CN107391889B - 隧道施工通风柔性风管状态实时检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种隧道施工通风管状态监测方法及系统。一种隧道施工通风柔性风管状态实时监测方法，在柔性风管之间设置风速监测点，实时检测监测点的风速并通过积分计算经过检测点的风量值；根据风机出口的风量值和风管的百米漏风率，计算得到各风速监测点正常情况下的风量值；实时检测柔性风管各监测点的风量值，和正常状态下该监测点的风量值进行对比，当某一监测点的风量值较之正常状态下的风量值有较大偏差，而且其上游的检测点的风量值与理论值相比没有较大偏差时，则判断此两点之间的风管出现了漏风情况。一种隧道施工通风柔性风管状态监测系统，在每3～5个柔性风管之间设置风速监测点，由检测节点、WIFI网络和服务器组成风管状态监测系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种隧道施工通风管状态监测方法及系统，尤其是涉及一种隧道施工通风柔性风管漏点检测及风管状态监测的方法和系统。
背景技术
隧道施工通风系统是隧道工程的重要组成部分，保证了隧道施工过程中整个隧道内部的作业环境。隧道施工通风系统的组成原理如图1所示。整个隧道施工区域分为斜井(或者横洞，根据具体的地势。以下只称斜井)和正洞两个部分。通风风机位于斜井口，通过风管将洞外的新鲜空气送至掌子面。新鲜空气进入掌子面后，沿正洞、斜井将施工隧道内的污染空气带出，从而保证施工隧道内的空气满足规程要求。在图1所示的通风过程中，常采用维尼龙胶布风管作为通风风管。该风管具有风阻力系数低、漏风率低、便于运输安装等特点。柔性风管一般20米为一节，节与节之间通过拉链进行连接。拉链处进行密封处理，保证能够将风机输出的风量最大化地输送至掌子面。风机的输出风压要能够克服整个风管的风阻。风机输出的风量在整个风管的传输过程中会有一定的正常损失，即
Q损失＝Q风机×L×η100
其中，Q损失为风管正常损失的风量；Q风机为风机输出的风量；L为风管长度；η100为风管的百米漏风率。
风管在实际安装过程中，要依次通过可能存在的维修台架、二衬台架和防水板台架，有时候会对风管造成一定的损伤。另一方面，过往的车辆也会对风管造成意外创伤，导致漏风情况的发生。如果分管的漏风情况没有被及时发现，将会严重地影响整个通风系统的效率。在目前的实际工作中，通风工需要经常性地在风管沿线进行巡逻，主要靠耳朵的听觉来发现风管上漏风的位置，并进行相应的处理。但是隧道施工环境恶劣，噪声较大，即便经验丰富的通风工也难免会漏掉一些重要的漏风点。而且风管长度动辄几千米，大量的巡视工作占用了通风工较多的时间。
目前有文献公开的检测方法都是离线检测(测试阶段)。如灯光检测方法需要用电线将白炽灯通过整个风管，并人工观察风管的漏风位置；如采用鼓风机和静压传感器控制风管内压力为700Pa，然后采用人工对风管进行漏风声音观察；再如在风管内安装烟雾发生装置，并使用风机增加分管内静压，同时观察风管壁是否有烟雾漏出。这几种检测方法需要人员的深入参与。不能很好的适用于隧道施工通风柔性风管的在线状态监测。
发明内容
本发明针对现有技术不足，提出了一种基于无线网络的隧道施工通风柔性风管状态实时监测方法及系统，用于隧道施工通风柔性风管状态在线监测，可以实时监测风管的漏风情况并提示漏风点位置。
本发明所采用的技术方案：
一种隧道施工通风柔性风管状态实时监测方法，实现过程如下：
1)在每3～5节柔性风管之间设置风速监测点，安装风速检测部件，实时检测风速检测部件安装部位/风速监测点的风速，并通过积分计算，获得经过检测点的风量值；
在正常通风情况下，风量的计算公式如下：
其中，Qx1为某监测点x处的风量实时计算值(m3)；vx为监测点x处的平均风速值(m/s)；S为柔性通风管道正常通风时的截面积(m2)；t为从通风开始至当前的时间值(s)；
2)根据风机出口的风量值和风管的百米漏风率，计算得到各风速监测点正常情况下的风量值，具体的计算公式如下式所示：
