CN102692931B - 隧道消防高位水池液位监控系统及监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道消防高位水池液位监控系统及监控方法，包括置于高位水池至隧道的消防主干管的压力传感器、流量传感器和用于接收压力传感器的水压信号和流量传感器的水流量信号并计算得出高位水池的液位数值的监控系统，本发明能可通过计算可远程获知高位水池液位以及水压状况和用水状况（包括漏水或盗用消防水），对故障或水位实现实时监控，在主干管发生较大泄漏或堵塞等异常状况时，能正确反应隧道的消防主干管的压力状态，从而及时消防安全隐患，使得高位水池能够长周期安全运行，会极大的提高监控效率，减少水资源的浪费并降低公路运营费用；可防止偷盗，并使电缆得到有效保护，降低维护成本消除由于登高维护导致的人身安全隐患。

Description

隧道消防高位水池液位监控系统及监控方法

技术领域

本发明涉及一种用于高位水池的监控系统，特别涉及一种隧道消防高位水池液位监控系统及监控方法。

背景技术

隧道是山地国家道路的重要的组成部分，特别是对于高速公路，隧道是较为简单的通路手段。随着经济建设及科学技术的快速发展，公路、铁路等道路形式较多的依赖于隧道，特别是高速公路逐渐成为公路交通运输的主力，并且与人们的生产、生活密不可分。作为保障高速公路安全畅通运行的重要手段，高速公路隧道消防占据着越来越重要的低位。

公路隧道消防一般采用高位水池储水并备用的方式，高位水池须具有设定的液位，以保证消防使用；现有技术中，普遍采用超声波液位计测量高位水池液位，超声波液位计将液位信号传至控制器并控制消防水泵的控制模块（泵房内），在水泵房内通过控制器（智能仪表）将液位的数值形成上下限开关量信号控制水泵控制柜，实现高位水池水位下限时水泵开启，高位水池水位上限时水泵停止。上述监控系统能够起到相应的监控作用，但是存在下述问题：1、由于高位水池和消防水泵房之间有几十米甚至上百米的垂直落差，超声波液位计就需要数百米甚至数公里的供电电缆和信号电缆，由于该电缆长期处于荒郊野外，容易发生被盗现象，且使用寿命较短，提高使用成本；2、超声波液位计处于高位水池顶部，距离高速公路较远，维护超声波液位计非常不方便，甚至有时会造成维护人员的安全操作；3、全依赖于整个系统的无故障运行，没有远程的监控，对故障或水位没能实时监控，易于产生安全事故；4、用高位水池超声波液位计测量得到的液位间接反应了隧道的消防主干管的压力状况，当出现如发生超声波液位计损坏，也就不能监控隧道内消防水管的漏水和违规使用消防水状况；或者主干管发生较大泄漏或堵塞等异常状况时，超声波液位计的测量值就不能正确反应隧道的消防主干管的压力状态，从而引发消防安全隐患；上述问题使得高位水池无法长周期安全运行，而对于缺水地区及消防水不容易取得的地区，隧道内的消防水的保持更为重要，而上述问题会导致隧道中消防水泄漏、违规使用消防水（如利用消防水洗车、洗菜等）等，对隧道的消防安全造成极大威胁，同时也会造成水资源的浪费和公路运营费用的提升。

因此，需要对高位水池的液位监控系统进行改进，能够实时获取隧道的消防主干管的压力信号和流量信号，从而可远程获知高位水池液位以及消防水的使用情况，以利于根据该状况处置高位水池所出现的漏水、非正常使用等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种隧道消防高位水池液位监控系统及监控方法，能够实时获取隧道的消防主干管的压力信号和流量信号，从而可远程获知高位水池液位以及消防水的使用情况，以利于根据该状况处置高位水池所出现的漏水、非正常使用等问题。

本发明的隧道消防高位水池液位监控系统，至少包括：

压力传感器，设置于高位水池至隧道的消防主干管用于采集该主干管内的水压信号；

流量传感器，设置于高位水池至隧道的消防主干管用于采集该主干管内的水流量信号；

监控系统，用于接收压力传感器的水压信号和流量传感器的水流量信号并计算得出高位水池的液位数值；

进一步，还包括：

消防水泵控制模块，用于控制高位水池的消防水泵的运行状态；

所述监控系统包括：

高位水池液位监控仪，用于接收压力传感器的水压信号和流量传感器的水流量信号计算得出高位水池的液位数值，并向消防水泵控制模块发出控制命令并接收消防水泵控制模块发来的消防水泵运行状态参数信号；

