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     一、概述

    隨著(zhù)交通工程建設和交通事業(yè)的發(fā)展，我國所建交通隧道的里程迅速延長(cháng)，不斷增長(cháng)的交通流量、路況改善以及運輸物品的復雜性，增加了交通隧道的火災和隧道污染等的風(fēng)險，引發(fā)了不少?lài)乐氐臑碾y性事故，尤其是火災事故，它不僅嚴重威脅到人的生命和財產(chǎn)安全，而且對交通設施、人類(lèi)的生產(chǎn)活動(dòng)造成巨大的損壞。隧道的智能化監控顯得越來(lái)越重要。

    隨著(zhù)計算機技術(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(xiàn)技術(shù)突破了原有的技術(shù)瓶頸，為公路隧道的智能化監控提供了一個(gè)行之有效的最佳解決途徑，它滿(mǎn)足了社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展與人們文明生活的高標準的要求，為人類(lèi)的出行創(chuàng )造了一個(gè)安全、方便、快捷、舒適、經(jīng)濟、高效的交通與生活環(huán)境。

    二、隧道智能化監控系統

    隧道智能化監控系統采用分級管理的模式，通過(guò)建立多平臺、多系統下的統一管理平臺，實(shí)現對所有系統內的分監控中心、監控主機及監控設備進(jìn)行統一有序的協(xié)調、管理。各分監控中心在服從總監控中心調度指揮的同時(shí)，能在自己職能范圍內管理和調度其所管轄各隧道內的監控設備，從而達到集中與分散相結合的多級用戶(hù)管理模式。

    隧道智能化監控系統主要包括：隧道內實(shí)時(shí)視頻監控、車(chē)流量、流速檢測、變配電參數檢測、火災自動(dòng)報警、照明、通風(fēng)、緊急電話(huà)、環(huán)境監測、交通控制等子系統。其中隧道網(wǎng)絡(luò )視頻監控系統的建立，可實(shí)時(shí)對隧道內交通流量和交通運行狀況的監視，發(fā)現異常情況及時(shí)采取應急措施，確保隧道高速、安全、舒適、經(jīng)濟地運營(yíng)。

    （一）中央控制中心

    中央監控中心是整個(gè)隧道智能化監控系統的核心，由中心服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò )交換機、視頻工作站、電子地圖、報警主機、數字矩陣主機、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、報表統計與打印功能、查詢(xún)功能、自動(dòng)數據備份和系統恢復功能、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)現對隧道引道區、隧道區及出入口區的信號燈、可變情報板、綜合交通信息板、限速信號板、火災自動(dòng)報警、應急廣播等的控制功能，達到分流、啟閉車(chē)道、引導車(chē)輛改道等作用，對車(chē)輛的運行實(shí)施動(dòng)態(tài)管理和控制。

    1、系統控制模式

    控制是實(shí)現隧道監控系統目的的根本手段。從系統結構考慮，系統控制應從集散式控制系統逐步發(fā)展為現場(chǎng)控制，從而提高系統的可靠性、維護操作的方便性與降低工程造價(jià)，應用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，由FCS（無(wú)中心控制）代替現在的DCS（集散式控制）和PLC（可編程控制）是發(fā)展的必然趨勢；現場(chǎng)總線(xiàn)作為一種開(kāi)放的、全數字化、雙向、多站的通信系統，近年來(lái)得到了迅猛的發(fā)展和應用，具有協(xié)議簡(jiǎn)單開(kāi)放、容錯能力強、實(shí)時(shí)性高、安全性好、成本低、適于頻繁交換等特點(diǎn)，在隧道智能化監控中得到了廣泛的應用。
 
     目前所應用的現場(chǎng)總線(xiàn)，模塊化分布式控制系統，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）基于現場(chǎng)總線(xiàn)Lonworks,Device,Profibus的Microlon,DacNet系列。

    2、系統網(wǎng)絡(luò )結構形式

    為確保隧道智能化監控系統的安全和高可靠性，應采用自愈環(huán)網(wǎng)拓樸結構形式，自愈環(huán)網(wǎng)拓樸結構優(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。

