（交通信息工程及控制专业论文）隧道紧急事件联动控制系统设计与实现.pdf

摘要 随着我国高速公路隧道的建设和发展，隧道安全逐渐引起人们的重视，隧道紧急事 件管理系统是智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s i t s ) 中的重要分支。 论文通过对隧道环境和紧急事件分类的分析，明确了隧道监控系统目标和功能，通 过分析当今隧道监控系统在紧急事件处理中解决预案的缺陷，划分了隧道紧急事件联动 控制的功能并引出了本文的主题思路。 本文以凤永高速公路隧道紧急事件管理系统为设计和开发对象，全面详细地分析了 紧急事件联动控制的意义，提出了紧急事件管理优化方案。设计了隧道紧急事件联动控 制架构，以及隧道紧急事件管理的框架，并给出紧急事件处理的详细设计方案，系统选 定以地图处理系统作为主要的系统支撑平台，在地图处理系统上集成了交通监控系统、 火灾检测系统、通风系统、照明系统、电力系统、视频检测系统和紧急电话报警等子系 统，形成紧急事件联动控制处理系统，系统完成对紧急事件特征确定、快速响应和专业 处理的功能需求。在完整的方案设计完成后，本文将预案管理作为关键的模块进行开发 和实现，通过对预案管理存在问题的分析，设计了新的预案管理框架，构建了紧急事件 预案管理结构体系，实现了在预案管理的预案的制定、修改、删除、检索等功能。 关键词：隧道紧急事件，联动控制，预案管理，案例检索 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h eh i g h w a yt u n n e l ，m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nh a v eb e e n l a u n c h i n gi n t ot u n n e ls a f e t y t u n n e le m e r g e n c ym a n a g e m e n ts y s t e mi sa ni m p o r t a n tb r a n c ho f t h ei n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s i t s ) a c c o r d i n gt oa n a l y z et u n n e l ss u r r o u n d i n ga n da s s o r t m e n to fe m e r g e n ti n c i d e n t ，t h e t a r g e ta n df u n c t i o no ft u n n e lm o n i t o r i n gs y s t e ma r ec l a r i f i e d e x t a n tt u n n e lm o n i t o r i n gs y s t e m c o m m e n l yh a sp l a n st od e a lw i t he m e r g e n ti n c i d e n to c c u r si nt u n n e l b ya n a l y s i n gt h e d i s a d v a n t a g e so ft h e s ep l a n s ，l i n k e dc o n t r o l i n gf u n c t i o n so ft u n n e le m e r g e n ti n c i d e n ta re d i v i d e da n dt h em a i ni d e ao ft h ep a p e ri se d u c e d t h ea u t h o rt a k e sf e n g y o n gh i g h w a y st u n n e le m e r g e n c ym a n a g e m e n ts y s t e ma sp r o j e c t p r o t o t y p ea n dd e s i g n sp a r t i c u l a r l y a tt h ef i r s ts t e p ，a