远程监控系统，接收高位水池液位监控仪传来的压力数值、流量数值和液位数值并向高位水池液位监控仪发出远程控制命令；

进一步，所述流量传感器为超声波流量计；

进一步，所述远程监控系统设置于路段监控站，与高位水池液位监控仪之间通过交换机交换数据；

进一步，所述远程监控系统与高位水池液位监控仪之间、压力传感器和流量传感器与高位水池液位监控仪之间以及高位水池液位监控仪与消防水泵控制模块之间的数据传输线缆均设置于电缆沟内；

进一步，所述高位水池为高速公路高位水池。

本发明还公开了一种监控高位水池液位的方法，包括下述步骤：

a.获取高位水池至隧道的消防主干管内的压力数值和流量数值；

b.根据流量数值计算得出压力损失，根据压力损失与压力数值根据公式获得高位水池液位数值；公式中：p为压力损失与压力数值之和；ρ为流体密度；g为重力加速度；h₁为高位水池底部至隧道的消防主干管的垂直高度；h为高位水池液位。

进一步，还包括下述步骤：

c.如果高位水池液位数值低于设定的下限值，则向消防水泵控制模块发出启动消防水泵的控制命令，并获取消防水泵的运行状态参数；否则，不发出启动消防水泵的控制命令；

d.将高位水池液位数值发送至远程监控系统，如果高位水池液位数值低于设定的下限值则输出该信号并发出启动消防水泵的远程控制命令，如果高位水池液位数值高于设定的上限值则输出该信号。

本发明的有益效果是：本发明的隧道消防高位水池液位监控系统，能够实时获取隧道的消防主干管的压力信号和流量信号，从而通过计算可远程获知高位水池液位以及水压状况和用水状况（包括漏水或盗用消防水），对故障或水位实现实时监控，在主干管发生较大泄漏或堵塞等异常状况时，能正确反应隧道的消防主干管的压力状态，从而及时消防安全隐患，使得高位水池能够长周期安全运行，会极大的提高监控效率，减少水资源的浪费并降低公路运营费用；由于信号采集设备位于隧道的消防主干管内，因此，通信电缆等设置于电缆沟内，可防止偷盗，并使电缆得到有效保护，降低维护成本；同时，设备均可安装在隧道口及消防水泵房，维修方便，消除由于登高维护导致的人身安全隐患。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明的原理示意图；

图2为本发明监控方法方框图。

具体实施方式

图1为本发明的原理示意图，如图所示：本发明的隧道消防高位水池液位监控系统，至少包括：

压力传感器3，设置于高位水池1至隧道的消防主干管2用于采集该主干管2内的水压信号；可采用现有技术中能够侧的水压的任何结构的压力传感器；高位水池至隧道的消防主干管为铺设于隧道内水平设置的消防管段，与高位水池之间通过上下的连通管道连通；

流量传感器4，设置于高位水池1至隧道的消防主干管2用于采集该主干管2内的水流量信号；流量传感器4可选择超声波等现有技术用于测得管内流量的任何流量传感器；

监控系统，用于接收压力传感器3的水压信号和流量传感器3的水流量信号并计算得出高位水池的液位数值；监控系统至少应包括转换、放大和中央处理等部件，用于完成对数据的接收和处理，属于现有技术的数据接收处理设备，在此不再赘述，可远程设置，便于监控。

本实施例中，还包括：

消防水泵控制模块6，可采用现有的水泵控制柜，用于控制高位水池1的消防水泵7的运行状态；消防水泵7为高位水池1的供水设备，采用现有技术的连接方式，强制供水至高位水池1，以便高位水池1水位不够安全标准时供水；

