基于信息化管理的高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

胡建科 盧娟

摘要：文章分析高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，從用戶登錄、交通監(jiān)控、視頻監(jiān)控、照明監(jiān)控等方面闡述了高速公路隧道監(jiān)測系統(tǒng)的組成，并結(jié)合某高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)營管理實(shí)踐，對(duì)交通監(jiān)控和照明監(jiān)控進(jìn)行調(diào)查分析，收集數(shù)據(jù)繪制曲線分析后得出隧道內(nèi)車流量曲線，計(jì)算得出自動(dòng)模式下隧道照明系統(tǒng)可節(jié)約能源51%左右，說明監(jiān)測系統(tǒng)滿足公路隧道管理的要求。

關(guān)鍵詞：高速公路;信息化管理;隧洞監(jiān)控系統(tǒng);視頻監(jiān)控;交通監(jiān)控;照明監(jiān)控

0 引言

近年來，隨著國內(nèi)外技術(shù)交流的不斷加深，各行業(yè)直接的技術(shù)交流與融合也不斷加強(qiáng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，很多新技術(shù)、新設(shè)備被應(yīng)用到公路隧道機(jī)電管理中。本研究將計(jì)算機(jī)技術(shù)與先進(jìn)的設(shè)備管理方法相結(jié)合，采用信息化管理的思路，設(shè)計(jì)一套符合現(xiàn)代公路隧道要求的監(jiān)控系統(tǒng)。

早在20世紀(jì)90年代，國外發(fā)達(dá)國家公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)的研究已取得了一定的成果，特別是在數(shù)據(jù)采集和設(shè)備管理方面均處于領(lǐng)先的地位。相比之下，國內(nèi)一些大型企業(yè)還只能依靠進(jìn)口，無論是在技術(shù)上還是在管理上都比較落后。近年來，由于我國公路交通事業(yè)的發(fā)展，國家對(duì)技術(shù)創(chuàng)新的鼓勵(lì)引導(dǎo)，很多企業(yè)開發(fā)出了一些適應(yīng)我國公路隧道管理的監(jiān)控系統(tǒng)。然而，很多企業(yè)尚處于硬件設(shè)備的生產(chǎn)階段，還沒有設(shè)計(jì)出一套全面、通用的監(jiān)控系統(tǒng)管理軟件。高速公路監(jiān)控系統(tǒng)由大量的設(shè)備組成，而經(jīng)過多年的發(fā)展，國內(nèi)很多企業(yè)現(xiàn)今可以生產(chǎn)出國際領(lǐng)先的設(shè)備?；谛畔⒒芾淼睦砟?，運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，建立一套科學(xué)合理、適應(yīng)國內(nèi)公路隧道管理的信息化監(jiān)控系統(tǒng)，是當(dāng)今亟待解決的問題。

1 隧道監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 用戶登錄

軟件設(shè)計(jì)了一套先進(jìn)的基于用戶的安全管理系統(tǒng)，各用戶被賦予不同的權(quán)限，可以通過用戶名和密碼進(jìn)行登錄，并根據(jù)不同角色被賦予不同的權(quán)限。系統(tǒng)具有加密功能，可以為系統(tǒng)提供進(jìn)一步的安全保障。系統(tǒng)設(shè)置管理員，可以對(duì)用戶進(jìn)行管理操作。用戶可以自己設(shè)定和修改密碼，也可以在自己的分配權(quán)限范圍內(nèi)查看信息、修改設(shè)置、上傳數(shù)據(jù)。

1.2 隧道管理

用戶登錄管理系統(tǒng)后，可以在主界面查看背景畫面、圖形標(biāo)志，并可以對(duì)設(shè)備運(yùn)行的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)查看，包括隧道內(nèi)車流量、通風(fēng)、照明、消防、視頻、交通信號(hào)燈狀態(tài)、CO2濃度、隧道內(nèi)外光強(qiáng)、車道占有率等信息。如果設(shè)備出現(xiàn)故障，系統(tǒng)可將故障設(shè)備的具體位置顯示出來，并將報(bào)警狀態(tài)通過不同顏色顯示出來。另外，用戶可以操作控制按鈕，切換監(jiān)控畫面。

1.3 交通監(jiān)控子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

交通監(jiān)控子系統(tǒng)可以采集交通流信息及交通信號(hào)燈、限速標(biāo)志等信息，并在用戶操作界面上以動(dòng)畫的形式顯示出來。具體交通監(jiān)控子系統(tǒng)界面如圖1所示。同時(shí)，用戶可以操作交通監(jiān)控子系統(tǒng)，對(duì)子系統(tǒng)所控制的設(shè)備進(jìn)行管理。

