蘇通 GIL綜合管廊智慧消防監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

朱超 譚風(fēng)雷 鄧凱 鄭建勇

摘要：蘇通 GIL綜合管廊傳輸線路長、電壓等級高，當(dāng)管廊出現(xiàn)火源時，如果處理不及時將造成嚴(yán)重后果。為提升蘇通 GIL綜合管廊發(fā)生事故時的應(yīng)急能力，建立了一套智慧消防監(jiān)控系統(tǒng)，以提高綜合管廊的安全性與可靠性。首先，通過對管廊內(nèi)部條件進(jìn)行分析，確定建立智慧消防系統(tǒng)的可行性;然后，根據(jù)現(xiàn)場條件建立整個消防監(jiān)控的實施架構(gòu)，并以云平臺為開發(fā)平臺，完成各個子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、與展示。根據(jù)實際需求，所設(shè)計的 GIL綜合管廊消防系統(tǒng)不僅具有面對 SF6氣體泄露與火災(zāi)事故的快速消防功能，同時還具備人員定位、應(yīng)急疏散和應(yīng)急避難等保護(hù)人員生命的價值功能，可降低事故帶來的損失。整個管廊監(jiān)控系統(tǒng)以云平臺為技術(shù)支持，將多個子系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一集成管理，最終實現(xiàn)智慧消防的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：蘇通 GIL綜合管廊工程;智慧消防;監(jiān)控系統(tǒng);云平臺

中圖分類號：TP273???????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A??????? 文章編號：1009-9492（2021）12-0171-05

Design of Intelligent Fire Monitoring System in Sutong GIL Utility Tunnel

Zhu Chao ，Tan Fenglei ，Deng Kai ，Zheng Jianyong

（Maintenance Branch， State Grid Jiangsu Electric Power Co.， Ltd.， Nanjing 211102， China）

Abstract： The Sutong GIL utility tunnel transmission line is long and the voltage level is high. When there is a fire source in the pipe gallery， if it is not handled in time， it will cause serious consequences. In order to improve the emergency response capability of Sutong GIL utility tunnel in case of accident， a set of intelligent fire monitoring system was established to improve the safety and reliability of utility tunnel. Firstly， by analyzing the internal conditions of the pipe gallery， the feasibility of establishing intelligent fire control system is determined. Then， according to the field conditions， the implementation framework of the whole fire monitoring is established， and the cloud platform is used as the development platform to complete the data collection， transmission and display of each subsystem. According to the actual demand， the designed GIL utility tunnel fire control system not only has the function of fast fire control in the face of SF6 gas leakage and fire accidents， but also has the value functions of protecting the lives of personnel such as personnel positioning， emergency evacuation and emergency refuge， which can reduce the losses caused by accidents. The whole pipe gallery monitoring system is supported by the cloud platform， which integrates and manages multiple subsystems in a unified way， and finally achieves the goal of intelligent fire fighting.

Key words： Sutong GIL utility tunnel project; intelligent fire; monitoring system; cloud platform

0 引言

特高壓氣體絕緣金屬封閉輸電線路（Gas Insulated Metal-enclosed Transmission Line ， GIL ），具有傳輸損耗低、傳輸能力強和高運行可靠性的優(yōu)點，使得該技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用在多種電能傳輸場合[1-2]?；诖?，我國為解決電能傳輸跨江問題以及提升華東電網(wǎng)內(nèi)部電力交換和電網(wǎng)安全穩(wěn)定能力，首次采用長距離雙回特高壓 GIL 輸電技術(shù)，建成世界上電壓等級最高、距離最長的蘇通 GIL 綜合管廊輸電工程[3-4]。

但是，考慮到該工程傳輸線路長、電壓等級高，對于電網(wǎng)的運維有極高的要求。一旦電纜出現(xiàn)火源等事故可能波及其他回路，直接影響到整個電網(wǎng)的運行安全。因此，為保障電網(wǎng)的安全運行，有必要針對整個管廊工程建立一套消防系統(tǒng)，實現(xiàn)對管廊工程消防的智能化管理[5]。夏天等[6]將物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)技術(shù)運用到智慧消防系統(tǒng)中，借助于云管理平臺可以很好實現(xiàn)消防系統(tǒng)的智能化管理，為消防系統(tǒng)建設(shè)提供新的發(fā)展方向。

本文在上述理論的基礎(chǔ)上，對蘇通管廊消防系統(tǒng)提供一種可行的物理架構(gòu)。按照架構(gòu)配合大數(shù)據(jù)云平臺優(yōu)越的集成與管理性能，實現(xiàn)消防的智能化，降低火災(zāi)發(fā)生帶來的損失[7-8]。相比傳統(tǒng)消防，設(shè)計的消防系統(tǒng)能夠更加有效安全的保護(hù)管廊與現(xiàn)場工作人員。消防系統(tǒng)的建立將有助于蘇通 GIL 綜合管廊實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測、實時預(yù)警與智能分析的功能，對于保持管廊工程的健康運行以及電網(wǎng)的安全具有重要意義。