所述监控系统包括：

高位水池液位监控仪5，用于接收压力传感器3的水压信号和流量传感器4的水流量信号计算得出高位水池1的液位数值，并向消防水泵控制模块6发出控制命令并接收消防水泵控制模块6发来的消防水泵7运行状态参数信号；高位水池液位监控仪6一般选用现有的智能仪表，本身设有数据放大和转换功能，设定程序后能够根据高位水池1的水位变化控制消防水泵控制模块6，即低于水位下限值启动消防水泵7供水，高于上限值停止消防水泵7，消防水泵控制模块6即是消防水泵的控制柜，属于现有技术，在此不再赘述；高位水池液位监控仪6可设置于隧道口或者消防水泵泵房10内，并将测的数值进行显示；

远程监控系统9，接收高位水池液位监控仪5传来的压力数值、流量数值和液位数值并向高位水池液位监控仪5发出远程控制命令，该命令主要用于启动和关闭消防水泵7；远程监控系统9采用网络进行监控，并通过网络发出控制命令，配以显示系统可实现对消防水泵运行状态的参数监控和视频监控。

本实施例中，所述流量传感器4为超声波流量计；属无阻碍流量计，适用于流量测量困难的消防主干管内水流量，更适用于大口径的消防主干管流量测量。

本实施例中，所述远程监控系统9设置于路段监控站，配套难度低，易于实现；与高位水池液位监控仪5之间通过交换机8交换数据，通过交换机进8行过渡，使本发明更具有灵活性。

本实施例中，所述远程监控系统9与高位水池液位监控仪5之间、压力传感器3和流量传感器4与高位水池液位监控仪5之间以及高位水池液位监控仪5与消防水泵控制模块6之间的数据传输线缆均设置于电缆沟内。

本实施例中，所述高位水池1为高速公路高位水池。

图2为本发明监控方法方框图，如图所示，本发明还公开了一种监控高位水池液位的方法，包括下述步骤：

a.获取高位水池1至隧道的消防主干管2内的压力数值和流量数值；

b.根据流量数值计算得出压力损失，根据压力损失与压力数值根据公式获得高位水池液位数值；公式中：p为压力损失与压力数值之和；ρ为流体密度；g为重力加速度；h₁为高位水池1底部至隧道的消防主干管的垂直高度；h为高位水池液位；

在消防水处于静止状态下，可直接通过在隧道的消防主干管的压力传感器的压力参数，计算出消防高位水池的液位；

而在消防主干管有水流的情况，根据伯努利方程：

式中：p——断面压强；ρ——流体密度；v——断面平均流速；g——重力加速度；C——常数，由边界条件确定。

伯努利方程可以简单的描述为流速越大，压力越小；在消防主干管有较大水流速度的情况下，如果仍只用单一的隧道的消防主干管压力表测量水压力来计算液位，就会出现计算出的液位数据低于实际液位，水流速度越大，计算出的液位数据就越小于实际液位。这就需要采用其他方法来补偿水流速度对压力的影响。水管内的水流速度可以通过流量计（流速计精度太低）计算出水流速度。根据水力学理论，Chezy公式、Hazen-Williams公式和Darcy-Weisbach公式可以解决水流速度和压力的关系。

其中Chezy公式：

$Q=C\·A\·\sqrt{R\·S}$

这里：

Q——断面水流量（m³/s）

C——Chezy糙率系数（m1/2/s）

A——断面面积（m²）

R——水力半径（m）

S——水力坡度（m/m）

Hazen-Williams公式是管道计算中常用压力损失计算公式，该公式表达为：

Q=k·C·A·R^0..63·S^0.54

这里：

Q——断面水流量（m³/s）

C——Hazen-Williams糙率系数（无量纲）

A——断面面积（m²）

R——水力半径（m）

S——水力坡度（m/m）

k——常数，采用国际单位时为0.85

Darcy-Weisbach被用于许多要求计算精度较高的工程中。Darcy-Weisbach公式表达为：

$h_f=f\·\frac{l}{d}\frac{v^2}{2g}$

这里：

h_f——压力损失（mm³/s）

f——Darcy-Weisbach水头损失系数（无量纲）

l——管道长度（m）

d——管道内径（mm）

v——管道流速（m/s）

g——重力加速度（m/s²）

根据上述3个公式，通过在隧道内主干管的压力表和流量计，可以计算出流速对压力的关系，从而得到高位水池的液位。

本实施中，还包括下述步骤：

c.如果高位水池1液位数值低于设定的下限值，则向消防水泵控制模块发出启动消防水泵的控制命令，并获取消防水泵的运行状态参数；否则，不发出启动消防水泵的控制命令；也就是说，通过上下限开关量信号控制消防水泵控制模块，实现高位水池水位下限时消防水泵开启，高位水池水位上限时消防水泵停止。

d.将高位水池1液位数值发送至远程监控系统，如果高位水池1液位数值低于设定的下限值则输出该信号并发出启动消防水泵的远程控制命令，如果高位水池液位数值高于设定的上限值则输出该信号；

