車現(xiàn)法，陳 波，王光博，饒輝新

(1.中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100070；2.廣東省南粵交通云湛高速公路管理中心，廣州 510100；3.廣東華咨圣泰科技有限公司, 廣州 510530)

0 引言

交通運(yùn)輸部 2016 年全國交通運(yùn)輸工作會議提出，到 2020 年“十三五”發(fā)展目標(biāo)完成時，我國交通運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)代化進(jìn)程將邁上新的臺階。加快推進(jìn)綜合交通、智慧交通、綠色交通、平安交通建設(shè),加快完善綜合交通基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò),加快提升綜合交通運(yùn)輸供給能力和服務(wù)品質(zhì)，不斷提高創(chuàng)新能力，不斷提升安全生產(chǎn)水平，不斷增強(qiáng)國際競爭力，不斷深化黨風(fēng)廉政建設(shè)?！绑{效、安全、智能、環(huán)保、舒適、文明”將是今后高速公路建設(shè)的重要目標(biāo)。

會議提出了“智慧交通”的基本理念，明確在交通領(lǐng)域中充分運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能、自動控制、移動互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代電子信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)行業(yè)資源配置優(yōu)化能力、公共決策能力、行業(yè)管理能力、公眾服務(wù)能力的提升，為今后高速公路的建設(shè)和發(fā)展提出了更高的要求，推動交通運(yùn)輸更安全、更高效、更便捷、更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保、更舒適、更智能地運(yùn)行和發(fā)展，帶動交通運(yùn)輸相關(guān)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、升級。

1 工程概況

汕頭至湛江高速公路云浮至湛江段及支線工程(以下簡稱“云湛高速”或“本項(xiàng)目”)位于粵西沿海地區(qū)，年平均雷暴日高達(dá)94.6d，屬于高雷暴區(qū)。全線設(shè)置3處路段管理(分)中心，2 處管理分中心；28處匝道收費(fèi)站，2處主線收費(fèi)站，6處養(yǎng)護(hù)工區(qū)，5處服務(wù)區(qū)，7處停車區(qū)。此外，全線有隧道5座。各管理機(jī)構(gòu)處設(shè)置有設(shè)備機(jī)房，內(nèi)設(shè)計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)、CCTV視頻監(jiān)控系統(tǒng)和通信機(jī)房設(shè)備等，另配有變電所設(shè)備；收費(fèi)站廣場設(shè)置有收費(fèi)棚、收費(fèi)監(jiān)控?cái)z像機(jī)、車牌識別設(shè)備、ETC車道設(shè)備、車道指示設(shè)備、欄桿機(jī)、稱重設(shè)備、收費(fèi)亭及亭內(nèi)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、廣場照明燈桿、戶外配電箱等；道路外場設(shè)有監(jiān)控?cái)z像機(jī)、ETC自由流門架、RFID標(biāo)識點(diǎn)門架、高清卡口、戶外設(shè)備機(jī)柜和配電箱等；隧道區(qū)域有區(qū)域控制器、車道指示器、緊急電話、廣播、監(jiān)控?cái)z像機(jī)、懸臂式可變信息標(biāo)志、交通信號燈、亮度檢測器、光纖光柵火災(zāi)傳感器、聲光警報(bào)器、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、煙感火災(zāi)探測器、溫感火災(zāi)探測器、電光指示標(biāo)志等。

這些設(shè)備以安裝特點(diǎn)分主要有：戶外門架、戶外柱式、戶外基礎(chǔ)、建筑室內(nèi)、收費(fèi)棚下和收費(fèi)亭內(nèi)等；以配線特點(diǎn)分主要有：光纜連接和電纜連接等。系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)針對性配置了避雷針、電源防雷器、信號防雷器和接地設(shè)施。

目前，傳統(tǒng)項(xiàng)目一般均配置有雷擊防護(hù)設(shè)施，但未進(jìn)行雷電流、雷擊次數(shù)和接地電阻值等的在線監(jiān)測。日常運(yùn)營維護(hù)和事故處理基本依靠人工巡檢制度，周期長、抽查面小，不能及時發(fā)現(xiàn)防雷設(shè)施出現(xiàn)的問題和潛在危害，可能誘發(fā)重大事故，造成系統(tǒng)癱瘓，帶來難以預(yù)計(jì)的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