1 GIL管廊工程概述

蘇通管廊工程示意圖如圖1所示。工程整體采用盾構(gòu)法隧道方案修建，始發(fā)工作井位于長江南岸（蘇州側(cè)），接收工作井位于北岸吹填區(qū)（南通側(cè)）。 GIL 管線單相長度約5820 m ，管廊斷面內(nèi)徑10.5 m ，外徑11.6 m，下層預(yù)留兩回500 kV電纜通道。建成的蘇通 GIL 管廊形成了貫穿皖、蘇、浙、滬負(fù)荷中心的華東1000 kV特高壓交流環(huán)網(wǎng)，具有保持華東電網(wǎng)內(nèi)部電力交換和電網(wǎng)安全穩(wěn)定的功能。

本設(shè)計圍繞著 GIL 綜合管廊運營管理目標(biāo)建立一套包括數(shù)據(jù)應(yīng)用、可視化設(shè)施設(shè)備統(tǒng)一監(jiān)控平臺以及集值守管理、運行監(jiān)測、應(yīng)急管理與處置于一體的消防綜合管理運營平臺。實現(xiàn)對綜合管廊各類設(shè)施、設(shè)備及其運行數(shù)據(jù)在 GIS電子地圖中的準(zhǔn)確定位及消防單元的可視化展現(xiàn)，使現(xiàn)有的 GIL 綜合管廊由現(xiàn)有的模擬化控制邁入數(shù)字化階段，實現(xiàn)“智慧管廊”建設(shè)目標(biāo)。

2 消防監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計

2.1 消防監(jiān)控架構(gòu)設(shè)計

綜合管廊綜合監(jiān)控系統(tǒng)是蘇通 GIL 管廊綜合運營管理的中樞，它將在監(jiān)控中心對蘇通 GIL 管廊整體運行情況進(jìn)行綜合監(jiān)控和運營管理。圖 2所示為蘇通 GIL 消防監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖。將整個物理架構(gòu)分為3層分別進(jìn)行介紹。第一層為接入層。在該層將根據(jù)監(jiān)控功能和子系統(tǒng)劃分，接入監(jiān)控系統(tǒng)的部分包括管廊 ACU、火災(zāi)報警監(jiān)控、氣體泄漏監(jiān)控、消防系統(tǒng)、應(yīng)急避險系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)等;第二層為匯聚層，針對消防專網(wǎng)和監(jiān)控專網(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)與功能匯聚;第三層為服務(wù)層，是面向監(jiān)控、管理和日常運維人員，主要是采集底層各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成和監(jiān)控功能集成。

2.2 智慧消防數(shù)據(jù)平臺架構(gòu)設(shè)計

智慧消防系統(tǒng)最突出的特點在于對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的優(yōu)越處理性能，具體包括數(shù)據(jù)傳輸速度快、低讀寫延遲和高存儲性能，最終實現(xiàn)從終端設(shè)備到服務(wù)平臺、從機器設(shè)備到業(yè)務(wù)流程、從數(shù)據(jù)信息到管理決策達(dá)到全數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)挖掘。采用 Hadoop云平臺，充分利用集群的強大功能進(jìn)行大容量存儲和并行計算，可以完成這個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理工作[9]。針對管廊消防系統(tǒng)的 Hadoop云平臺工作流程主要有3個階段，如圖3所示。

第一階段為消防系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集。該階段將消防子系統(tǒng)包括通風(fēng)、人員定位、應(yīng)急避難、供電系統(tǒng)等產(chǎn)生的數(shù)據(jù)同步到大數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫同步通常用 Sqoop，打點采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理后轉(zhuǎn)換后通過Kafka傳遞。

第二階段為消防系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理。不同的數(shù)據(jù)源產(chǎn)生的數(shù)據(jù)質(zhì)量可能差別很大且數(shù)據(jù)類型各異，需要先進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理。數(shù)據(jù)處理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)同步系統(tǒng)，存儲在 HDFS 。MapReduce、Hive、Spark 等計算任務(wù)讀取 HDFS 上的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，再將計算結(jié)果寫入 HDFS。

第三階段為消防系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸出與展示。將 HDFS中的數(shù)據(jù)導(dǎo)出到數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)同步導(dǎo)出相對比較容易，計算產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都比較規(guī)范，稍作處理就可以用 Sqoop 之類的系統(tǒng)導(dǎo)出到數(shù)據(jù)庫，此時應(yīng)用程序就可以直接訪問數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，同時將這些數(shù)據(jù)以曲線或者表格的形式實時展示給用戶。

