一种安全监测报警系统、报警方法及其在隧洞中的应用与流程

本发明属于报警，具体来说，特别涉及一种安全监测报警系统、报警方法及其在隧洞中的应用。

背景技术：

1、安全监测报警系统是一种用于监测和报警各类安全事件和危险情况的系统，它通常由一系列传感器、监控设备和报警装置组成，用于实时监测和检测特定区域或场所的安全状态，并在发生异常情况或危险事件时发出警报。这些系统可以应用于各种场所，包括住宅、商业建筑、工厂、学校、医疗机构等，安全监测报警系统可以包括以下功能和组件：传感器、监控设备、报警装置、数据处理与分析：对传感器获取的数据进行处理和分析，以便识别和判断是否存在安全风险或危险事件、远程监控与控制；安全监测报警系统的目的是及时发现、报警和处理各类安全事件和危险情况，以保障人们的生命和财产安全，这种系统可以应用于各个领域，如住宅安防、商业安全、工厂安全以及交通安全等。

2、中国专利cn106934979a公开了一种地铁隧道安全预警系统，包括沿地铁隧道设置的火灾监控装置和火灾自动报警装置，和位于地铁隧道站点设置的控制中心，所述的系统还包括沿地铁隧道设置的应力监测装置和地铁形变监测报警装置；所述的火灾监控装置包括地铁隧道内铺设的感温光缆，感温光缆上每隔80公分设置温感器，所述的火灾自动报警装置设置于温感器旁侧；所述的应力监测装置和地铁形变监测报警装置设置成一体，该一体式结构沿地铁隧道长度方向固定于地铁隧道的道壁上，本系统确保地铁隧道沿线电缆的安全性，起到对地铁隧道安全预警的作用，可靠性高，布线简单，维护成本低。

3、隧洞指的是供车辆行驶的地下通道，隧洞通常设置于地下或者山体内部，由于隧洞内部的空间较为封闭，因此空气的流通性较差，一些有害气体会在此汇聚，尤其针对新投入使用的隧洞，有害气体的浓度较高，会危害人们的生命健康，其次，隧洞由于建设位置的影响，对其结构的稳定性以及安全性有较高的要求，而隧洞会因为各种外界因素，会导致内部发生振动而导致偏移损坏，从而威胁通行人员的生命安全。

技术实现思路

1、针对相关技术中的问题，本发明提出一种安全监测报警系统、报警方法及其在隧洞中的应用，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明为一种安全监测报警方法，包括以下步骤：

4、s1、设置统计初始时间与现在时间的时间差，记为统计周期值，以及第一采集时间间隔和有害气体种类集合，采用烟雾探测器对隧洞内部的烟雾浓度进行检测并采集数据，获得第一烟雾浓度数据集，采用气体传感器对隧洞内位于所述有害气体种类集合内的有害气体的浓度进行检测并采集数据，获取第一有害气体浓度数据集；

5、s2、设定有害气体浓度阈值集，根据检测得到各类有害气体的浓度值计算出有害气体平均浓度，将所述有害气体平均浓度与有害气体浓度阈值集中的阈值进行对比，当有害气体平均浓度大于或者等于有害气体浓度阈值，行驶车辆不得进入隧洞，并发出电信号开启通风增强设备，降低隧洞内有害气体平均浓度值；

6、s3、设定烟雾浓度阈值集以及车速阈值集，将检测得到的烟雾浓度与所述烟雾浓度阈值集中的阈值进行对比，采用摄像设备对隧洞内的车辆行驶进行录像，并根据录像得到每个车辆的行驶速度，再根据车辆行驶速度与烟雾浓度判定需要报警；

7、s4、设定第二采集时间间隔，采用振动计对隧洞的振动情况进行检测，对隧洞的振动情况进行分析，根据分析结果，并配合车辆的行驶速度和烟雾浓度综合进行分析，判定是否需要报警；

