公路隧道智能化监控系统交通领域的发展

     一、概述

    随着交通工程建设和交通事业的发展，我国所建交通隧道的里程迅速延长，不断增长的交通流量、路况改善以及运输物品的复杂性，增加了交通隧道的火灾和隧道污染等的风险，引发了不少严重的灾难性事故，尤其是火灾事故，它不仅严重威胁到人的生命和财产安全，而且对交通设施、人类的生产活动造成巨大的损坏。隧道的智能化监控显得越来越重要。

    随着计算机技术、图像处理技术、通讯技术、控制技术的发展，以太网技术和总线技术突破了原有的技术瓶颈，为公路隧道的智能化监控提供了一个行之有效的最佳解决途径，它满足了社会经济发展与人们文明生活的高标准的要求，为人类的出行创造了一个安全、方便、快捷、舒适、经济、高效的交通与生活环境。

    二、隧道智能化监控系统

    隧道智能化监控系统采用分级管理的模式，通过建立多平台、多系统下的统一管理平台，实现对所有系统内的分监控中心、监控主机及监控设备进行统一有序的协调、管理。各分监控中心在服从总监控中心调度指挥的同时，能在自己职能范围内管理和调度其所管辖各隧道内的监控设备，从而达到集中与分散相结合的多级用户管理模式。

    隧道智能化监控系统主要包括：隧道内实时视频监控、车流量、流速检测、变配电参数检测、火灾自动报警、照明、通风、紧急电话、环境监测、交通控制等子系统。其中隧道网络视频监控系统的建立，可实时对隧道内交通流量和交通运行状况的监视，发现异常情况及时采取应急措施，确保隧道高速、安全、舒适、经济地运营。

    （一）中央控制中心

    中央监控中心是整个隧道智能化监控系统的核心，由中心服务器、网络交换机、视频工作站、电子地图、报警主机、数字矩阵主机、电视墙等组成，其功能主要包括：信息采集功能、信息处理与发布功能、控制功能、告警处理功能、报表统计与打印功能、查询功能、自动数据备份和系统恢复功能、自动后备功能、联网功能及网络管理等功能。实现对隧道引道区、隧道区及出入口区的信号灯、可变情报板、综合交通信息板、限速信号板、火灾自动报警、应急广播等的控制功能，达到分流、启闭车道、引导车辆改道等作用，对车辆的运行实施动态管理和控制。

    1、系统控制模式

    控制是实现隧道监控系统目的的根本手段。从系统结构考虑，系统控制应从集散式控制系统逐步发展为现场控制，从而提高系统的可靠性、维护操作的方便性与降低工程造价，应用现场总线技术，由FCS（无中心控制）代替现在的DCS（集散式控制）和PLC（可编程控制）是发展的必然趋势；现场总线作为一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统，近年来得到了迅猛的发展和应用，具有协议简单开放、容错能力强、实时性高、安全性好、成本低、适于频繁交换等特点，在隧道智能化监控中得到了广泛的应用。
 
     目前所应用的现场总线，模块化分布式控制系统，主要分为三个系列：

    （1）基于以太网和Modbus通讯协议的Openline系列；

    （2）基于Optomux和Modbus通讯协议的MicroDAC,OpenDAC,OpenLT系列；

    （3）基于现场总线Lonworks,Device,Profibus的Microlon,DacNet系列。

    2、系统网络结构形式

    为确保隧道智能化监控系统的安全和高可靠性，应采用自愈环网拓朴结构形式，自愈环网拓朴结构优点突出，如果在环网的某处发生断路，它将自动重新配置网络使通讯得以继续。

    3、设备控制

    根据隧道内外的交通状况、天气状况、车流情况，对隧道内各交通控制设备进行远程控制，通过中央控制中心传送到现场的PLC；现场的PLC根据中央控制中心的操作指令进行各种操作，将操作信息实时返回给中央控制中心。各PLC能在控制中心出现故障的情况下，独立进行系统控制，由于使用了环网结构，各PLC之间查相互通信，实时掌握各PLC的运行状况。设备控制还包括通信、广播、消防等设备的监控。

    4、状态监视

    在中央控制中心的显示器上，通过电子地图，直观反应出隧道内的图像资料，实时显示出隧道内所有交通控制设备、消防设备、通风设备、变配电设备的工作状态和隧道内交通状况的画面。

    5、故障报警

    在系统检测到故障信息后能立即弹出故障窗口，以闪烁的方式在电子地图上显示出相应的故障信息、故障点和故障时间；同时，自动将该故障信息存入故障信息数据库。

    6、文档生成

    对系统内各项信息自动进行归纳、分析和整理，生成所需的各种报表，如操作记录，报警记录，日报、月报、季报和年报等。

    7、数据统计与分析

    对系统内测量的模拟信息记录到模拟量历史数据库中，同时根据用户的需要，将记录在数据库中的数据信息进行统计与分析，以生成实时趋势图和历史趋势图。 

    （二）PLC控制技术 

    PLC是实现整个隧道智能化监控的最关键设备之一，一台或多台PLC控制器配置一套工业以太网交换机，交换机配置双光口双电口。各个PLC控制器通过位于CPU上的10M／100M以太网接口与交换机电口相联。各个交换机之间采用双环光缆组成100Mbps速率的光纤冗余环网。中央控制器室设备同样通过以太网交换机接入光纤冗余环网。利用PLC网络技术来实现分布式采样，即在被控点附近设置采样单元，就近完成被控点的状态采样和控制输出，完成该采样单元内部各控制信号的联锁，在各采样单元之间，通过工业控制以太网络进行通讯，实现相互协调、相互控制的功能，实现对隧道内设备、交通状况的监控。