3 蘇通GIL管廊消防功能設(shè)計

按照設(shè)計目標(biāo)，所設(shè)計的消防系統(tǒng)需要具備一些重要功能包含SF6氣體泄露消防、火災(zāi)消防以及人員定位、應(yīng)急疏散、應(yīng)急避難等。下面對這5個功能分別進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.1 考慮SF6泄漏的消防功能

GIL 管廊通風(fēng)通道內(nèi)充斥著大量的 SF6氣體，一旦泄露，對于管廊的通風(fēng)環(huán)境是不利的。所以考慮消防功能時需要考慮 SF6氣體泄露的情況。蘇通 GIL 管廊 SF6氣體泄露時的消防工作原理如圖4所示。

整個蘇通 GIL 管廊隧道內(nèi)通風(fēng)采用南北岸機械排風(fēng)的方式。整個通風(fēng)系統(tǒng)共設(shè)置6臺大型立式軸流風(fēng)機、4臺大型臥式軸流風(fēng)機、4臺 SF6專用離心排風(fēng)機，分別負(fù)責(zé)隧道上腔通風(fēng)隧道、隧道下腔巡視通道通風(fēng)、SF6排除通風(fēng)。當(dāng)蘇通 GIL 管廊隧道內(nèi) GIL 管道 SF6氣體泄漏時，隧道內(nèi) SF6探測器會進(jìn)行濃度監(jiān)測。具體的實施方案為如下。

當(dāng)上腔 SF6泄漏，南岸區(qū)域內(nèi)任一點監(jiān)測到 SF6濃度大于或等于100 ppm 報警濃度時，將會啟動報警點①，同時將兩岸的3臺主通道大型立式軸流風(fēng)機全部開啟，同時開啟兩岸所有4臺 SF6排風(fēng)機，打開 SF6泄漏南岸區(qū)域內(nèi)鄰近泄漏點1最低點兩個斷面（可能兩個都是斷面1，或是一個斷面1一個斷面2） 的閥門;當(dāng)上腔最低點 SF6泄漏，南、北岸區(qū)域內(nèi)任一點監(jiān)測到 SF6濃度大于或等于100 ppm報警濃度時，報警點②啟動發(fā)出報警，通風(fēng)機、排風(fēng)機開啟方式同前一種。但是將打開最低點 SF6泄漏南、北岸區(qū)域內(nèi)4個斷面2的閥門。

只要檢測管廊氣體濃度達(dá)到報警濃度，消防系統(tǒng)會立即報警并打開排風(fēng)斷面的電動密閉閥門，與主通風(fēng)一同作用將泄漏的 SF6氣體排出，快速的高濃度 SF6排出，保證管廊通道內(nèi)良好的空氣環(huán)境。

3.2 考慮火災(zāi)的消防功能

管廊發(fā)生火災(zāi)是威脅管廊安全的另一大隱患，所以需要針對發(fā)生火災(zāi)的情況進(jìn)行消防功能設(shè)計。GIL 管廊部分不考慮消防水系統(tǒng)，僅設(shè)置了移動式消防設(shè)施。根據(jù) GIL 管廊下腔中部巡視通道的配電柜集中區(qū)域分布情況，在管廊內(nèi)設(shè)置了12個消防分區(qū)，每個消防分區(qū)包含一套懸掛式超細(xì)干粉滅火聯(lián)動控制系統(tǒng)，原理如圖5所示。

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)火情時，現(xiàn)場人員和火災(zāi)探測器識別到都能夠觸發(fā)火災(zāi)報警聯(lián)動控制。在火災(zāi)報警系統(tǒng)聯(lián)動控制方式下，當(dāng)干粉滅火控制器收到本消防分區(qū)的兩個不同類型的火災(zāi)探測信號后，干粉滅火控制器啟動，聯(lián)動關(guān)閉本防火分區(qū)的防火門和管廊內(nèi)風(fēng)機，同時啟動本防火分區(qū)的聲光報警器。干粉滅火控制器啟動后延遲30 s 干粉滅火裝置開始噴放，當(dāng)控制器接收到噴放的反饋信號后點亮防火分區(qū)入口處的釋放門燈，直到滅火成功，再恢復(fù)設(shè)備到正常工作狀態(tài)。

3.3 人員定位功能

對管廊人員定位是一項重要功能，尤其當(dāng)管廊下發(fā)生火災(zāi)等事故時，可以根據(jù)人員定位系統(tǒng)對隧道中人員進(jìn)行快速定，方便開展及時的救援措施。目前對于管廊、隧道等工作場所，常用的人員定位技術(shù)包括：WiFi 人員定位、RFID 人員定位、ZigBee人員定位和 UWB 人員定位。這些方式各有優(yōu)勢，從定位精度、安全性、抗干擾、功耗等角度出發(fā)，本設(shè)計中采用 UWB 技術(shù)，其工作拓?fù)淙鐖D6所示。