8、通过烟雾探测器对隧洞内部的烟雾浓度进行监测，可以实时知晓隧洞内的烟雾浓度，由于烟雾浓度会影响驾驶人员的视线，根据烟雾浓度的数值大小以及在隧洞中行驶车辆的速度进行判断，当行驶车辆的车速不满足判断条件时，会触发报警，对驾驶人进行警示，从而可以减少意外事故发生的可能性；同时由于隧洞内部的空间较为外部空间来说更为密封，对于新投入使用的隧洞，内部有害气体的成分也会较高，本发明中采用气体传感器对隧洞内的有害气体包括例如氯气、硫化氢、氨气、光气、甲醛、二氧化硫、氢气、甲烷、乙烷、一氧化碳等，通过对这些气体分别进行监测，然后根据监测得到的数据计算有害气体综合浓度，当综合浓度过高时，禁止车辆驶入，并进行通风增强处理，从而保证了驾驶人员不会吸入有害气体，提高了隧洞的安全性，另外，还通过振动计对隧洞内部结构的各个部分进行振动监测，获取振动数据，由于隧洞的振动会威胁驾驶人员的生命安全，且危险性和驾驶速度呈正相关，从而本发明通过对振动数据进行分析，并配合烟雾浓度，对车辆行驶速度进行限定，对于不满足条件的行驶车辆会进行报警，从而进一步的保证了驾驶人员以及隧洞内部的安全性。

9、优选地，所述s1包括以下步骤：

10、s11、设置统计初始时间与现在时间的时间差，记为第一统计周期值，以及第一采集时间间隔和有害气体种类集合，其中为有害气体种类集合的第种有害气体，为有害气体种类集合中有害气体种类的总个数；

11、s12、采用烟雾探测器每隔对隧洞内部的烟雾浓度进行一次检测并采集数据，获得第一烟雾浓度数据集，其中为第一烟雾浓度数据集中第个时间点的烟雾浓度值，为第一烟雾浓度数据集总的数据总个数，；

12、采用气体传感器对隧洞内位于所述有害气体种类集合内的有害气体的浓度进行检测并采集数据，获取第一有害气体浓度数据集，，其中为第种有害气体随时间变化的浓度数据集，为第种有害气体在第个时间点的浓度值；

13、通过设置有害气体种类集合、第一烟雾浓度数据集和第一有害气体浓度数据集，为后续对隧洞内部的烟雾浓度以及有害气体的浓度进行分析通过了数据支撑。

14、优选地，所述s2包括以下步骤：

15、s21、设定有害气体浓度阈值集，其中为有害气体种类集合中第种有害气体的浓度阈值；

16、s22、根据检测得到各类有害气体的浓度值计算出有害气体平均浓度，计算公式如下：式中：为第种有害气体在第个时间点的浓度值，为第一烟雾浓度数据集总的数据总个数，为第种有害气体平均浓度值；

17、s23、将所述有害气体平均浓度与有害气体浓度阈值集中的阈值进行对比，当时，发出电信号开启隧洞内通风增强设备，降低隧洞内有害气体平均浓度值，同时进行报警，禁止车辆驶进隧洞；当时，不需要进行干预；

18、通过设定有害气体浓度阈值集，为有害气体的浓度对比提供了判断依据，使得后续对于是否需要进行报警以及是否允许车辆驶入的判断过程更加科学。

19、优选地，所述s3包括以下步骤：

20、s31、设定烟雾浓度阈值集以及第一车速阈值集，其中分别第一烟雾浓度阈值、第二烟雾浓度阈值和第三烟雾浓度阈值；分别第一车速阈值、第二车速阈值、第三车速阈值和第四车速阈值；

21、s32、设定在时刻检测得到的烟雾浓度为，设定隧洞中车辆行驶速度，将与所述烟雾浓度阈值集中的阈值进行对比，设定第一车速判别条件，如下：

22、当时，此时在隧洞中行驶的车辆速度需要满足；当且时，此时在隧洞中行驶的车辆速度需要满足时，此时在隧洞中行驶的车辆速度需要满足时，此时在隧洞中行驶的车辆速度需要满足；

23、当行驶的车辆速度不满足所述第一车速判别条件时，会触发报警；

24、通过设置烟雾浓度阈值集以及第一车速阈值集，使得根据烟雾浓度以及车速来判断是否需要报警提供了依据，使得判断更加科学。

25、优选地，所述s4包括以下步骤：

26、s41、设定第二采集时间间隔、第二统计周期、隧洞总长度为以及数据采集间隔长度为；

27、s42、根据隧洞的内部结构、隧洞总长度以及数据采集间隔长度设定传感器中枢点、中继中枢点以及汇聚中枢点；

28、所述传感器中枢点用于采集隧洞内部结构的振动数据，记为第一采集数据；

29、所述中继中枢点包含接收节点和转发节点，并进行转发，所述接收节点负责对第一采集数据进行接收，所述转发节点用于对接收节点接收到的第一采集数据进行转发至汇聚中枢点；

