基于昆石高速公路的智能隧道監(jiān)控系統(tǒng)方案研究

摘要：本文主要以昆石高速公路的智能隧道監(jiān)控系統(tǒng)為背景，介紹和推廣智能隧道監(jiān)控系統(tǒng)方案，希望對國內(nèi)隧道控制系統(tǒng)的自主研發(fā)和生產(chǎn)有一定的參考作用。 關(guān)鍵詞：昆石高速，隧道監(jiān)控， PLC，Profibus Abstract: This paper introduces Intelligent monitor and control system about tunnels of express way . The system is used on the KunMing to ShiLin express way. I hope it can improve domestic research of tunnel’s control system.. Key Words: KUNSHI express way, tunnel’s monitor and control system, PLC,Profibus 一、 系統(tǒng)概述 圖1 地圖板顯示圖 圖1 地圖板顯示圖 隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，高速公路及高速公路隧道的建設(shè)項目與日俱增，隧道安全運營問題顯得越來越突出，隧道的監(jiān)視與控制管理成為公路隧道安全正常運行的重要課題。歐洲、美國、日本等西方發(fā)達國家早從60年代開始就相繼開始研究先進的隧道監(jiān)控系統(tǒng)，由于多種原因，國內(nèi)關(guān)于隧道監(jiān)控系統(tǒng)的研究才剛剛起步，隨著計算機技術(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)和總線技術(shù)突破了原有的技術(shù)瓶頸，使我國自己研制和生產(chǎn)的隧道監(jiān)視與控制系統(tǒng)高速信息共享成為可能。 本文針對隧道運營中的車道引導(dǎo)、交通信息采集、照明、通風(fēng)，火災(zāi)、環(huán)境、供電、事故監(jiān)視等功能的需求，以昆石高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)，設(shè)計和實施了一種基于Ethernet和Profibus-DP總線技術(shù)的先進監(jiān)控系統(tǒng)。 昆石監(jiān)控系統(tǒng)釆用西門子PLC可編程控制器作為控制中心，Profibus-DP總線完成控制信息級的控制，MPI總線完成PLC與控制中心的通訊，控制中心與外界的通訊用以太網(wǎng)完成，用視頻檢測技術(shù)完成對隧道的交通信息及安全監(jiān)視與控制，系統(tǒng)功能完備，集成度高，系統(tǒng)包括可變情報板、通風(fēng)、照明、閉路電視、火災(zāi)檢測與報警、電話緊急呼救、中央管理與控制、環(huán)境監(jiān)測、交通信息檢測與誘導(dǎo)、供電消防、防雷及接地等十幾個子系統(tǒng)，并集中在大屏幕系統(tǒng)中顯示操作畫面，可以完成： Ø CO的監(jiān)測、可見度及風(fēng)速、風(fēng)向測量； Ø 洞內(nèi)、外光強度測量； Ø 通風(fēng)、照明系統(tǒng)控制； Ø 供電、火警、緊急電話的控制、水泵控制、水位的顯示； Ø 事故視頻監(jiān)測及報警指示、隧道和車道的運行和封閉、限速指示； Ø 高度控制、車道引導(dǎo)、SOS(語音提示)； Ø 交通數(shù)據(jù)測量(車速測量、車輛計數(shù)，車道占有率、車輛分類等)。 二、系統(tǒng)組成及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計采用雙環(huán)光纜冗余結(jié)構(gòu)的工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)為主干通訊控制網(wǎng)絡(luò)，速率10-100Mb/s?？刂撇糠轴娪肞rofibus-DP總線網(wǎng)絡(luò)與各子站通信，并在兩個長隧道變電所安裝界面友好的中文手操屏實現(xiàn)本地控制，速率為1.5Mb/s；管理部分釆用以太網(wǎng)連接路上大屏幕、公路MIS、GIS、GPS、收費系統(tǒng)及各監(jiān)視操作站，速率10-100Mb／s，實現(xiàn)信息的共享：模塊化結(jié)構(gòu)，友好中文人機界面，方便的人機對話模式，是世界各國普遍采用和認可的領(lǐng)先的設(shè)計和實施方式。 