（交通信息工程及控制专业论文）始祖山公路隧道监控系统设计与交通控制策略研究.pdf

摘要 随着中国经济的迅速发展，交通作为经济发展的命脉已成为我国建设的重中之重。 中国幅员辽阔，地理条件复杂，隧道成为高速公路建设中的重要组成部分。由于隧道半 封闭的特殊性，开通运行后交通疏导、灾后救助等方面比较困难，中长公路隧道更是如 此。因此，高效可靠的隧道监控系统和完善的交通控制策略对隧道的安全、可靠运行起 着重要的作用。 论文以郑州至石人山高速公路始祖山隧道为研究对象，通过学习借鉴国内外隧道高 速公路隧道安全运营管理方面的先进经验和成果，以现有技术规范为基础，创新理念和 方法，优化设计，在隧道监控系统功能需求分析的基础上，提出了始祖山公路隧道监控 系统总体设计方案，分别从信息检测子系统、环境控制子系统、视频监视子系统、交通 控制与诱导子系统、火灾检测与报警子系统、广播和紧急电话子系统和通信网络与控制 平台七个方面对公路隧道监控系统进行设计、说明。 论文针对始祖山公路隧道的特点，通过公路隧道交通控制方式和策略的分析研究， 提出了隧道内发生交通拥挤、交通事故和火灾等典型交通状况下的交通控制方式和控制 策略。并对隧道内发生交通拥挤、交通事故和火灾等典型交通状况下的交通控制策略进 行了仿真，为提高隧道营运管理水平提供了理论探讨。 关键词：公路隧道，隧道监控，交通控制，控制策略，交通仿真 a b s t r a c t w i t ht h er a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，t r a n s p o r t a t i o n ，a st h el i f e b l o o do fe c o n o m i c d e v e l o p m e n t ，h a sb e c o m et h et o pp r i o r i t yo fc h i n a sc o n s t r u c t i o n c h i n ah a sav a s tt e r r i t o r y a n dc o m p l i c a t e dg e o g r a p h i c a lc o n d i t i o n s ，a n dt h et u n n e li sa l li m p o r t a n tp a r ti nt h eh i g h w a y c o n s t r u c t i o n 。d u et ot h es p e c i a ln a t u r eo fs e m i c l o s e di nt u n n e l s ，d i v e r tt r a f f i ca f t e rt h e o p e n i n g ，p o s t - d i s a s t e rr e l i e fa n do t h e ra r e a sb e c o m em o r ed i f f i c u l t ，e s p e c i a l l yi nt h el o n g h i g h w a yt u n n e l t h e r e f o r e ，a l le f f i c i e n ta n dr e l i a b l em o n i t o r i n gs y s t e m ，t o g e t h e rw i t ha n i m p r o v e dt r a f f i cc o n t r o ls t r a t e g y , p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h et u n n e l ss a f e t ya n dr e l i a b l e o p e r a t i o n t h et h e s i s sr e s e a r c ho b j e c ti st h es h i z um o u n t a i nt u n n e lo nt h ee x p r e s s w a yf r o m z h e n g z h o ut os h i r e nm o u n t a i n t h r o u g hs t u d y i n ga n du s i n gt h ea d v a n c e de x p e r i e n c ea n d a c h i e v e m e n to ft h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a le x p r e s s w a yt u n n e l s s a f e t yo p e r a t i o na n d m a n a g e m e n tf o rr e f e r e n c e ，o nt h eb a s i so ft h et e c h n i c a lc o d e sa n dt h ef u n c t i o nd e m a n d sf