公路隧道智能控制的現(xiàn)狀與發(fā)展

1、公路隧道智能控制的現(xiàn)狀與發(fā)展發(fā)布時(shí)間：2007-07-14 作者：韓直摘要：本文論述了公路隧道智能控制的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，結(jié)合我國(guó)公路隧道運(yùn)營(yíng)情況調(diào)查資料，分析了 存在的主要問(wèn)題，從管理與業(yè)主的角度提出控制系統(tǒng)的需求、應(yīng)解決的關(guān)鍵技術(shù)及當(dāng)前初步實(shí)現(xiàn)隧 道智能控制的途徑。公路隧道控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀目前世界上各國(guó)都在發(fā)展ITS，與公路隧道相關(guān)的領(lǐng)域主要包括前饋式通風(fēng)控制技術(shù)與先進(jìn)的 交通管理技術(shù)。前者以模糊控制為主，如日本，后者范圍很廣，用于公路隧道主要有交通異常自動(dòng) 檢測(cè)技術(shù)，如美國(guó)從1968年就開(kāi)始進(jìn)行異常檢測(cè)的研究，到現(xiàn)在已進(jìn)行了 30多年的研究與實(shí)踐， 形成了單截面法、雙截面法（按檢測(cè)界面分類）、宏

2、觀法、微觀法（按輸入數(shù)據(jù)類型分類）、平滑 法、加洲法、HIOCC法、卡而曼濾波法、互相關(guān)法、災(zāi)變法（按數(shù)據(jù)處理方式分類）等多種方法， 2000 年美國(guó)聯(lián)邦公路局出版了 MUTCD2000（Manual on Uniform Traffic Control Devices）專門論述 交通控制設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)，但由于ITS涉及的面很廣泛，并未形成較完善和成熟的系統(tǒng)。在國(guó)內(nèi)，我國(guó)已建成的隧道超過(guò)1069座，單洞延長(zhǎng)超過(guò)340km，建成的3000m以上隧道13座， 另外還有5座3000m以上的，車道公路隧道，隨著國(guó)家加大公路建設(shè)的步伐與力度，特別是西部大 開(kāi)發(fā)，山區(qū)高等級(jí)公路在公路建設(shè)中的比重越來(lái)越大，國(guó)家

3、主干線上正在建設(shè)和十五”將要建設(shè)的 特長(zhǎng)隧道不少于30座。上海延安東路隧道與深圳梧桐山隧道在我國(guó)較早實(shí)現(xiàn)了隧道監(jiān)控。此后，成 渝高速公路的中梁山隧道、縉云山隧道等高等級(jí)公路的隧道，通過(guò)引進(jìn)國(guó)外設(shè)備與自主開(kāi)發(fā)相結(jié)合 實(shí)現(xiàn)了隧道監(jiān)控。目前，國(guó)內(nèi)的隧道管理系統(tǒng)不但硬件大多依靠進(jìn)口，而且軟件也依靠進(jìn)口，軟件 既貴，基本上相當(dāng)于硬件價(jià)，又不適合國(guó)情，例如，通風(fēng)控制僅考慮了。0的濃度，而沒(méi)有考慮交 通狀態(tài)，更談不上考慮設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)平衡、自動(dòng)控制與節(jié)能問(wèn)題。實(shí)際上，隧道越長(zhǎng)，使用者有害氣 體的吸收越多，應(yīng)該綜合考慮環(huán)境、交通、節(jié)能、控制、設(shè)備使用壽命等多方面的問(wèn)題?？刂圃诰W(wǎng) 絡(luò)結(jié)構(gòu)上溫州景山隧道最早采用全分布