2 智能防雷監(jiān)測的存在問題

雷電已成為電子設(shè)備受損主要的災(zāi)害之一，隨著“智慧交通”的不斷推進(jìn)，越來越多的電子電器設(shè)備應(yīng)用于公路建設(shè)和運(yùn)營中，雷電災(zāi)害對高速公路的影響也越來越顯著。

當(dāng)前，高速公路防雷系統(tǒng)建設(shè)及運(yùn)維中長期存在以下問題：

(1)防雷系統(tǒng)和設(shè)施缺乏統(tǒng)一規(guī)劃、缺乏區(qū)域性雷電數(shù)據(jù)作為支撐而導(dǎo)致的設(shè)計(jì)針對性不足。

(2)防雷系統(tǒng)和設(shè)施運(yùn)維中，人工檢測維護(hù)效率低、周期長，導(dǎo)致存在漏檢、誤檢等現(xiàn)象。

(3)由于目前用于判斷SPD有效的U1mA和漏電流兩個檢測參數(shù)均存在“拐點(diǎn)效應(yīng)”，無法及時判定防雷設(shè)施的老化程度及有效性，致使防雷設(shè)施不僅不能有效防雷，還會干擾系統(tǒng)或設(shè)備的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時還可能成為災(zāi)害性事故的誘發(fā)因子，存在較大的安全隱患。

3 防雷設(shè)施智能監(jiān)測系統(tǒng)的作用

為充分了解區(qū)域遭受雷擊的狀況，并對各建筑物和電子信息系統(tǒng)防雷裝置進(jìn)行在線監(jiān)測、管理(損壞、老化、漏流值、接地狀態(tài)及阻值等)，本文以云湛高速公路為依托，研究設(shè)置防雷裝置遠(yuǎn)程智能監(jiān)測管理系統(tǒng)。其主要作用如下：

(1)通過該系統(tǒng)可以實(shí)時監(jiān)測保護(hù)模塊的工作狀態(tài)，一旦出現(xiàn)異常立即發(fā)出聲光報(bào)警并可將異常信息傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，提示操作人員及時更換保護(hù)模塊，以確保防雷裝置的有效性。

(2)通過該系統(tǒng)所特有的雷電流監(jiān)測記錄功能，可以準(zhǔn)確地知道供電線路是否遭到過雷擊以及遭受雷擊的時間及強(qiáng)度，利用系統(tǒng)中記錄的數(shù)據(jù)，可以為雷擊事故的事后分析及責(zé)任認(rèn)定提供有力的技術(shù)支持，也為安全資金有效投入提供可靠性材料。

(3)該系統(tǒng)同時可以與其它安全系統(tǒng)建立接口協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)與消防、監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動，當(dāng)發(fā)生雷擊起火時能夠第一時間實(shí)現(xiàn)聯(lián)動滅火，在災(zāi)害可控的黃金時間立即動作，消除災(zāi)害于萌芽之中。

(4)可以在設(shè)備接地端安裝接地連接狀態(tài)信息采集點(diǎn)，對接地電阻在線監(jiān)測。

4 防雷設(shè)施智能監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)

智能防雷監(jiān)測是以物聯(lián)網(wǎng)理論和技術(shù)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層構(gòu)成。感知層通過數(shù)字傳感技術(shù)實(shí)時獲取被感知對象的數(shù)據(jù)信息；網(wǎng)絡(luò)層通過各類通訊網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，將對象數(shù)據(jù)信息實(shí)時準(zhǔn)確地傳遞出去；應(yīng)用層將感知層獲取到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合處理，實(shí)現(xiàn)最終的實(shí)際操作和功能應(yīng)用。其設(shè)施配套主要功能包括雷擊計(jì)數(shù)，防雷器工作狀態(tài)監(jiān)測，防雷器壽命計(jì)算預(yù)測，雷擊強(qiáng)度、能量分析和波形數(shù)據(jù)監(jiān)測，接地裝置電阻值監(jiān)測等，主要任務(wù)是負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行迅速、可靠的采集、分析和傳輸。

云湛高速公路防雷設(shè)施智能監(jiān)測系統(tǒng)以防雷器(SPD) 各功能監(jiān)測模塊、雷電監(jiān)測儀、地阻監(jiān)測儀等終端感知層設(shè)備作為研發(fā)的重點(diǎn)，在防雷器(SPD)有效性檢測方法的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)其在線監(jiān)測，同時對雷電發(fā)生狀態(tài)參數(shù)和接地裝置運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，也是系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。因此，感知層數(shù)據(jù)傳感器的性能也決定了系統(tǒng)的實(shí)用價值和應(yīng)用效果。