具体过程是：高位水池液位监控仪5对隧道的消防主干管2的压力传感器3信号和流量传感器4信号进行整理计算，得出高位水池1液位；根据得到的高位水池1液位，输出高位水池1的上下限控制信号至消防水泵控制模块6，控制消防水泵7的起停。同时输出高位水池1液位信号给远程监控系统；远程监控系统根据需要，实现对消防水泵7的远程控制，由于本系统中安装有流量传感器4，可以将水管是否漏水、是否有人偷用消防用水等信息反应给监控系统，以便隧道管理人员及时处置，避免消防水源的浪费和破环。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种隧道消防高位水池液位监控系统，其特征在于：至少包括：

压力传感器，设置于高位水池至隧道的消防主干管用于采集该主干管内的水压信号；

流量传感器，设置于高位水池至隧道的消防主干管用于采集该主干管内的水流量信号；

监控系统，用于接收压力传感器的水压信号和流量传感器的水流量信号并计算得出高位水池的液位数值；液位数值的计算方式：根据流量数值计算得出压力损失，根据压力损失与压力数值根据公式                                               获得高位水池液位数值；公式中：p为压力损失与压力数值之和； ρ为流体密度； g为重力加速度；h₁为高位水池底部至隧道的消防主干管的垂直高度；h为高位水池液位。

2.根据权利要求1所述的隧道消防高位水池液位监控系统，其特征在于：还包括：

消防水泵控制模块，用于控制高位水池的消防水泵的运行状态；

所述监控系统包括：

高位水池液位监控仪，用于接收压力传感器的水压信号和流量传感器的水流量信号计算得出高位水池的液位数值，并向消防水泵控制模块发出控制命令并接收消防水泵控制模块发来的消防水泵运行状态参数信号；

远程监控系统，接收高位水池液位监控仪传来的压力数值、流量数值和液位数值并向高位水池液位监控仪发出远程控制命令。

3.根据权利要求2所述的隧道消防高位水池液位监控系统，其特征在于：所述流量传感器为超声波流量计。

4.根据权利要求3所述的隧道消防高位水池液位监控系统，其特征在于：所述远程监控系统设置于路段监控站，与高位水池液位监控仪之间通过交换机交换数据。

5.根据权利要求4所述的隧道消防高位水池液位监控系统，其特征在于：所述远程监控系统与高位水池液位监控仪之间、压力传感器和流量传感器与高位水池液位监控仪之间以及高位水池液位监控仪与消防水泵控制模块之间的数据传输线缆均设置于电缆沟内。

6.根据权利要求5所述的隧道消防高位水池液位监控系统，其特征在于：所述高位水池为高速公路高位水池。 

7. 一种监控高位水池液位的方法，其特征在于：包括下述步骤：

a.获取高位水池至隧道的消防主干管内的压力数值和流量数值；

b.根据流量数值计算得出压力损失，根据压力损失与压力数值根据公式获得高位水池液位数值；公式中：p为压力损失与压力数值之和； ρ为流体密度； g为重力加速度；h₁为高位水池底部至隧道的消防主干管的垂直高度；h为高位水池液位。

8. 根据权利要求7所述的隧道消防高位水池液位监控系统，其特征在于：还包括下述步骤：

c.如果高位水池液位数值低于设定的下限值，则向消防水泵控制模块发出启动消防水泵的控制命令，并获取消防水泵的运行状态参数；否则，不发出启动消防水泵的控制命令；

d.将高位水池液位数值发送至远程监控系统，如果高位水池液位数值低于设定的下限值则输出信号并发出启动消防水泵的远程控制命令，如果高位水池液位数值高于设定的上限值则输出该信号。