公路隧道智能化系統(tǒng)設(shè)計方案

概述隨著我國交通工程建設(shè)和交通事業(yè)的發(fā)展，我國所建交通隧道的里程得到了迅速延長，由于不斷增長的交通流量和路況改善以及運輸物品的復(fù)雜性，增加了交通隧道的火災(zāi)和隧道污染等的風(fēng)險，引發(fā)了不少嚴(yán)重的災(zāi)難性事故，尤其是火災(zāi)事故，它不僅嚴(yán)重威脅到人的生命和財產(chǎn)安全，而且對交通設(shè)施、人類的生產(chǎn)活動造成巨大的損壞。隧道的智能化監(jiān)控顯得越來越重要。隨著計算機(jī)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，為公路隧道的智能化監(jiān)控提供了一個行之有效的最佳解決途徑，它滿足了社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人們文明生活的高標(biāo)準(zhǔn)的要求，為人類的出行創(chuàng)造了一個安全、方便、快捷、舒適、經(jīng)濟(jì)、高效的交通與生活環(huán)境。隧道智能化監(jiān)控系統(tǒng)隧道智能化監(jiān)控系統(tǒng)采用分級管理的模式，通過建立多平臺，多系統(tǒng)下的統(tǒng)一管理平臺，實現(xiàn)對所有系統(tǒng)內(nèi)的分監(jiān)控中心或各本地監(jiān)控主機(jī)及監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一有序的協(xié)調(diào)、管理。而各分監(jiān)控中心在服從總監(jiān)控中心調(diào)度指揮的同時，也在自己職能范圍內(nèi)管理和調(diào)度其所管轄各隧道內(nèi)的監(jiān)控設(shè)備，從而達(dá)到集中與分散相結(jié)合的多級用戶管理模式。隧道智能化監(jiān)控系統(tǒng)主要包括：隧道內(nèi)實時視頻監(jiān)控、車流量、流速檢測、變配電參數(shù)檢測、火災(zāi)自動報警、照明、通風(fēng)、緊急電話、環(huán)境監(jiān)測、交通控制等子系統(tǒng)。其中隧道網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的建立可實時隧道內(nèi)交通流量和交通運行的監(jiān)視，對關(guān)鍵路段實施交通適時控制，及時發(fā)現(xiàn)各種異常情況并采取應(yīng)急措施，以確保隧道高速、安全、舒適、經(jīng)濟(jì)地運營。隧道智能化監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架圖：隧道智能化監(jiān)控系統(tǒng)架圖1隧道廣播系統(tǒng)圖2中央控制中心：中央監(jiān)控中心是整個隧道智能化監(jiān)控系統(tǒng)的核心，由中心服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、視頻工作站、電子地圖/報警主機(jī)/數(shù)字矩陣主機(jī)、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(tǒng)計與打印功能、查詢功能、自動數(shù)據(jù)備份和系統(tǒng)恢復(fù)功能、自動后備功能、聯(lián)網(wǎng)功能及網(wǎng)絡(luò)管理等功能。實現(xiàn)對隧道引道區(qū)、隧道區(qū)及出入口區(qū)的信號燈、可變情報板、綜合交通信息板、限速信號板、火災(zāi)自動報警、應(yīng)急廣播等的控制功能，達(dá)到分流、啟閉車道、引導(dǎo)車輛改道等作用，對車輛的運行實施動態(tài)管理和控制。系統(tǒng)控制模式控制是實現(xiàn)隧道監(jiān)控系統(tǒng)目的的根本手段。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)考慮，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，應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)，由FCS（無中心控制）代替現(xiàn)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(xiàn)場總線作為一種開放的、全數(shù)字化、雙向、多站的通信系統(tǒng)，近年來得到了迅猛的發(fā)展和應(yīng)用，具有協(xié)議簡單開放、容錯能力強(qiáng)、實時性高、安全性好、成本低、適于頻繁交換等特點，在隧道智能化監(jiān)控中得到了廣泛的應(yīng)用。目前所應(yīng)用的現(xiàn)場總線來看，模塊化分布式控制系統(tǒng)，主要分為三個系列：（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(xiàn)場總線Lonworks,Device,Profibus的Microlon,DacNet系列。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式為確保隧道智能化監(jiān)控系統(tǒng)的安全和高可靠性，應(yīng)采用自愈環(huán)網(wǎng)拓樸結(jié)構(gòu)形式，自愈環(huán)網(wǎng)拓樸結(jié)構(gòu)優(yōu)點突出，如果在環(huán)網(wǎng)的某處發(fā)生斷路，它將自動重新配置網(wǎng)絡(luò)使通訊得以繼續(xù)。