付军国
上海市机械施工集团有限公司技术中心 上海 200072
【摘要】长距离小直径天然气管道施工过程中监控中心的设计与应用
【关键词】长距离天然气管道；监控中心；系统集成
1、引言
小直径泥水盾构隧道施工过程中随着掘进距离的加长，对施工过程中碰到的问题更需要及时发现并处理，防止事故发生。若相关配套设备出现问题不能及时发现，容易造成施工停止，并不易发现问题所在位置，增加处理问题时间，拖慢施工进度。
本文以上海市天然气主干管网崇明岛-长兴岛-浦东新区五号沟LNG站管道工程为背景，研究长距离的隧道施工过程中监控中心的设计与建设，并作为整个工程施工的大脑，全方位监视及控制施工。
2 工程概况
上海市天然气主干管网崇明岛-长兴岛-浦东新区五号沟LNG站管道工程，包括崇明岛过江井（在崇明清管站内）～长兴岛北过江井（在长兴清管站内），越江隧道长约8237米。越江隧道采用盾构法施工，内径?3.4m。
本工程施工的主要难点有：
1）长距离施工，无中间井，信息交流困难；
2）隧道直径小，布置运输轨道和相应管路后空间狭小，不易监控；
3）隧道内设备较多，设备问题后不能及时发现位置及处理；
4）隧道内人员及物资运输有限空间内交叉进行，易引发安全事故。
为解决上述施工难点，并监控隧道内相关设备状况及保证运输系统安全稳定运行，而提出监控中心的设计及建设。
3 监控中心
监控中心是整个工程施工过程中执行任务和决策信息化来源中心所在，是施工配套的所有设备的信息采集显示和相关报警、人员进出控制、水平运输安全管控的指令唯一出发点，也是管理人员与下层施工人员的沟通协商和施工指令的传达点。
监控中心主要硬件设备有：中央监控服务器，中控人员操作平台，多台数据库服务器（数据备份机），DLP组合式背投，所有设备的自动报警声光提示音响系统，相关网络设备等。监控中心为一封闭式特殊单元， 对它的安全稳定的运行是首先考虑的前提，集中式管理，现场人员全天候值守，确保整个工程施工安全可靠运行。监控中心的主要任务有水平运输系统的调控、盾构机和后台泥水分离及其它配套的设备信息采集和后续的监督、跟上下级主管部门的沟通及协作等。
为保证其正常工作，整个监控中自动化程度较高，并与多家不同单位设备进行数据交换任务，相关要求有：
1）监控中心与各种设备提供的信息专用连接通信光纤，光纤布置的净尺寸应满足日常检修的要求；
2）监控中心有能及时有效与多个管理部门进行通信要求，并能提供移动端的信息采集；
3）监控中心建筑面积应满足使用要求；
4）二十四小时供电运行要求。
5）人员进行必需进行严格控制和专门安全措施。
3.1监控中心的信息采集
隧道内敷设有电力电缆、通讯电缆、高压空气管道、进回泥管道、送回泥泵、风机等附属设备。为方便日常管理和增强整个系统的安全性和防范能力，相应信息必需通过转换模块用内部局域网传送于监控中心并显示。
设置于地面的控制中心根据各种附属设备布置实际位置的情况和日常管理的需要，在监控室内设置以组态王为编程环境而设计的集成平台。集成平台主要包含以下辅助系统：环境与设备监控系统、水平运输防碰撞系统、通信检查系统、自动报警系统、地理信息系统等，保证所有信息采集及处理于统一的管理信息平台。集成平台下的系统配置原则：可靠、先进、实用、经济。
监控系统地理信息区分主要以隧道内岔道区间为一个区段（单元），每个区段内设置一个主要接入交换机，为此区段内所有设备提供信息采集及传送接口，传送于监控中心。
采集参数集中点分布一般以变压器，风机、进回泥泵的位置。
采集的信息来源主要是盾构机和地面的泥水分离，送回泥设备、送风机及空气报警系统等设备信息，还有其它配套设备比如高压空气管的压力及流量和中间变压器的电压等。
3.1.1盾构机监控系统
除厂家提供的远程控制软件外，为更加配合实际施工需要，可通过组态王平台为基础进行系统的重构。
通过直接读取盾构机内PLC内的地址内的直接信息后，通过数据转换器的转换，变成TCP/IP信号后，在通过光纤网关接口。此信息沿隧道布置的光纤直接传送至监控中心。在监控中心通过组态王进行显示盾构机的相关系统。