u t h o rm a k e sa n a l y s i so nf e n g y o n g h i g h w a y st u n n e le m e r g e n c ym a n a g e m e n ts y s t e ma n dt h e nc o m p r e h e n s i v e l yt a k ee x i s t i n g t e c h n i q u ea n df a c i l i t yi n t oa c c o u n ta n dm a k ec h o o s eb e t w e e nm a n ye x p l o i t a t i o np r o j e c t s f i n a l l ya u t h o rc h o o s e sm a p l n f os y s t e ma st h es y s t e mf u n d a m e n t a lp l a t f o r ma n di n t e g r a t ei t w i t ho t h e rs y s t e ms u c ha st r a n s p o r t a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m ，f i r ed e t e c t i n gs y s t e m ，v e n t i l a t i o n s y s t e m ，l i g h t i n gs y s t e m ，e l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m ，e m e r g e n c yt e l e p h o n es y s t e ma n ds oo n i t i sa ni n t e g r a t e dl i n k a g ec o n t r o ls y s t e ma n dr e a l i z e st h er e q u i r e m e n to fe m e r g e n c yf e a t u r e d e f i n i t i o n ，q u i c k l yr e s p o n s ea n dp r o f e s s i o n a lp r o c e s s i n g t h r o u g hc a r e f u l l ya n a l y z i n gt h e p r o b l e mo fp l a nm a n a g e m e n t ，t h i sp a p e rd e s i g n san e wp l a np l a t f o r mf r a m e w o r ka n d c o n s t r u c t s e m e r g e n c ym a n a g e m e n ts y s t e m i ti m p l e m e n t s t h ef u n c t i o n so fa d d i t i o n ， a m e n d m e n t ，d e l e t i n g ，s e a r c h i n ga n ds oo n k e y w o r d s ：t u n n e le m e r g e n c y , l i n k a g ec o n t r o l ，p l a nm a n a g e m e n t ，c a s es e a r c h i n g 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 田 7 k0 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 芗铭 f f 渺7 引肚日 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： 氆鲁 铷雠。犹了 矽。罗年6 月f 日 到。尸年6 月g 日 长安火学硕士毕业论文 1 1 论文研究的目的和意义 第一章绪论 交通运输业的发展水平是一个国家兴旺发达的重要标志。