    3、設備控制

    根

    4、狀態(tài)監視

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

    5、故障報警

    在系統檢測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據庫。

    6、文檔生成

    對系統內各項信息自動(dòng)進(jìn)行歸納、分析和整理，生成所需的各種報表，如操作記錄，報警記錄，日報、月報、季報和年報等。

    7、數據統計與分析

    對系統內測量的模擬信息記錄到模擬量歷史數據庫中，同時(shí)根據用戶(hù)的需要，將記錄在數據庫中的數據信息進(jìn)行統計與分析，以生成實(shí)時(shí)趨勢圖和歷史趨勢圖。 

    （二）PLC控制技術(shù) 

    PLC是實(shí)現整個(gè)隧道智能化監控的最關(guān)鍵設備之一，一臺或多臺PLC控制器配置一套工業(yè)以太網(wǎng)交換機，交換機配置雙光口雙電口。各個(gè)PLC控制器通過(guò)位于CPU上的10M／100M以太網(wǎng)接口與交換機電口相聯(lián)。各個(gè)交換機之間采用雙環(huán)光纜組成100Mbps速率的光纖冗余環(huán)網(wǎng)。中央控制器室設備同樣通過(guò)以太網(wǎng)交換機接入光纖冗余環(huán)網(wǎng)。利用PLC網(wǎng)絡(luò )技術(shù)來(lái)實(shí)現分布式采樣，即在被控點(diǎn)附近設置采樣單元，就近完成被控點(diǎn)的狀態(tài)采樣和控制輸出，完成該采樣單元內部各控制信號的聯(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)現相互協(xié)調、相互控制的功能，實(shí)現對隧道內設備、交通狀況的監控。

    （三）視頻檢測功能

    對隧道內視頻車(chē)輛檢測器所采集的視頻信號，進(jìn)行數字化處理和數學(xué)模型運算，過(guò)濾出事故報警；實(shí)現對隧道內交通的實(shí)時(shí)監控、事后分析、檢測報警（如擁堵、逆行、棄物及停止等）、交通測量（流量、占有率、平均速度等）。視頻車(chē)輛檢測器具有檢測視頻圖像中每一車(chē)道和同一行駛方向上所通過(guò)的車(chē)流量、瞬時(shí)速度、車(chē)頭時(shí)距、道路占有率、車(chē)輛長(cháng)度識別、檢測區域寬度等功能。

    （四）閉路電視監控系統

    在隧道出入口、隧道中間設全方位可控彩色攝像機?，F場(chǎng)視頻圖像采用多路視頻復用光端機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)現監控圖像的實(shí)時(shí)顯示。在控制中心可以對彩色攝像機實(shí)現遠程遙控，控制包括對全方位云臺和可變鏡頭等，使控制中心的值班員能實(shí)時(shí)監視隧道內的交通情況，輔助值班員指揮行車(chē)。在發(fā)生災情時(shí)，及時(shí)了解現場(chǎng)的災害和乘客疏散情況。

    （五）緊急電話(huà)系統

    隧道設緊急電話(huà)，為駕駛員提供一個(gè)直接呼救求援的專(zhuān)用通信系統，對火災、交通事故，采用熱線(xiàn)方式，直通計算機主機，并進(jìn)行聲光報警，與110、120聯(lián)動(dòng)。

    （六）有線(xiàn)廣播系統

    系統可對隧道內來(lái)往車(chē)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)，當收到火災報警信號時(shí)，能自動(dòng)進(jìn)入火災緊急廣播狀態(tài)，與火災自動(dòng)報警系統實(shí)現聯(lián)動(dòng)。 
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    通風(fēng)控制子系統主要由風(fēng)機PLC控制器、隧道內區域控制器、CO/VI檢測器、風(fēng)速風(fēng)向檢測器等組成。根據隧道的通風(fēng)方式，分別在隧洞中間、進(jìn)口及通風(fēng)豎井附近設置CO/VI檢測器及風(fēng)速風(fēng)向檢測器，根據CO/VI和風(fēng)速風(fēng)向檢測器的檢測參數。對洞內射流風(fēng)機采用“PLC風(fēng)機控制器→PLC區域控制器→監控中心”的三級控制。

