城市隧道智能監(jiān)控系統(tǒng)研究

摘要：隧道智能監(jiān)控系統(tǒng)是城市隧道管理的重要工具，對于增強(qiáng)隧道的通行能力，保證隧道的安全運(yùn)行具有重要意義?，F(xiàn)結(jié)合隧道管理需求及工程實(shí)例，對城市隧道智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：隧道監(jiān)控;智能系統(tǒng);設(shè)計(jì)

0 引言

城市隧道是城市地下空間的重要形式，是龐大的城市地下空間的主要組成部分，是城市地下空間的“動脈”。城市隧道所處的特殊地理位置、地層介質(zhì)和復(fù)雜環(huán)境，決定了城市隧道的設(shè)計(jì)、施工需要考慮的因素比山嶺隧道更多，要求更高，存在著許多亟待解決的特殊問題。因此，要想推動城市隧道發(fā)展，就要加強(qiáng)對隧道監(jiān)控系統(tǒng)的研究。隧道監(jiān)控系統(tǒng)不僅是保證隧道安全運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)施，還是提高城市隧道運(yùn)營能力以及突發(fā)事故應(yīng)對能力的重要工具。

1 城市隧道智能監(jiān)控系統(tǒng)概述

1.1? ? 智能監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前國外隧道監(jiān)控系統(tǒng)多采用分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的集中控制和集散式控制結(jié)構(gòu)。隨著隧道規(guī)模的不斷擴(kuò)大，監(jiān)控系統(tǒng)也逐漸向多隧道集群監(jiān)控方向發(fā)展。我國早期對隧道內(nèi)的設(shè)備控制多采用人工手動控制方式，隨著科技的進(jìn)步，我國雖然在隧道監(jiān)控系統(tǒng)的研究上取得了顯著的成果，但依然存在一定的問題，如維護(hù)成本高、系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)不成熟、控制方案效率不高等，制約了監(jiān)控系統(tǒng)功能的發(fā)揮，因此還需加強(qiáng)對隧道監(jiān)控系統(tǒng)的研究，以適應(yīng)不斷變化的交通監(jiān)控需求。

1.2? ? 隧道監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)

總體來說，隧道監(jiān)控系統(tǒng)的整體架構(gòu)主要包括以下幾個部分：

（1）PLC控制設(shè)備：照明設(shè)備、車道燈、光強(qiáng)探測設(shè)備、風(fēng)速風(fēng)向探測設(shè)備等現(xiàn)場設(shè)備均由PLC控制，并使用CAN現(xiàn)場總線進(jìn)行通信。

（2）信號傳輸：利用光纖對隧道現(xiàn)場和監(jiān)控室進(jìn)行信號傳輸，需要具備傳播速度快、可靠性高及防雷等功能[1]。

（3）網(wǎng)絡(luò)建設(shè)：通過交換機(jī)組建局域網(wǎng)，進(jìn)而將各工作站、服務(wù)器、PLC等設(shè)備串聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備數(shù)據(jù)的監(jiān)測和控制。當(dāng)多隧道需要互聯(lián)時，可接入Internet。

（4）工作站和服務(wù)器：這是監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，工作站可以對PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取和寫入，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對底層硬件設(shè)備的監(jiān)測和控制。服務(wù)器則主要是對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。

監(jiān)控系統(tǒng)的諸多子系統(tǒng)，如風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)、水泵監(jiān)控系統(tǒng)等，共同組成了整個隧道監(jiān)控系統(tǒng)。

2 實(shí)例分析

2.1? ? 工程概況

廈門市擬建一條國內(nèi)最長的城市公路隧道，該隧道是機(jī)場快速路最重要的組成段，機(jī)場快速路將與仙岳路一起，構(gòu)成廈門的“十”字形城市交通大動脈。該項(xiàng)工程中的智能監(jiān)控系統(tǒng)主要包括：中央控制系統(tǒng)、閉路電視系統(tǒng)、緊急電話系統(tǒng)、通風(fēng)控制系統(tǒng)、水泵控制系統(tǒng)、防雷接地系統(tǒng)等。本文就該工程中的智能監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行深入分析。

2.2? ? 中央控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要作用是收集處理隧道內(nèi)各遠(yuǎn)端裝置（RTU）傳送過來的數(shù)據(jù)，記錄歷史數(shù)據(jù)，分析當(dāng)前數(shù)據(jù)，監(jiān)測和控制各個獨(dú)立區(qū)域值，對自動控制的順序進(jìn)行調(diào)度，管理報警和事件記錄等。項(xiàng)目根據(jù)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)每天24 h連續(xù)運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成主要包括：雙中心服務(wù)器（含磁盤陣列）、服務(wù)器、視頻事件檢測服務(wù)器、電力監(jiān)控服務(wù)器、圖形計(jì)算機(jī)、工作站、交換機(jī)等，且服務(wù)器采用容錯服務(wù)器實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備，在主服務(wù)器出現(xiàn)故障的情況下，可自動切換，后備服務(wù)器將立即投入工作，無需中斷操作即可移動出現(xiàn)故障的主服務(wù)器進(jìn)行維修[2]。