30、所述汇聚中枢点用于对转发节点转发的第一采集数据进行汇集并进行存储；

31、s43、对存储的所述第一采集数据进行读取，并对读取得到的第一采集数据进行分析；

32、s44、根据s43中分析的结果并配合车辆的行驶速度和烟雾浓度综合进行分析，判定是否需要报警；

33、通过设置传感器中枢点、中继中枢点以及汇聚中枢点，使得振动计对隧洞内部振动数据的传输更加高效。

34、优选地，所述s42包括以下步骤：

35、s421、将所述振动计接入传感器中枢点中，对隧洞内部结构的振动数据进行采集；得到振动数据矩阵，如下：；

36、式中：，为第时间点的隧洞振动数据子集，分别为隧洞内部第段间隔的第时间点的隧洞振动数据子集中的阶固有频率数据和阶振型数据；

37、s422、将所述振动数据矩阵上传到接收节点；

38、s423、所述转发节点用于对接收节点接收到的振动数据矩阵进行转发至汇聚中枢点；

39、s424、所述汇聚中枢点用于对转发节点转发的振动数据矩阵进行汇集并进行存储，所述传感器中枢点与接收节点以及转发节点与汇聚中枢点之间数据传输方式均采用tcp/udp方式；

40、通过对采集得到的振动数据进行整合分析，得到振动数据矩阵，为后续分析以及计算隧洞内部结构的振动指数提供了数据支持，另外在传感器中枢点与接收节点以及转发节点与汇聚中枢点之间采用tcp/udp 方式进行数据传输，提高了传输效率。

41、优选地，所述s43包括以下步骤：

42、s431、建立完整隧洞结构的有限元模型，所述完整隧洞结构为刚刚建设完毕且还未投入使用的隧洞结构；

43、s432、设定当前需进行安全监测的隧洞结构为现有隧洞结构，根据所述阶固有频率数据和阶振型数据计算现有隧洞结构的前阶模态频率，得到前阶模态频率；

44、s433、将所述前阶模态频率以及阶振型设为隧洞实际测量模态参数；

45、s434、设定隧洞损伤等级集合，其中分别为第一损伤等级、第二损伤等级、第三损伤等级和第四损伤等级，采用所述完整隧洞结构的有限元模型并配合隧洞实际测量模态参数对现有隧洞结构的振动指数进行计算，具体包括以下步骤：

46、s4341、采用振动计对所述完整隧洞结构的阶振型进行测量，其中为正整数，得到完整隧洞结构阶振型，计算完整隧洞结构振型相对应的结构广义质量，计算公式如下：式中为完整隧洞结构阶振型相对应的结构广义质量，为完整隧洞结构的质量矩阵；

47、计算所述现有隧洞结构阶振型相对应的结构广义质量，计算公式如下：式中：为第段间隔现有隧洞结构内的第时间点的阶振型相对应的结构广义质量，为第段间隔的现有隧洞结构的质量矩阵；

48、s4342、采用振动计对所述完整隧洞结构的阶固有频率进行测量，得到完整隧洞结构阶固有频率，根据计算完整隧洞结构阶振型广义刚度以及第段间隔的第时间点的现有隧洞结构阶振型广义刚度，计算公式如下：；

49、s4343、根据计算第段间隔的第时间点的现有隧洞结构的振动指数，计算公式如下：；

50、s435、重复s434，计算所有时间点以及所有间隔段的隧洞的振动指数，得到振动指数矩阵，如下：；

51、s436、设定隧洞损伤阈值集，计算在第个时间点的隧洞综合损伤指数，计算公式如下：得到隧洞综合损伤指数集；

52、当时，设定隧洞损伤等级为；当时，设定隧洞损伤等级为；当时，设定隧洞损伤等级为；当时，设定隧洞损伤等级为；

53、通过构建完整隧洞结构的有限元模型，并对需要进行安全监测的隧洞进行结构建模以对隧洞内部结构进行分析，同时设定隧洞损伤等级集合并对隧洞内部结构的振动指数进行计算，使得对隧洞内部结构特性有了更加直观的描述，再根据隧洞损伤阈值集以及计算得到的振动指数确定隧洞中各段的损伤等级，使得可以量化隧洞的内部结构损伤程度，便于后续比较。