o r t u n n e lm o n i t o r i n gs y s t e m ，t h et h e s i sh a sp r o p o s e dao p t i m i z e do v e r a l ld e s i g np l a nf o rt h e s h i z um o u n t a i nt u n n e lm o n i t o r i n gs y s t e mw i t hi n n o v a t i v ei d e aa n dm e t h o d t h et h e s i s p r o v i d e sd e t a i l e dd e s i g na n de x p l a n a t i o nt ot h eh i g h w a yt u n n e lm o n i t o r i n gs y s t e mf r o ms e v e n r e s p e c t s ，i n c l u d i n gt h ei n f o r m a t i o nd e t e c t i o ns u b s y s t e m ，e n v i r o n m e n tc o n t r o ls u b s y s t e m ，t h e v i d e om o n i t o r i n gs u b s y s t e m ，t h et r a f f i cc o n t r o la n dg u i d a n c es u b s y s t e m ，t h ef i r ed e t e c t i o na n d w a r n i n gs u b s y s t e m ，t h eb r o a d c a s t i n ga n de m e r g e n c yc a l ls u b s y s t e m ，a n dt h ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r ka n dc o n t r o lp l a t f o r m a i m e da tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs h i z um o u n t a i nh i g h w a y t u n n e l ，t h r o u g ht h ea n a l y s i so n t h ea p p r o a c ho ft r a f f i cc o n t r o la n ds t r a t e g i e s ，t h et h e s i sg i v e st h et r a f f i cc o n t r o la n dc o n t r o l s t r a t e g i e su n d e rt y p i c a lt r a f f i cc o n d i t i o n ss u c ha st r a f f i cc o n g e s t i o n ，t r a f f i ca c c i d e n t sa n df i r e s ， a n ds i m u l a t e st h e s et y p i c a lt r a f f i cc o n d i t i o n s ，w h i c hp r o v i d e st h e o r e t i c a ld i s c u s s i o nt o i m p r o v et h em a n a g e m e n to ft u n n e l s k e yw o r d s ：h i g h w a yt u n n e l ：t u n n e lm o n i t o r i n g ；t r a f f i cc o n t r o l ：t r a f f i cc o n t r o ls t r a t e g y ： s i m u l a t i o n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 。、 ，论文作者签名三犹7 司 姗年，月甜日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名 毛j 勿訇 导师签名： 咿纤 2 加少年碉力日 即g 年f 只绣e t 长安大学硕士学位论文 1 1 研究的背景与意义 第章绪论 1 1 1 研究背景 国民经济与交通有密切的关系，发达国家的成功经验充分证明，汽车与现代社会经 济、文化的发展息息相关。汽车业的兴起，不仅改变了人们的时空观念和生活节奏，还 拉动了不少相关产业的发展，有效地促进了经济的腾飞。同时，汽车业的兴起也为交通 基础设施建设提出了新的挑战，更多的道路和更高的交通管理水平是保证汽车发挥效用 的关键，高速公路的建设和基于现代电子技术、信息技术的高速公路管理手段高速 公路监控系统更成为交通设施建设和管理部门关注的焦点。 