公路隧道施工通风监控系统方案探析

张晨阳

（山西路桥建设集团有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

据统计，我国高速公路隧道有1.91万座，其中，特长隧道1 175座，总公里数达到521.75万m；长隧道4 784座，总公里数达到826.3万m，每年新增里程超过1 100 km[1]。按照我国公路建设规划，未来公路隧道数量仍将大幅增加，稳居世界公路隧道规模、长度、难度之首[2]。目前，对于公路隧道的监控管理主要集中于运营阶段，旨在便利公众出行[3]，而在施工过程中监控系统运用较少。为了智能化监管公路隧道施工过程气体浓度，保证隧道充足通风，确保施工人员安全，及时处理故障隐患，在公路隧道施工过程中，增加通风监控系统十分必要。此外，隧道施工数据的采集与处理关系后续隧道安全运营，在实现隧道的智慧施工中发挥重要作用。因此，系统化、合理化、有效化的监控数据采集方案，对设计隧道施工通风监控系统至关重要。

近年来，数据分析及计算机技术被广泛引用到隧道领域，通过“智慧交通”“智慧工程”保证隧道建设的安全质量[4]，实现降本增效。公路隧道施工通风监控系统将采集数据与智能监管联系起来，由预设在隧道固定位置的传感器收集指标参数，并将指标数据传输至工业控制计算机，由专人对指标数据库进行管理，定期监控，并按周期出具监控报告，及时排查安全隐患。安全质量监管部门在监督时，可接到实时预警，或针对特定指标进行专项查看，系统根据监控需求生成直观图表，便于统计分析。

该研究基于物联网设计了适用于企业管控的隧道施工通风监测及控制系统。该系统可实时收集指标数据，也可及时调整施工运行状态，为隧道施工管理提供决策[5]。

1 系统设计

基于物联网的隧道施工通风安全监控系统用户通过登录计算机进行操作，由总控制系统和分散在隧道中的总线式采集数据接口连接。总线式数据采集通过线缆传输，将接收到的数字信号通过光端机主线之间的接口传输到控制系统。

为保证施工安全监测要求，在隧道内安设一氧化碳传感器、氧气传感器、二氧化碳传感器、温度传感器、风速传感器、粉尘传感器、开停传感器等，实时获取正在施工的隧道内一氧化碳浓度、二氧化碳、氧气含量、环境温度、通风风速风量、掌子面空气中粉尘含量等参数[6-8]，并将数据信息通过分站采集传送至监控室工业计算机系统软件进行分析处理。其中，有毒、有害气体一旦超限可自动语音报警，同时通过设备开停传感器对通风机实时监测工作状态，当有害气体浓度超过设定的断电值以及通风机在停的状态时，馈电断电器对被控设备执行自动断电，确保系统可对隧道情况进行24 h实时监控。

图1 监控系统构架图

图2 监控系统运行机制

2 系统模块介绍

公路隧道施工通风监控系统分为7个功能模块，分别为数据收集、数据传输、数据处理、数据分析、数据可视化、数据预警、执行命令模块。具体如图3所示。

图3 公路隧道施工通风监控模块

各模块功能主要为：

a）数据收集 在隧道施工过程中，实时对隧道内一氧化碳、二氧化碳、粉尘、氧气含量等数据进行收集。

b）数据传输 通过隧道安装的传感器将采集的数据传输至系统软件。

c）数据处理 监控室工业计算机安全监控软件对收集的数据进行处理，清洗脏数据，实现数据的归一化与可解读化。

d）数据分析 对清洗过的数据与标准数据值进行比较，判别关键指标及数值范围。

e）数据可视化 系统通过大屏实时显示隧道施工中关键数据指标。

f）数据预警 以隧道施工过程中有毒、有害气体指标数据为标准，将数据分析、智能感知等前沿技术应用到监控体系，提升施工过程中安全问题的主动性，一旦浓度等数据超出标准范围将实现自动语音预警功能，实现智能隧道监控。

g）执行命令 监控室工业计算机安全监测数据，实现分级预警应对，当有毒、有害气体浓度超过设定的断电值以及通风机在停的状态，立即启动应急预案，进行应急指挥，馈电断电器对被控设备执行自动断电处置，为快速科学决策提供依据。

3 系统配套设备要求

为保证公路隧道施工通风监控系统正常运转，需要配备符合要求的监控设备。主要设备参数如表1。

表1 系统配套设备要求

4 系统功能及意义

公路隧道施工通风监控系统以物联网感知、数据分析为主要技术手段，将隧道施工过程中实时监测、数据预警、命令执行等业务汇集一体，建立系统权限管理，互联互通施工全过程数据信息，有助于业务管理，达到健全业务、协同指挥的体系化建设。通过系统，实现整合隧道施工安全跟踪处理目标，将各个模块集成，实现降本增效，有利于深化施工过程中安全管控，发挥企业管理的主动性，提高业务实时性，加强应急处置能力，有效防范隧道安全风险。

系统作为有效的监测手段，大大弥补实际工作中人力不足，监控不到位等问题，实现了超限指标预警化、监控数据档案化、故障检测自动化、设备维护可追溯的内控管理手段。

a）超限指标预警化 实时查看监控系统的报警信息，及时对报警、故障设备进行问题查明，并有效解决。每日打印日报表，每月打印月报表进行存档管理。

b）监控数据档案化 监测数据以日报、周报、月报、年报等形式自动电子化存档。

c）故障检测自动化 对监控系统及设备的运行情况进行监控，分析运行情况，实时检测所有可能影响监控网络设备的外来网络攻击，实时监控各服务器运行状态、流量及入侵监控等。对异常情况进行核查，并进行相关的处理。每月检测其各项技术参数及监控系统传输线路质量，处理故障隐患，协助监控主管设定使用级别等各种数据，确保各部分设备各项功能良好，能够正常运行。如：网络设备、服务器系统、监控终端及各种终端外设。

d）设备维护可追溯 对容易老化的系统设备部件每月一次进行全面检查，一旦发现老化现象应及时更换、维修，如风扇、裸露在外部的网线及电源线等。每半月对一氧化碳传感器、氧气传感器、二氧化碳传感器、粉尘传感器、风速传感器等进行校验检验并粘贴合格证，每半月对系统断电功能进行测试并记录测试结果。每月第一个工作日，将上月抢修、维修、维护、保养记录表以电子文档的形式报送项目维修中心。

实际应用后，对系统七大功能模块进行了测试，同时对系统的可操作性、结果可靠性、信息维护及处理、安全管控等进行了综合评估。

测试及评估结果显示系统的功能优于预期设计，系统运行平稳，操作便捷，密保等级符合要求，满足了隧道安全监控的管理需求，达到预警效果，有助于应急处置，符合系统构建初衷。

5 结语

公路行业的快速发展，要求建设施工运营过程中的智能化、集成化、数据化配套提高，将传统的管控提升为智能化综合的监控模式，充分利用物联网等前沿技术，实现管理统一化、规范化，这是现在公路隧道安全监管部门的必经之路。

隧道施工通风监控系统作为“智慧”的信息化监管工具，有效解决了传统监管的瓶颈，提供良好的交互体验，实际应用中，通过传感器实现数据收集，通过光纤实现数据传输，数据处理模块完成清洗，预警超限指标，系统正确处理所有模块命令，在工业计算机支持下，实现信息化管理。该系统的应用对今后施工过程中安全管控具有一定的借鉴意义。