一种用于铁路隧道工程通风安全的联控联测系统的制作方法

1.本发明涉及铁路工程信息化智能化控制领域，尤其涉及一种用于铁路隧道工程通风安全的联控联测系统。


背景技术：

2.随着我国交通网的不断完善，铁路的建设中出现了越来越多的长隧道、特长隧道。《隧道施工安全九条规定》中规定“必须对有毒有害气体进行监测监控，加强通风管理，严禁浓度超标施工作业”。隧道在开挖过程中产生的有毒有害气体主要是甲烷，甲烷达到一定浓度极易发生火灾等重大安全事故，所以应对隧道内有毒有害气体浓度、通风设备用电情况进行实时监测监管。
3.针对高风险隧道，将排风设备的用电情况与隧道内有毒气体浓度进行关联，将建立用电量与有害气体浓度的联动监测机制，形成用电量与有害气体浓度的联动管控与联动预警，保障隧道内施工作业的安全。研究高风险隧道工程中通风用电量与有害气体量的监测数据的关联性，基于气体浓度监测模块，建立高风险隧道工程中通风设备用电与有害气体监测的实时联动监测。通过这样的方法在保障隧道内施工作业的安全的条件下，避免电能资源的浪费，环保节能，通过用电量的变化实现通风设备的运行智能化，也为一些在基础设施薄弱，用电区域气候条件恶劣，施工供电条件差的环境下实施稳定的施工供(用)电监测，提供用电技术决策。
4.此外，复杂艰险山区铁路具有“地质地形复杂气候条件恶劣、山地灾害频发、生态环境脆弱”等显工程环境著特征，其铁路沿线基础设施薄弱，用电区域气候条件恶劣，施工供电条件差，在铁路工程建设中进行供电管理、用电管理的难度较大。在这些铁路工程中需要智能化的硬件设备及相关技术进行施工供(用)电的计量监控再结合工程建设信息化，建立可实时可视化展示数据的信息化平台，以辅助施工供(用)电管理的决策支持。
5.在智能建造方面，现有技术中已经大力推动数字化和互联网等新兴技术，实施了一系列的建筑数字化举措推进铁路工程bim(building information modeling)项目基本上实现了具体工程机械设备用电情况的智能化、精细化管理,在工程造价方面对节能降耗的研究已经取得一些成效。例如，已经开展了推动智能道路交通系统(its)、智能机器人、人为管控的深度融合。在工程供电和用电方面，已经有研究人员先后开展了智能供电、精细化用电等研究。由于施工中的电力效果较大，对于电力能源的消耗管理的需求已经越来越重要。


技术实现要素：

6.为了克服和缓解现有技术的上述缺点和满足工程实践中的需求，本技术提出了一种用于铁路隧道工程通风安全的联控联测系统。
7.根据本技术的一个方面，提出了一种用于铁路隧道工程通风安全的联控联测系统，所述监测系统包括：气体监测模块，所述气体监测模块包括设置在隧道的固定位置处的
固定传感器和安装在随着施工进度不断向前推进的挖掘施工作业面和作业车上的移动传感器；风机组，所述风机组包括布置在隧道洞口的风机，通过隧道风带与挖掘施工作业面连通；用于监测所述风机组的用电数据的用电监测模块；联控联测单元，所述联控联测单元基于所述气体传感器和用电监测模块的数据，对所述风机组进行联控联测。
8.优选地，所述风机组通过第一风机控制回路和第二控制回路进行控制，其中所述第一控制回路为所述风机组的控制器与气体监测模块直接闭环连接，所述风机组基于气体监测模块的监测数据对风机进行控制；所述第二控制回路为所述风机组的控制器接受来自联控联测单元的控制信号，所述联控联测单元基于对用电监测模块的数据分析对所述风机组发出控制指令。
9.在根据本公开内容的联控联测系统的一个具体实施方式中，所述联控联测系统基于气体监测模块所监测到的预定气体的不同浓度和/或用电监测模块所监测到的用电量选择如下工作模式中的一种：常规模式，在该模式中，风机组中的风机处于低转速状态，持续为隧道输送新风；超标模式，在该模式中，启动所有风机，增大风机转速；危险模式，在该模式中，切断工作面所有带电设备，发出撤离警告,启动所有风机并且风机最大转速运行；节能模式，当预定气体的浓度低于节能预定值时，关闭风机的数量或降低风机运行速度；其中所述气体监测模块、风机组、电监测模块和联控联测单元均具有防爆性能或者带有防爆装置。
