公路隧道智能化監(jiān)控系統(tǒng)交通領(lǐng)域的發(fā)展

   一、概述 

    隨著交通工程建設(shè)和交通事業(yè)的發(fā)展，我國(guó)所建交通隧道的里程迅速延長(zhǎng)，不斷增長(zhǎng)的交通流量、路況改善以及運(yùn)輸物品的復(fù)雜性，增加了交通隧道的火災(zāi)和隧道污染等的風(fēng)險(xiǎn)，引發(fā)了不少嚴(yán)重的災(zāi)難性事故，尤其是火災(zāi)事故，它不僅嚴(yán)重威脅到人的生命和財(cái)產(chǎn)安全，而且對(duì)交通設(shè)施、人類的生產(chǎn)活動(dòng)造成巨大的損壞。隧道的智能化監(jiān)控顯得越來(lái)越重要。 

    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)、通訊技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)技術(shù)和總線技術(shù)突破了原有的技術(shù)瓶頸，為公路隧道的智能化監(jiān)控提供了一個(gè)行之有效的最佳解決途徑，它滿足了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人們文明生活的高標(biāo)準(zhǔn)的要求，為人類的出行創(chuàng)造了一個(gè)安全、方便、快捷、舒適、經(jīng)濟(jì)、高效的交通與生活環(huán)境。 

    二、隧道智能化監(jiān)控系統(tǒng) 

    隧道智能化監(jiān)控系統(tǒng)采用分級(jí)管理的模式，通過(guò)建立多平臺(tái)、多系統(tǒng)下的統(tǒng)一管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有系統(tǒng)內(nèi)的分監(jiān)控中心、監(jiān)控主機(jī)及監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一有序的協(xié)調(diào)、管理。各分監(jiān)控中心在服從總監(jiān)控中心調(diào)度指揮的同時(shí)，能在自己職能范圍內(nèi)管理和調(diào)度其所管轄各隧道內(nèi)的監(jiān)控設(shè)備，從而達(dá)到集中與分散相結(jié)合的多級(jí)用戶管理模式。 

    隧道智能化監(jiān)控系統(tǒng)主要包括：隧道內(nèi)實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控、車流量、流速檢測(cè)、變配電參數(shù)檢測(cè)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警、照明、通風(fēng)、緊急電話、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通控制等子系統(tǒng)。其中隧道網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的建立，可實(shí)時(shí)對(duì)隧道內(nèi)交通流量和交通運(yùn)行狀況的監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)采取應(yīng)急措施，確保隧道高速、安全、舒適、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)營(yíng)。    

    （一）中央控制中心 

    中央監(jiān)控中心是整個(gè)隧道智能化監(jiān)控系統(tǒng)的核心，由中心服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、視頻工作站、電子地圖、報(bào)警主機(jī)、數(shù)字矩陣主機(jī)、電視墻等組成，其功能主要包括：信息采集功能、信息處理與發(fā)布功能、控制功能、告警處理功能、報(bào)表統(tǒng)計(jì)與打印功能、查詢功能、自動(dòng)數(shù)據(jù)備份和系統(tǒng)恢復(fù)功能、自動(dòng)后備功能、聯(lián)網(wǎng)功能及網(wǎng)絡(luò)管理等功能。實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道引道區(qū)、隧道區(qū)及出入口區(qū)的信號(hào)燈、可變情報(bào)板、綜合交通信息板、限速信號(hào)板、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警、應(yīng)急廣播等的控制功能，達(dá)到分流、啟閉車道、引導(dǎo)車輛改道等作用，對(duì)車輛的運(yùn)行實(shí)施動(dòng)態(tài)管理和控制。 

    1、系統(tǒng)控制模式 

    控制是實(shí)現(xiàn)隧道監(jiān)控系統(tǒng)目的的根本手段。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)考慮，系統(tǒng)控制應(yīng)從集散式控制系統(tǒng)逐步發(fā)展為現(xiàn)場(chǎng)控制，從而提高系統(tǒng)的可靠性、維護(hù)操作的方便性與降低工程造價(jià)，應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，由FCS（無(wú)中心控制）代替現(xiàn)在的DCS（集散式控制）和PLC（可編程控制）是發(fā)展的必然趨勢(shì)；現(xiàn)場(chǎng)總線作為一種開(kāi)放的、全數(shù)字化、雙向、多站的通信系統(tǒng)，近年來(lái)得到了迅猛的發(fā)展和應(yīng)用，具有協(xié)議簡(jiǎn)單開(kāi)放、容錯(cuò)能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性高、安全性好、成本低、適于頻繁交換等特點(diǎn)，在隧道智能化監(jiān)控中得到了廣泛的應(yīng)用。 

