高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

胡振昌

（河北承德承朝高速公路管理處，河北承德 067000）

高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

胡振昌

（河北承德承朝高速公路管理處，河北承德 067000）

高速公路隧道是典型的狹長(zhǎng)構(gòu)筑物，其內(nèi)部空間狹窄、封閉性較高，但交通流量較大，倘若隧道內(nèi)出現(xiàn)交通事故，極易導(dǎo)致嚴(yán)重后果。論文基于某高速公路隧道研發(fā)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)了針對(duì)該隧道的監(jiān)控系統(tǒng)，并采用YUMATUNNELSYSTEM監(jiān)控系統(tǒng)軟件在上位機(jī)中對(duì)隧道的各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行了監(jiān)控設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。在實(shí)時(shí)監(jiān)控高速公路隧道通行情況的同時(shí)，合理地調(diào)節(jié)并優(yōu)化了隧道內(nèi)交通流量，從而對(duì)該隧道的安全、高效運(yùn)行起到了重要作用。

隧道監(jiān)控系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集；上位機(jī)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

我國(guó)是一個(gè)多山的國(guó)家，橋梁和隧道在山區(qū)高速公路中占的比例很大。由于高速公路隧道在結(jié)構(gòu)上的特殊性，對(duì)交通安全性的要求日益提高[1]。目前，國(guó)外針對(duì)高速公路隧道的監(jiān)控系統(tǒng)大多基于隧道的土建結(jié)構(gòu)載入電子檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道交通情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控；國(guó)內(nèi)的隧道監(jiān)控系統(tǒng)主要依賴于進(jìn)口，其隧道監(jiān)控適用性較差、自動(dòng)化水平較低，主要問題在于如何提高監(jiān)控軟件的智能化水平和解決網(wǎng)絡(luò)控制模式問題。

2 系統(tǒng)需求分析

高速公路隧道監(jiān)控主要是完成對(duì)隧道內(nèi)流量、設(shè)備運(yùn)行狀況及隧道內(nèi)二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)的檢測(cè)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，為隧道管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而有效地減少隧道內(nèi)的交通事故，提高高速公路隧道管理水平[2]。系統(tǒng)需求分析主要包括以下幾方面。

1）數(shù)據(jù)交換。這里的數(shù)據(jù)包括實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)和控制中心下發(fā)的控制指令。采集的數(shù)據(jù)為隧道內(nèi)的環(huán)境參數(shù)、道路情況及車流量情況等，下發(fā)的控制指令是根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，控制中心所作出的相應(yīng)的控制。

2）數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理包括對(duì)采集數(shù)據(jù)的運(yùn)算分析和對(duì)分析結(jié)果直接的展示，比如對(duì)數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)報(bào)表、分類匯總及圖表繪制等。

3）畫面展示。在監(jiān)控界面上實(shí)時(shí)顯示采集到的數(shù)據(jù)信息，方便管理人員對(duì)隧道現(xiàn)場(chǎng)直觀地掌握。

4）控制模式。對(duì)隧道的控制分為手動(dòng)、群控及自動(dòng)控制模式，管理人員可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況進(jìn)行手動(dòng)控制，也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件判斷進(jìn)行自動(dòng)控制。

3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隧道監(jiān)控系統(tǒng)由交通監(jiān)控子系統(tǒng)、通風(fēng)控制子系統(tǒng)、照明控制子系統(tǒng)、道路控制、火災(zāi)報(bào)警及應(yīng)急控制系統(tǒng)等組成，通過利用現(xiàn)代通信技術(shù)，將采集到的交通和道路數(shù)據(jù)及時(shí)反饋給控制中心，通過相應(yīng)軟件對(duì)采集的信息進(jìn)行處理和運(yùn)算，利用控制策略和現(xiàn)場(chǎng)的條件判斷，做出顯影的控制指令，保證隧道安全高效的運(yùn)行[3]。系統(tǒng)的整體框架圖如圖1所示。本系統(tǒng)的監(jiān)控軟件采用高速公路專用的監(jiān)控軟件 YUMA TUNNELSYSTEM 2.0，該監(jiān)控軟件操作簡(jiǎn)單，界面簡(jiǎn)單明了，并完善了照明、通風(fēng)等控制系統(tǒng)，同時(shí)可完成對(duì)隧道信息的采集、存儲(chǔ)及顯示，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

圖1 高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)總體框架圖

3.1 上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上位機(jī)系統(tǒng)包括交通環(huán)境信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、外場(chǎng)管理系統(tǒng)。在交通環(huán)境信息采集系統(tǒng)中，通過隧道內(nèi)安置的CO/VI檢測(cè)器、風(fēng)向風(fēng)速檢測(cè)器、光強(qiáng)檢測(cè)器等，完成由外到內(nèi)的車流量、車速、風(fēng)速、風(fēng)向、光強(qiáng)、CO濃度等環(huán)境和設(shè)備數(shù)據(jù)采集，并將采集的數(shù)據(jù)分別以曲線和數(shù)值兩種方式進(jìn)行展示。