54、优选地，所述s44包括以下步骤：

55、s441、设定第二车速阈值集，其中分别为第一阈值、第二阈值、第三阈值和第四阈值；

56、s442、设定第二车速判别条件，如下：

57、当隧洞损伤等级为，车辆速度需要满足；当隧洞损伤等级为，车辆速度需要满足；当隧洞损伤等级为、

58、、车辆速度需要满足；当隧洞损伤等级为，车辆速度需要满足；

59、当隧洞损伤等级为，车辆速度需要满足；当隧洞损伤等级为，车辆速度需要满足；当隧洞损伤等级为、，车辆速度需要满足；当隧洞损伤等级为，不允许通行；

60、当隧洞损伤等级为，车辆速度需要满足；当隧洞损伤等级为，车辆速度需要满足；当隧洞损伤等级为、，不允许通行；当隧洞损伤等级为，不允许通行；

61、当隧洞损伤等级为，车辆速度需要满足；当隧洞损伤等级为，不允许通行；当隧洞损伤等级为时，不允许通行；当隧洞损伤等级为，不允许通行；

62、当车辆速度不满足所述第二车速判别条件时，会触发报警；

63、根据隧洞损伤等级以及烟雾浓度，对隧洞内部车辆的行驶速度再一次进行限定，对于不满足限定条件行驶的车辆进行报警，从而进一步提高了隧洞内部以及驾驶人员的安全性。

64、一种安全检测报警系统，包括烟雾浓度数据采集模块、有害气体浓度采集模块、车速测定模块、振动数据采集模块、隧洞损伤等级判定模块和报警判定模块；

65、所述烟雾浓度数据采集模块用于对隧洞内部的烟雾浓度进行检测并采集数据；

66、所述有害气体浓度采集模块用于对隧洞内位于所述有害气体种类集合内的有害气体的浓度进行检测并采集数据；

67、所述车速测定模块用于监测并获取隧洞内行驶车辆的车速；

68、所述振动数据采集模块用于采集隧洞内部的振动数据；

69、所述隧洞损伤等级判定模块用于计算隧洞的损伤等级；

70、所述报警判定模块用于根据振动数据、行驶车辆的车速、有害气体的浓度以及烟雾浓度来判断是否需要进行报警。

71、本发明具有以下有益效果：

72、本发明中通过设置烟雾浓度数据采集模块、有害气体浓度采集模块、车速测定模块、振动数据采集模块、隧洞损伤等级判定模块和报警判定模块，通过烟雾探测器对隧洞内部的烟雾浓度进行监测，可以实时知晓隧洞内的烟雾浓度，由于烟雾浓度会影响驾驶人员的视线，根据烟雾浓度的数值大小以及在隧洞中行驶车辆的速度进行判断，当行驶车辆的车速不满足判断条件时，会触发报警，对驾驶人进行警示，从而可以减少意外事故发生的可能性；

73、本发明考量了隧道内有害气体的影响，由于隧洞内部的空间较为外部空间来说更为密封，对于新投入使用的隧洞，内部有害气体的成分也会较高，本发明中采用气体传感器对隧洞内的有害气体包括例如氯气、硫化氢、氨气、光气、甲醛、二氧化硫、氢气、甲烷、乙烷、一氧化碳等，通过对这些气体分别进行监测，然后根据监测得到的数据计算有害气体综合浓度，当综合浓度过高时，禁止车辆驶入，并进行通风增强处理，从而保证了驾驶人员不会吸入有害气体，提高了隧洞的安全性；

74、本发明通过振动计对隧洞内部结构的各个部分进行振动监测，获取振动数据，由于隧洞的振动会威胁驾驶人员的生命安全，且危险性和驾驶速度呈正相关，从而本发明通过对振动数据进行分析，并配合烟雾浓度、有害烟雾浓度、隧道内部损伤程度等，多角度进行安全监测，使得安全监测更为全面完善，并对车辆行驶速度进行限定，对于不满足条件的行驶车辆会进行报警，从而进一步的保证了驾驶人员以及隧洞内部的安全性；

75、4、本发明中通过对采集得到的振动数据进行整合分析，得到振动数据矩阵，为后续分析以及计算隧洞内部结构的振动指数提供了数据支持，另外在传感器中枢点与接收节点以及转发节点与汇聚中枢点之间采用tcp/udp方式进行数据传输，提高了传输效率；

76、5、本发明中通过构建完整隧洞结构的有限元模型，并对需要进行安全监测的隧洞进行结构建模以对隧洞内部结构进行分析，同时设定隧洞损伤等级集合并对隧洞内部结构的振动指数进行计算，使得对隧洞内部结构特性有了更加直观的描述，再根据隧洞损伤阈值集以及计算得到的振动指数确定隧洞中各段的损伤等级，使得可以量化隧洞的内部结构损伤程度，再根据隧洞损伤等级以及烟雾浓度，对隧洞内部车辆的行驶速度再一次进行限定，对于不满足限定条件行驶的车辆进行报警，从而进一步提高了隧洞内部以及驾驶人员的安全性。

77、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。