。疏散标志分布在隧道内两侧墙壁上，当发生火灾等应急情况时，由疏散标志控制主机自动控制疏散标志的显示状态。

4.给排水。设置有承担废水排放的废水泵房、江中泵房，消防用的消防泵房，拦截雨水的雨水泵房。其中消防泵房设备由消防系统联动。给排水系统设备设三级控制：中控室遥控、区域控制器水位自动控制和就地人工控制。给排水监控系统按照功能分为三部分：废水泵房监控、消防泵房监控、雨水泵房监控。

（五）视频检测子系统。视频检测子系统得到的交通流运行参数、车型、事件、拥挤、图像等信息由视频摄像头传到隧道监控处理中心后，监控处理中心通过对这些数据进行分析，实现以下管理功能：接受视频检测信息发送的事件、拥挤警告，通过视频图像或闭路电视图像进一步确认事件是否发生及其地点、严重性等，而后采取相应的紧急救援或处理措施；由监视屏的动态视频图像监视各条路段上的交通流状况；将视频检测获得的流量、速度、事件、拥挤等信息通过可变情报板向驾驶员发布；通过更改视频检测子系统的设置参数，控制视频检测子系统的工作进程。

（六）系统管理子系统。

1.人员管理，可添加、修改、删除人员，并设置人员的各种操作权限，可修改人员的登陆密码。

2.编辑常用语句，可添加、删除情报板和限速板的常用语句，常用语句可包括文字和图标，并可设置常用语句字体的各种属性和播放模式。

3.图标编辑，可添加、删除包括情报板、限速板和大图片等图标。

4.事件管理，包括事件登记和事件处理。事件登记的内容包括事件的基本情况和事件的原因；事件处理的内容包括根据事件的发生事件和处理类型查询各种事件，可查看某个事件的具体信息并生成报表，可人工输入事件产生的后果、各种损失数据和处理意见。

5.设备管理，可根据条件查询各个设备的各种信息，包括：设备名称、安装位置、出厂无故障运行时间、已运行时间、使用状态等信息，并可根据权限添加、修改或删除信息；可查看和编辑某一个设备的故障情况和维修记录。

四、系统特点

1.面向服务的软件架构。上海长江隧桥消防系统采用基于SOA的软件架构，其优点在于：

（1）可扩展性。软件的整体设计是面向服务的。它将应用程序的不同功能单元 （服务）通过服务之间定义良好的接口和契约联系起来，业务服务汇集在应用层的总线上，由总线对服务进行组织，并提供给展示层的客户端。这种设计方式具有很强的灵活性和可扩展性。当某些服务的内部结构和实现发生变化时，只需要对特定的服务进行修改，然后重新挂接入系统即可，而不需要对整个应用程序进行修改。当有新的系统需要接入时，首先检查新系统需要的功能服务在应用服务层中是否已经存在，如果已经存在则通过简单配置即可接入系统，否则重新开发新的服务并挂接到应用服务层中，而这些更改都不会影响到现存的系统架构，也不需要对现存的应用程序进行大的修改。可扩展性保证了后续崇启高速公路和下层轨道消防系统的接入本系统进行统一监控管理，满足上海长江隧桥工程发展的需求。

（2）开放性。系统在总线下挂接各种接口服务，接口服务根据外部接口 （健康监测系统、大桥阴极保护系统、养护管理MIS系统、收费系统、公安交警、消防、上海市高速公路联网监控系统以及其他将来接入的接口）的数据需求，分别从总线上获取数据、控制命令与服务，同时把系统数据和控制命令传输到各外部系统中。对于消防系统和各外部系统的数据交互，只需要在总线下挂接相应的接口服务即可，不需要对消防系统本身的架构或代码进行修改。这种模块组合方式能完全满足系统开放性设计的要求，实现 “一次采集，多处共享”，提高系统资源的利用率。

（3）实时性。通过应用层的各个服务 （外场设备服务、外部接口服务）采集到的各种数据统一汇总到总线上，由总线对数据进行分析处理后实时更新到展示层中，同时总线把处理后的数据输入到数据层的数据库中进行存储。这样做不但保证了整个系统数据的一致性，使得子系统之间的紧密性更强，而且避免了子系统之间由于数据交互而造成的数据处理延时，提高了系统的实时性。总线在数据接收和分发过程中采用多线程技术提高系统数据的实时性。

（4）可靠性。数据层和应用层在长兴岛监控中心和浦东管理站各部署一份，并实现两地之间的相互冗余，保证不会由于单点故障而影响整个系统的运行，保证了系统的可靠性。正常运行时，长兴岛监控中心和浦东管理站的应用层一份处于激活状态，一份处于休眠状态。当处于激活状态的软件出现故障，系统自动把休眠状态的软件切换为激活状态，并向展示层发送提示信息，保证故障时系统的平稳过渡。监控中心和浦东管理站的数据层通过数据传输中间件实现相互之间的数据冗余备份。

2.完善而有针对性的预案设计。以 “掌握现状、找出规律、科学诱导、有效指挥”的指导思想为依据，根据长江隧桥的运营规律和特点，消防系统实现了预警、应急处置与指挥的功能，提高了管理人员的运营管理水平，为系统安全、畅通地运行提供了保障。从长江隧桥的安全运营、道路通行能力、交通组织等多方面着手，系统将可能影响长江隧桥运营的事件按照 “分类、分级、分区”的办法，共划分为16类系统联动预案，针对事件的类别、严重程度和发生地点，根据需要针对性地制定相关预案。16类系统联动预案包括：正常运营预案、紧急电话报警预案、逃生盖板报警预案、交通事件预案、火灾预案、恶劣天气预案、隧道空气污染严重超标预案、车辆超限预案、隧道淹水预案、隧桥结构体损坏预案、断电预案、隧桥机电管养预案、船舶撞桥卡桥预案、车辆人员坠落大海预案、交保交管预案、用户自定义预案。

（1）预案编辑。随着客观条件的变化和运营经验的积累，系统中的预案也会发生变化。预案编辑功能可以使监控人员根据运行的需求自己添加、编辑合适的预案，可以最大限度的满足运行管理中对预案的需求。

（2）预案执行与跟踪。系统实时接收并处理数据，如果发现异常则以图形、声音等方式报警提示用户。同时自动执行该报警关联的、被设置为自动执行的动作 （通常是视频动作），同时提示用户当前建议采用的预案 （包括设备动作、车辆／人员调度等）。用户可以选择按照建议的方式直接执行，或者在建议的方式基础上进行更改后再执行。在预案执行过程中，用户可以对预案执行情况进行跟踪。跟踪的内容包括设备动作跟踪、车辆／人员的调度。

（3）预案评估。预案执行完毕后，系统分析生成预案的事件信息及预案执行过程，得出预案评估报告。评估报告是预案具体内容的全面展示，是预案执行过程及结果的全面总结，是评估预案的合理性及系统运行稳定性的重要资料，是改进预案的重要依据。

综上所述，长江隧桥消防系统的设计和实施充分考虑了系统自身的特征，紧密结合长江隧桥的实际情况。自系统开通以来，系统运行良好，符合长江隧桥的运营管理需求，是一个准确而高效的系统。