随着国家加大公路建设的步伐和力度，特别是西部大开发，山区高等级公路在公路 建设中的比重越来越大，预计今后一些年，国家主干线上建设和将要建设的特长隧道也 会越来越多。据统计，截至2 0 0 7 年底，全国公路隧道为4 6 7 3 处、2 5 5 5 5 万延米，比上 年末增加8 8 5 处、7 1 3 7 万延米。其中，特长隧道8 3 处、3 6 1 0 万延米，长隧道6 0 7 处、 1 0 0 1 1 万延米，中隧道7 5 8 处、5 3 6 8 万延米，短隧道3 2 2 5 处、6 5 6 6 万延米【1 1 。 公路隧道是公路上的特殊路段，空间环境狭窄、光线变化大、不仅车速高、交通量 大，而且汽车尾气排放不易散发而导致隧道内空气质量恶化视野不清，存在潜在的交通 事故危险。特别是发生火灾等紧急事件时，交通输导和救援工作与普通路段相比更加困 难，同时也非常容易引起二次事故的发生，其产生的后果远比原发性事故严重得多。因 此长隧道内的安全保障是公路隧道建设和运营特别关注的问题。 采取何种手段和方式预防交通事故或火灾的发生，以及当交通事故或火灾发生时， 能及时准确地判断、救援并提供给司乘人员有效的逃生诱导信息，尽可能地减少事故或 火灾造成的损失及避免二次事故的发生，是亟待解决的问题。因此，建设完善的隧道监 控系统是十分必要的，因而高速公路隧道监控系统及交通控制策略的设计研究也就成为 焦点中的焦点。 1 1 2 研究意义 近年来，国内外，公路隧道均发生多起重大交通事故。在国外，法国的克洛次隧道、 勃朗峰隧道、日本的北陆隧道、英法海底隧道、奥地利的陶恩隧道和瑞士的圣哥达隧道 均发生过不同程度地事故、火灾，并造成多人死亡。在国内，据2 0 0 6 年公路隧道事故 第一章绪论 统计资料，发生事故合计5 3 7 起，死伤人数共计7 9 2 人，其中死亡人数共1 8 8 人，受伤 人数共6 0 4 人。 隧道监控系统的目标是使管理部门能全面掌握和了解隧道交通、环境和设备运行状 态，及时发现各种突发事件，达到预防隧道发生火灾和交通事故的目的，从而保证隧道 设备的安全运行，确保隧道行车舒适、安全、高效、流畅。因此，发展高速公路隧道监 控系统，可以提高隧道营运的科学管理水平，增强管理部门对隧道交通异常事件的处理 能力，保证隧道营运的高效性、节能性和低成本，综合地提高整个隧道营运的总体经济 效益和社会效益。 河南地处中原，高速公路建设发展迅速，2 0 0 7 年底通车里程达4 5 5 6 公里【2 】，下一步 建设的重点是山区高速公路。在以科学发展观和与自然和谐相处的设计思想的指导下， 克服地形限制，缩短城市问行车距离，达到节约燃料、节省时间、提高经济效益的目的， 在山区高速公路建设时，建设公路隧道将是建设者的必然选择。 始祖山公路隧道是河南境内第一条按a 级公路隧道标准建设的隧道，其监控系统及 交通控制策略的设计研究成果和隧道建设的实践对未来河南公路隧道建设具有重要的 指导意义。 1 2 国内外公路隧道监控系统现状 1 2 1 国外公路隧道监控系统及设备配置现状 国外高速公路发展起步早，隧道监控系统的研究也比较早，已建成的长大隧道比较 多，如挪威于2 0 0 0 年建成的洛达尔隧道长2 4 5 k m ，瑞士1 9 8 0 年建成正式通车的圣哥 达隧道长1 6 9 k m ，法国至意大利的m o n tb l a n c 隧道全长1 1 6 k i n 3 1 。这些隧道在运行过 程中先后都出现过程度不同的事故，因此在发生事故时的诱导策略和措施受到专家的高 度重视并投入大量精力进行研究，做了大量的工作，提出了隧道监控系统标准和交通控 制技术，同时也开发了自动化程度较高的系统监控软件。如通过在隧道内安装足量的各 种检测设备，获取隧道内精确的交通和环境信息，并及时地提供给行驶的车辆和控制中 心。对个别特长隧道，如法国的勃朗峰隧道，采用雷达式车辆检测器检测隧道内的交通 流量和车辆密度，还在隧道外_ 定范围对车辆进行预检测和监控，避免有危险的车辆进 入隧道。另外一些其他隧道采取其他方式增加隧道的安全，如穿过苏黎世东南阿尔卑斯 山脉圣哥达峰的公路隧道，采取了在施工中每隔8 0 0 m 加宽一个断面，为故障车辆提供 避难车道。同时在隧道两头都设置计算机控制室，通过增加录像机和各种传感器来提供 2 长安大学硕士学位论文 精确的数据，监视和控制车辆，并对隧道内的空气质量、照度、火灾进行监测并通过控 制设备对其及时进行控制【4 】。 公路隧道监控技术研究的相关领域主要包括前馈式通风控制技术与先进的交通管理 技术。前者以模糊控制为主，如日本；后者范围很广，用于公路隧道主要有交通异常自 动检测技术，如美国从1 9 6 8 年就开始进行异常检测的研究，到现在己进行了3 0 多年的 研究与实践，形成了单截面法、双截面法( 按检测界面分类) 、宏观法、微观法( 按输入数 据类型分类) 、平滑法、加州法、h i o c c 法、卡尔曼滤波法、互相关法、灾变法( 按数据 处理方式分类) 等多种方法，2 0 0 0 年美国联邦公路局出版了m u t c d 2 0 0 0 ( m a n u a lo n u n i f o r mt r a f f i cc o n t r o ld e v i c e s ) 专门论述交通控制设施的标准【5 】，但由于i t s 涉及的面很 广泛，并未形成较完善和成熟的系统。 