基于多传感器和设备联动的环境监测技术初探

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摘要：为提高隧道的可维护性，自研环境监测智能盒对氧气、一氧化碳、硫化氢、可燃气、温度、湿度等现场环境参数进行监测，当达到预警值时，自动启动排风、抽水等相关辅助设备进行危险排除，并将现场数据通过网络实时上传至控制中心，通过大屏、手机等多种显示终端进行显示。

关键字：隧道；环境监测；有毒气体；预警；设备联动。

中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）01（a）-0000-00

0. 引言

随着城市的快速发展，地面大厦林立、交通拥堵现象越来越严重，已成为城市发展的瓶颈，人们越来越重视城市地下空间的使用，我国于1997年了《城市地下空间开发利用管理规定》，为城市发展提供基础和保障。

我国城市地下隧道建设存在跨越年代长、结构形式多样、受周边环境影响大等特点，隧道高度有1.2m、1.7m、2m、2.3m等多种规格。目前隧道的维护工作主要靠人工现场检查，分为每天路面巡检和定时隧道内巡检两种方式，巡检内容包括路面塌陷、积水、塌方、私放电缆、井盖丢失/破损等。隧道位于地下，存在有毒气体、氧含量不足、塌方、积水等危险因素，在巡检和检修过程中，不时有危险情况出现。

为提升工作环境的安全性，需通过环境检测设备对隧道现场环境参数进行实时采集、智能分析，实现设备间的联动，及时排除危险隐患；并将监测结果报送至控制中心，协助管理人员全面掌握隧道环境情况2。

1. 潜在危险性分析

表1 地下隧道潜在危险性分析

序号 隧道区域特性 共性潜在

危险源 主要潜在

危险源 需监测内容

1 河流区域 水

氧气

温度

有毒气体

可燃气体 水淹 水位、一氧化碳、氧气、可燃气体、硫化氢

2 供水管道区域 自来水泄漏 水位、一氧化碳、氧气、可燃气体、硫化氢

3 排水管道区域 污水泄漏

产生有毒气体 水位、硫化氢、氧气、苯、硫化氢、氨气、一氧化碳、甲烷、可燃气体4

4 热力管道区域 温度过高

热水泄漏 水位、一氧化碳、氧气、可燃气体、硫化氢、温度

5 燃气管道区域 燃气泄漏 氧气、可燃气体

备注 因管道分布环境不同，存在危险源具有差异性，需针对不同区域、不同运行环境拟定不同监测内容。

通过对隧道潜在危险源分析，得出隧道环境常规监测包括环境温度、湿度、水位、氧气、可燃气体、硫化氢、一氧化碳等内容，因此试探性地研究了基于多传感器和设备联动的隧道环境监测技术，自研隧道环境监测智能盒，对各种环境参数精确采集的同时，并实时监测各类环境参数，在监测值达到危险阈值时，自动启动相关排风、排水等辅助设备，排除危险因素，提高整个隧道系统运行环境的可靠性5。

2. 环境监控系统架构

环境实时监测系统主要由智能环境监测智能盒、汇控箱、通讯网络、中心机房几部分组成。

图系统总体架构图

前端环境监测智能盒实时采集管网内环境参数，经458线汇聚到汇控箱，通信光缆上传到中心机房进行信息汇总，同时进行数据保存。现场环境监测设备在监测到相关环境参数达到危险值时，自动启动相关设备进行危险排除，同时产生报警信息。在启动相关设备后，如监测的环境参数没有好转，产生危险报警信息。

用户在系统集成管理平台上通过图形化系统软件实时监测现场环境，环境参数一目了然，对报警等突发事件进行排查和处理。系统支持大屏幕显示、手机app在线查询等功能，方便用户管理和使用。系统主要功能如下：

（1）现场环境监测参数实时显示。实时正确显示环境监测智能盒所在位置的环境参数和工作状态，可按要求显示前端监测设备的模拟量曲线图。

监测气体含量：包括一氧化碳、硫化氢、可燃气体、氧气的含量，传感器设备工作异常；

蓄水坑水位是否正常：包括正常、超过正常值、超过水位上限、设备工作异常；

温度、湿度：当前温湿度、设备工作异常；

照明、风机、水泵的状态；启动、停止、设备工作异常。

（2）报警功能。前端环境监测智能盒检测到环境参数超过正常值或设备工作异常时，向控制中心发出报警信息，控制中心以信息报警、声光报警、电话语音、短信报警等多种方式进行报警提醒。报警的同时显示报警地点、报警类型、当前检测值、正常值、报警时间等信息，并可以自动显示报警点模拟量曲线图。自动根据报警类型，提示该类型报警的常规处置方法。

（3）前端设备远程控制。对前端设备包括风机、照明、水泵等设备统一接入环境监测设备进行集中控制，支持用户远程启动、停止操作，不影响原有的手动控制模式。用户只要经过授权就可以通过软件对指定前端设备进行远程控制，当设备启动时间过长后可进行报警提示。