4.1 防雷器(SPD)有效性(壽命)算法

防雷器有效性(壽命)算法，是結(jié)合了多參數(shù)監(jiān)測的一種在線分析防雷器壽命和失效的算法。其通過同時監(jiān)測防雷器泄放雷擊次數(shù)、漏電流、工作溫升、溫升速率、在線時間、工作狀態(tài)參數(shù)，進(jìn)行綜合分析計(jì)算，并控制不同參數(shù)整體比重和加權(quán)因子，最終得出防雷器壽命與失效時間的計(jì)算。相比依靠單一數(shù)值進(jìn)行的防雷器壽命與失效時間計(jì)算，準(zhǔn)確性較高。某型產(chǎn)品的有關(guān)測試數(shù)據(jù)取樣如圖1～圖3和表1所示。

圖1 工作狀態(tài)與伏安

表1 某直徑20mm基片浪涌壽命次數(shù)

圖2 不同初始損耗值的3個MOV預(yù)期壽命隨速率常數(shù)的變化曲線

圖3 試驗(yàn)條件下壓敏電阻壽命與絕對溫度倒裝的Arrhenias曲線

4.2 防雷器(SPD)有效性(壽命)在線監(jiān)測

防雷器(SPD)在線監(jiān)測融合了多參數(shù)監(jiān)測及上述防雷器(SPD)壽命預(yù)估算法。相比較單一的防雷器工作狀態(tài)、后備斷路器工作狀態(tài)和雷擊次數(shù)等監(jiān)測參數(shù)之外，還加入了防雷器漏電流監(jiān)測、防雷器工作溫度監(jiān)測、防雷器安裝環(huán)境溫度監(jiān)測、防雷器工作溫升監(jiān)測、電網(wǎng)供電狀態(tài)等監(jiān)測功能。此外，將防雷系統(tǒng)檢測標(biāo)準(zhǔn)中的檢測項(xiàng)目也納入到了監(jiān)測項(xiàng)目中，更深入地對防雷器的工作動態(tài)參數(shù)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，相對于檢測標(biāo)準(zhǔn)中的靜態(tài)參數(shù)檢測，更能體現(xiàn)出防雷器的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，更有利于對防雷器的壽命給出一個相對準(zhǔn)確的預(yù)判，進(jìn)而可及時判別和更換安裝在重要位置的過度劣化的防雷器。

防雷器(SPD)在線監(jiān)測儀主要包含漏電流監(jiān)測模塊、溫度監(jiān)測模塊、雷擊計(jì)數(shù)模塊、開關(guān)量監(jiān)測模塊、時間模塊、單片機(jī)、電源模塊、顯示模塊、遠(yuǎn)程通信報(bào)警模塊、電源浪涌防護(hù)模塊、有線通信浪涌防護(hù)模塊等。漏電流模塊將線路中uA或mA級電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，溫度監(jiān)測模塊將溫度轉(zhuǎn)換為電壓信號，開關(guān)量監(jiān)測模塊將開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為電壓信號，時間模塊為系統(tǒng)提供基準(zhǔn)時間信息，雷擊計(jì)數(shù)模塊當(dāng)發(fā)生雷擊時產(chǎn)生一個電壓脈沖。單片機(jī)依據(jù)這些采集模塊傳回的信息，再利用壽命算法進(jìn)行壽命計(jì)算，并將這些信息與壽命信息存儲在FLASH模塊中用于顯示與遠(yuǎn)程通信。有線通信浪涌防護(hù)模塊在通信線進(jìn)入通信芯片前提供最大600A的感應(yīng)浪涌防護(hù)。SPD監(jiān)測原理如圖4所示。

圖4 SPD監(jiān)測原理

4.3 雷電發(fā)生參數(shù)在線監(jiān)測

防雷器(SPD)雷電參數(shù)在線監(jiān)測可對雷電流的波形、峰值、極性、能量、次數(shù)和時間參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，對雷電波的侵入途徑、能量大小、侵入頻率進(jìn)行分析，同時為該區(qū)域雷電防護(hù)系統(tǒng)改進(jìn)提供重要的實(shí)測雷電環(huán)境參數(shù)。