4、式現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，而現(xiàn)在還有很多隧道采用集散式控制，其 不但可靠性差，效率低，而且管線長(zhǎng)，投資高，易遭雷擊引起系統(tǒng)故障。公路隧道智能控制的需求作者對(duì)我國(guó)11座典型公路隧道的運(yùn)營(yíng)情況進(jìn)行了調(diào)查，從調(diào)查情況來(lái)看，我國(guó)公路隧道監(jiān)控主 要存在以下問(wèn)題：設(shè)計(jì)問(wèn)題：設(shè)計(jì)主要存在這幾個(gè)問(wèn)題。第一，系統(tǒng)功能問(wèn)題。設(shè)計(jì)單位由于當(dāng)前公路大上，任務(wù) 多，大多數(shù)工程業(yè)主給的設(shè)計(jì)工期又不合理，使得不能認(rèn)真進(jìn)行方案比選，再說(shuō)，即使功能過(guò)度重 疊、投資規(guī)模大對(duì)設(shè)計(jì)單位也有好處；第二，設(shè)計(jì)方法問(wèn)題。大多數(shù)設(shè)計(jì)都是在類似圖紙上復(fù)制修 改，而不是按具體情況，采用功能設(shè)計(jì)的方法，使性能價(jià)格比最優(yōu)，不在設(shè)計(jì)上下工夫是我國(guó)公路 管理水平

5、低的主要原因之一；第三，新技術(shù)應(yīng)用方面的問(wèn)題。大多數(shù)設(shè)計(jì)單位不太喜歡采用新技術(shù)， 又麻煩，設(shè)計(jì)費(fèi)又不增加，而業(yè)主優(yōu)勢(shì)慎之又慎的態(tài)度，極不利于技術(shù)進(jìn)步。第四，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)問(wèn)題。 大多數(shù)隧道采用的是星形結(jié)構(gòu)，每個(gè)隧道本地控制器之間無(wú)法直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，由本地控制器對(duì) 交通參數(shù)、環(huán)境參數(shù)。外場(chǎng)設(shè)施狀況進(jìn)行采集并上傳至隧道監(jiān)控室，再上傳至中控室，必須通過(guò)中 控室的計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，接收中控室的控制命令，對(duì)本地設(shè)施進(jìn)行控制，影響傳輸速率。設(shè)備選型問(wèn)題：在初步設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、招標(biāo)文件編制中一般都不涉及設(shè)備選型，施工圖設(shè)計(jì) 須指定設(shè)備。雖然現(xiàn)有的工程基本上都要搞招標(biāo)，不必指定設(shè)備，但要給出性能等指標(biāo)。由于缺乏

6、 公路隧道機(jī)電設(shè)備技術(shù)要求規(guī)范，對(duì)設(shè)備的功能與技術(shù)指標(biāo)的要求形成五花八門的局面，設(shè)計(jì)單位 只能依賴于廠家的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)與檢測(cè)報(bào)告，而其充其量只能說(shuō)明單項(xiàng)設(shè)備的性能，而不能說(shuō)明在系 統(tǒng)中的功效，更不說(shuō)很多產(chǎn)品對(duì)隧道應(yīng)用環(huán)境條件的適應(yīng)性。例如，燈具問(wèn)題，單盞燈可能是合格 的，但安裝在隧道里則不一定年能達(dá)到規(guī)范中縱向、橫向均勻度的要求，最好的辦法是關(guān)鍵設(shè)備施 工前就在實(shí)體隧道做試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試合格再使用。此外，在新設(shè)備應(yīng)用方面，即使是好的產(chǎn)品，大 多數(shù)業(yè)主都有看一看的想法，看在其它隧道的應(yīng)用情況。這一想法不錯(cuò)，但總得有人先吃螃蟹，應(yīng) 該是只要產(chǎn)品合格，在實(shí)體隧道測(cè)試通過(guò)，就可選用，否則，會(huì)影響我國(guó)公路隧