1 洛达尔隧道监控系统配置规模 ( 1 ) 洛达尔隧道概况：洛达尔隧道位于挪威奥斯陆与卑尔根之间的e 1 6 高速公路上， 全长2 4 5 k m ，是目前世界上最长的公路隧道，隧道设计为单洞双车道双向行车隧道，年 平均日交通量为1 0 0 0 辆。 ( 2 ) 隧道运营通风：洛达尔隧道采用纵向式通风设计，并设有2 1 k m 长的一个通风斜 井。通风系统依据隧道内设置的n o x 及c o 探测仪监测的空气被污染程度自动调节通风 量。 ( 3 ) 交通信号系统：在隧道两端入口设有交通信号灯，洞内发生事故或火灾自动或人 工点亮红灯，禁止洞外车辆进入洞内。在小转弯点和回车道处设有交通信号灯和转弯标 志，可自动或人工分段点亮。 ( 4 ) 隧道照明设计：在隧道中三处大型圆形回车道处，照明系统进行了特殊设计，车 辆经过大型回车道时，司乘人员有一种出洞再进洞的感觉 ( 5 ) 报警装置的设置：隧道内每隔1 2 5 m 设有消防箱，箱内灭火器底座连接至自动报 警系统，洞内发生火灾时，若有人移动灭火器，报警信息自动传至监控室。 ( 6 ) 电视监控装置：在隧道两端入口处设有摄像机，对进入隧道车辆进行拍摄并纪录。 若某车辆未按时出洞，系统保留该车纪录，并自动调出该车图像，同时向监控人员报警。 ( 8 ) 监控中心：监控中心设在距离隧道e l6 k m 处的交通监控中心，中心监控室面积仅 有3 0 m 2 ，仅设有6 名管理人员，监控中心不但监控洛达尔多隧道，同时监控斯盖特郡 的其他许多条6 - 1 1 k i n 长的隧道。 ( 9 ) 监控中心网络构成：采用s d h 通讯网作为主干网承担区域控制器与监控中心之 3 第一章绪论 间的信息传输。 ( 1 0 ) 区域控制器：采用双机热备的p l c 5 型可编程控制器作为区域控制器，控制隧 道通风、照明、环境监测系统。 2 日本关越隧道监控系统配置简况 ( 1 ) 日本关越隧道简况：关越隧道设有下行隧道、上行隧道和避难隧道组成，隧道长 l l k m 。下行线隧道长1 0 9 2 6 m ，上行线隧道长1 1 0 5 5 m ，避难隧道长1 0 9 4 3 m ，设有两处 内径为9 7 m 的通风竖井。下行线设有5 处干式静电集尘设备，上行线设有4 处湿式静 电集尘设备。 ( 2 ) 火灾报警设备：防灾等级为a a 级。下行线设有二波长式火灾报警器，上行线设 有c o 共鸣式火灾报警器，火灾报警器间距为2 5 m 。手动火灾报警器间距为5 0 m 。设有 装入紧急电话间的手动火灾报警器按间距2 0 0 m 设置，每个紧急停车带另设1 台。 ( 3 ) 电视监控设备：下行隧道设有8 1 台摄像机。上行隧道设有7 8 台摄像机。 ( 4 ) 可变情报板：关越隧道设有7 种类型的情报板，分别设在距隧道入口最近的立交 桥出、入口处、收费站、隧道入口处、以及隧道内的紧急停车带处，隧道入口处的情报 板设有预告情报板。 ( 5 ) 可变限速板、信号机：隧道入口两车道均设置预告信号机、入口信号机：隧道内 车行横通道处两车道均设信号机。隧道入口与隧道入口信号机同杆设置可变限速板2 面、 隧道内紧急停车带处设置可变限速板。 ( 6 ) 检测设备：隧道口设有环形线圈车辆检测器，监测车辆类别、交通量、平均速度、 占有率；在隧道内设有视频车辆检测器，监测交通量、平均速度。隧道内设有雷达、视 频车辆检测器用来监测车辆速度。隧道内竖井出风口处及隧道出口处设有c o 检测器， 静电集尘器入口处设置烟雾透过率检测器，通风区段的始终端设置风速风向检测器。隧 道内设有路温计。 ( 7 ) 系统控制类型：采用d c s 集散型控制系统对隧道内机电设备进行监控。 1 2 2 国内公路隧道监控系统现状 在我国，隧道监控技术发展的比较晚。上海延安东路隧道与深圳梧桐山隧道在我国 较早实现了隧道监控。此后，成渝高速公路的中梁山隧道、绍云山隧道、秦岭终南山隧 道等，通过引进国外设备与自主开发相结合实现了隧道监控。 目前，我国高速公路隧道监控发展现状，可以由下面几个方面说明： 4 长安大学硕士学位论文 1 、设计环节 由于当前公路建设任务繁重，大多数工程业主给设计部门的工期短又不合理，往往 使得设计单位不能认真进行方案比选，而业主又未参与设计需求分析，导致建设与管理 脱节，管理中总结的经验教训无法在建设中得到体现，最终造成功能缺失弱化；其次在 设计方法上，大多数设计都是在类似图纸上复制修改，与具体情况结合不紧密，与运营 需求相脱节，导致系统功能有效性不足，利用率较低。主要表现是隧道洞外亮度值选用 较高，隧道内机电设备的需要系数采用值较大；再次在新技术应用方面，大多数设计单 位不太喜欢采用新技术，又麻烦，设计费又不增加，而尤其业主慎之又慎的态度，极不 利于技术进步。第四在系统结构设计上，大多数隧道监控采用的是星形结构，每个隧道 的本地控制器之间无法直接进行数据交换，由本地控制器对交通参数、环境参数进行设 置。 