为了改善长期以来交通运 输业严重制约经济发展的状况，“八五”以来，特别是“九五”、“十五”期间，公路道 路基础设施的落后面貌发生了巨大的变化。截止2 0 0 9 年初，中国去年新修通高速公路 6 4 3 3 公里，高速公路通车总里程达到6 0 3 万公里，继续居世界第二位。按照中国2 0 0 5 年公布的高速公路网发展规划，到2 0 2 0 年，基本建成国家高速公路网，届时，中国高 速公路通车总里程将达1 0 万公里。新路网由7 条首都放射线、9 条南北纵向线和1 8 条 东西横向线组成，简称为“7 9 1 8 网”。【l j 隧道作为高速路上呈隐蔽带状的特殊结构物，其交通行车环境与普通路段相比起了 一系列的变化：隧道内污染较为严重、噪声大，影响隧道使用者身体健康，能见度降 低，易引发事故；隧道内外亮度差异较大，驾驶员易产生黑、白洞效应，另外隧道内 视野狭窄，驾驶员会产生强烈的压迫感，出现交通事故的概率大大增加；隧道发生火 灾时，大量烟雾无法自然排出，既给隧道内的人员带来生命危险，也给消防救险造成一 定的困难；在发生异常情况时，须迅速根据救援预案进行交通诱导，进行疏散，处置 不当，所造成的损失将难以预计f 2 】。所以隧道应配备较为完善的监控系统，实行有效的 管理，当出现紧急事件时，监控系统应提供紧急事件预案管理，保证紧急事件的准确、 及时发现并能够得到快速、高效的处理。在以上情况下，能否高效、及时处理隧道出现 的紧急事件将会极大的影响高速公路的发展。 隧道紧急事件管理是智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s 。i t s ) 中紧急 事件管理系统的一个分支。它运用各种先进的电子技术、信息技术、传感器技术和系统 工程技术，为隧道监控管理中心提供隧道中发生事故的位置、类型、等级，同时为救援 工作的开展提供相应的信息和处理方案，减少交通事故救援时间，预防出现二次事故； 同时降低紧急事件对交通产生的影响，从而避免交通阻塞，保证交通运输顺畅。 1 2 国内外相关研究状况 据美国运输工程师协会估计，高速公路使用紧急事件管理后，在交通拥挤期间可以 减少1 0 1 5 的行程时间。许多事件管理系统在应用后都进行了效益评估，如1 9 9 7 年 第一章绪论 马里兰州由于c h a r t 项目的实施，总的延误时间减少1 5 6 0 万车辆每小时，燃油消耗 大约减少5 8 5 万加仑，潜在的二次事故减少3 3 7 起，c h a r t 系统的效费比超过7 ：1 。 亚特兰大n a v i g a t o r 系统建成后，事件检测和确认的时间由原来的4 2 分钟减少到1 1 分钟，降低了7 4 ；事件确认和自动产生事件响应之问的平均时间降低5 0 ( 从9 5 分 钟降到4 7 分钟) ；事件确认和车道清除之间的平均时间从4 0 5 分钟降到了2 4 9 分钟， 降低3 8 。事件管理在产生巨大的经济效益的同时还能带来诸多无法度量的社会效益 如，缓解事件当事人的紧张心理和减少事件带来的不便，减少延误，减少有害气体的排 放，改善公共关系等【2 9 】。 从世界范围来看，紧急事件管理有些是相对独立的系统，而更多的是注重运用i t s 的理念，把事件管理系统与其它系统进行集成，通过通信链路的连接实现信息共享和互 相配合，以达到整个交通运输系统的高效、安全运行的目的。圣地亚哥、亚特兰大的i t s 等就是把高速公路事件管理系统与城市道路信号控制系统、出行者信息系统、电子收费 系统等进行协调和集成的有益尝试。因此，充分运用i t s 新技术、新策略对事件管理系 统进行扩充和改造是未来的发展方向。 就紧急事件管理系统而言，我国在该领域的研究和实施都处于刚刚起步的阶段，目 前报道的仅有首都机场高速公路建成的事件快速响应系统。这样的现状虽然远远落后于 发达国家，但是我们已经充分认识到及时、高效的高速公路紧急事件管理系统是高速公 路安全、快速、高效运行的保障。 1 3 论文选题及研究方向 西部省际公路通道银川至武汉线凤翔路口( 甘陕界) 至永寿段高速公路起于陕西、甘 肃两省交界的凤翔路口，终点与在建的永寿至咸阳高速公路相接，路线全长约9 8 公里。 全线采用分中心一太峪隧道管理站二级管理模式，全线有大小隧道5 座有照明或通风设 施，凤翔路口( 甘陕界) 至永寿段高速公路监控设施采用集中管理模式。