7、道的機(jī)電水平的提 高。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)問(wèn)題：在控制模式上，當(dāng)前有兩種控制模式，一種是適用于短隧道的集散式控制 模式，一種是適用于長(zhǎng)隧道的分布式現(xiàn)場(chǎng)總線控制模式。前者布線復(fù)雜，造價(jià)較高，由中控室對(duì)現(xiàn) 場(chǎng)設(shè)施進(jìn)行控制與管理，后者施工方便，不但造價(jià)較低，而且可靠性較高，其又可分為全分布式現(xiàn) 場(chǎng)總線控制和集中式現(xiàn)場(chǎng)總線控制。全分布式現(xiàn)場(chǎng)總 線控制模式，中控室對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施不直接進(jìn)行控 制，由現(xiàn)場(chǎng)各種設(shè)施的控制器進(jìn)行控制。目前，現(xiàn)場(chǎng)總線有40多種，每種現(xiàn)場(chǎng)總線都有其優(yōu)勢(shì)與不 足，在現(xiàn)場(chǎng)總線選擇中，對(duì)于公路監(jiān)控而言，由于信息量不大，因此，傳輸速率和實(shí)時(shí)性要求不成 為總線選擇的控制因素，而最關(guān)鍵的是設(shè)備能適應(yīng)的應(yīng)用

8、環(huán)境，系統(tǒng)設(shè)備局部故障不影響整個(gè)系統(tǒng) 的運(yùn)營(yíng)，以提高系統(tǒng)的可靠性。由上述分析可見(jiàn)，智能控制當(dāng)前主要應(yīng)解決以下問(wèn)題：可靠性：系統(tǒng)局部設(shè)施故障不影響其它設(shè)施功能發(fā)揮，關(guān)鍵設(shè)施有必要的冗余措施。穩(wěn)定性：系統(tǒng)可長(zhǎng)期（在設(shè)計(jì)周期內(nèi)）穩(wěn)定運(yùn)行。可控性：系統(tǒng)收集的交通、環(huán)境、語(yǔ)言、視頻等信息能得到充分利用，據(jù)之合理誘導(dǎo)交通流， 并進(jìn)行有效控制。先進(jìn)性：系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式、通訊方式、控制模式應(yīng)能反映當(dāng)代技術(shù)的發(fā)展。經(jīng)濟(jì)性：系統(tǒng)投資少、性能價(jià)格比高，同類設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)平衡，控制方案，除能保證正常運(yùn)營(yíng)外， 還必須節(jié)能，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用省。容錯(cuò)性：系統(tǒng)軟件具有良好的容錯(cuò)能力。便捷性：系統(tǒng)操作、維護(hù)方便?？蓴U(kuò)展性：設(shè)備更新與增加、

9、功能改善與變化，都能最大限度地應(yīng)用原有系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)和管理方面還應(yīng)解決以下問(wèn)題：（1）系統(tǒng)規(guī)模問(wèn)題監(jiān)控系統(tǒng)是保證交通正常運(yùn)營(yíng)的必要條件，系統(tǒng)規(guī)模決定工程投資和運(yùn)營(yíng)管理費(fèi)用。環(huán)境在變化、 采用的設(shè)施在更新、應(yīng)用的技術(shù)在進(jìn)步、使用者隨著技術(shù)的進(jìn)步對(duì)系統(tǒng)的功能要求在不斷深化以及 運(yùn)營(yíng)管理中對(duì)突發(fā)事件的處理，要求科學(xué)地確定系統(tǒng)規(guī)模，通過(guò)科研解決系統(tǒng)的配置原則、設(shè)計(jì)方 法，避免為了實(shí)現(xiàn)新功能、增加新設(shè)備、與路段有機(jī)結(jié)合形成整體等，要把原有系統(tǒng)推倒從來(lái)。（2）系統(tǒng)集成方法問(wèn)題隧道監(jiān)控設(shè)施涉及很多管線，非火災(zāi)工況時(shí)系統(tǒng)設(shè)施與通訊、供電傳輸線路能不能穩(wěn)定、可靠 地工作及火災(zāi)工況時(shí)其能正常工作一段時(shí)間，是監(jiān)控系統(tǒng)