2 、设备选型 由于缺乏公路隧道机电设备技术要求规范，对设备的功能与技术指标的要求形成五 花八门的局面，设计单位只能依赖于厂家的产品说明书与检测报告，而这样做，充其量 只能说明单项设备的性能，而不能说明在系统中的功效，更不说很多产品对隧道应用环 境条件的适应性。此外，在新设备应用方面，即使是好的产品。大多数业主都包有看一 看的想法，看在其它隧道的应用情况。这样既不利用优化技术方案又会影响我国公路隧 道的机电水平的提高。 3 、控制模式 在控制模式上，当前有两种控制模式，一种是适用于短隧道的集散式控制模式，一 种是适用于长隧道的分布式现场总线控制模式。前者布线复杂，造价较高，由中控室对 现场设施进行控制与管理；后者施工方便，不但造价较低，而且可靠性较高，其又可分 为全分布式现场总线控制和集中式现场总线控制。全分布式现场总线控制模式，中控室 对现场设施不直接进行控制，由现场各种设施的控制器进行控制。目前，现场总线有4 0 多种，每种现场总线都有其优势与不足，在现场总线选择中，关键是设备能适应其应用 环境，系统设备局部故障不影响整个系统的运营，以提高系统的可靠性。 4 、子系统间的融合 随着信息技术的飞速发展，先进的信息电子技术应用到高速公路隧道监控管理中。 系统通过车检器、c o v i 检测器、风速风向检测器、感温光纤等交通信息采集系统隧道 内交通和环境信息，再加可变情报板、可变限速标志、通风控制系统、火灾报警系统、 5 第一章绪论 消防系统、紧急电话和有线广播系统、隧道视频控制系统，基本具备了智能化管理道的 硬件基础。但由于缺乏管理需求与信息资源的有效结合，没有将整个隧道机电系统从整 体上来考虑，割裂地应用每个子系统，难以发挥整体优势，直接造成信息分析处理的弱 化及联动控制功能的缺失。同时，隧道监控紧急预案也有待完善。 5 、电力保障和节能 很多省高速公路大部分由质量不高的农电网供电，导致隧道内照明供电中断现象时 有发生，轻则影响正常行车，重则可能引发交通阻塞甚至交通事故。隧道照明高亮度低 耗能新技术应用不受重视，通风控制不科学造成能源的浪费。 1 3 研究思路与内容安排 论文结合始祖山公路隧道的自身特点，对其隧道监控系统进行需求分析与系统总体 设计，研究始祖山公路隧道交通控制方式及隧道交通控制策略，最后对控制策略进行仿 真。 论文绪论部分，概述课题的背景和研究的意义，介绍国内外公路隧道监控系统的发 展现状及其趋势，以及论文的研究内容；然后结合始祖山公路隧道工程概况对其监控系 统进行功能需求分析，并按照公路隧道交通工程分类及公路隧道交通工程设施配置分级 进行始祖山公路隧道监控系统总体设计；从交通控制设施和控制方式两方面研究始祖山 公路隧道交通控制；最后从公路隧道交通流特性入手，分析研究始祖山公路隧道的交通 控制策略，介绍了隧道交通控制模式和几种典型交通工况下的交通控制策略，并对交通 控制策略进行仿真；论文结尾是结论与展望。 6 长安大学硕士学位论文 第二章始祖山公路隧道监控系统分析与设计 2 1 始祖山公路隧道工程概况 2 1 1 郑石高速公路工程概况 郑州至石人山高速公路是河南省唯一的一个国家交通部2 0 0 5 年“勘察设计典型示 范工程 ，是河南省高速公路“6 8 6 建设规划网的一条重要连络线，也是新规划“两 桥三路 中的“中央辐射线 ，是河南省委、省政府、省交通厅站在全省经济社会发展 的大局之上果断决策，建设的一条能源和旅游大通道。 郑石高速公路线路途经郑州、许昌、平顶山3 个地级市的9 个县区、3 1 个乡镇、1 7 9 个行政村，建设总里程1 8 2 公里。其中，郑州至许昌段8 1 公里，设计路基宽2 8 米，按 6 车道标准建设；许昌至石人山段1 0 1 公里，路基宽2 6 米，按标准四车道建设。 全线共有特大桥梁2 座、大桥7 2 座、中桥3 3 座、天桥3 5 座、分离式立交5 5 座、 涵洞1 1 7 道、互通立交1 3 座、隧道1 座( 始祖山公路隧道) ，项目投资估算8 3 2 亿元， 由河南中原高速公路股份有限公司全额投资建设。 郑州至石人山高速公路线路如图2 1 所示。 2 1 2 始祖山公路隧道工程概况 始祖山公路隧道是郑州至石人山高速公路唯一隧道工程，也是河南省目前在建隧道 工程建设规模最大、掘进距离最长、地质环境最复杂的一条隧道，是制约郑石高速公路 整体施工进度的重点控制性工程。隧道位于郑州市和许昌市交界地带，为上、下行分离 的双洞隧道，左线长1 6 5 5 m ，右线长1 6 1 6 m 。隧道进口均采用削竹式洞门，隧道出口均 采用端墙式洞门，隧道内设置3 处人行横洞，2 处车行横洞，2 处应急停车带，隧道建 筑界限为单洞宽1 1 5 m ，其中行车道宽7 5 m ，左侧设0 7 5 m 侧向宽度、右侧设1 2 5 m 侧 向宽度，两侧分别设人行检修道1 o o m ，隧道净高5 5 m 。隧道内设计行车速度8 0 k m h 。 始祖山公路隧道口实景如图2 2 所示。 2 1 3 始祖山公路隧道管理体制 始祖山公路隧道采用三级管理模式，即河南省监控总中心郑石监控分中心一始祖 山隧道管理所的管理模式，如图2 3 所示。始祖山隧道管理所与岳庄收费站 ( k 2 9 + 7 3 0 8 0 9 ) 同址建设。 