全线在西张堡( 位 于永寿至咸阳段) 设置分中心一处，负责全线的交通监控管理，同时在太峪设置隧道管 理站一处，负责隧道机电设施的管理。李家坡隧道( 1 9 0 4 1 8 5 4 m ) 、永寿梁隧道 ( 2 1 9 6 2 2 2 5 m ) 为长隧道，是陕甘界至永寿段公路的重点控制工程。李家坡、六十里梁和 永寿梁隧道设计时速1 0 0 k m h 其中设置通风系统的隧道分别为李家坡隧道和永寿梁隧 道，设置供配电系统和照明系统的隧道共五座，分别为亭口隧道、高渠隧道、李家坡隧 道、六十里梁隧道和永寿梁隧道，其中亭口、高渠、六十里梁隧道各设箱式变电站1 处， 2 长安人学硕士毕业论文 李家坡和永寿梁隧道各设箱式变电站2 处，隧道供电按二级负荷处理，其中李家坡隧道 和永寿梁隧道的部分重要设施供电按一级负荷处理( 包括监控、通风、应急照明及消防 等) 。箱式变电站安装远程遥控、遥测、遥信设备，隧道内的通风、照明控制均由箱变 配电柜内的低压远程监控模块实现。 隧道监控系统主要目的是对车辆进行安全诱导，防范于未然。提高系统功能的关键 是解决控制模式和提高控制软件的智能化水平。能够适应未来发展需要的自动控制网络 应具有开放性、互操作性、通信介质不受限制、操作系统结构全面、拓扑多样化、通信 协议具有可移植性等特点。控制是实现高速公路隧道管理目标的根本手段。从系统结构 考虑，系统控制将从集散控制系统逐步发展成为现场控制，从多级控制发展成为二级控 制，交通诱导与控制子系统应能自动判别交通状态、检测异常事故并做出处理，为驾驶 员提供交通与环境信息，进行路线指标、车辆诱导，提高车速与降低事故严重程度。控 制网络任意一个控制点的失效不会影响整个系统的正常运营及正常智能节点对现场设 施进行控制。监控计算机与区域控制器通信稳定性、安全性较好，通信速率高，即使通 信中断状态下区域控制器网络仍能保证系统的正常运行，不会出现误操作。1 4 j 在隧道监控系统中，紧急事件的管理是其重要的组成部分，而一个完整的紧急事件 管理系统是由很多部分组成的，其中包括对事件的检测、事件的响应、事件的确认、事 件处理等几部分，本文主要针对事件处理这一部分进行探讨。在隧道监控系统中，紧急 事件的预案管理重点是如何快速、合理、高效的解决紧急事件的处理问题，本文通过预 案管理实现对紧急事件预案快速准确制定，及时处理事件、指挥相关部门综合服务。 1 4 研究方法及研究内容 隧道联动控制系统是高速公路监控系统中极为关键一部分。它是监控计算机综合分 析隧道内交通运行状况、环境指标状况或接收到隧道内火灾报警信号后需采取合理、有 效的措施而设计的一系列程序。其方案设计的合理与否直接关系到隧道运营或事故的应 急处理效果。隧道联动控制方案主要涉及隧道图像监控子系统、火灾报警子系统、电力 监控子系统( 含通风、照明控制系统) 、交通控制子系统( 含车检器、可变信息标志、交通 信号灯、车道指示标志、横洞指示标志等) 、隧道有线广播子系统等所有系统既相对独 立又协调统一1 5j 。隧道紧急事件联动控制的有效性，主要体现于隧道在发生紧急事件时， 紧急事件的快速、准确处理上，即如何快速的得到紧急事件的解决方案，这将成为本论 文讨论的主要内容。本论文对紧急事件虚拟与预案管理模块进行设计与实现，并采用基 第一章绪论 于案例的推理方法设计预案检索算法有效的检索预案。 隧道紧急事件联动控制系统包括对虚拟紧急事件构造和紧急事件预案的管理两个 主要模块。紧急事件构造模块主要作用为虚拟紧急事件，为以后的预案管理提供紧急事 件检索的支持：预案管理模块主要针对虚拟事件的预案研究和制定，并能当隧道中发生 的紧急事件的时候，按照事件评估后的特征在事件库中进行相似匹配检索到相似的虚拟 事件，最终查询到之前制定好的解决预案，人工进行确认或修改并执行来诱导交通。实 现对紧急事件解决的及时性和准确性。 1 5 论文结构安排 论文除了第一章绪论和结语与展望以外，主要分为以下四个章节： 第二章为隧道紧急事件联动控制特点及功能。给出隧道的分类，在本文中主要针对 较为复杂的隧道进行讨论，并分析隧道交通环境特点，对紧急事件的分类进行说明并研 究了隧道交通诱导的特点，提出了在当前隧道预案管理系统存在的几个问题，依据隧道 监控系统的监控目标，对隧道联动监控系统的功能划分，为论文做基本的铺垫，为了解 决这几个问题，引出了论文以下章节的主要方向。 