雷電監(jiān)測儀主要包含羅氏線圈、積分模塊、高速A/D轉(zhuǎn)換模塊、時間模塊、單片機(jī)、電源模塊、遠(yuǎn)程通信報(bào)警模塊、電源浪涌防護(hù)模塊、有線通信浪涌防護(hù)模塊等。單片機(jī)與高速A/D轉(zhuǎn)換模塊、時間模塊、電源模塊、遠(yuǎn)程通信報(bào)警模塊相連。前端使用磁飽和度高的，波形響應(yīng)良好的羅氏線圈，對接地引下線在發(fā)生直擊雷時感應(yīng)到的大電流強(qiáng)電信號，經(jīng)過積分模塊對波形還原并轉(zhuǎn)換為電壓波形，A/D采集模塊對電壓波形進(jìn)行高速采集并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，交由單片機(jī)讀取。單片機(jī)依據(jù)內(nèi)部計(jì)算方式還原波形，統(tǒng)計(jì)雷電流的峰值、極性和能量，并依照波形發(fā)生時時間模塊的記錄統(tǒng)計(jì)雷擊發(fā)生時間。這些信息存儲在FLASH模塊中，用于遠(yuǎn)程通信。有線通信浪涌防護(hù)模塊在通信線進(jìn)入通信芯片前提供最大600A的感應(yīng)浪涌防護(hù)。雷電監(jiān)測原理如圖5所示。

圖5 雷電監(jiān)測原理

4.4 接地裝置電阻值在線監(jiān)測

接地裝置電阻值在線監(jiān)測主要包括接地引下線的連接狀況、回路接地電阻值、金屬回路聯(lián)結(jié)電阻值等接地參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在線測試和非接觸測量。監(jiān)測裝置采樣由一個電壓線圈和一個電流線圈組成，電壓線圈提供激勵信號，用于在被測回路上感應(yīng)一個電勢，在電勢的作用下將在被測回路產(chǎn)生電流。設(shè)備對電勢和電流同時進(jìn)行測量，中央處理器將采集的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算和分析，并最終得到阻值后通過數(shù)字通信系統(tǒng)對外傳輸。由于與接地裝置之間并無直接連接，雷電能量只能通過線圈的感應(yīng)傳入內(nèi)部，而這個能量相對較小，通過雪崩二極管或齊納二極管等半導(dǎo)體元件即可防護(hù)住，使得產(chǎn)品可以長期、實(shí)時、可靠、有效地對接地裝置進(jìn)行監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)接地裝置的故障而進(jìn)行維修，大幅度減少其引起的風(fēng)險。

接地電阻測試儀包含納米晶電磁感應(yīng)線圈、單片機(jī)、電源模塊、遠(yuǎn)程通訊報(bào)警模塊、電源浪涌防護(hù)模塊、線圈浪涌防護(hù)模塊、有線通信浪涌防護(hù)模塊等。納米晶電磁感應(yīng)線圈分為電壓線圈和電流線圈；單片機(jī)連接有A/D轉(zhuǎn)換模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、FLASH模塊、顯示模塊、通信模塊、電源模塊。電源模塊將市電轉(zhuǎn)換為內(nèi)部設(shè)備所需的直流電，而電源浪涌防護(hù)模塊提供最高5kA感應(yīng)浪涌電流的防護(hù)能力。單片機(jī)產(chǎn)生一個數(shù)字信號，D/A模塊轉(zhuǎn)換為頻率信號后，由電壓芯片為被測環(huán)路注入一個固定峰值的電壓信號；再由電流線圈采集被測回路中經(jīng)過歐姆定律變化后所得到的電流值，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后再交由單片機(jī)進(jìn)行回路阻值的計(jì)算。單片機(jī)依據(jù)計(jì)算所得阻值自動進(jìn)行量程切換后再通過以上步驟進(jìn)行準(zhǔn)確阻值計(jì)算，并將所得阻值存儲在FLASH模塊中交由通信模塊進(jìn)行對外的數(shù)據(jù)傳輸。有線通信浪涌防護(hù)模塊在通信線進(jìn)入通信芯片前提供最大600A的感應(yīng)浪涌防護(hù)。接地電阻測量原理如圖6所示。

圖6 回路電阻測量原理

5 軟件平臺總體架構(gòu)和系統(tǒng)功能

5.1 軟件平臺的總體架構(gòu)