外場(chǎng)設(shè)備管理主要是對(duì)設(shè)備基本信息進(jìn)行記錄和管理，信息包括設(shè)備的編號(hào)、名稱、規(guī)格型號(hào)及安裝位置等，同時(shí)還包括設(shè)備的維修記錄、故障記錄及運(yùn)行狀況和記錄人等相關(guān)信息，本系統(tǒng)的場(chǎng)外設(shè)備主要包括CO/VI檢測(cè)器、風(fēng)向風(fēng)速檢測(cè)器、光強(qiáng)檢測(cè)器等。對(duì)設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)的登記，方便管理人員對(duì)任意處安放的設(shè)備進(jìn)行查看，加強(qiáng)了對(duì)設(shè)備的管理。

3.2 交通監(jiān)控子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

交通子系統(tǒng)與駕駛?cè)藛T的關(guān)系最為緊密，交通監(jiān)控子系統(tǒng)可根據(jù)采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，做出相應(yīng)的交通管制，如切換交通信號(hào)來開放或關(guān)閉隧道的運(yùn)行，充分利用高速路上的交通信號(hào)裝置來減少交通事故。該系統(tǒng)是由交通監(jiān)控工作站、PLC、交換機(jī)及交通信號(hào)裝置等組成。系統(tǒng)通過外場(chǎng)設(shè)施對(duì)各種信息進(jìn)行采集，經(jīng)控制器進(jìn)行運(yùn)算、判斷生成相應(yīng)的信號(hào)顯示，管理人員確定之后即可實(shí)施，同時(shí)，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)交通異常時(shí)，管理人員可直接通過輸入控制信息來完成對(duì)交通信號(hào)的轉(zhuǎn)變，發(fā)布臨時(shí)交通管制。道路的交通信號(hào)指示，在監(jiān)控界面上實(shí)時(shí)顯示。可變信號(hào)控制界面如圖2、圖3，點(diǎn)擊圖2的上行線車道信號(hào)控制按鈕，切換到圖3。

圖2 可變信號(hào)控制圖

圖3 信號(hào)控制圖

3.3 通風(fēng)控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通風(fēng)控制子系統(tǒng)根據(jù)在隧道內(nèi)安置的傳感器采集到的能見度數(shù)據(jù)、CO濃度等數(shù)據(jù)，通過控制策略判斷風(fēng)機(jī)開機(jī)的臺(tái)數(shù)和風(fēng)機(jī)的風(fēng)速和風(fēng)向，以保證隧道內(nèi)的環(huán)境處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，根據(jù)事故發(fā)生地點(diǎn)做相應(yīng)的排煙處理。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先在監(jiān)控軟件上模擬隧道的全貌，并動(dòng)態(tài)地顯示各處風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，風(fēng)機(jī)的控制分為自動(dòng)控制和手動(dòng)控制。

隧道的通風(fēng)主要是為了稀釋隧道內(nèi)的有害氣體CO及汽車尾氣，在隧道風(fēng)量的選擇上要綜合考慮隧道的工況及有害氣體的濃度，選取最大值作為設(shè)計(jì)風(fēng)量[4]。

隧道內(nèi)的CO釋放量為：

式中，QCO為洞內(nèi)全段CO釋放量；qco為每輛標(biāo)準(zhǔn)車每公里的CO排放的體積；fa為CO的車況系數(shù)；fd為車流密度系數(shù)；fh為CO的海拔修正系數(shù)；fiv為CO的縱坡車速系數(shù)；fm為車型系數(shù)，Nm為車型設(shè)計(jì)交通量；L為隧道長(zhǎng)度。

稀釋CO所需的風(fēng)量為：

式中，Qrep為所需風(fēng)量；δ為CO的設(shè)計(jì)濃度；p0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；T0為選取的基準(zhǔn)氣溫；T為襲擊洞內(nèi)氣溫。

風(fēng)量控制選擇模糊算法來實(shí)現(xiàn)，CO與尾氣的濃度是風(fēng)機(jī)啟動(dòng)和停止的關(guān)鍵因素，本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)模糊控制器，1臺(tái)模糊控制器是以CO和風(fēng)速為輸入，另外1臺(tái)是以風(fēng)速和V I為輸入，模糊控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 模糊控制結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)好模糊控制器之后，需要規(guī)定模糊規(guī)則，當(dāng)C O濃度較大風(fēng)速較小的情況下，需要開動(dòng)風(fēng)機(jī)提供較大的風(fēng)量，模糊表達(dá)式為：IF COisPM andVw isNM THENNFisPS。當(dāng)C O濃度較大風(fēng)速較大的情況下，需要開動(dòng)風(fēng)機(jī)提供較大的風(fēng)量，模糊表達(dá)式為：IF CO is NM and WS is PM THENNFisNM。在實(shí)現(xiàn)模糊推理的過程中，選用Mamdani推理法[5]，該方法實(shí)際是1種加權(quán)平均的方法，將控制變量的1個(gè)模糊子集的隸屬度設(shè)定為加權(quán)函數(shù)，在對(duì)其進(jìn)行加權(quán)平均可得模糊集合C的重心。將模糊控制規(guī)則轉(zhuǎn)化為模糊規(guī)則表,見表1。