針對GIL管廊工程，采用UWB有兩大優(yōu)勢，具體如下。

（1） 容量大，傳輸速度快。UWB 通信的帶寬都在500 MHz以上，其傳輸速率超過1 Gb/s 。而傳統(tǒng)的無線載波通信系統(tǒng)由于頻帶窄，要使傳輸速率達(dá)到100 Mb/s以上，必須采用多進(jìn)制調(diào)制等方法，這樣對信噪比提出了很高的要求，同時也加大了系統(tǒng)構(gòu)建的復(fù)雜性。

（2） 定位精度高。UWB 信號具有超寬頻帶的特性，使得 UWB 系統(tǒng)的距離分辨精度遠(yuǎn)高于其他系統(tǒng)。在事故狀況下開展救援工作具有巨大優(yōu)勢。

3.4 應(yīng)急疏散功能

針對傳統(tǒng)的消防應(yīng)急疏散系統(tǒng)存在的疏散指示方向固定、煙霧狀態(tài)下透光性差、維護(hù)成本較高等問題，提出采用智能消防應(yīng)急疏散系統(tǒng)。此系統(tǒng)采用應(yīng)急照明控制器（主機）+集中電源+分配電裝置+燈具四層結(jié)構(gòu)組網(wǎng)模式，其工作原理如圖7所示。從圖中可以看出，燈具與配電裝置之間采用二總線通訊，而監(jiān)控器與集中電源、配電裝置之間采用 RS485通訊，可以滿足通訊實時性的要求。其智能控制主要體現(xiàn)在不但可與消防報警系統(tǒng)聯(lián)動，確定火災(zāi)發(fā)生的位置，而且應(yīng)急指示標(biāo)志的指示方向可以根據(jù)火災(zāi)發(fā)生的具體位置進(jìn)行變化，并且應(yīng)急指示標(biāo)志增加閃爍和聲音提示，便于現(xiàn)場人員快速確定逃生方向。

3.5 應(yīng)急避難功能

根據(jù)已發(fā)生管廊事故調(diào)查，在火災(zāi)、爆炸等事故發(fā)生現(xiàn)場瞬間直接受傷亡的人數(shù)并不多，大部分的人是由于不能及時升井或逃離高溫、有毒氣體現(xiàn)場，造成窒息或中毒傷亡。建設(shè)避難硐室和救生艙成為解決此問題的一種辦法，根據(jù)蘇通 GIL 管廊的實際情況，增設(shè)移動避險艙，便于現(xiàn)場人員可以就近選擇避難。

救生艙類型可分為硬質(zhì)救生艙和軟質(zhì)救生艙，具體形式如圖8所示。硬質(zhì)救生艙外殼為硬度大的金屬，這種多用于容易坍塌的隧道和煤礦中，而軟質(zhì)救生艙外層為有機材料制作的覆蓋膜，具有耐高溫、隔絕外界空氣的特點，蘇通 GIL 管廊通道基本不會出現(xiàn)坍塌事故，隱患主要類型為火災(zāi)和毒氣泄漏。故本次設(shè)計采用軟體移動救生艙，既不占用大空間，又能在危機時能快速充氣，保證人員在極短時間內(nèi)進(jìn)入救生艙。

4 結(jié)束語

鑒于傳統(tǒng)管廊消防系統(tǒng)存在事故消防不及時、現(xiàn)場人員來不及逃離現(xiàn)場等問題，本文對蘇通 GIL 綜合管廊工程的消防系統(tǒng)作出改進(jìn)，設(shè)計一套基于云平臺的蘇通 GIL 管廊智慧消防與監(jiān)控系統(tǒng)。當(dāng)事故發(fā)生時，可以依靠管廊內(nèi)安裝的傳感器立即觸發(fā)消防功能，排除隱患;并考慮現(xiàn)場人員安全設(shè)計了人員疏散與避難功能，從根本上降低了事故帶來的損失。依靠云平臺作為技術(shù)支持實現(xiàn)子系統(tǒng)的集成與在線監(jiān)控，完成智慧消防監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)，達(dá)到系統(tǒng)的預(yù)期建設(shè)目標(biāo)。此系統(tǒng)的成功實踐可以為同類相關(guān)管廊工程消防建設(shè)提供參考。

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第一作者簡介：朱超（1987-），男，博士，高級工程師，研究領(lǐng)域為特高壓工程技術(shù)，已發(fā)表論文44篇。

（編輯：刁少華）