Qx0＝Qf×(1-β)L/100 (3)
其中，Qx0为某监测点的风量理论值；Qf为风机输出的风量值；β为通风管道的百米漏风率；L为监测点与风机出风口位置的距离；
3)实时检测柔性风管各监测点的风量值，和正常状态下该监测点的风量值进行对比，当某一监测点a点的风量值Qa1较之正常状态下的风量值Qa0有较大偏差，而且其上游的检测点b点的风量值Qb1与理论值Qb0相比没有较大偏差时，则判断a点和b点之间的风管出现了漏风情况。
所述的隧道施工通风柔性风管状态实时监测方法，考虑到风管内风速的分布并不均匀，风管中央部分的风速最快，而风管中接近风管壁的部分由于风管壁阻力的影响，风速较低的情况，风管中央到风管壁的风速规律呈抛物线分布，公式(1)中的平均风速值vx采用公式(2)计算：
其中，vxi为监测点x处某点i(在图2中，风速探头的头部)的实测风速值(m/s)；a为柔性通风管道的阻力系数；r为柔性通风管道的半径(m)；ri为监测点x处点i与圆心之间的距离(在图2中即ri＝r-L4)(m)。
一种隧道施工通风柔性风管状态监测系统，由检测节点、WIFI网络和服务器组成；监测节点完成信息的采集和上传；服务器完成数据的存储和发布；WIFI网络连接节点和服务器，在每3～5个柔性风管之间设置风速监测点，对应安装一个检测节点，所述检测节点为两层结构，检测节点外层为和柔性风管一样的维尼龙胶布，两端配有拉链，以方便与柔性风管进行连接；检测节点内层为硬质塑料，安装风速传感器探头或/和风压探测软管；在检测节点的右上方或左上方设有封口式挂钩，以方便检测节点的安装；检测节点内的风速传感器探头输出信号连接检测节点外侧悬挂固定的传感器主电路，风压探测软管连接传感器主电路中的风压传感器。
所述传感器主电路包括主控芯片STC90C58AD、风速检测电路、风压检测电路、WIFI模块、多路模拟开关芯片CD4052以及电源电路，主控芯片通过串行口控制WIFI模块，实现WIFI网络的接入；风速检测电路通过接口连接风速传感器探头；风压检测电路通过接口连接风压软管；风速、风压检测电路采用24V供电；WIFI模块采用3.3V供电；多路模拟开关芯片CD4052采用±5V供电。
所述的隧道施工通风柔性风管状态监测系统，在检测节点上三个不同的高度，安装三组有害物质传感器探头，分别测定不同高度的有害物质浓度；三组有害物质传感器探头通过调理电路连接传感器主电路，主控芯片和有害物质传感器调理电路采用5V供电。
本发明的有益效果：
1、本发明隧道施工通风柔性风管状态实时监测方法，可以实时监测风管的漏风情况，并根据监测点数值的变化给出提示，提醒通风工对风管进行及时维护，从而可以有效地提高隧道施工通风系统的通风效果和效率。
2、本发明隧道施工通风柔性风管状态监测系统，结构简单，设计合理，使用安全可靠。由检测节点、WIFI网络和服务器组成监测系统，监测节点完成信息的采集和上传；服务器完成数据的存储和发布；WIFI网络连接节点和服务器。现场人员可以通过符合环境要求的手机终端，登录服务器发布的网页，查询各个节点的实时数据。
3、本发明隧道施工通风柔性风管状态监测方法及系统，是靠计算机系统的检测和判断实时监测风管的漏风情况，实现了隧道施工通风柔性风管状态的在线监测。同时，系统通过集成一些在隧道施工过程中常见的有害气体检测传感器，实现了施工隧道常见有害气体浓度的检测功能，可以有效地对整个隧道的施工环境进行有效的监控。
附图说明
图1是隧道施工通风系统的组成原理图；
图2是本发明柔性风管监测系统组成原理图；
图3是本发明柔性风管监测系统检测节点电路原理图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
实施例1
参见图2，本发明隧道施工通风柔性风管状态实时监测方法，实现过程如下：
1)在每3～5节柔性风管之间设置风速监测点，安装风速检测部件，实时检测风速检测部件安装部位/风速监测点的风速，并通过积分计算，获得经过检测点的风量值；