圖2 長隧道控制拓撲圖 圖2 長隧道控制拓撲圖 三、系統(tǒng)的功能設(shè)計 1、 監(jiān)控中心 　　采用2個冗余的服務(wù)器結(jié)構(gòu)，雙機熱備，保證數(shù)據(jù)的真實性與完整性，對所有的系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行實時生成、管理、分配及綜合調(diào)度；隧道現(xiàn)場利用Profibus-DP控制總線與子站通訊，利用冗余的光纖環(huán)網(wǎng)與中央控制器通訊；利用以太網(wǎng)與公路的主控系統(tǒng)或MIS、GIS、GPS、收費系統(tǒng)等通訊；同時利用以太網(wǎng)將系統(tǒng)的運行狀態(tài)送入LCD大屏幕進行顯示，大屏幕控制器采用分時畫面分割功能輪換顯示視頻檢測器傳入的隧道運行的交通監(jiān)控圖像信息和交通數(shù)據(jù)（車速、車流量、占有率等），發(fā)現(xiàn)交通事故以聲、光兩種方式報警，同時回放事故錄像，對停車系統(tǒng)、電話系統(tǒng)、呼救系統(tǒng)、消防火警系統(tǒng)作出相應(yīng)的聯(lián)鎖響應(yīng)；電力監(jiān)測；CO等污染物的監(jiān)測；能見度及風(fēng)速、風(fēng)向測量；地下水位、通風(fēng)系統(tǒng)控制；水泵控制；照明的控制；報警控制；車道的開啟控制；視頻檢測及呼救電話控制；電話通信；報警及報表的打印等。 　　系統(tǒng)提供自主研發(fā)的組態(tài)及監(jiān)控軟件包，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控組態(tài)、控制組態(tài)、操作組態(tài)、畫面組態(tài)等功能。實現(xiàn)任意圖形、曲線、報表的生成；動態(tài)畫面組態(tài)支持系統(tǒng)內(nèi)的各種數(shù)據(jù)，包括實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、人工錄入等，可以打印輸出。 2、操作站 　　監(jiān)視系統(tǒng)運行；隧道當前狀態(tài)顯示；綜合或分類信號切換；信息顯示、存貯；數(shù)據(jù)保存、記錄；用戶管理；交通控制；照明控制；緊急電話控制；高度控制；視頻監(jiān)視；火災(zāi)報警等。操作站畫面顯示包括：電源分布及使用參數(shù)顯示，照明系統(tǒng)顯示，通風(fēng)系統(tǒng)顯示，監(jiān)控系統(tǒng)顯示，泵站顯示，交通信息顯示，交通視頻圖像顯示，報警畫面，呼救畫面，專業(yè)設(shè)備的運行狀態(tài)，隧道的總貌圖等。按權(quán)限進行相應(yīng)的操作、修改等。 3、管理站 　　按照操作權(quán)限，根據(jù)隧道運行情況，及時調(diào)整隧道運行參數(shù)和控制參數(shù)，對系統(tǒng)的資源、通訊和設(shè)備進行設(shè)定、修改等。 4、可變情報板 　　指揮中心可以根據(jù)當時的情況編輯和發(fā)送交通信息、運營指令、路況資料、報警信息等多幅信息循環(huán)播放顯示，同時在大屏幕上進行循環(huán)顯示。 5、照明系統(tǒng) 　　利用光強度檢測儀器，檢測洞口及洞內(nèi)的光照度值，根據(jù)不同的光照度值打開或關(guān)閉不同的照明燈和霧燈及其數(shù)量，以消除玄光和黑洞效應(yīng)，保證車輛通行的正常照明，并在操作站及大屏幕上顯示照明燈的狀態(tài)，另外，還可根據(jù)一年四季的日照時間的差別，自動實現(xiàn)照明控制系統(tǒng)的經(jīng)濟照明模式。 6、通風(fēng)系統(tǒng) 　　通風(fēng)是保證行車安全的重要一點，系統(tǒng)采用環(huán)境污染檢測儀測量隧道的CO等污染物的含量，采用風(fēng)速測量儀表測量風(fēng)速，并將所有4-20MA信號送人控制站，根據(jù)優(yōu)化的隧道運行參數(shù)，決定自動風(fēng)機的開或關(guān)，車道的開或關(guān)。 7、緊急電話及呼救系統(tǒng) 　　對火災(zāi)、交通事故，采用熱線方式，直通計算機主機，并進行聲光報警，警察接到報警后立即響應(yīng)；同時視頻檢測器24小時監(jiān)測隧道的運行情況，指揮中心對隧道的發(fā)生事故通過圖像及時記錄與回放，也可以在幾分鐘內(nèi)了解情況，及時通過電話和語音進行報警和提示，及時處理。 