7 #【女s针ie摹霹甚；枣m*卑一； 盈p猎趔爵融穿器落器砸 长安大学磺士学位论文 豳2 2 始祖山公路隧道 圈2 3 始祖山公路隧道管理模式图 第二章始祖山公路隧道监控系统分析与设计 2 2 始祖山隧道监控系统的功能需求分析 2 2 1 隧道监控系统功能结构 一般来说，高速公路隧道安全运营管理主要由信息检测、通风控制、照明控制、火 灾检测与报警、交通控制与诱导以及保障运营管理正常运行的数据通信网络、控制中心 计算机系统、供配电系统以及相应的管理体制等构成f 6 1 1 7 】【8 1 【9 1 ，其结构如图2 4 所示。 图2 4 高速公路隧道监控系统结构图 2 2 2 隧道监控系统的基本功能 1 、信息采集功能 能够接受隧道检测设备与仪器送来的环境数据信息( 一氧化碳浓度、烟雾浓度、风 速风向和亮度等) 和交通数据信息( 交通量、平均车速和占有率等) 以及火灾检测与报 警设施、应急电话、摄像机等上传来各种信息。 1 0 长安大学硕士学位论文 2 、信息处理功能 能够及时处理系统采集的各种信息，并把他们转化为相关的统计数据和控制信息， 控制设备工作。 3 、信息发布和显示功能 设在中心控制室的地图板、电视监视器、投影仪、图形显示器应能显示隧道内外交 通运行情况、交通事故、火灾现场等各种监控信息、图表及设备的工作状态信息，并能 通过可变情报板、广播、可变限速标志向交通参与者发布。 4 、设备监测功能 能对隧道机电设施的工作状态实时监测，发现非正常运行时，能够向管理人员发出 故障或异常信息。 5 、控制与管理功能 这是公路隧道运营管理的主要功能，包括隧道内通风控制、照明控制、交通控制与 诱导等，保证隧道能够正常运作。 6 、信息管理功能 信息管理功能包括信息的统计查询和报表生成、数据档案储存等。 建立隧道交通事故、火灾等事故事件的一整套联动体系和救援指挥中心系统。可通 过视频事故事件检测系统，对隧道内交通事故、停车或火灾等事故事件检测，经过分析 运算发出报警信息，弹出相应视频窗口，供监控员察看。通过火灾报警系统感温光缆和 手动报警按钮判断火灾具体位置，并通过隧道内区域控制器开启风机、照明系统、变换 车道诱导标志、避灾引导灯和视线诱导系统等提示逃生路线。紧急电话广播系统提供紧 急事件报警和通知。 2 3 始祖山公路隧道交通工程分级 2 3 1 公路隧道交通工程分级 根据公路隧道设计规范( j t gd 7 0 2 0 0 4 ) 、公路隧道交通工程设计规范( j 1 g 厂r d 7 1 2 0 0 4 ) 中根据公路隧道长度l 及设计年度隧道单洞平均日交通量q 将公路隧道划分 为a 、b 、c 、d 四级【1 0 1 【1 1 1 。 具体的分级方法有如下两种： 1 图解法 根据隧道长度l 和设计年度隧道年平均日交通量口，在图中确定隧道的相应等级。 1 1 第二章始祖山公路隧道监控系统分析与设计 如图2 3 所示。 i 、 。、 、 一 a 。 b c 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 d 、 、 、 、 、 、 、 、 、 1 、 图2 3 公路隧道交通工程分级示意图 2 计算法 p 也x q x 3 6 5 1 0 1 0 其中 尸：隧道内年事故概率估计值( 当p 的计算值 1 时，取值1 ) 三：隧道长度，单位( m ) ； 留：隧道单孔设计年度年平均日交通量，单位( p c 叭) 。 根据p 的计算值，隧道交通工程等级划分见表2 1 。 表2 1 高速公路隧道交通工程等级划分 p等级 尸 0 5 5a 级 0 5 5 p o 1 8b 级 o 1 8 尸 o 0 5c 级 p o 0 5d 级 1 2 长安大学硕士学位论文 2 3 2 公路隧道交通工程设施配置 由于高速公路隧道的分级不同，其交通工程设施的配置也有很大区别。高速公路隧 道交通工程设施具体配置见表2 2 。 表2 2 高速公路隧道交通工程设施配置表 隧道交通工程分级 设施名称 abcd 标志 标志标线 标线 车辆检测器 摄像机 可变限速标志 交通监控设施 可变信息标志 交通信号灯 车道指示器 检测器 一 通风与照明 c o 检测器 控制设施 风速风向检测器 亮度检测器 紧急电话 紧急呼叫设施 有线广播 火灾探测器 手动报警按钮 火灾报警、消防 灭火器 与避难设施 消火栓 固定式水成膜泡沫 灭火装置 计算机设备 中央控制管理设施显示设备 控制台 一 说明：“”：必选设施“”：应选设施“”：可选设施“”：不作要求 第二章始祖山公路隧道监控系统分析与设计 2 3 3 始祖山公路隧道交通工程等级的确定 始祖山公路隧道通车当年年平均日交通量为1 2 2 4 4 p c u d ，预计2 0 1 0 年平均日交通 量为1 4 7 7 3 p u c d ，2 0 2 0 年平均日交通量为2 9 7 6 9 p u c d ，现以通车当年预计年平均日交通 量、左右线长度为依据分别计算年事故概率估算值p ，结果见表2 3 所示 表2 3 始祖山公路隧道年事故概率估计值 隧道长度( m )年平均日交通量删) p 值 左线1 6 5 5 1 2 2 4 40 7 4 右线1 6 1 6 1 2 2 4 40 7 2 根据表2 3 计算结果得出结论，始祖山公路隧道交通工程等级为a 级。 