在正常通风情况下，风量的计算公式如下：
其中，Qx1为某监测点x处的风量实时计算值(m3)；vx为监测点x处的平均风速值(m/s)；S为柔性通风管道正常通风时的截面积(m2)；t为从通风开始至当前的时间值(s)；
2)根据风机出口的风量值和风管的百米漏风率，计算得到各风速监测点正常情况下的风量值，具体的计算公式如下式所示：
Qx0＝Qf×(1-β)L/100 (3)
其中，Qx0为某监测点的风量理论值；Qf为风机输出的风量值；β为通风管道的百米漏风率；L为监测点与风机出风口位置的距离；
3)实时检测柔性风管各监测点的风量值，和正常状态下该监测点的风量值进行对比，当某一监测点a点的风量值Qa1较之正常状态下的风量值Qa0有较大偏差，而且其上游的检测点b点的风量值Qb1与理论值Qb0相比没有较大偏差时，则判断a点和b点之间的风管出现了漏风情况。
本发明隧道施工通风柔性风管状态实时监测方法，在检修或者加长风管时会出现通风中断的情况，此时风速检测值将出现0；如果通风没有中断，则检测的风速不会为0；这种情况下，监测点会在通风恢复正常水平后，重新进行积分计算。
实施例2
参见图2，本实施例的隧道施工通风柔性风管状态实时监测方法，与实施例1的不同之处在于：考虑到风管内风速的分布并不均匀，风管中央部分的风速最快，而风管中接近风管壁的部分由于风管壁阻力的影响风速较低的情况，风管中央到风管壁的风速规律呈抛物线分布，公式(1)中的平均风速值vx采用公式(2)计算：
其中，vxi为监测点x处某点i(在图2中，风速探头的头部)的实测风速值(m/s)；a为柔性通风管道的阻力系数；r为柔性通风管道的半径(m)；ri为监测点x处点i与圆心之间的距离(在图2中即ri＝r-L4)(m)。
实施例3
参见图2，本实施例的隧道施工通风柔性风管状态实时监测方法，与实施例1或实施例2的不同之处在于：各风速监测点安装的风速检测部件设有对应的编号和位置标志，风速检测部件在检测到监测点风量异常信号时，通过无线通讯方式发布对应监测点的异常信息，司控或维修人员通过监测服务器和便携终端(手机、电脑等)获得异常监测点对应信息。
实施例4
参见图2，本实施例为隧道施工通风柔性风管状态监测系统的一种具体实施方式。本发明隧道施工通风柔性风管状态监测系统，由检测节点、WIFI网络和服务器组成；监测节点完成信息的采集和上传；服务器完成数据的存储和发布；WIFI网络连接节点和服务器，在每3～5个柔性风管之间设置风速监测点，对应安装一个检测节点，所述检测节点为两层结构，检测节点外层为和柔性风管一样的维尼龙胶布，两端配有拉链，以方便与柔性风管进行连接；检测节点内层为硬质塑料，安装风速传感器探头或/和风压探测软管；在检测节点的右上方或左上方设有封口式挂钩，以方便检测节点的安装；检测节点内的风速传感器探头输出信号连接检测节点外侧悬挂固定的传感器主电路，风压探测软管连接传感器主电路中的风压传感器。
实施例5
参见图2、图3，本实施例的隧道施工通风柔性风管状态监测系统，与实施例4的不同之处在于：所述传感器主电路包括主控芯片STC90C58AD、风速检测电路、风压检测电路、WIFI模块、多路模拟开关芯片CD4052以及电源电路，主控芯片通过串行口控制WIFI模块，实现WIFI网络的接入；风速检测电路通过接口连接风速传感器探头；风压检测电路通过接口连接风压软管；风速、风压检测电路采用24V供电；WIFI模块采用3.3V供电；多路模拟开关芯片CD4052采用±5V供电。主控芯片采用5V供电。电源电路通过航空插头，将220V交流电变换为合适的电压分配给相应的电路。