2.1.3根據(jù)隧道內(nèi)外的交通狀況、天氣狀況、車流情況，對隧道內(nèi)各交通控制設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，通過中央控制中心傳送到現(xiàn)場的PLC；現(xiàn)場的PLC根據(jù)中央控制中心的操作指令行各種操作命令，將操作信息實時返回給中央控制中心。同時，各現(xiàn)場PLC控制單元應(yīng)能根據(jù)隧道內(nèi)的交通狀況對整個系統(tǒng)進(jìn)行控制。當(dāng)某一PLC控制單元在進(jìn)行控制時，其它PLC控制單元能監(jiān)測到它的信息，并作出相應(yīng)的處理，同時，能顯示具體哪個PLC控制單元在進(jìn)行控制。設(shè)備控制還包括通信、廣播、消防等設(shè)備的監(jiān)控。2.1.4在中央控制中心的顯示器上，通過電子地圖，直觀反應(yīng)出隧道內(nèi)的圖像資料，實時顯示出隧道內(nèi)所有交通控制設(shè)備、消防設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備、變配電設(shè)備的工作狀態(tài)和隧道內(nèi)交通狀況的畫面。2.1.5在系統(tǒng)檢測到故障信息后應(yīng)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(yīng)的故障信息、故障點和故障時間；同時，自動將該故障信息存入故障信息數(shù)據(jù)庫。2.1.6對系統(tǒng)內(nèi)各項信息進(jìn)行歸納、分析和整理，并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。2.1.7對系統(tǒng)內(nèi)測量的模擬信息記錄到模擬量歷史數(shù)據(jù)庫中，同時根據(jù)用戶的需要，將記錄在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)計與分析，以生成實時趨勢圖和歷史趨勢圖。2.2PLC控制技術(shù)PLC是實現(xiàn)整個隧道智能化監(jiān)控的最關(guān)鍵設(shè)備之一，通過設(shè)在隧道內(nèi)的工業(yè)控制以太光纖環(huán)網(wǎng)，將現(xiàn)場的PLC直接連接到該網(wǎng)絡(luò)上，利用PLC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來實現(xiàn)分布式采樣，即在被控點附近設(shè)置采樣單元，就近完成被控點的狀態(tài)采樣和控制輸出，完成該采樣單元內(nèi)部各控制信號的互鎖；即在各采樣單元之間，通過工業(yè)控制以太網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，實現(xiàn)相互協(xié)調(diào)、相互控制的功能；各采樣單元可獨立組成下位機(jī)系統(tǒng)，實現(xiàn)對隧道內(nèi)設(shè)備、交通狀況的監(jiān)控。2.3視頻檢測功能通過隧道內(nèi)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的攝像機(jī)所產(chǎn)生的監(jiān)控信號，實施數(shù)字化處理并通過數(shù)學(xué)模型運算，過濾出事故報警；從而實現(xiàn)對隧道內(nèi)交通的實時監(jiān)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）。視頻車輛檢測器應(yīng)具有檢測視頻圖像中每一車道和同一行駛方向上所通過的車流量、瞬時速度、車頭時距、道路占有率、車輛長度識別、檢測區(qū)域?qū)挾鹊裙δ堋?.4閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)閉路電視監(jiān)控主要用于控制中心值班員監(jiān)視隧道內(nèi)的實時交通情況，輔助值班員指揮行車。在發(fā)生災(zāi)情時，及時了解現(xiàn)場的災(zāi)害和乘客疏散情況。2.5緊急電話系統(tǒng)隧道設(shè)緊急電話，為駕駛員提供一個直接呼救求援的專用通信系統(tǒng)，對火災(zāi)、交通事故，采用熱線方式，直通計算機(jī)主機(jī)，并進(jìn)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，及時了解隧道內(nèi)發(fā)生的情況，及時通過電話和語音進(jìn)行報警、提示和處理。2.6有線廣播系統(tǒng)系統(tǒng)可對隧道內(nèi)來往車輛駕駛員播放各種交通信息等；在發(fā)生緊急情況時進(jìn)行緊急情況的通知，同時，當(dāng)收到火災(zāi)報警信號時，能自動進(jìn)入火災(zāi)緊急廣播狀態(tài)，與火災(zāi)自動報警系統(tǒng)實現(xiàn)聯(lián)動。2.7隧道通風(fēng)控制子系統(tǒng)通風(fēng)控制子系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)PLC控制器、隧道內(nèi)區(qū)域控制器、CO/VI檢測器、風(fēng)速風(fēng)向檢測器等組成。根據(jù)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(shè)置了CO/VI檢測器及風(fēng)速風(fēng)向檢測器，系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)CO/VI和風(fēng)速風(fēng)向檢測器的檢測參數(shù)。