10、發(fā)揮作用的關(guān)鍵，研究要解決系統(tǒng)的集成 方式、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式，是否有必要設(shè)置專門的管線通道，如何保證系統(tǒng)的可靠性、 穩(wěn)定性、先進(jìn)性與經(jīng)濟(jì)性的有機(jī)結(jié)合。（3）系統(tǒng)控制問(wèn)題隧道災(zāi)害不可避免，防治結(jié)合，以防為主，才能提高安全性。高速車、超重車、危險(xiǎn)品裝載車都 是災(zāi)害隱患，在控制理念上改事后處理為預(yù)測(cè)控制，要突出以人 為本”的思想，在控制方式上實(shí)現(xiàn) 本地控制、遠(yuǎn)程手動(dòng)控制、遠(yuǎn)程自動(dòng)控制等多種控制方式，對(duì)系統(tǒng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)三遙，既能滿足交通管 理的需要，又能降低管理成本，減少工作強(qiáng)度，使系統(tǒng)營(yíng)運(yùn)管理的高效性與方便性融為一體。公路隧道智能控制的關(guān)鍵技術(shù)公路隧道智能控制的關(guān)鍵技術(shù)，主要包括公路隧道的通

11、風(fēng)控制問(wèn)題，在火災(zāi)情況下如何進(jìn)行通風(fēng) 控制，無(wú)異常交通時(shí)如何進(jìn)行通風(fēng)控制，使既能為道路使用者提供滿足衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求的環(huán)境條件， 又能達(dá)到節(jié)約能源的目的，同時(shí)考慮設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)平衡；公路隧道的交通控制問(wèn)題，如何預(yù)防影響正 常運(yùn)營(yíng)的異常交通時(shí)間的發(fā)生，如何自動(dòng)檢測(cè)異常交通時(shí)間，如何進(jìn)行疏導(dǎo)、誘導(dǎo)與控制；公路隧 道的通訊網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題，防止網(wǎng)絡(luò)阻塞或癱瘓，保證通訊質(zhì)量與通訊速率，提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，系 統(tǒng)不會(huì)因?yàn)閭€(gè)別控制設(shè)備發(fā)生故障而影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)營(yíng)；公路隧道的綜合控制問(wèn)題，發(fā)生交 通異常時(shí)盡快作出反映，調(diào)度相應(yīng)的部門、人員進(jìn)行處理并恢復(fù)正常交通，最后，將這些適合國(guó)情 的研究成果，綜合成一套完整的監(jiān)控軟

12、件，發(fā)展民族工業(yè)與促進(jìn)交通管理的進(jìn)步。為此，應(yīng)在以下 幾個(gè)方面進(jìn)行研究：（1）公路隧道交通流特性研究這一問(wèn)題是隧道智能控制的基礎(chǔ)，因此，首先必須研究各種交通流模式時(shí)的交通狀態(tài)及其特性， 其影響因素主要包括交通量、隧道長(zhǎng)度、車流的車速與道路線形特征。隧道交通流可分為正常交通 流與異常交通流兩種狀態(tài)。交通管理的目標(biāo)主要在于通過(guò)處理異常交通及防止異常交通發(fā)生提高公 路運(yùn)輸效率。隧道交通異?，F(xiàn)象主要包括三個(gè)由于停車引起隧道通行能力不足，形成車輛排隊(duì)， 降低運(yùn)輸效率；慢行車輛引起交通擁擠；火災(zāi)引起交通中斷。應(yīng)通過(guò)探討交通量、隧道長(zhǎng)度、 車速對(duì)交通流模式的影響，分析發(fā)生交通異常時(shí)各交通流模式的特性，在此基

13、礎(chǔ)上，研究針對(duì)交通 監(jiān)控及通風(fēng)照明控制，隧道的分類方法，隧道類別與交通量、車速、車道數(shù)的關(guān)系，設(shè)置隧道監(jiān)控 系統(tǒng)的條件及各類隧道監(jiān)控設(shè)施的合理配置方法與原則，從而達(dá)到既節(jié)約投資、又能滿足實(shí)際需要， 系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)的目的。（2）交通異常自動(dòng)檢測(cè)算法研究國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的隧道監(jiān)控系統(tǒng)在交通控制方面，不能有效地利用交通信息，雖然收集了交通量、車速、 占有率等資料，但是，無(wú)法作到據(jù)之自動(dòng)判別交通狀態(tài)，從而進(jìn)行控制。鑒此，應(yīng)研究隧道交通異 常自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及交通流的誘導(dǎo)與控制方法以及正常交通時(shí)如何有效地組織交通流，防止阻塞。在 進(jìn)行上面異常時(shí)各交通流模式特性研究的基礎(chǔ)上，研究交通異常的分類方法，研究交通量、車速、