2.3? ? 各子系統(tǒng)架構(gòu)

2.3.1? ? 閉路電視系統(tǒng)

閉路電視系統(tǒng)采用對全路段進(jìn)行完全不間斷的可視性監(jiān)視方式。平時用以掌握交通狀況，以利于交通控制;緊急情況時，用以確認(rèn)通報設(shè)備上傳的信息，監(jiān)視消防活動、疏散行動等狀況。

該系統(tǒng)由日常檢測及交通事件、事故檢測兩部分組成，所有攝像機(jī)均作為日常檢測設(shè)備。用于交通異常檢測的攝像機(jī)選擇彩色定焦攝像機(jī)，隧道內(nèi)其他攝像機(jī)選擇彩色變焦攝像機(jī)。同時考慮到閉路電視可以直觀、實(shí)時觀察洞內(nèi)交通運(yùn)行狀況和事故現(xiàn)場，特別是對火災(zāi)報警的確認(rèn)非常重要，因此隧道閉路電視的設(shè)置，應(yīng)綜合考慮隧道空間和線性環(huán)境，實(shí)現(xiàn)無盲區(qū)監(jiān)視。本次攝像機(jī)的布設(shè)間距為150 m，鏡頭焦距為12 mm，攝制的畫面覆蓋整個隧道，實(shí)施全程監(jiān)視。

2.3.2? ? 緊急電話系統(tǒng)

緊急呼叫系統(tǒng)主要包括有線廣播和緊急電話系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要是在隧道內(nèi)發(fā)生阻塞、交通事故、火災(zāi)等異常情況下使用，平時也可利用此系統(tǒng)靈活傳遞道路養(yǎng)護(hù)施工狀況或交通信息。

本次項(xiàng)目采用了綜合利用系統(tǒng)，即隧道緊急電話系統(tǒng)和隧道有線廣播共用主機(jī)及軟件平臺。緊急電話和有線廣播系統(tǒng)應(yīng)用軟件安裝在緊急電話和有線廣播主機(jī)上。該主機(jī)通過以太網(wǎng)與通信系統(tǒng)主機(jī)相連，對其他子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)請求提供支持。

系統(tǒng)中每一個喇叭控制點(diǎn)和緊急電話分機(jī)都設(shè)置一個分機(jī)地址碼，廣播系統(tǒng)中的每一個喇叭控制都采用緊急電話主機(jī)呼叫分機(jī)的控制方式。廣播系統(tǒng)與緊急電話系統(tǒng)在同一個控制臺和同一臺計(jì)算機(jī)上進(jìn)行控制。系統(tǒng)具體布設(shè)為：隧道內(nèi)緊急電話分機(jī)安裝按照200 m間距布設(shè)，廣播按照50 m間距布設(shè)，隧道外洞口設(shè)置一臺緊急電話分機(jī)及廣播揚(yáng)聲器。

2.3.3? ? 環(huán)境檢測系統(tǒng)

隧道內(nèi)環(huán)境信息檢測系統(tǒng)由CO檢測儀、VI檢測儀、風(fēng)速風(fēng)向儀、照度儀組成。CO檢測儀可快速、準(zhǔn)確、連續(xù)地自動測定給定點(diǎn)的CO濃度，同時將檢測結(jié)果以數(shù)字形式顯示出來，并自動校正，用于檢測CO濃度;VI檢測儀用于檢測能見度，二者都是為了進(jìn)行通風(fēng)控制，分別布設(shè)在主隧道入口、中段、出口、萬石山隧道匝道等處。照度檢測儀用于提供照明控制參數(shù)，進(jìn)行照明控制，各隧道入口處的洞外、洞內(nèi)配置一套照度檢測儀。

2.3.4? ? 交通控制系統(tǒng)

交通控制系統(tǒng)由中控室計(jì)算機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場控制終端、現(xiàn)場信號燈、車道指示標(biāo)志、可變限速標(biāo)志、可變情報板設(shè)施等構(gòu)成，具體架設(shè)方案為：

（1）車道指示器：為了保障隧道內(nèi)的行車安全，交通控制是一個非常重要的問題。本次設(shè)計(jì)車道指示器采用雙面式，在每一車道上方安裝一套車道指示燈，當(dāng)單洞雙向行車時，反向的車道指示可以提高行車的安全性。標(biāo)志尺寸為400 mm×400 mm，設(shè)于隧道入口10 m左右、出口前10 m左右以及洞內(nèi)每500 m左右處。

（2）交通信號燈：隧道入口信號燈通過區(qū)域控制單元RTU與中心計(jì)算機(jī)連接，根據(jù)隧道運(yùn)行狀況，能自動或手動進(jìn)行燈色顯示，以控制疏導(dǎo)交通。

（3）可變情報板：能根據(jù)隧道運(yùn)行狀況，自動或手動選擇并顯示監(jiān)控計(jì)算機(jī)已貯存的情報，也能根據(jù)臨時情況，顯示監(jiān)控計(jì)算機(jī)即時編輯的內(nèi)容。可變信息標(biāo)志以圖形、文字、符號等方式為駕駛員提供各種信息。