    目前所應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線，模塊化分布式控制系統(tǒng)，主要分為三個(gè)系列： 

    （1）基于以太網(wǎng)和Modbus通訊協(xié)議的Openline系列； 

    （2）基于Optomux和Modbus通訊協(xié)議的MicroDAC,OpenDAC,OpenLT系列； 

    （3）基于現(xiàn)場(chǎng)總線Lonworks,Device,Profibus的Microlon,DacNet系列。

 
    2、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式 

    為確保隧道智能化監(jiān)控系統(tǒng)的安全和高可靠性，應(yīng)采用自愈環(huán)網(wǎng)拓樸結(jié)構(gòu)形式，自愈環(huán)網(wǎng)拓樸結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)突出，如果在環(huán)網(wǎng)的某處發(fā)生斷路，它將自動(dòng)重新配置網(wǎng)絡(luò)使通訊得以繼續(xù)。 

    3、設(shè)備控制 

    根據(jù)隧道內(nèi)外的交通狀況、天氣狀況、車流情況，對(duì)隧道內(nèi)各交通控制設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，通過(guò)中央控制中心傳送到現(xiàn)場(chǎng)的PLC；現(xiàn)場(chǎng)的PLC根據(jù)中央控制中心的操作指令進(jìn)行各種操作，將操作信息實(shí)時(shí)返回給中央控制中心。各PLC能在控制中心出現(xiàn)故障的情況下，獨(dú)立進(jìn)行系統(tǒng)控制，由于使用了環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，各PLC之間查相互通信，實(shí)時(shí)掌握各PLC的運(yùn)行狀況。設(shè)備控制還包括通信、廣播、消防等設(shè)備的監(jiān)控。 

    4、狀態(tài)監(jiān)視 

    在中央控制中心的顯示器上，通過(guò)電子地圖，直觀反應(yīng)出隧道內(nèi)的圖像資料，實(shí)時(shí)顯示出隧道內(nèi)所有交通控制設(shè)備、消防設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備、變配電設(shè)備的工作狀態(tài)和隧道內(nèi)交通狀況的畫(huà)面。 

    5、故障報(bào)警 

    在系統(tǒng)檢測(cè)到故障信息后能立即彈出故障窗口，以閃爍的方式在電子地圖上顯示出相應(yīng)的故障信息、故障點(diǎn)和故障時(shí)間；同時(shí)，自動(dòng)將該故障信息存入故障信息數(shù)據(jù)庫(kù)。 

    6、文檔生成 

    對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各項(xiàng)信息自動(dòng)進(jìn)行歸納、分析和整理，生成所需的各種報(bào)表，如操作記錄，報(bào)警記錄，日?qǐng)?bào)、月報(bào)、季報(bào)和年報(bào)等。 

    7、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析 

    對(duì)系統(tǒng)內(nèi)測(cè)量的模擬信息記錄到模擬量歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)根據(jù)用戶的需要，將記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，以生成實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖和歷史趨勢(shì)圖。 

    （二）PLC控制技術(shù) 

    PLC是實(shí)現(xiàn)整個(gè)隧道智能化監(jiān)控的最關(guān)鍵設(shè)備之一，一臺(tái)或多臺(tái)PLC控制器配置一套工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，交換機(jī)配置雙光口雙電口。各個(gè)PLC控制器通過(guò)位于CPU上的10M／100M以太網(wǎng)接口與交換機(jī)電口相聯(lián)。各個(gè)交換機(jī)之間采用雙環(huán)光纜組成100Mbps速率的光纖冗余環(huán)網(wǎng)。中央控制器室設(shè)備同樣通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)接入光纖冗余環(huán)網(wǎng)。利用PLC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式采樣，即在被控點(diǎn)附近設(shè)置采樣單元，就近完成被控點(diǎn)的狀態(tài)采樣和控制輸出，完成該采樣單元內(nèi)部各控制信號(hào)的聯(lián)鎖，在各采樣單元之間，通過(guò)工業(yè)控制以太網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)相互協(xié)調(diào)、相互控制的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)設(shè)備、交通狀況的監(jiān)控。 

    （三）視頻檢測(cè)功能 

    對(duì)隧道內(nèi)視頻車輛檢測(cè)器所采集的視頻信號(hào)，進(jìn)行數(shù)字化處理和數(shù)學(xué)模型運(yùn)算，過(guò)濾出事故報(bào)警；實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)交通的實(shí)時(shí)監(jiān)控、事后分析、檢測(cè)報(bào)警（如擁堵、逆行、棄物及停止等）、交通測(cè)量（流量、占有率、平均速度等）。視頻車輛檢測(cè)器具有檢測(cè)視頻圖像中每一車道和同一行駛方向上所通過(guò)的車流量、瞬時(shí)速度、車頭時(shí)距、道路占有率、車輛長(zhǎng)度識(shí)別、檢測(cè)區(qū)域?qū)挾鹊裙δ堋?