1.4 通風(fēng)監(jiān)控子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隧道在運(yùn)營過程中會(huì)積聚大量的尾氣和煙塵，由于隧道內(nèi)屬于一個(gè)相對(duì)封閉的空間，單靠車輛行駛所產(chǎn)生的活塞作用不能完全排除這些有害氣體，因此通風(fēng)監(jiān)控子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是十分必要的。為加強(qiáng)通風(fēng)，在隧道內(nèi)安裝風(fēng)機(jī)，通風(fēng)監(jiān)控子系統(tǒng)可以對(duì)隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、CO2濃度、風(fēng)速等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將監(jiān)測值傳遞到本地控制器，最終在系統(tǒng)主界面顯示出來。子系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，調(diào)整風(fēng)機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)、時(shí)間和風(fēng)向，保證隧道通風(fēng)效果。隧道通風(fēng)監(jiān)控子系統(tǒng)界面如圖2所示。

1.5 照明控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為防止駕駛員進(jìn)入隧道時(shí)出現(xiàn)“黑框現(xiàn)象”和眩光，應(yīng)根據(jù)隧道內(nèi)外的光照強(qiáng)度對(duì)洞內(nèi)光線進(jìn)行調(diào)節(jié)。照明監(jiān)控子系統(tǒng)可以對(duì)洞內(nèi)照明設(shè)備的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，防止出現(xiàn)交通事故，也可以節(jié)約能源。該子系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線控制方式，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過區(qū)域控制單元對(duì)隧道內(nèi)的照明設(shè)備進(jìn)行控制與管理。照明監(jiān)控子系統(tǒng)界面如圖3所示。其操作界面可顯示照明設(shè)備的工作狀態(tài)、光強(qiáng)等監(jiān)測值，通過PLC上傳到中心控制系統(tǒng)，并根據(jù)隧道運(yùn)營需要調(diào)整光強(qiáng)和照明設(shè)備。

1.6 消防監(jiān)控子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，消防監(jiān)控子系統(tǒng)通過監(jiān)測，可實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警、語音廣播等功能，通過管理中心進(jìn)行滅火和救援。消防控制子系統(tǒng)操作界面如圖4所示，可顯示隧道內(nèi)消防設(shè)備的工作狀態(tài)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，顯示發(fā)生火災(zāi)的具體位置和故障設(shè)備的位置。同時(shí)，可將火災(zāi)現(xiàn)場的畫面?zhèn)鬏數(shù)焦芾碇行?，供操作人員查看，以便下一步救援工作的開展。

1.7 視頻監(jiān)控子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過在隧道內(nèi)布設(shè)監(jiān)控?cái)z像機(jī)，可以直觀、實(shí)時(shí)地將現(xiàn)場交通流和事故發(fā)生地點(diǎn)顯示出來，為救災(zāi)排險(xiǎn)提供資料。視頻監(jiān)控子系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)這一功能，其對(duì)隧道內(nèi)多臺(tái)攝像機(jī)進(jìn)行控制，通過以太網(wǎng)與PLC連接，軟件系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)通訊，將隧道內(nèi)的視頻圖像及時(shí)準(zhǔn)確地傳輸?shù)焦芾碇行模瑸橹贫ń煌ūO(jiān)控方案提供參考依據(jù)。攝像機(jī)拍攝到的視頻圖像傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，顯示在視頻監(jiān)視器上，操作人員通過圖像分析隧道內(nèi)的情況，對(duì)隧道進(jìn)行管理。視頻監(jiān)控子系統(tǒng)操作界面如圖5所示。

1.8 電話廣播監(jiān)控子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)車輛在隧道內(nèi)發(fā)生交通事故或故障時(shí)，司機(jī)可以通過緊急電話系統(tǒng)聯(lián)系管理中心，監(jiān)控中心可以通過電話廣播系統(tǒng)對(duì)事故現(xiàn)場進(jìn)行遠(yuǎn)程指揮調(diào)度、疏導(dǎo)交通和組織救援等。另外，緊急電話還可以對(duì)隧道內(nèi)的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)聽。

1.9 查詢統(tǒng)計(jì)

隧道監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)報(bào)表查詢，對(duì)隧道監(jiān)測的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、調(diào)用和輸出生產(chǎn)報(bào)表。隧道監(jiān)控系統(tǒng)可以進(jìn)行趨勢曲線繪制，以橫軸為時(shí)間，縱軸為變量，繪制趨勢曲線圖，并具有預(yù)覽、打印等功能。系統(tǒng)還可以進(jìn)行報(bào)警事件查詢，把超出正常警戒值的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)出來，可實(shí)現(xiàn)打印、顯示、轉(zhuǎn)發(fā)等操作。