（4）蓮前西路平交岔口交通組織采用車道信號燈和人行信號燈誘導(dǎo)交通。其中機(jī)動車信號燈，要注意兩個問題：一是信號燈燈光不受其他設(shè)施的阻擋，如道路旁的樹葉遮擋;二是信號燈的背景不會模糊信號燈的燈色，如行道樹樹葉及靠近信號燈的霓虹燈、彩色廣告牌。行人信號燈應(yīng)設(shè)置在行人橫道線右側(cè)，設(shè)置高度同行人視線相當(dāng)，在2 m左右。

2.3.5? ? 通風(fēng)控制系統(tǒng)

這是城市隧道監(jiān)控的重要系統(tǒng)之一，主要用于監(jiān)測隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)狀態(tài)和控制風(fēng)機(jī)的正常啟停，保證隧道內(nèi)CO濃度、能見度處于正常和安全水平。該系統(tǒng)主要包括通風(fēng)控制子系統(tǒng)及交通控制子系統(tǒng)、照明控制子系統(tǒng)、CCTV子系統(tǒng)等通風(fēng)輔助系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)相輔相成，可互相配合使用，最大程度地發(fā)揮各子系統(tǒng)的功能。

2.4? ? 系統(tǒng)智能性的實(shí)現(xiàn)方法

2.4.1? ? 系統(tǒng)集成

只有保證照明監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、閉路電視等各個系統(tǒng)的有序運(yùn)行，才能保證隧道的正常、安全運(yùn)行。如果將這些系統(tǒng)分別部署到不同的工作站，不僅不利于資源的合理利用，還增大了操作難度，為此對隧道監(jiān)控子系統(tǒng)難易度進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的合理集成，是智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要任務(wù)。該項(xiàng)系統(tǒng)中，對風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、照明監(jiān)控系統(tǒng)、交通監(jiān)控系統(tǒng)等各項(xiàng)系統(tǒng)進(jìn)行了集成，組建了一個綜合監(jiān)控系統(tǒng)，與其他系統(tǒng)分別位于不同的工作站上。此外，對于風(fēng)機(jī)、照明和交通監(jiān)控系統(tǒng)，分設(shè)了監(jiān)控和預(yù)案管理兩個界面，以此實(shí)現(xiàn)對相關(guān)設(shè)備的監(jiān)測、控制和管理。該綜合系統(tǒng)還配置了報表、數(shù)據(jù)維護(hù)、參數(shù)設(shè)置等多個界面，充分保證了系統(tǒng)的實(shí)用性、綜合性和智能性[3]。

具體實(shí)現(xiàn)方法為：各類監(jiān)測設(shè)備將監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲到PLC相應(yīng)的寄存器上，組態(tài)王的變量值和PLC寄存器上的參數(shù)一一對應(yīng)，數(shù)據(jù)中心通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，可以將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)分析模塊根據(jù)存儲的數(shù)據(jù)庫可以形成報表和趨勢圖，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的管理。通過界面，可以查看各種傳感器的工作狀態(tài)和可控設(shè)備的運(yùn)行情況，并可進(jìn)行相應(yīng)的控制?？刂浦噶钜訶ML形式傳給解析器，解析為組態(tài)王可識別執(zhí)行的命令，對設(shè)備進(jìn)行操控。

2.4.2? ? 自動控制

自動控制是智能監(jiān)控系統(tǒng)最為直接的體現(xiàn)，其原理為管理者通過界面操作，對控制信息進(jìn)行配置，并選擇相應(yīng)的預(yù)案，這是智能監(jiān)控系統(tǒng)必不可少的部分。以照明系統(tǒng)來說，由于同一季度的同一時間段，光照情況是具備一定規(guī)律的，由此可按照經(jīng)驗(yàn)或者數(shù)據(jù)分析結(jié)果來制定不同季節(jié)、不同時間段的控制方案。

2.4.3? ? 災(zāi)害預(yù)警

城市隧道由于具有車流量大、空氣質(zhì)量差、光照不足等特點(diǎn)，容易導(dǎo)致交通安全事故的發(fā)生，易積水、火災(zāi)事故增多等問題，由此需要對災(zāi)害信號進(jìn)行正確處理。常用的方法有閾值比較法，該方法簡單易行，缺點(diǎn)是抗干擾性較差，誤報警率較高，還需利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、遺傳算法進(jìn)行智能預(yù)警研究。

3 結(jié)語

總體而言，隧道智能監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)能及時發(fā)現(xiàn)和處理隧道內(nèi)的偶發(fā)事故，并迅速掌握事故發(fā)生的區(qū)域、類型，解決因偶發(fā)事故造成的交通阻塞現(xiàn)象。在隧道區(qū)段設(shè)置完善的監(jiān)控設(shè)施，可改善洞內(nèi)環(huán)境，降低污染，減少事故，增強(qiáng)隧道的通行能力，保證隧道的安全運(yùn)行。

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收稿日期：2020-03-28

作者簡介：溫民安（1982—），男，福建浦城人，工程師，從事機(jī)電類相關(guān)工程項(xiàng)目施工管理及軟件設(shè)計(jì)開發(fā)工作。