    （四）閉路電視監(jiān)控系統(tǒng) 

    在隧道出入口、隧道中間設(shè)全方位可控彩色攝像機(jī)�，F(xiàn)場(chǎng)視頻圖像采用多路視頻復(fù)用光端機(jī)和光纜向控制中心傳輸視頻圖像和控制信息，并在控制中心電視墻上實(shí)現(xiàn)監(jiān)控圖像的實(shí)時(shí)顯示。在控制中心可以對(duì)彩色攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控，控制包括對(duì)全方位云臺(tái)和可變鏡頭等，使控制中心的值班員能實(shí)時(shí)監(jiān)視隧道內(nèi)的交通情況，輔助值班員指揮行車。在發(fā)生災(zāi)情時(shí)，及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)的災(zāi)害和乘客疏散情況。 

    （五）緊急電話系統(tǒng) 

    隧道設(shè)緊急電話，為駕駛員提供一個(gè)直接呼救求援的專用通信系統(tǒng)，對(duì)火災(zāi)、交通事故，采用熱線方式，直通計(jì)算機(jī)主機(jī)，并進(jìn)行聲光報(bào)警，與110、120聯(lián)動(dòng)。 

    （六）有線廣播系統(tǒng) 

    系統(tǒng)可對(duì)隧道內(nèi)來(lái)往車輛駕駛員播放各種交通信息等；在發(fā)生緊急情況時(shí)進(jìn)行緊急情況的通知，同時(shí)，當(dāng)收到火災(zāi)報(bào)警信號(hào)時(shí)，能自動(dòng)進(jìn)入火災(zāi)緊急廣播狀態(tài)，與火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。     

    （七）隧道通風(fēng)控制子系統(tǒng) 

    通風(fēng)控制子系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)PLC控制器、隧道內(nèi)區(qū)域控制器、CO/VI檢測(cè)器、風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)器等組成。根據(jù)隧道的通風(fēng)方式，分別在隧洞中間、進(jìn)口及通風(fēng)豎井附近設(shè)置CO/VI檢測(cè)器及風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)器，根據(jù)CO/VI和風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)器的檢測(cè)參數(shù)。對(duì)洞內(nèi)射流風(fēng)機(jī)采用“PLC風(fēng)機(jī)控制器→PLC區(qū)域控制器→監(jiān)控中心”的三級(jí)控制。 

    公路隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，及時(shí)啟動(dòng)軸流風(fēng)機(jī)，保證隧道內(nèi)的最低風(fēng)速不得低于2.5m/s，使煙霧迅速向同一方向排出，確保車輛有序疏散。 

    （八）隧道照明控制 

    照明控制子系統(tǒng)主要由洞內(nèi)外亮度檢測(cè)器和區(qū)域控制器完成，根據(jù)檢測(cè)到的洞內(nèi)外亮度數(shù)據(jù)、交通量變化以及白天、黑夜等情況，按照預(yù)計(jì)的照明控方案控制隧道的照明，調(diào)節(jié)出入口以及洞內(nèi)照明燈具的亮度，防止黑洞和白洞效應(yīng)，保證行車的安全暢通，同時(shí)，在滿足照明要求的情況下達(dá)到節(jié)能運(yùn)行的目的。 

    （九）電力監(jiān)控 

    電力監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)隧道變電所及箱式變電站的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，主要監(jiān)測(cè)高、低壓開(kāi)關(guān)柜的工作狀態(tài)、各斷路器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、故障、電流、電壓、頻率、有功功率、功率因素、變壓器溫度等參數(shù)，對(duì)供配電系統(tǒng)設(shè)備及通風(fēng)、照明回路進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)顯示、報(bào)警、統(tǒng)計(jì)、維護(hù)等功能。 