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

    （八）隧道照明控制

    照明控制子系統主要由洞內外亮度檢測器和區域控制器完成，根據檢測到的洞內外亮度數據、交通量變化以及白天、黑夜等情況，按照預計的照明控方案控制隧道的照明，調節出入口以及洞內照明燈具的亮度，防止黑洞和白洞效應，保證行車(chē)的安全暢通，同時(shí)，在滿(mǎn)足照明要求的情況下達到節能運行的目的。

    （九）電力監控

    電力監控系統對隧道變電所及箱式變電站的運行狀態(tài)進(jìn)行監視，主要監測高、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，對供配電系統設備及通風(fēng)、照明回路進(jìn)行監控，實(shí)現顯示、報警、統計、維護等功能。

    （十）隧道火災報警

    火災報警方式分為手動(dòng)報警按鈕和火災自動(dòng)探測器兩種。

    手動(dòng)報警按鈕，在隧道內按每50米一套設置手動(dòng)報警按鈕。在緊急情況下由人工按動(dòng)報警按鈕，將信號傳到隧道監控中心。

    自動(dòng)火災報警探測可采用分布式光纖感溫自動(dòng)探測器，在隧道內頂部敷設感溫火災探測光纜，對隧道內進(jìn)行連續的溫度檢測。該系統利用光纖作為線(xiàn)性感溫探測器，

    該探測器基于光纖后向拉曼散射效應，產(chǎn)生一個(gè)比光源波長(cháng)長(cháng)的光，稱(chēng)斯托克斯(stokes)光，和一個(gè)比光源波長(cháng)短的光，稱(chēng)為后斯托克斯(anti-stokes)光，光纖受外部溫度的調制使光纖中的反斯托克斯(anti-stokes)光強發(fā)生變化，anti-stokes與stokes的比值提供了溫度的絕對指示，利用這一原理可以實(shí)現對光纖溫度場(chǎng)的分布式測量，因此，感溫光纖可以將環(huán)境溫度以連續的線(xiàn)性方式表示出來(lái)。該探測系統還可以準確地定位溫度發(fā)生變化的確切位置，定位精確度可達10cm。 

     火災報警系統接受隧道內、變電所、泵房以及設備用房?jì)然馂奶綔y器的報警信號，當隧道內發(fā)生火災時(shí)，發(fā)出緊急信號，發(fā)出聲、光報警信號，并顯示出火災報警的具體位置，經(jīng)過(guò)視頻監控系統自動(dòng)將事故地點(diǎn)顯示在相應的工作站和大屏幕上，并啟動(dòng)相應的控制預案，如啟動(dòng)應急照明、通風(fēng)、消防滅火等設施，發(fā)布交通誘導信息，調度救援車(chē)輛及人員等，以便能快速、有序地疏導隧道內的車(chē)輛和人員，保障隧道及司乘人員的生命財產(chǎn)安全。

    （十一）交通信號控制

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

    在隧道入口處設置一個(gè)可變限速標志和一個(gè)可變情報板，控制中心根據隧道內的交通狀況，編輯和發(fā)送交通信息、運營(yíng)指令、路況資料、限速、報警信息等多幅信息，引導進(jìn)入隧道的車(chē)流量，以避免或排除隧道內交通阻塞，在突發(fā)事件發(fā)生時(shí)關(guān)閉隧道通行，在隧道入口處設車(chē)高紅外檢測器，對進(jìn)入隧道的車(chē)輛的進(jìn)行車(chē)高測量，利用車(chē)牌識別系統，語(yǔ)音系統、視頻檢測系統，對超高車(chē)輛進(jìn)行語(yǔ)

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

    三、結束語(yǔ)

    隧道控制系統主要是為了進(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 )模式和提高監控設備軟、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，在公路隧道的監控系統中應用工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)現管控一體化，控制軟件智能化，將成為隧道監控系統的發(fā)展趨勢。