2 公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)工程應(yīng)用

2.1 依托工程簡介

某高速公路設(shè)計(jì)隧道5座，各隧道均采用雙洞、單向兩車道設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)車速為80 km/h，設(shè)計(jì)交通量為37 954輛/d，預(yù)計(jì)年交通量增長速度為5%。隧道內(nèi)部布設(shè)有大量機(jī)電設(shè)備，運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，管理難度大。為監(jiān)測隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀況，對(duì)隧道內(nèi)車流量、洞內(nèi)CO2濃度等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，通過進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，開發(fā)高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)，并運(yùn)用到隧道運(yùn)營管理中。該監(jiān)控系統(tǒng)可以24 h不間斷收集隧道運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)，具有防止發(fā)生交通事故，進(jìn)行火災(zāi)預(yù)警等功能。

2.2 交通監(jiān)控分析

表1列出了該高速公路某一路段3 d的交通監(jiān)控信息，這3 d的天氣情況類似。分析數(shù)據(jù)表明，這3 d交通量相差≤40 veh/d，每天所有車輛的平均車速基本相同，因此可認(rèn)為這三天的車流量、車速情況基本一致。由于這三天的光照、日出和日落時(shí)間類似，洞外的光強(qiáng)基本一致，洞內(nèi)的照明設(shè)施的節(jié)能情況也基本一致。

圖6為2018-12-01隧道各個(gè)時(shí)段的車流量數(shù)據(jù)曲線圖。經(jīng)分析可知，一天中0：00-6：00和20：00-24：00兩個(gè)時(shí)間段，隧道內(nèi)車流量較少，均在140 veh/h以下，其他時(shí)間段車流量相對(duì)較大，其中最大值為1 733 veh/h。

2.3 照明監(jiān)控分析

本隧道照明監(jiān)控系統(tǒng)采用自動(dòng)模式，按照“車進(jìn)燈亮，車走燈暗”的原則進(jìn)行管理。為驗(yàn)證節(jié)能效果，對(duì)隧道照明監(jiān)控系統(tǒng)在隧道內(nèi)的照明設(shè)備調(diào)暗時(shí)間、用電情況進(jìn)行分析。隧道內(nèi)照明設(shè)備的調(diào)暗時(shí)間如圖7所示。

圖7為2018-12-01隧道內(nèi)各時(shí)段照明燈調(diào)暗時(shí)間變化情況，分析可知在0：00-6：00和20：00-24：00兩個(gè)時(shí)間段，隧道內(nèi)車流量較小，照明燈調(diào)暗時(shí)間也較長，其中調(diào)暗時(shí)間最大值為55 min，可有效節(jié)約能源。其余時(shí)間車流量較大，調(diào)暗時(shí)間也相對(duì)較短。統(tǒng)計(jì)表明，該隧道2018-12-01調(diào)暗時(shí)間共計(jì)605 min，一天共1 440 min，計(jì)算調(diào)暗時(shí)間所占比例為42%。

在自動(dòng)模式下，隧道照明監(jiān)控軟件還需要根據(jù)隧道洞外亮度來計(jì)算隧道內(nèi)的最佳照明亮度。監(jiān)測過程中對(duì)洞外亮度進(jìn)行檢測。洞外亮度變化情況詳見圖8。

通過對(duì)隧道內(nèi)照明設(shè)備和用電量的監(jiān)測結(jié)果分析，采用自動(dòng)模式與全亮模式相比，可以節(jié)約53%左右的電量，說明這種模式可有效減少電量消耗，節(jié)約能源。這主要是由于自動(dòng)模式下遵循“車進(jìn)燈亮，車走燈暗”的原則，有車進(jìn)入隧道時(shí)亮度增加，沒車時(shí)照明燈具調(diào)暗，隧道內(nèi)照明亮度是通過洞外的亮度分析而確定的。

3 結(jié)語

公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)采用一體化的組態(tài)方式，對(duì)隧道內(nèi)的交通流、通風(fēng)、照明、消防、視頻等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。本文基于某高速公路隧道監(jiān)測管理實(shí)踐，在信息化管理的基礎(chǔ)上，通過對(duì)隧道交通和照明情況進(jìn)行監(jiān)測分析，得出了以下結(jié)論：

（1）基于信息化管理需求，對(duì)隧道監(jiān)控系統(tǒng)的交通、通風(fēng)、照明、消防、視頻監(jiān)控等子系統(tǒng)進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)，對(duì)隧道內(nèi)實(shí)際情況進(jìn)行智能化分析、報(bào)警和控制，保證隧道安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）隧道監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)交通情況進(jìn)行監(jiān)控，收集數(shù)據(jù)繪制曲線，得出日交通量、隧道各個(gè)時(shí)段的車流量等數(shù)據(jù)，可為高速公路交通運(yùn)營管理提供參考。

（3）對(duì)隧道內(nèi)的照明情況進(jìn)行檢測，得出采用自動(dòng)模式可節(jié)約隧道用電量51%左右，節(jié)能效果明顯。

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作者簡介：胡建科（1975—），工程師，從事專業(yè)高速公路機(jī)電管理工作;

盧 娟（1980—），工程師，從事專業(yè)高速公路機(jī)電管理工作。