（4）电子地图。在电子地图上，按设备部署位置显示每个设备的部署地点、设备工作状态及监测值。

（5）建立应急预案处理流程资源库。对不同的类型前端监测设备的报警，分别建立应急预案处理基本流程，协助工作人员对各类报警事件快速制定解决预案，及时消除危险隐患。

（6）事件分析与预警。对多发事件进行统计、分析，形成事件统计/预警报表、危险分析预警报表等，协助工作人员形成管理预案。

3. 环境监测智能盒

环境监测智能盒根据现场环境特点进行设计，每个监测点配备一套监测智能盒，完成前端数据采集、设备联动、数据传输等功能，其设计原理如下图所示：

图环境监测智能盒原理

为提高系统的反应速度，实现对各种环境监测传感器的精确测量，解决多种数据的有效传输，智能盒特采用双核结构配置，包括一个多功能MCU和ARM嵌入式处理器。多功能MCU主要完成对现场多种数据的采集、缓存、控制、发送、用户IO扩展和键盘管理等工作。ARM处理器除了配备自身程序运行的必要存储模块之外，外挂SD卡，实现监测信息的本地存储功能，记录扰动时的波形，作为环境质量分析和故障分析的依据；外接大尺寸触摸屏幕，以实现本地的人机交互功能；集成日历芯片，方便记录故障发生的时间。

环境监测智能盒对每个监测点的多种环境参量进行采集监测，控制多个环境处理设备的启停，同时向上发送采集的多种数据，并接收上沿发送来的控制命令。智能盒在采集各传感器参数和与上沿通信时采用目前技术比较成熟的485总线方式，将采集用的485总线称作下沿485总线，将与上沿通信的485总线称作上沿485总线。上沿485总线连接到数据汇控箱，数据汇控箱负责对多个智能盒数据的汇总，汇总后的数据以光纤的方式发送到控制中心。下沿485总线连接前端采集模块，前端采集模块负责底层采集各种传感器的环境参量，包括模拟传感器信号的调理、放大、A/D转换、采集处理，处理后的数据直接送到 485总线上，同时采集模块直接配置了对每种传感器的声光报警功能。

环境监测智能盒预留了RJ45网口、CAN总线接口、GPRS、3G的通信方式，以便于不同环境的应用和日后升级6，其能如下：（1）环境监测功能。实现现场环境参数的精确采集，监测气体包括氧气、一氧化碳、硫化氢、可燃气，测量精度不低于5%（F.S）；监测集水坑中水位包括水位下限和水位上限；监测现场环境温度、湿度，温度准确度不低于±1℃，湿度准确度不低于±3%RH（20%-80%RH）。（2）联动功能。在监测值超过阈值时，自动启动相关辅助设备，如风机、抽水泵、照明等设备进行危险排除。（3）报警功能。实时监测前端各类传感器的工作状态和监测值，对设备状态异常、监测参数超过阈值时及时生成报警数据，上传至控制中心。（4）存储功能。存储采集的传感器数据、控制指令、报警信息等数据，存储时间不少于90天。（5）远程控制功能。接收控制中心的控制指令，可对本机参数进行配置，对前端传感器、辅助设备进行控制，支持设备的远程重启。（6）数据上传功能。将采集到的传感器参数值、报警信息等数据实时进行数据上传，光纤通信条件下数据采集终端上送到主站开关量小于3秒，模拟量小于5秒。

4. 实验与分析

经过试验测试，所安装的前端环境监测设备采集的数据经汇控盒发送到后台控制中心后，发现收到的数据比现场检测仪器检测的值偏小，但是相对误差在2.0%以内，满足工程使用要求。偏差原因初步分析有两方面，一是现场检测仪器检测的瞬时值偏高；二是传感器自身存在响应时间及调理电路的精度误差。数据分析结果见下表：

表现场仪器和监控中心获得的气体体积分数值

时间（min） 现场检测体积分数（×10-6） 现场检测体积分数（×10-6） 相对误差（%）

0 100 99 1.0

15 150 147 2.0

30 200 196 2.0

45 250 247 1.2

60 300 297 1.0

75 350 344 1.7

90 400 394 1.5

105 450 445 1.2

120 500 496 1.8

5. 结束语

隧道环境监测系统基本满足隧道维护要求，但有些隧道周边环境复杂，监控环境参数类型应根据实际环境境况进行扩充和调整，环境监测智能盒及系统应具备更高的灵活性和可扩展性。

参考文献

1.《北京电力隧道现状与发展》；张一凡；北京电力公司；《岩土锚固工程》，2007年第3期 46-50页

2.《Tunnel monitoring》，Anonymous，Railway Gazette International，2009，Vol.165 （2），pp.22

3.隧道环境监测系统在福州电力隧道中的建设和应用，陈熹，陈志忠，全国第九次电力电缆运行经验交流会论文集

4.《城市下水道及化粪池可燃气体监控预警系统研制与应用》，包亮，重庆大学学报。2009.12

5.《An Improved Clustering Algorithm of Tunnel Monitoring Data for Cloud Computing》，Luo Zhong， KunHao Tang，The Scientific World Journal，2014， Vol.2014

6.《Communication System Design Based on TMS320F2407 with CAN Bus》，Guang Liu，AASRI Procedia，2012，Vol.3，pp.463-467