    （三）视频检测功能

    对隧道内视频车辆检测器所采集的视频信号，进行数字化处理和数学模型运算，过滤出事故报警；实现对隧道内交通的实时监控、事后分析、检测报警（如拥堵、逆行、弃物及停止等）、交通测量（流量、占有率、平均速度等）。视频车辆检测器具有检测视频图像中每一车道和同一行驶方向上所通过的车流量、瞬时速度、车头时距、道路占有率、车辆长度识别、检测区域宽度等功能。

    （四）闭路电视监控系统

    在隧道出入口、隧道中间设全方位可控彩色摄像机。现场视频图像采用多路视频复用光端机和光缆向控制中心传输视频图像和控制信息，并在控制中心电视墙上实现监控图像的实时显示。在控制中心可以对彩色摄像机实现远程遥控，控制包括对全方位云台和可变镜头等，使控制中心的值班员能实时监视隧道内的交通情况，辅助值班员指挥行车。在发生灾情时，及时了解现场的灾害和乘客疏散情况。

    （五）紧急电话系统

    隧道设紧急电话，为驾驶员提供一个直接呼救求援的专用通信系统，对火灾、交通事故，采用热线方式，直通计算机主机，并进行声光报警，与110、120联动。

    （六）有线广播系统

    系统可对隧道内来往车辆驾驶员播放各种交通信息等；在发生紧急情况时进行紧急情况的通知，同时，当收到火灾报警信号时，能自动进入火灾紧急广播状态，与火灾自动报警系统实现联动。 
  
    （七）隧道通风控制子系统

    通风控制子系统主要由风机PLC控制器、隧道内区域控制器、CO/VI检测器、风速风向检测器等组成。根据隧道的通风方式，分别在隧洞中间、进口及通风竖井附近设置CO/VI检测器及风速风向检测器，根据CO/VI和风速风向检测器的检测参数。对洞内射流风机采用“PLC风机控制器→PLC区域控制器→监控中心”的三级控制。

    公路隧道发生火灾时，及时启动轴流风机，保证隧道内的最低风速不得低于2.5m/s，使烟雾迅速向同一方向排出，确保车辆有序疏散。

    （八）隧道照明控制

    照明控制子系统主要由洞内外亮度检测器和区域控制器完成，根据检测到的洞内外亮度数据、交通量变化以及白天、黑夜等情况，按照预计的照明控方案控制隧道的照明，调节出入口以及洞内照明灯具的亮度，防止黑洞和白洞效应，保证行车的安全畅通，同时，在满足照明要求的情况下达到节能运行的目的。

    （九）电力监控

    电力监控系统对隧道变电所及箱式变电站的运行状态进行监视，主要监测高、低压开关柜的工作状态、各断路器的开关状态、故障、电流、电压、频率、有功功率、功率因素、变压器温度等参数，对供配电系统设备及通风、照明回路进行监控，实现显示、报警、统计、维护等功能。

    （十）隧道火灾报警

    火灾报警方式分为手动报警按钮和火灾自动探测器两种。

    手动报警按钮，在隧道内按每50米一套设置手动报警按钮。在紧急情况下由人工按动报警按钮，将信号传到隧道监控中心。

    自动火灾报警探测可采用分布式光纤感温自动探测器，在隧道内顶部敷设感温火灾探测光缆，对隧道内进行连续的温度检测。该系统利用光纤作为线性感温探测器，

    该探测器基于光纤后向拉曼散射效应，产生一个比光源波长长的光，称斯托克斯(stokes)光，和一个比光源波长短的光，称为后斯托克斯(anti-stokes)光，光纤受外部温度的调制使光纤中的反斯托克斯(anti-stokes)光强发生变化，anti-stokes与stokes的比值提供了温度的绝对指示，利用这一原理可以实现对光纤温度场的分布式测量，因此，感温光纤可以将环境温度以连续的线性方式表示出来。该探测系统还可以准确地定位温度发生变化的确切位置，定位精确度可达10cm。 

     火灾报警系统接受隧道内、变电所、泵房以及设备用房内火灾探测器的报警信号，当隧道内发生火灾时，发出紧急信号，发出声、光报警信号，并显示出火灾报警的具体位置，经过视频监控系统自动将事故地点显示在相应的工作站和大屏幕上，并启动相应的控制预案，如启动应急照明、通风、消防灭火等设施，发布交通诱导信息，调度救援车辆及人员等，以便能快速、有序地疏导隧道内的车辆和人员，保障隧道及司乘人员的生命财产安全。

    （十一）交通信号控制

    交通信号控制主要是用于协助疏导交通、给司机提供信息，以保证道路畅通。在隧道两端入口前设置交通信号灯，由控制中心综合分析各系统的相关信息，控制信号灯的开关及时间的长短。

    在隧道入口处设置一个可变限速标志和一个可变情报板，控制中心根据隧道内的交通状况，编辑和发送交通信息、运营指令、路况资料、限速、报警信息等多幅信息，引导进入隧道的车流量，以避免或排除隧道内交通阻塞，在突发事件发生时关闭隧道通行，在隧道入口处设车高红外检测器，对进入隧道的车辆的进行车高测量，利用车牌识别系统，语音系统、视频检测系统，对超高车辆进行语音报警。

    在隧道内或隧道口设置可变信息标志和可变限速标志，用于在异常情况下发布隧道内交通提示信息和速度控制信息。

    三、结束语

    隧道控制系统主要是为了进行隧道交通控制，提高隧道服务水平，提供一个高质量，高可靠性，创造一个安全、方便、快捷、高效的交通与生活环境，其关键问题是解决控制网络模式和提高监控设备软、硬件可靠性，同时，工业以太网在工业控制领域具有的开放性、高可靠性等优势，在公路隧道的监控系统中应用工业以太网，实现管控一体化，控制软件智能化，将成为隧道监控系统的发展趋势。