云湛高速公路防雷設(shè)施智能監(jiān)測軟件平臺可分為支撐層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、展示層、用戶層等，其總體架構(gòu)如圖7所示。

圖7 智能監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

5.2 軟件平臺的信息處理功能

信息處理系統(tǒng)包括信息接收、信息存儲、信息分析等功能。

信息接收：開發(fā)接收服務(wù)程序，對采集終端發(fā)送來的數(shù)據(jù)包進(jìn)行接收，按照接口協(xié)議對收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，以獲取防雷設(shè)備最新的工作參數(shù)。

信息存儲：對獲取到的防雷設(shè)備參數(shù)，按照業(yè)務(wù)分類存儲到對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫表中。由于數(shù)據(jù)量比較大，需要對數(shù)據(jù)按時間軸進(jìn)行分區(qū)存儲，以便加快后續(xù)的檢索速度。同時要對數(shù)據(jù)進(jìn)行定時快照，以免丟失有用的數(shù)據(jù)。

信息分析：按照預(yù)定的算法對各工作參數(shù)進(jìn)行智能分析，得出各防雷設(shè)備的工作狀況及劣化程度(使用壽命)，并根據(jù)分析結(jié)果更新防雷設(shè)備的狀態(tài)(正常/異常/離線)。

5.3 軟件平臺的信息管理功能

信息管理系統(tǒng)包括人員管理、機(jī)構(gòu)管理、設(shè)備管理、信息展示、信息預(yù)警、統(tǒng)計(jì)分析及總結(jié)報(bào)告等功能。

人員管理：設(shè)置系統(tǒng)用戶的賬號、登錄密碼等，并設(shè)置各用戶的權(quán)限，具備新增、修改和刪除人員信息等功能。

機(jī)構(gòu)管理：維護(hù)機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)參數(shù)，包括機(jī)構(gòu)名稱、負(fù)責(zé)人、聯(lián)系方式等，并設(shè)置機(jī)構(gòu)管理的路段，具備新增、修改和刪除機(jī)構(gòu)信息等功能。

設(shè)備管理：對設(shè)備信息(設(shè)備編號、設(shè)備名稱、所處路段或者站場、所處樁號、設(shè)備類型等等)進(jìn)行維護(hù)，主要包括設(shè)備注冊、設(shè)備信息維護(hù)、設(shè)備報(bào)廢等功能。

信息展示：以可視化的方式，展示設(shè)備的狀態(tài)，并在顯眼位置展示相關(guān)的預(yù)警信息，做到界面美觀、簡捷，信息高度集成。

統(tǒng)計(jì)分析：實(shí)現(xiàn)對各項(xiàng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，形成各類同比環(huán)比數(shù)據(jù)表格、圖表等。

總結(jié)報(bào)告：對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，對整體防雷狀況做出科學(xué)的評價。

6 防雷設(shè)施智能監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)

表2列出了云湛高速公路防雷設(shè)施智能監(jiān)測系統(tǒng)裝設(shè)應(yīng)用后有關(guān)設(shè)備的部分特征運(yùn)行情況。

表2 云湛高速公路防雷設(shè)施智能監(jiān)測情況記錄

通過報(bào)警信號和監(jiān)測數(shù)據(jù)，管理人員迅速查找到了故障位置，并分析排查了故障原因，及時處理，消除了故障和安全隱患。

7 結(jié)語

防雷設(shè)施智能監(jiān)測系統(tǒng)通過現(xiàn)代的信息技術(shù)、控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等高新技術(shù)手段，結(jié)合高速公路的綜合管理需求，充分挖掘、整合和共享底層設(shè)施的有效管理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)組織成為信息，將信息融入管理，使管理為防雷設(shè)施的正常工作，乃至交通運(yùn)營和規(guī)劃決策服務(wù)，從而全面提高了高速公路管理系統(tǒng)的運(yùn)行效率和服務(wù)水平。該系統(tǒng)有效地克服了人工對防雷設(shè)施巡檢不足的問題，一方面對高速公路防雷設(shè)施預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工作起到了較大的推動作用；另一方面，確保了防雷設(shè)施的有效性，能夠?qū)⒗纂姙?zāi)害所造成的經(jīng)濟(jì)損失以及由此引起的交通安全隱患減少到最低，無論從經(jīng)濟(jì)效益還是社會效益來說都具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。