此系统主要显示的信息刀盘信息、推进系统信息、铰接信息、进泥系统信息、回泥系统信息、测量系统信息等。
3.1.2空气探测数据采集系统
天然气的小隧道掘进过程中，通过从地面吸入新鲜空气压缩进入隧道盾构机部，基本上能保证里面人员的需的氧气和质量好的空气。隧道内部气压会把已经污染的空气沿着隧道向外排出，但是因为电机车不停进出，容易造成瓶颈堵塞效果，造成局部空气不能有效的更新。
天然气管道由于内径偏小，造成通风的送风管道只能有限的扩大，保证一个极限值。而且随道掘进距离的增加，这种理论值可能会出现较大误差，容易引起在此工作的人员受到伤害。并且在地下掘进过程中，对于有毒气体的控制不能靠人员或者盾构机上安装的传感器来确认。
为防止出现由于空气原因引来的安全事故，必须合理的距离上布置空气探测器，能过里面配套的PLC转为RS485信号进入地面控制中心，二十四小时全面监控。
此系统主要显示的信息是隧道装有空气探测仪的空气O2、CO2 、CH4 等气体的含量。相关气体的含量超过安全设定值后，不光把警告信号传递给控制中心工作人员进行处理，而且还会在隧道内发出灯光和声音报警声音，警告报警器所在区域的工作人员离开。
在隧道内部分段区的位置安装气体报警器，并通过气体报警器输出端引出报警脉冲信号通过10/100Mbps交换机，然后进入以光缆为主干的以太网进人控制中心。控制中心有集中显示、指示警报的部分，可分段或分点显示报警点，且可在指示警报单元上以红色柱状图表显示器定量显示报警浓度。
工作人员检查、维护、改造作业时，需携带可燃气体报警器为手持式，检测不同地点的可燃气体浓度，便携式气体检测仪集控制器。探测器于一体，小巧灵活。与固定式气体报警器相比主要区别是便携式气体检测仪不能外联其他设备。
3.1.3水平交通控制系统
盾构推进配套的水平运输系统除了在井口必须设置岔道外，为增加工效必需在隧道内部设置岔道。由于隧道内径空间有限，机车操作人员并不能通过声音和无线对讲机与对面有效的交流，极易造成碰车严重的安全故事，所以必需有一个安全、合理、有效的规则进行机车运行管理系统。
此系统主要组成有二个部分，一个是人员的通信，一个是岔道的闸道进行自动切换。此系统还必需与无线定位系统合作，才能进行有效的进行交通管制。
一般电瓶车启动准备运行时，必需通过有效点与地面控制中心的交通管制人员进行位置确认（交通管理人员同时也能通过无线定位系统进行电瓶车现在所在位置显示），告诉交通人员自己所往前一段地点。
若允许，刚在电话确认信息点处进行显示相关红绿灯信息。此电话确认信息点处也为岔道闸道自动切换处。
若交通管制人员确认后，需要进行人工到岔道进行观望后才进入下一段地点。
并且在下一个岔道处停止。重复进行信息确后，在并在监控中心通过视频监控信息在次进行信息确认后，监控中心水平运输的管控专门人员进行指令的确认。
此系统原则有：
1）安全第一，信息三层信息确认；
2）指令专人负责，只允许地面监控中心专门水平管控人员发出指令；
3）机车停止只充许在岔道右侧，左侧为进入车辆专用通道；
4）对指令进行全程软件记录；
5）若出现信息异常或者丢失，不允许进一步操作，必需重新进行全面信号确认后才能进一步指令下达；
6）机车不允许超速行使；
7）机车不允许连续行使不同分段点，除特殊情况外。
此信息主要产生的信息有岔道闸道所处位置。
3.1.4无线定位系统
在隧道施工过程中，人员和运输的机车位置动态显示，对运输的管控有重要的参考价值，对于监控中心的调度人员形成一种直观的信息判断和指令的调配的实时回馈感。
高精度关键位置定位技术是解决施工现场人员、设备、车辆精确定位的问题。而精确定位是对生产组织过程信息化、智能化的前提。
系统的主要组成是隧道内布置的无线基站和地面控制软件。无线基站除固定于隧道易于检修的人行通道外，还布置一个跟随盾构掘进而移动的基站端，以便定位精确。整个进入隧道人员必需佩戴定位卡来进行定位。定位卡提供声光报警和紧急呼叫的按钮，防止出现异常情况下的信息传递。