10.优选地，所述气体监测模块和/或所述风机组中的风机均预设有位置识别标识并且将相关信息发送给所述联控联测单元；所述联控联测单元基于所收到的监测数据中的位置识别标识判别在各个分区的有毒有害气体浓度和/或风机的用电量，从而获取隧道中不同位置的环境信息；在不同位置启动不同的工作模式。
11.通过应用根据本公开内容的技术方案，可以获得有益效果至少在于：
12.监测有毒有害气体浓度和用电量，从而获取隧道中不同位置的环境信息。当有毒有害气体浓度达到一定的预警值，联控联测系统会发出预警，系统会自动启动不同的工作模式，例如更多的通风设备或提高通风设备的运行速度，从而确保施工人员的安全，同时系统也会监控用电量的变化及有毒有害气体的浓度变化，当气体浓度低于一定的标准值，系统会自动减少通风设备的数量或降低通风设备的运行速度，启用节能模式。
附图说明
13.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：
14.图1为采用根据本公开内容的用于铁路隧道工程通风安全的联控联测系统的一个优选实施方式的示意图；
15.图2为根据本公开内容的联控联测系统中的联控方法的控制示意图；
16.图3为根据本公开内容的联控联测系统中联控联测中心单元的工作原理示意图。
具体实施方式
17.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本技术的实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但
并不作为对本发明的限定。
18.在此，需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
19.应该强调，术语“包括/包含/具有”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
20.根据本技术的一个方面，提出了一种用于铁路隧道工程通风安全的联控联测系统，监测系统包括：气体监测模块，气体监测模块包括设置在隧道的固定位置处的固定传感器和安装在随着施工进度不断向前推进的挖掘施工作业面和作业车上的移动传感器；风机组，风机组包括布置在隧道洞口的风机，通过隧道风带与挖掘施工作业面连通；用于监测风机组的用电数据的用电监测模块；联控联测单元，联控联测单元基于气体传感器和用电监测模块的数据，对风机组进行联控联测。
21.优选地，风机组通过第一风机控制回路和第二控制回路进行控制。其中第一控制回路为风机组的控制器与气体监测模块直接闭环连接，风机组基于气体监测模块的监测数据对风机进行控制。第二控制回路为风机组的控制器接受来自联控联测单元的控制信号，联控联测单元基于对用电监测模块的数据分析对风机组发出控制指令。
22.在根据本公开内容的联控联测系统的一个具体实施方式中，联控联测系统基于气体监测模块所监测到的预定气体的不同浓度和/或用电监测模块所监测到的用电量选择如下工作模式中的一种：
23.常规模式，在该模式中，风机组中的风机处于低转速状态，持续为隧道输送新风；
24.超标模式，在该模式中，启动所有风机，增大风机转速；
25.危险模式，在该模式中，切断工作面所有带电设备，发出撤离警告,启动所有风机并且风机最大转速运行；
26.节能模式，当预定气体的浓度低于节能预定值时，关闭风机的数量或降低风机运行速度。
27.其中所述气体监测模块、风机组、电监测模块和联控联测单元均具有防爆性能或者带有防爆装置。防爆装置例如可以是防爆挡板，或者防护罩。
28.在根据本公开内容的联控联测系统的一个具体实施方式中,气体监测模块和/或风机组中的风机均预设有位置识别标识并且将相关信息发送给联控联测单元；
29.联控联测单元基于所收到的监测数据中的位置识别标识判别在各个分区的有毒有害气体浓度和/或风机的用电量，从而获取隧道中不同位置的环境信息；
30.在不同位置启动不同的工作模式。
31.在根据本公开内容的联控联测系统的一个具体实施方式中,优选地，用电监测模块为智能电表，智能电表实时或以预定时间间隔采集风机的用电量，并将电量数据传输至联控联测单元，联控联测单元统计各个风机在不同转速情况下的持续时间及用电量，同时将电机在低转速和高转速时的用电量对比。
32.在根据本公开内容的联控联测系统的一个具体实施方式中，气体监测模块包括安装在掌子面和衬砌台车的多个位置处的有毒有害气体传感器。