依据公路隧道交通工程设施配置分级标准，配置始祖山公路隧道主要监控设备如表 2 4 所示： 表2 4 监控设备配置 设施名称单位数量 车辆检测器套 8 摄像机 厶 2 6 口 可变限速标志套 2 交通监控设施 可变信息标志 套2 交通信号灯套 2 车道指示器套 8 c o 朋检测器套 4 通风与照明 控制设施 风速风向检测器套 2 亮度检测器套 2 紧急电话套 2 1 紧急呼叫设施 有线广播个 7 5 火灾探测器( 光纤) 米 柏0 0 手动报警按钮 个6 5 火灾报警、消防 灭火器 个1 9 5 与避难设施 消火栓个 6 5 固定式水成膜泡沫 套 6 5 灭火装置 计算机设备 厶 8 r n 中央控制管理设施显示设备 厶 3 5 口 控制台套 1 1 4 长安大学硕士学位论文 2 4 始祖山公路隧道监控系统总体设计 2 4 1 监控系统设计原则、目标及思路 1 系统设计原则 根据始祖山隧道在路网中的重要位置及其自身的特点，以运营安全、运营效率为前 提，采用“安全、适用、经济、先进、可靠 的设计原则。 2 系统设计总体目标 在保证运营安全的前提下，采用先进、成熟的技术，构成经济、实用的分布式计算 机控制系统，满足始祖山隧道功能需求及可靠性要求。 3 系统设计思路 ( 1 ) 系统功能设计思路 依据始祖山隧道的长度、交通量确定配置监控设施，依据监控设施配置的数量、位 置、功能情况构成具备一定功能的子系统。依据各子系统关系的紧密程度及采用技术的 相关性，进行系统集成及连接。 ( 2 ) 系统设备配置设计思路 根据始祖山隧道的特点设置外场设备，依据外场设备的设置情况选择适宜的区域控 制器，根据区域控制器设置的数量、位置、传输信息的类型选择将中心控制器与区域控 制器连接起来的网络结构、网络标准。 ( 3 ) 系统可靠性设计思路 为提高系统整体可靠性，采用以下冗余措施：不同系统采集信息的冗余；控制重要 设备的部分区域控制器采用冗余硬件；主干网采用具备冗余性能的自愈环网：监控中心 采用安装冗余监控软件的冗余服务器结构；操作工作站采用双工作站。 2 4 2 监控系统结构 始祖山公路隧道监控系统结构如图2 5 所示。 2 4 3 子系统设计 1 、信息检测子系统 通过布设在隧道内的各种检测装置来检测、采集隧道内交通的交通流参数、环境参 数和设备的运行状态等信息。 检测的信息经过分析处理后，由监控中心发出控制指令，控制隧道及道路信息发布 1 5 第二章始祖山公路隧道监控系统分析与设计 图2 5 始祖山公路隧道监控系统结构 1 6 长安大学硕士学位论文 设施，对交通流实施控制与诱导。采集的信息包括隧道内车速、车流量、占有率、一氧 化碳浓度、烟雾浓度、风速风向、洞内外的亮度、设备工作状态、异常事件( 拥挤阻 塞、交通事故等) 以及火灾报警信息等。 2 、环境控制子系统 由于隧道内通风不畅，汽车运行时引起的扬尘、汽车排放的尾气等沉积于隧道内， 既对人的健康不利，又影响驾驶员的视线，所以设置环境控制( 通风控制，照明控制) 予 系统是十分必要的。环境控制子系统由环境检测设施、本地区域控制器、风机控制柜、 照明控制柜等组成，其构成如图2 6 所示。 c o 浓度 烟雾浓度 风速风向 区 域 控 制 器 通信网络 通风控制柜ii 照明控制柜 通风控制柜ii 照明控制柜 控 制 中 心 系 统 图2 6 环境控制子系统结构示意图 通风控制柜和照明控制柜均由本地区域控制器控制，控制中心根据c o n i 检测器和 亮度检测器以及风速风向检测器采集的现场数据，通过分析、处理，提供控制方案，手 动或自动下发指令进行风机的正转、反转和停机以及照明回路的控制，为公路隧道安全 运营提供所需的风量和照明，达到环保和行车要求。 3 、视频监视子系统 视频监视子系统包括外场摄像机、控制中心显示设备、控制设备、录像设备以及光 端机等视频传输设备等，其构成如图2 7 所示。 视频监控子系统主要对隧道洞口和洞内交通进行监视。在隧道洞口设一台带云台的 具有光圈自动调节和变焦镜头的彩色摄像机，洞内监视采用定焦摄像机，并配有自动光 圈以适应光线的变化。摄像机的设置间距约为1 5 0 m ，以保证前后两台摄像机能同时看 见同一目标，达到连续监视隧道各种设备及交通运行状况的目的；在隧道监控中心配置 监视器、视频分配器、视频切换矩阵、录像机( 硬盘录像机) 等设施，对隧道内全程实 行实时监控。视频系统能够直观地得到隧道现场的画面，能够协助管理人员对交通事故 类型及其严重程度、隧道内火灾报警信号进行确认，为及时处理交通事故和火灾救援提 供帮助。同时，基于视频技术的交通事件检测系统可以通过视频画面对交通事件进行自 1 7 弗= 章始祖m 公路隧道监控系统分析与设计 动的检测和判断 1 目十神 目龇# # 葛 图2 7 视频监控子系统构成示意图 4 、交通控制与诱导子系统 交通控制与诱导子系统包括交通信号灯、车道控制器、可变限速标志、可变情报板 等设备。在实时分析交通信息参数的基础上，通过先进的交通流异常判别算法，判断隧 道内瞬间的交通流状态( 正常、拥挤、阻塞) ，依据判断结果，利用交通控制与诱导设 施，实现交通流控制与诱导。