3.1.5相关配套设备数据采集系统
盾构机长距离施工过程中需在隧道内外布置相关设备，每布置一段时，必有相应的控制箱，里面有PLC总控，提供相应的现场控制和远程控制接口及信息传送接口。
此信息主要是实时显示相关设备的当前压力、当前流量 、设定压力、设定流量等有效信息。通过监控中心重新进行实时曲线显示，方便数据异常显示。
监控中心通过有效的曲线数据图像对比后，能知道相应区段的浮动的数据变化量，若此数据值变化较大时，能提供有效的预报警，进行设备的临时检修，及盾构掘进指令变化。
3.1.6视频监控系统
视频监控是安全防范系统的重要组成部分。监控系统包括前端摄像机、传输线缆、视频监控平台。摄像机为网络数字摄像机，可作为前端视频图像信号的采集。它是一种安全事故防范能力较强的综合系统。
采集系统为安装隧道和工程其它地点的高清摄像头。云台处理系统主要完成对视频信号的数字化处理、图像信号的显示、图像信号的存储、及图像信号的远程传输。本系统中采用硬盘录像及远程传输系统实现对所有采集点的显示、录像和回放以及远程浏览。
根据施工具体要求可在隧道内布置无线网桥，用于接入无线数据网络，并访问内部局域网。通过无线网桥，可以将IP网上的监控信息传至无线终端，也可以将无线终端的控制指令传给IP网上的视频监控管理系统。
监控中心用于集中对所辖区域进行监控，包括电视墙、监控客户终端群组成。系统中可以有一个或多个监控中心。
岔道位置安装高清摄像机进行岔道的轨道位置定位显示，在水平运输的机车上安装网络摄像头，并显示于机车驾驶人员操作人工控制的自动岔道移位位置。
3.2监控中心的通信系统
相关设备通信系统合用一套以光纤为主干的以太网通信系统，并在此网络上配置不同系统所需的无线基站。网络布置基本上对称分布，分层分类，循环冗余结构进行。外部网络与项目部内部网络通信之 间一般采用光纤进行通信，若条件不具备，可以采用远端的无线发射器进行通信。
内部网络与外部网络通信必须进入防火墙，防止出现数据安全事故。在地下隧道内的通信以多模光纤为主干，以交换机为节点，以设备的主要集中地为分界点进行布置。
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3.3无线对讲系统
无线对讲系统对于各项管理工作将带来极大的便利。可实现高效、即时的处理各种事件，最大限度地减少可能造成的损失。
系统包括但不限于最大有效功率、频道空间、认可频道、频率容忍度等的使用。系统电磁场覆盖面之强度优于150ūV/m，没有杂声及干扰。
工作方式本系统采用常规无线通讯系统，按下对讲键后通话。为达到内部通信覆盖率100%的要求，根据其隧道内结构利用同轴电缆和功分器，布设多付天线以便发射和接收信号。本系统既要保证较好的通话质量，同时又要避免天线辐射源对隧道内部的其它系统造成干扰，严格执行综合布线区内电磁波干扰场强不大于3V/m的标准。
4 结束语
在城市建设和发展中，长距离小直径的天然气管道的建设越来越多，在施工过程中，隧道内空间的有效利用，监控中心的设计与应用作用显而易见。监控中心的设计时所需重点主要与施工主管部门的协调和信息的有效整合。
监控中心系统的把各类设备进行整合与管理，并对信息分散采集和集中进行管理。对整个监控中心的系统维护和改造等后续过程主要是施工过程中碰到的问题进行多方的协调。
监控中心就是在连续不间断的工程施工中有可靠性、相应设备及系统构成有先进性、使用过程中有实用性和经济性。
【参考文献】
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[2]《电子信息系统机房设计规范》GB50174；
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[5]《密闭空间作业职业危害防护规范》GBZ/T 205;