主控芯片STC90C58AD是一款具有8通道10位AD转换的51单片机。其中两路AD通道留给了风速和风压，只剩下6路AD通道。为了能够采集18路模拟信号，电路中基于CD4052设计了模拟开关电路。芯片CD4052是一个四选一的多路开关，根据引脚A和B上的逻辑组合(由主控芯片的P0.0和P0.1给出)选择X0-X3中的一个信号输出至X引脚，同时选择Y0-Y3中的一个信号输出至Y引脚。三片CD4052共构成了6个四选一的模拟开关通道，具体的引脚连接情况如表1所示。表1中，第一片CD4052的X0-X3引脚分别输入三组调理电路的CO浓度传感值，Y0-Y3引脚分别输入三组调理电路的CO2浓度传感值；第二片CD4052的X0-X3引脚分别输入三组调理电路的粉尘浓度传感值，Y0-Y3引脚分别输入三组调理电路的甲烷浓度传感值；第三片CD4052的X0-X3引脚分别输入三组调理电路的NO2浓度传感值，Y0-Y3引脚分别输入三组调理电路的H2S浓度传感值。主控芯片从P0.0和P0.1输出选择信号，分时采集不同的模拟信号。
表1.检测节点传感器电路引脚连接情况
实施例6
参见图2、图3，本实施例的隧道施工通风柔性风管状态监测系统，与实施例4或实施例5的不同之处在于：在检测节点上三个不同的高度，安装三组有害物质(CO、CO2、粉尘、甲烷、NO2、H2S)传感器探头，分别测定不同高度的有害物质浓度；实现了施工隧道常见有害气体浓度的检测功能。三组有害物质传感器探头通过调理电路及接口电路连接传感器主电路，主控芯片和有害物质传感器调理电路采用5V供电。
三组有害物质传感器调理电路，分别输入5V电压，返回表示所测物质浓度的电压信号。每一组调理电路中测量6种有害物质，分别是CO、CO2、粉尘、甲烷、NO2、H2S。三组调理电路共有18路模拟信号需要进行采集。
本发明基于wifi网络的隧道施工通风柔性风管状态监测系统，实现了柔性风管漏风点的实时发现并提醒。现场人员可以通过符合环境要求的手机终端，登录服务器发布的网页，查询各个节点的实时数据。
柔性风管为软质材料，风机开启，风管膨胀；风机停止，风管下垂。一般情况下，每安装5个柔性风管(100米)，安装一个检测节点。图2中L1为100米；L2设计为0.1米。从而最大限度地减少检测节点的重量。图2中，检测节点1和2分别对应右侧悬挂和左侧悬挂。采用右侧悬挂，悬挂勾位于右上方垂直方向60度的位置。
检测节点上，在悬挂外侧安装传感器主电路，通过风速传感器探头和风压传感器软管固定在检测节点外侧，并采用维尼龙胶布进行包覆，仅在指示灯位置留一个观察孔。其中风速传感器探头指向硬质塑料内层的圆心安装，其角度与垂直方向为60度，与封闭口挂钩正对面。风速探头的长度L4需要大于风管直径的三分之二。
整个检测节点的供电由现场输电线提供。电源接线位置在与传感器电路板水平对称的位置。电源接线采用航空插头，便于实地的安装。
本发明隧道施工通风柔性风管状态监测系统，服务器程序包括数据收集程序、数据发布程序和数据库三个组成部分。数据收集程序通过网络接口采集各检测节点的数据；数据发布程序基于B/S架构向网络发布数据信息；数据库用于存储所有采集的数据。
数据收集程序是一个后台运行的程序，采用VB.net语言编写以太网数据采集程序，并存储至数据库。程序开始运行后，在系统状态栏上出现程序的图标。右键点击该图标可以弹出快捷菜单，完成数据收集工作的启动、停止以及退出程序等操作。
数据发布程序是基于PHP语言开发的一个信息发布网站，采用PHP编程语言进行开发，用户可以通过任何网络终端对数据进行查询。连接到WIFI网络的用户端(手机、电脑等设备)可以通过访问网页来查看各检测节点上传的数据。
数据库基于开源的MySql进行开发，可以提高系统的灵活性。MySql数据库属于开源技术，使用简单方便，易于维护。
Claims (9)
1.一种隧道施工通风柔性风管状态实时监测方法，其特征在于：
1)在每3～5节柔性风管之间设置风速监测点，安装风速检测部件，实时检测风速检测部件安装部位/风速监测点的风速，并通过积分计算，获得经过检测点的风量值；
在正常通风情况下，风量的计算公式如下：
其中，Qx1为某监测点x处的风量实时计算值(m3)；vx为监测点x处的平均风速值(m/s)；S 为柔性通风管道正常通风时的截面积(m2)；t为从通风开始至当前的时间值(s)；
2)根据风机出口的风量值和风管的百米漏风率，计算得到各风速监测点正常情况下的风量值，具体的计算公式如下式所示：