33.在根据本公开内容的联控联测系统的一个具体实施方式中，联控联测单元基于气
体监测模块和用电监测模块的数据，对风机组进行联控联测,联控联测单元包括查询模块、存储模块、预警模块和数据分析模块。
34.在根据本公开内容的联控联测系统的一个具体实施方式中，根据现场需求，气体监测模块也可以包括在隧道侧壁上布置的有毒有害气体传感器。常规情况下，也可以仅仅在挖掘施工作业面和作业车布置多个有毒有害气体传感器。
35.在根据本公开内容的联控联测系统的一个具体实施方式中，风机组包括有变频风机，变频风机安装在隧道洞口，通过风带和隧道的施工工作面连通，变频风机的控制器可根据有毒有害气体的浓度来改变风机的电压和频率，从而控制风机的转速及风量。
36.在根据本公开内容的联控联测系统的一个具体实施方式中，联控联测系统被配置为气体浓度超出如下设定值时启动超标模式：瓦斯(ch4)《1％、一氧化碳(co)《24ppm、二氧化碳(co2)《1.5％；，氧气含量《20％。当瓦斯气体浓度(ch4)≥5％时，启动危险模式。
37.例如如图1所示的联控联测系统的一个具体实施方式中，监测系统包括：气体监测模块，气体监测模块包括设置在隧道的固定位置处的固定传感器110和安装在随着施工进度不断向推进的挖掘施工作业面和作业车上的移动传感器120；风机组200，风机组的风机沿隧道的长度方向布置，通过隧道风带300与挖掘施工作业面连通；用于监测风机组的用电数据的用电监测模块400；联控联测单元500，联控联测单元基于气体传感器和用电监测模块的数据，对风机组进行联控联测。
38.气体监测模块例如可以包括设置在隧道侧壁上的气体传感器。可以是有线或无线的传感器，包括隧道固定位置处和安装在随着施工进度不断向推进的挖掘施工作业面和作业车的有线或无线传感器。风机组可以通过隧道风带与挖掘施工作业面连通；所述风机组沿隧道的长度方向布置。可以使用智能电表监测风机组的耗电量，智能电表与风机组相连，可以实现远程抄表及智能监测风机组等用电设备电量。能够达到实时联动、环保节能的有益效果，同时也能够用施工供电的用电决策提供参考。例如，可以基于所监测到的所有风机的最高功率耗电量来规划电缆线路和供电设备的功率。
39.进一步地，根据本技术的联控联测系统的一个具体实施方式中，例如在复杂艰险山区长大隧道开挖过程中，安装有毒有害气体监测传感器，用于监测施工过程中产生的有毒有害气体浓度，例如：瓦斯(ch4)、一氧化碳(co)、二氧化碳(co2)、硫化氢、二氧化硫、二氧化氮等。同时，安装o2传感器，用于监测o2浓度。不同型号的传感器可以安装在隧道掌子面和衬砌台车上，掌子面与衬砌台车保持一定的安全开挖距离，可同时监测一定距离两处的气体浓度，尤其可对比掌子面处气体浓度的突变情况。随着隧道的开挖，气体传感器也随掌子面和衬砌台车一起向前移动。传感器采集的气体浓度信号，通过蓝牙或者wifi等无线网络方式传输至联动监测控制中心。
40.其中“掌子面”又称礃子面，是坑道施工中的一个术语。即开挖坑道(采煤、采矿或隧道工程中)不断向前推进的工作面。不是一个固定的面,开挖面有掌子面、边墙面和拱顶面。
41.可以将不同型号不同类型的气体传感器安装在隧道掌子面和衬砌台车上，掌子面与衬砌台车保持一定的安全开挖距离，可同时监测一定距离两处的气体浓度，尤其可对比掌子面处气体浓度的突变情况。
42.隧道施工中所使用的衬砌台车是隧道施工过程二次衬砌中必须使用的设备，用于
对隧道内壁的砼衬砌施工。砼衬砌台车是隧道施工过程中二次衬砌不可或缺的，主要有简易衬砌台车、全液压自动行走衬砌台车和网架式衬砌台车。全液压衬砌台车又可分为边顶拱式、全圆针梁式、底模针梁式、全圆穿行式等。在水工隧道和桥梁施工中还普遍用到提升滑模、顶升滑模和翻模等。
43.优选地，可以在隧道风机电路路上安装智能电表，定时采集风机的电量，并将电量数据传输至联控联测单元，通过分析计算，一方面统计风机在不同转速情况下的持续时间及电量，另一方面通过低转速和高转速用电量对比，能够实现动态展示安装变频风机后的节能效果，并将风机电量及分析结果数据推送至相关诸如台式电脑或者移动终端等的终端设备，供相关管理人员进行实时查看，为有毒有害气体监测及隧道开挖提供辅助决策。此外，联控联测单元还可以提供数据输出、存储、查询、分析等功能。如图3所示的联控联测单元的一个实施例的工作原理示意图中，联控联测单元接收来自气体监测模块、智能电表和变频风机组的数据，汇总分析之后，将其输出，提供存储、查询、分析等功能。同时可以根据分析和查询的结果在反馈至气体监测模块、智能电表和变频风机组，例如可以反馈至气体监测模块、智能电表和变频风机组的工作控制器或预设参数调整中。