如果隧道内一旦发生火灾或重大交通事故，通过该系统可 尽快地控制和疏散事故发生点的交通状况，防止事故的进一步扩大。 5 、火灾检测与报警子系统 公路隧道一旦洞内发生火灾，烟雾便会迅速充满整个隧道，对附近的主体工程和人 身危害极大，园此及时发现火灾，尽快制止灾害扩大，防止造成严重后果是火灾检测报 警系统控制的目标。也是监控系统中最重要的设施之一。 火灾报警系统主要由控制中心火灾报警控制设备、火灾自动检测器、手动报警按钮 等构成。火灾自动检测嚣及手动报警按钮设在隧道内，并根据隧道的具体情况，将隧道 划分为若干个报警区段，每个区段与电视摄像机的监视范围相匹配。以便在接收到火灾 信息后，可联动火灾发生区段的摄像机进一步确认灾情并自动录像。火灾检测器将检测 信息传至设在隧道控制中心的火灾报警控制设备，经确认后进行声光报警，启动火灾工 长安大学硕士学位论文 况时的紧急预案和救援预案。 6 、隧道广播和紧急电话子系统 广播主要在隧道内阻塞、交通事故、火灾等情况下使用，平时也可利用此系统灵活 地传递公路养护施工状况或交通信息。广播系统由控制台( 控制主机等) 、功放控制器、 扬声器、广播电缆等组成。 紧急电话是为行驶在隧道口及隧道内的司机提供紧急呼救而用的。当隧道内发生事 故时，驾驶员可向中心监控室紧急电话控制台进行呼叫，报告事故情况，监控人员经过 确认后，组织调度救护车、排障车和处理事故的有关人员前往现场进行救援，迅速排除 故障，疏通道路。 紧急电话系统主要由紧急电话主机及其外围设备( 打印机、电话机等) 、传输线路 和紧急电话分机组成。紧急电话分机可将紧急电话呼叫信号传至紧急电话监控计算机， 并在显示器上显示呼叫分机位置，再通过视频进行确认和录像。紧急电话分机一般在每 条隧道出、入口约1 5 m 处各设一台，洞内以2 0 0 m 间距布设。 7 、通信网络与控制平台 通信与控制平台是实现高速公路运安全营管理的基础平台，包括区域控制器、数据 通信网络、控制中心计算机系统等，其结构如图2 8 所示。 ( 1 ) 区域控制器 区域控制器完成隧道内小区段的信息采集及控制功能，在控制中心计算机和外场设 备之间起上传下达的作用，加强本地手动控制功能，以利于维护和检修。 隧道区域控制器一般在隧道出入口各设一台，隧道内每隔约8 0 0 m 设一台。每条隧 道的区域控制器通过其内部总线串接起来，划分为主从关系，由主区域控制器负责各从 区域控制器的协调工作。各隧道由区域控制器通过通信系统与上端计算机相连。 ( 2 ) 数据通信网络 采用工业以太网作为公路隧道通信网络，控制中心局域网通过中心配置的工业以太 网交换机与现场的工业以太网相连，现场网络结构采用高可靠性的自愈环拓扑结构形 式。 ( 3 ) 控制中心计算机系统 控制中心计算机系统是整个运营管理系统的中枢，包括通风及照明控制计算机、交 通控制及监视计算机、火灾报警及消防控制计算机、管理计算机以及服务器等，它汇集 了所有现场检测信号和控制信号，以多层网络的形式由中心计算机实现各系统的控制与 1 9 弟= 章姑祖m 2 路隧道控系统分析与设计 管理，协调各子系统的联动与互锁控制，并采用人机对话的方式实现人工干预控制和系 统自动控制的有机结合。计算机控制系统一般采用分散控制、集中管理的控制方式，即 将控制系统分为二级控制，一级为隧道区域控制系统，二级为以隧道所( 站) 为监控中 心的中心计算控制系统。 j 堕茴堕鲍鱼勋 徽巴 i 雁三兰l”“8 8 ：j i ir i = = 二二二二二= = 二二二二二二二j 舀醛蚩蚕氢r _ l 厂_ = 到蔓三享2 = 2 r _ 凰垦凰凰凰凰 囤2 8 通信与控制平台结构示意圈 长安大学硕士学位论文 2 5 本章小结 本章介绍了郑石高速公路的工程概况，详细介绍了始祖山公路隧道的工程概况及其 管理体制，对始祖山公路隧道监控系统的功能进行了需求分析，确定了隧道监控系统的 功能结构及系统基本功能，按照公路隧道交通工程分类及公路隧道交通工程设施配置分 级确定了始祖山公路隧道交通工程等级，最后对始祖山公路隧道监控系统进行了总体设 计。 2 1 第三章始祖山公路隧道交通控制方式研究 第三章始祖山公路隧道交通控制方式研究 3 1 公路隧道交通控制方式框架结构 高速公路隧道交通控制与诱导通过交通和环境信息采集设施，将相关数据以规定的 格式和标准传到控制中心，中心对数据信息进行分类、抽取、挖掘和融合等处理，在数 据存储的同时，根据交通控制诱导不同的信息需求情况制定发布机制，将相应的诱导信 息通过诱导设施发布出去，或者提供多种静态和动态交通信息查询接口，满足用户的交 通信息需求【1 2 】【1 3 j 1 1 4 1 ，其结构如图3 1 所示。 医院 拖车 巡逻车 其它 交通控制与诱导设施信息发布 人工确认控制策略 人工确认自动检测事件 系统提出控制策略 历史数据库卜- 数据分析与处理k h 控制与诱导仿真平台 交通信息、环境信息、火灾信 息 信息采集 v d l 、v d f d l iic o 图3 1 高速公路隧道交通控制与诱导框架结构 3 2 公路隧道交通控制设施 人工输入