14、占有率對(duì)交通異常的敏感性，選擇對(duì)交通異常最敏感的指標(biāo)作為交通異常自動(dòng)檢測(cè)參數(shù)，建立交通 異常自動(dòng)檢測(cè)算法，判別是否有阻塞以及發(fā)生阻塞的原因，判斷是否發(fā)生異常交通，發(fā)生異常交通 后，其所在的位置與異常的嚴(yán)重程度，從而逐步走向智能交通控制。（3）隧道通風(fēng)智能控制系統(tǒng)研究目前，通風(fēng)控制僅考慮了CO的濃度，實(shí)際上，隧道越長(zhǎng)，車速越低，使用者有害氣體的吸收量 越 多，所以，CO的濃度、交通狀態(tài)、隧道長(zhǎng)度這三者是影響通風(fēng)控制的主要因素。在此，探索：0 的濃度、交通狀態(tài)、隧道長(zhǎng)度這三者之間的關(guān)系，建立綜合考慮環(huán)境、交通、節(jié)能、控制、設(shè)備使 用壽命等多方面問(wèn)題的通風(fēng)控制模式。（4）公路隧道交通仿真研究與軟件開(kāi)

15、發(fā)目前隧道交通控制主要采用預(yù)案式，不能根據(jù)交通量的實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，更不能根據(jù)變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)控，因此，有必要開(kāi)展交通仿真研究與軟件開(kāi)發(fā)，以期達(dá)到預(yù)控的目的。公路隧道智能控制的發(fā)展公路隧道智能控制的發(fā)展，當(dāng)前應(yīng)著重解決公路隧道信息不能有效利用的問(wèn)題，及控制模式與控 制軟件，使軟件應(yīng)用國(guó)產(chǎn)化并初步走向智能化。公路隧道監(jiān)控主要是為了進(jìn)行控制，防患于未然， 其關(guān)鍵是解決控制網(wǎng)絡(luò)模式與提高控制軟件智能化水平。應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是控制發(fā)展的必然趨勢(shì)。能 夠適應(yīng)未來(lái)發(fā)展需要的自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)具有開(kāi)放性、互操作性、通信介質(zhì)不受限制、操作系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)全面、拓?fù)涠鄻踊?、通信協(xié)議具有可移植性等特點(diǎn)。控制是實(shí)現(xiàn)公路隧道

16、管理目標(biāo)的根本手段。 從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)考慮，在日本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用自律分布控制系統(tǒng)，法國(guó)采用透明工廠，國(guó)內(nèi)公路監(jiān)控系統(tǒng) 在管理體制上主要是三級(jí)管理，即管理中心、管理分中心和管理所。系統(tǒng)控制應(yīng)從集散式控制系統(tǒng) 逐步發(fā)展為現(xiàn)場(chǎng)控制，從多級(jí)控制發(fā)展為二級(jí)控制，采用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn) 行數(shù)據(jù)交換、信息共享與區(qū)域協(xié)調(diào)控制，從而提高系統(tǒng)的可靠性、維護(hù)操作的方便性與降低工程造 價(jià)；從系統(tǒng)設(shè)備考慮，應(yīng)提高檢測(cè)設(shè)備的水平，大力發(fā)展數(shù)字化與智能化儀器儀表，發(fā)展無(wú)線通訊 與控制產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙訊、遙控，如通過(guò)圖像處理檢測(cè)器檢測(cè)交通參數(shù)，既為交通控制、通風(fēng) 控制提供了依據(jù)，又監(jiān)視隧道的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，達(dá)到檢測(cè)與監(jiān)視的統(tǒng)一，設(shè)備有故障，可以實(shí)時(shí)傳到手 機(jī)之類的便攜式設(shè)備上并進(jìn)行遠(yuǎn)程控制；從系統(tǒng)功能考慮，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到自動(dòng)檢測(cè)與消防實(shí) 現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，根據(jù)火災(zāi)類型與嚴(yán)重程度自