表1 模糊規(guī)則表

通過使用MATLAB進(jìn)行編程可得風(fēng)機(jī)控制表如表2。

表2 風(fēng)機(jī)控制表

3.4 照明控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

照明控制子系統(tǒng)可根據(jù)隧道內(nèi)安裝的光強(qiáng)檢測(cè)裝置檢測(cè)到的光強(qiáng)數(shù)據(jù)，對(duì)白天和夜晚進(jìn)行區(qū)分，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的照明情況增加光照或減少光照。系統(tǒng)由檢測(cè)裝置、控制器PLC及相應(yīng)的執(zhí)行元件組成。為了保證照明系統(tǒng)的正常運(yùn)行，避免因通信失敗造成的事故，本系統(tǒng)可分為自動(dòng)控制和手動(dòng)控制。

根據(jù)照明的強(qiáng)度劃分為6個(gè)等級(jí)，如表3所示。

表3 照明等級(jí)表

監(jiān)控可根據(jù)檢測(cè)裝置采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在這6種模式之間自動(dòng)進(jìn)行切換，在后續(xù)使用時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，控制示意如圖5所示。

圖5 照明控制系統(tǒng)圖

3.5 道路控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

道路控制子系統(tǒng)主要通過監(jiān)控軟件把交通信息、氣象信息及防火災(zāi)的控制直觀地展示出來。通過RS485、RS232及以太網(wǎng)通信端口相連，管理人員可以直接向情報(bào)板發(fā)送控制指令，及時(shí)有效地疏導(dǎo)交通，提高隧道交通運(yùn)輸?shù)哪芰Α?/p>

為了提高高速隧道的氣象災(zāi)害預(yù)警能力，在高速隧道的沿線布設(shè)自動(dòng)氣象站，提供交通氣象服務(wù)，加強(qiáng)重要路段的交通氣象觀測(cè)。根據(jù)氣候的變化，出現(xiàn)諸如暴雨、大霧、大風(fēng)及道路結(jié)冰、積雪等災(zāi)害性天氣時(shí)，容易造成交通事故，應(yīng)該及時(shí)地將道路檢測(cè)到的信息傳達(dá)至監(jiān)控中心，及時(shí)采取規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的措施，保證交通安全。

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)隧道監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行研究，利用YUMATUNNEL SYSTEM 2.0監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)隧道交通監(jiān)控、通風(fēng)、照明燈等的控制，實(shí)現(xiàn)了隧道內(nèi)的交通車輛的動(dòng)態(tài)管理，有效地降低了交通事故的發(fā)生和交通堵塞的發(fā)生率，保證了隧道內(nèi)交通系統(tǒng)運(yùn)行的安全。

【1】尹鋒,趙等層,祝勇.高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].公路工程，2010(3)：85-91.

【2】王志偉,楊超.高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2009(6)：8-16.

【3】閆群東,李小將,王茜,金朝輝.基于RSView32的高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].交通科技與經(jīng)濟(jì)，2008(1)：63-65.

【4】金湖庭.基于傳感網(wǎng)絡(luò)的隧道智能監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)[J].中國(guó)交通信息產(chǎn)業(yè)，2010(5)：107-108.

【5】歷莉.城市道路隧道智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].市政技術(shù)，2014(4)：98-102.

Scheme Design of Monitoring and Control System for Expressway Tunnel

HU Zhen-chang
（ChengdeHebeiExpresswayManagementOffice,Chengde067000，China）

Thehighway tunnelisa typical longandnarrow structure,itsinternalspaceisnarrow,closedhigher,buttraffic flow isbigger,if the tunnel trafficaccident,easily lead to seriousconsequences.Thispaper,based on a highway tunnel R&D project,design the monitoring system for the tunnel,and theYUMA TUNELSYSTEM monitoringsystem software in PC every sub-system of the tunnelweremonitoring design and implementation,real-time monitoring of the highway tunnel traffic situation at the same time,reasonable adjustment and optimizationofthetraffic flow inthetunnel,thesafetyofthetunnel,runningw ithhighefficiency toanimportantrole.

tunnelmonitoringsystem;dataacquisition;computer;system design

U456.3;U452

B

1007-9467（2016）08-0088-03

10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.020

2016-03-29

胡振昌（1981～），男，內(nèi)蒙古赤峰人，工程師，從事高速公路機(jī)電工程研究，（電子信箱）Zhen-chang@126.com。