    （十）隧道火災(zāi)報(bào)警 

    火災(zāi)報(bào)警方式分為手動(dòng)報(bào)警按鈕和火災(zāi)自動(dòng)探測(cè)器兩種。 

    手動(dòng)報(bào)警按鈕，在隧道內(nèi)按每50米一套設(shè)置手動(dòng)報(bào)警按鈕。在緊急情況下由人工按動(dòng)報(bào)警按鈕，將信號(hào)傳到隧道監(jiān)控中心。 

    自動(dòng)火災(zāi)報(bào)警探測(cè)可采用分布式光纖感溫自動(dòng)探測(cè)器，在隧道內(nèi)頂部敷設(shè)感溫火災(zāi)探測(cè)光纜，對(duì)隧道內(nèi)進(jìn)行連續(xù)的溫度檢測(cè)。該系統(tǒng)利用光纖作為線性感溫探測(cè)器，該探測(cè)器基于光纖后向拉曼散射效應(yīng)，產(chǎn)生一個(gè)比光源波長(zhǎng)長(zhǎng)的光，稱斯托克斯(stokes)光，和一個(gè)比光源波長(zhǎng)短的光，稱為后斯托克斯(anti-stokes)光，光纖受外部溫度的調(diào)制使光纖中的反斯托克斯(anti-stokes)光強(qiáng)發(fā)生變化，anti-stokes與stokes的比值提供了溫度的絕對(duì)指示，利用這一原理可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖溫度場(chǎng)的分布式測(cè)量，因此，感溫光纖可以將環(huán)境溫度以連續(xù)的線性方式表示出來(lái)。該探測(cè)系統(tǒng)還可以準(zhǔn)確地定位溫度發(fā)生變化的確切位置，定位精確度可達(dá)10cm。 
    火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)接受隧道內(nèi)、變電所、泵房以及設(shè)備用房?jī)?nèi)火災(zāi)探測(cè)器的報(bào)警信號(hào)，當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，發(fā)出緊急信號(hào)，發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)，并顯示出火災(zāi)報(bào)警的具體位置，經(jīng)過(guò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)將事故地點(diǎn)顯示在相應(yīng)的工作站和大屏幕上，并啟動(dòng)相應(yīng)的控制預(yù)案，如啟動(dòng)應(yīng)急照明、通風(fēng)、消防滅火等設(shè)施，發(fā)布交通誘導(dǎo)信息，調(diào)度救援車輛及人員等，以便能快速、有序地疏導(dǎo)隧道內(nèi)的車輛和人員，保障隧道及司乘人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。 

    （十一）交通信號(hào)控制 

    交通信號(hào)控制主要是用于協(xié)助疏導(dǎo)交通、給司機(jī)提供信息，以保證道路暢通。在隧道兩端入口前設(shè)置交通信號(hào)燈，由控制中心綜合分析各系統(tǒng)的相關(guān)信息，控制信號(hào)燈的開(kāi)關(guān)及時(shí)間的長(zhǎng)短。 

    在隧道入口處設(shè)置一個(gè)可變限速標(biāo)志和一個(gè)可變情報(bào)板，控制中心根據(jù)隧道內(nèi)的交通狀況，編輯和發(fā)送交通信息、運(yùn)營(yíng)指令、路況資料、限速、報(bào)警信息等多幅信息，引導(dǎo)進(jìn)入隧道的車流量，以避免或排除隧道內(nèi)交通阻塞，在突發(fā)事件發(fā)生時(shí)關(guān)閉隧道通行，在隧道入口處設(shè)車高紅外檢測(cè)器，對(duì)進(jìn)入隧道的車輛的進(jìn)行車高測(cè)量，利用車牌識(shí)別系統(tǒng)，語(yǔ)音系統(tǒng)、視頻檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)超高車輛進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警。 

    在隧道內(nèi)或隧道口設(shè)置可變信息標(biāo)志和可變限速標(biāo)志，用于在異常情況下發(fā)布隧道內(nèi)交通提示信息和速度控制信息。 

    三、結(jié)束語(yǔ) 

    隧道控制系統(tǒng)主要是為了進(jìn)行隧道交通控制，提高隧道服務(wù)水平，提供一個(gè)高質(zhì)量，高可靠性，創(chuàng)造一個(gè)安全、方便、快捷、高效的交通與生活環(huán)境，其關(guān)鍵問(wèn)題是解決控制網(wǎng)絡(luò)模式和提高監(jiān)控設(shè)備軟、硬件可靠性，同時(shí)，工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)控制領(lǐng)域具有的開(kāi)放性、高可靠性等優(yōu)勢(shì)，在公路隧道的監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)管控一體化，控制軟件智能化，將成為隧道監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。