44.例如，在隧道正常开挖过程中，联控联测系统的工作模式为常规模式，风机处于低转速状态，持续为隧道输送新风。当开挖过程中有毒有害气体浓度超标时，联控联测系统的工作模式为超标模式，启动风机控制回路，增大风机转速。例如，当瓦斯气体浓度(ch4)≥1％气体浓度高于预警值时风速会提高，当瓦斯气体浓度(ch4)＜1％时风机速度会降低。当瓦斯浓度≥5％时，联控联测系统的工作模式为危险模式，启动瓦电闭锁功能，切断掌子面所有带电设备，提醒作业人员立即撤离，并同时启动风机最大转速运行。
45.图2示出了本公开内容的联控联测系统中的联控方法的一个实例的控制示意图。如图所示的各个步骤中，联控联测单元采集用风机的用电量、风速、气体浓度等数据；基于预设值判断有毒有害气体浓度是否超出安全值。如果超出安全值，则风机高频高速高功率运行。如果有毒有害气体浓度低于安全值，风机低速运转。在风机运转预定时间后，再次读取相关数据，判断有毒有害气体浓度是否低于安全值，如果低于，则风机低速运转。智能电表采集风机运转的用电数据，并且传送至联控联测单元。其中的风机例如可以是直流变频风机或者其他可以控制功率和风量的风机。
46.风机组中的风机可以沿隧道的长度方向均匀布置在隧道的两侧。此外，风机组中的变频风机可以安装在隧道洞口，通过风带和隧道的开挖掌子面相连，不仅可以排出隧道内的有毒有害气体，也可为隧道内输送新风。变频风机可根据有毒有害气体的浓度信号控制风机的电压和频率，从而控制风机的转速及风量。
47.变频风机可以安装在隧道洞口，通过风带和隧道的开挖掌子面相连，不仅可以排出隧道内的有毒有害气体，也可为隧道内输送新风。变频风机可根据有毒有害气体的浓度信号控制风机的电压和频率，从而控制风机的转速及风量。正常开挖过程中，风机处于低转速状态，持续为隧道输送新风，当开挖过程中有毒有害气体浓度超标时，启动风机控制回路，增大风机转速。
48.联控联测单元采集有毒有害气体浓度及相应位置，通过设定不同气体浓度阈值，输出预警和报警信号，并控制风机电路，开启风机或增大风机转速。通过智能电表实时采集风机设备电量，反映风机用电情况，侧面反映浓度监测情况。有毒有害气体浓度的安全标准
为：瓦斯(ch4)《1％、一氧化碳(co)《24ppm、二氧化碳(co2)《1.5％。为保证现场作业人员的安全，氧气含量》20％。
49.隧道开挖过程中，有毒有害气体主要产生于掌子面及未实施二衬的开挖界面，各个有毒有害气体传感器安装在掌子面和衬砌台车上，并随掌子面的开挖和衬砌台车移动，联动监测控制中心通过判别接收到的信号来自于哪一个传感器，联动监测控制中心可监测有毒有害气体浓度和用电量，从而获取隧道中不同位置的环境信息。当有毒有害气体浓度达到一定的预警值，联动监测控制中心会发出预警，系统会自动启动更多的通风设备或提高通风设备的运行速度，从而监控用电量的变化及有毒有害气体的浓度变化，当气体浓度低于一定的标准值，系统会自动减少通风设备的数量或降低通风设备的运行速度。针对高风险隧道，将排风设备的用电情况与隧道内有毒气体浓度进行关联，将建立用电量与有害气体浓度的联动监测机制，形成用电量与有害气体浓度的联动管控与联动预警，保障隧道内施工作业的安全。
50.本技术的技术方案的实施，可以辅助推进铁路施工的信息化建设，稳定基础设施建设各项工作，实践“信息化 基建”的融合，可以融合对接现有的智慧电网，为综合解决方案提供数据支撑和底层信息。
51.所有上述的公开内容的描述，并没有设定限制其他形式的实施这种新产品和/或新方法。本领域技术人员将利用这一重要信息，上述内容修改，以实现类似的执行情况。但是，所有修改或改造基于本发明新产品属于保留的权利。
52.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。