Qx0＝Qf×(1-β)L/100 (3)
其中，Qx0为某监测点的风量理论值；Qf为风机输出的风量值；β为通风管道的百米漏风率；L为监测点与风机出风口位置的距离；
3)实时检测柔性风管各监测点的风量值，和正常状态下该监测点的风量值进行对比，当某一监测点a点的风量值Qa1较之正常状态下的风量值Qa0有较大偏差，而且其上游的检测 点b点的风量值Qb1与理论值Qb0相比没有较大偏差时，则判断a点和b点之间的风管出现了漏 风情况。
2.根据权利要求1所述的隧道施工通风柔性风管状态实时监测方法，其特征在于：考虑到风管内风速的分布并不均匀，风管中央部分的风速最快，而风管中接近风管壁的部分由于风管壁阻力的影响，风速较低的情况，风管中央到风管壁的风速规律呈抛物线分布，公式(1)中的平均风速值vx采用公式(2)计算：
其中，vxi为监测点x处某点i的实测风速值(m/s)；a为柔性通风管道的阻力系数；r为柔性通风管道的半径(m)；ri为监测点x处点i与圆心之间的距离(m)。
3.根据权利要求1或2所述的隧道施工通风柔性风管状态实时监测方法，其特征在于：如果由于检修或者加长风管而出现通风中断的情况，则风速检测值将出现0；如果通风没有中断，检测的风速不会为0；此时，监测点会在通风恢复正常水平后，重新进行积分计算。
4.根据权利要求1或2所述的隧道施工通风柔性风管状态实时监测方法，其特征在于：各风速监测点安装的风速检测部件设有对应的编号和位置标志，风速检测部件在检测到监测点风量异常信号时，通过无线通讯方式发布对应监测点的异常信息，司控或维修人员通过监测服务器和便携终端获得异常监测点对应信息。
5.一种隧道施工通风柔性风管状态监测系统，其特征在于：根据权利要求1所述的隧道施工通风柔性风管状态实时监测方法，对隧道施工通风柔性风管状态在线监测，以实时监测风管的漏风情况并提示漏风点位置，所述的隧道施工通风柔性风管状态监测系统，由检测节点、WIFI网络和服务器组成；监测节点完成信息的采集和上传；服务器完成数据的存储和发布；WIFI网络连接节点和服务器，在每3～5个柔性风管之间设置风速监测点，对应安装一个检测节点，所述检测节点为两层结构，检测节点外层为和柔性风管一样的维尼龙胶布，两端配有与柔性风管连接的拉链；检测节点内层为硬质塑料，安装风速传感器探头或/和风压探测软管；在检测节点的右上方或左上方设有方便检测节点安装的封口式挂钩；检测节点内的风速传感器探头输出信号连接检测节点外侧悬挂固定的传感器主电路，风压探测软管连接传感器主电路中的风压传感器。
6.根据权利要求5所述的隧道施工通风柔性风管状态监测系统，其特征在于：所述检测节点，风速传感器探头指向硬质塑料内层的圆心安装，其角度与垂直方向为60度，与封闭口挂钩正对面；风速传感器探头的长度L4大于风管直径的三分之二。
7.根据权利要求5或6所述的隧道施工通风柔性风管状态监测系统，其特征在于：所述传感器主电路包括主控芯片STC90C58AD、风速检测电路、风压检测电路、WIFI模块、多路模拟开关芯片CD4052以及电源电路，主控芯片通过串行口控制WIFI模块，实现WIFI网络的接入；风速检测电路通过接口连接风速传感器探头；风压检测电路通过接口连接风压软管；风速、风压检测电路采用24V供电；WIFI模块采用3.3V供电；多路模拟开关芯片CD4052采用±5V供电。
8.根据权利要求7所述的隧道施工通风柔性风管状态监测系统，其特征在于：在检测节点上三个不同的高度，安装三组有害物质传感器探头，分别测定不同高度的有害物质浓度；三组有害物质传感器探头通过调理电路连接传感器主电路，主控芯片和有害物质传感器调理电路采用5V供电。
9.根据权利要求5或6所述的隧道施工通风柔性风管状态监测系统，其特征在于：在检测节点上三个不同的高度，安装三组有害物质传感器探头，分别测定不同高度的有害物质浓度；三组有害物质传感器探头通过调理电路连接传感器主电路。
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