對洞內(nèi)射流風(fēng)機(jī)采用“PLC風(fēng)機(jī)控制器→PLC區(qū)域控制器→監(jiān)控中心”的三級控制。公路隧道火災(zāi)發(fā)生時，隧道內(nèi)的最低風(fēng)速不應(yīng)小于/s，保證在火災(zāi)發(fā)生時，煙霧只能順著汽車前進(jìn)的方向流動，而不出現(xiàn)回流，如圖3中上方的圖示。這樣不僅火災(zāi)點前端的車輛能夠迅速從隧道出口逃離（因為煙霧流動的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于汽車的速度），而且更為重要的是火災(zāi)點后方的車輛由于不受煙霧的干擾，可以從連通道通過相鄰隧道逃離火災(zāi)區(qū)。否則，將給火災(zāi)點后方的車輛逃逸帶來許多麻煩，如圖中間和下方的圖示。失火時汽車前進(jìn)方向示間圖32.8.隧道照明控制照明控制子系統(tǒng)主要由洞內(nèi)外亮度檢測器和區(qū)域控制器完成，根據(jù)檢測到的洞內(nèi)外亮度數(shù)據(jù)、交通量變化以及白天、黑夜等情況，根據(jù)預(yù)計的照明控制策略控制隧道的照明系統(tǒng)，調(diào)節(jié)出入口以及洞內(nèi)照明燈具的亮度，防止黑洞和白洞效應(yīng)，保證行車的安全暢通，同時，在滿足照明要求的情況下達(dá)到節(jié)能運行的目的。2.9電力監(jiān)控電力監(jiān)控系統(tǒng)對隧道變電所及箱式變電站的運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，監(jiān)測高、低壓開關(guān)柜的工作狀態(tài)、各斷路器的開關(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(shù)，并對供配電系統(tǒng)設(shè)備及通風(fēng)、照明回路進(jìn)行監(jiān)控。主要包括顯示和統(tǒng)計打印功能；事件報警和記錄功能；控制操作和記錄功能；數(shù)據(jù)采集和處理功能；在線維護(hù)和修改功能；數(shù)據(jù)庫部分內(nèi)容的在線修改；電能管理功能；系統(tǒng)自檢功能。另外，變電所無人值守功能要求配備相應(yīng)的圖像監(jiān)視設(shè)備和火災(zāi)自動檢測及手動報警設(shè)備，分別納入閉路電視監(jiān)視子系統(tǒng)和火災(zāi)報警子系統(tǒng)。2.10.隧道火災(zāi)報警火災(zāi)報警方式分為手動報警按鈕和火災(zāi)自動探測器兩種。手動報警按鈕，在隧道內(nèi)應(yīng)按每50米一套設(shè)置手動報警按鈕。在緊急情況下由人工按動報警按鈕，即可將信號傳到隧道監(jiān)控中心。自動火災(zāi)報警探測可采用分布式光纖感溫自動探測器，在隧道內(nèi)頂部敷設(shè)感溫火災(zāi)探測光纜，對隧道內(nèi)進(jìn)行連續(xù)的溫度檢測。該系統(tǒng)利用光纖作為線性感溫探測器，該探測器基于光纖后向拉曼散射效應(yīng)，產(chǎn)生一個比光源波長長的光，稱斯托克斯(stokes)光，和一個比光源波長短的光，稱為后斯托克斯(anti-stokes)光，光纖受外部溫度的調(diào)制使光纖中的反斯托克斯(anti-stokes)光強(qiáng)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現(xiàn)對光纖溫度場的分布式測量，因此，感溫光纖可以將環(huán)境溫度以連續(xù)的線性方式表示出來。該探測系統(tǒng)還可以準(zhǔn)確地定位溫度發(fā)生變化的確切位置，定位精確度可達(dá)10cm火災(zāi)報警系統(tǒng)接受隧道內(nèi)、變電所、泵房以及設(shè)備用房內(nèi)火災(zāi)探測器的報警信號，當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，發(fā)出緊急信號，發(fā)出聲、光報警信號，并顯示出火災(zāi)報警的具體位置，經(jīng)過視頻監(jiān)控系統(tǒng)自動將事故地點顯示在相應(yīng)的工作站和大屏幕上，并啟動相應(yīng)的控制預(yù)案，如啟動應(yīng)急照明、通風(fēng)、消防滅火等設(shè)施，發(fā)布交通誘導(dǎo)信息，調(diào)度救援車輛及人員等，以便能快速、有序地疏導(dǎo)隧道內(nèi)的車輛和人員，保障隧道及司乘人員的生命財產(chǎn)安全。1交通信號控制交通信號控制主要是用于協(xié)助疏導(dǎo)交通、給司機(jī)提供信息，以保證道路暢通。在隧道兩端入口前設(shè)置交通信號燈，由控制中心通過接收其他系統(tǒng)的指令決定信號燈的開關(guān)及時間的長短。在隧道入口處設(shè)置一個可變限速標(biāo)志和一個可變情報板，控制中心根據(jù)隧道內(nèi)的交通狀況，編輯和發(fā)送交通信息、運營指令、路況資料、限速、報警信息等多幅信息，控制進(jìn)入隧道的車流量，以避免或排除隧道內(nèi)交通阻塞，引導(dǎo)車輛運行，并當(dāng)突發(fā)事件發(fā)生時關(guān)閉隧道通行，在隧道入口處設(shè)車高紅外檢測器，對進(jìn)入隧道的車輛的進(jìn)行車高測量，發(fā)現(xiàn)其高度超出隧道的設(shè)置許可，配合車牌識別系統(tǒng)，啟動語音系統(tǒng)、視頻檢測系統(tǒng)，對車輛的禁止駛?cè)脒M(jìn)行語