8、視頻檢測系統(tǒng) 　　包括交通數(shù)據(jù)的采集、電視監(jiān)控兩部分，全天候監(jiān)視隧道的運行狀態(tài)，自動記錄交通事故及事故自動回放，根據(jù)該系統(tǒng)的檢測和監(jiān)視情況自動或手動發(fā)布交通信息、決定車道的開、關(guān)，信號燈的紅與綠，自動計算車道的擁擠度，自動打開或關(guān)閉車道。 9、火災(zāi)報警系統(tǒng) 　　包括SOS等，備有火災(zāi)等事故自動和手動報警器，當報警時執(zhí)行關(guān)閉隧道、打開風(fēng)機和照明、啟動消防水泵等動作。 10、信號燈控制系統(tǒng) 　　由控制站通過接收其他系統(tǒng)的指令決定系統(tǒng)的信號燈的開關(guān)及時間的長短，運行的狀態(tài)。 11、車位引導(dǎo)系統(tǒng) 　　采用Nortech車輛檢測器，對車位進行檢測，并將信號傳入控制站，控制站交通燈和車道燈發(fā)出指令，對車輛的行車路線進行引導(dǎo)。并在操作站顯示。 12、水位水泵控制 　　利用液位儀表對消防水池水位進行檢測，發(fā)現(xiàn)水位不滿足隧道運行條件，自動報警提示監(jiān)控員，以便讓監(jiān)控員采取解決措施。 　　另外，當視頻系統(tǒng)和火災(zāi)報警發(fā)現(xiàn)某區(qū)域火災(zāi)時，系統(tǒng)自動啟動該區(qū)域隧道每30-50米一個的定位消防泵，打開萬向高壓水頭，進行救火。 13、電力監(jiān)測 　　系統(tǒng)釆用電力綜合監(jiān)測儀，對電力的分布、設(shè)備的用電情況(電壓、電流、功耗等)、系統(tǒng)總能耗等進行監(jiān)測，控制電源的開、關(guān)等。 14、相關(guān)功能的連鎖控制。 四、系統(tǒng)主要設(shè)備 1、區(qū)域控制器，采用北京云星宇交通工程有限公司的產(chǎn)品（其中PLC控制器及通訊模塊，采用西門子SIEMENS產(chǎn)品。） 2、視頻檢測器，采用深圳三立視訊公司的產(chǎn)品。 3、交通燈和車道燈，采用北京云星宇交通工程有限公司的產(chǎn)品。 4、車輛線圈檢測器，采用Nortech的產(chǎn)品。 5、工業(yè)控制計算機，IBM公司生產(chǎn)的高品質(zhì)的工業(yè)PC機，另配3COM／D-LINK等公司的以太網(wǎng)卡。 6、背投式PHLIPS公司生產(chǎn)的拼圖控制器和屏幕。 7、能見度及可見度檢測儀，采用SICK公司的產(chǎn)品。 8、緊急呼救電話設(shè)備，采用成都曙光光纖網(wǎng)絡(luò)有限公司產(chǎn)品。 9、火災(zāi)報警器，采用美國Notifier公司的產(chǎn)品。 10、照明燈，采用GE公司的產(chǎn)品。 11、中文監(jiān)控軟件，采用成都曙光光纖網(wǎng)絡(luò)有限公司產(chǎn)品。 　　五、系統(tǒng)的推廣應(yīng)用 由于系統(tǒng)采用以太網(wǎng)和總線結(jié)構(gòu)，是標準開放式、模塊化的系統(tǒng)，所以系統(tǒng)大小可以任意的變化，第三方設(shè)備可以方便接入，系統(tǒng)的擴展比較靈活，在停車管理系統(tǒng)中增加收費功能即可實現(xiàn)不停車收費或自動收費，可廣泛用于高速公路隧道和普通公路隧道的管理與控制，完成諸如視頻檢測、電視監(jiān)控、照明、報警、緊急救援、車道引導(dǎo)、不停車收費、通風(fēng)、環(huán)境檢測、事故監(jiān)視與記錄等功能。 　　六、結(jié)束語 　　該系統(tǒng)的優(yōu)越性體現(xiàn)在采用國際通用的以太網(wǎng)和PROFIBUS-DP總線技術(shù)，使過去比較復(fù)雜的子系統(tǒng)與主系統(tǒng)之間的信息交換及通訊簡單化，同時采用高可靠性的PLC及其檢測設(shè)備，保證系統(tǒng)無故障運行時間顯著增加。針對現(xiàn)場條件，制定更完善的控制方案和靈活的控制策略，類似結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)在國內(nèi)可以適當推廣。 作者資料 張利兵，北京云星宇交通工程有限公司產(chǎn)品開發(fā)部 康 濤，北京云星宇交通工程有限公司產(chǎn)品開發(fā)部 劉海燕，北京云星宇交通工<