第三章为紧急事件联动控制系统设计。在这一部分对隧道监控系统进行了架构设 计，并介绍隧道监控系统的构成，阐述了隧道紧急事件管理的总体框架，明确表述了紧 急事件处理足联动控制系统的核心，并介绍了隧道紧急事件预案平台的结构体系。 第四章对虚拟事件模块的设计，详细对虚拟事件各个模块进行功能描述，阐述了虚 拟事件的设定方法，并对界面进行了设计。介绍了虚拟事件在预案查询中的使用。 第五章阐述了系统的核心部分即紧急事件预案管理模块的设计，首先研究了隧道紧 急事件应急预案的制定方法，通过对预案的属性和特性的分析，详细划分了预案管理的 功能，病完成了预案管理平台设计与实现，并设计了预案管理的界面以及预案的检索方 法。最后对紧急事件联动控制系统的数据库设计，分别对数据采集、虚拟事件、预案管 理以及运行管理进行设计，包含部分数据表的设计。 4 长安大学硕十毕业论文 第二章隧道紧急事件联动控制特点及功能 2 1 隧道分类、设施配置及环境特点 2 i 1 隧道分类 公路隧道按照公路等级的不同可分为高速公路隧道、一级公路隧道和二级及二级以 下公路隧道。 根据隧道长度的不同，可以将隧道分为四类，如表2 1 所示： 表2 1 公路隧道分类【6 i 隧道长度 3 0 0 0 m3 0 0 0 m l0 0 0 m 10 0 0 m 2 5 0 m l 2 5 0 m ) 和长 隧道( 3 0 0 0 m l 1 0 0 0 m ) 为主，外界光线照入较少。虽然隧道内设置有照明装置，但隧道内 外始终存在光线明暗程度的差异，使驾驶员难以在短时间内适应。同时，与一般道路相比， 隧道内噪声大、空气新鲜程度差，进入隧道要有一个环境适应的过程，对驾驶员有较大的 影响，从而埋下事故隐患。另外，山区气候条件特殊，经常降雨、降雪、多雾，会导致隧道入 口积水，冬季路面结冰，能见度下降等问题，使公路隧道行车安全受到严重威胁。冬、春季 隧道交通事故较多。这主要是由于冬季山区路面结冰现象严重，春季雨水较多，路面湿滑， 道路附着系数下降而引起的。这说明公路隧道交通事故主要是由于路面行车条件变羞和 车速过快所引起的。 2 2 紧急事件分类 我国是一个多山的国家，全国总面积中近2 3 为山地、丘陵和比较崎岖的山区，在这些 地区，为保证高等级公路技术要求，经常采用隧道穿山越岭。公路隧道尽管己广泛采用路 面行车道标线和进出口限速、限高、禁止非机动车辆通行等常规交通安全标志牌：在长大 隧道设计中更是考虑监控、通讯、消防、通风、照明等交通安全设施【1 0 1 ：但近年来隧道 交通事故仍屡见不鲜。由于其具有道路情况复杂、封闭的特殊性，一旦发生事故，往往造 成人员伤亡、车辆损毁、交通堵塞等严重后果，因此公路隧道的交通安全问题己引起高度 重视。通过对公路隧道安全机理进行深入研究，提出科学合理的事故预防机制，能够有效 改善公路隧道的安全性能。广义来讲，紧急事件是指随机发生的车辆交通事故、故障车 停驻或缓行及货物散落和道路养护施工等使道路通行能力下降等事件【i l 】。对于隧道紧急 事件，可根据事件发生的原因分为以下七类：第一，隧道维修导致通行能力下降；第二， 周期性大交通量引起隧道交通拥挤甚至阻塞；第三，超标；第四，火灾引起交通中断； 第五，货物散落导致隧道通行能力下降；第六，由于停车故障、事故等导致隧道通行能 力不足，形成车辆排队，降低运输效率；第七，慢行车辆引起交通拥挤。对于以上七类 事件而言，第一、第二、第三类属于可预知的阻塞；第四类可通过隧道内的火灾探测器 等手段检测；第五、第六、第七类事件可通过交通异常事件检测技术检测。 随着隧道投入运营，各类事件对交通的影响和发生概率如表2 3 所示： 7 第二章隧道紧急事件联动控制特点及功能 表2 3 事件对交通的影响和发生概率 发生概率 事件名称危害程度 通车初期通车中期通：乍后期 火灾最严重小小稍大 超高车辆进入隧道严重大小小 交通阻塞较严重小稍大大 交通拥挤 一般小小 严重 交通事故不确定稍大 小 稍大 偶发作业较轻不确定不确定不确定 隧道作业轻按计划按计划按计划 人为破坏不确定小小小 2 3 隧道紧急事件控制及诱导 隧道监控了系统主要包括交通监测设施、交通控制及诱导设施等。交通监测设施主 要有车辆检测器、摄像机、视频监视控制设备等，它主要用于检测隧道内的交通信息， 监视隧道内的运营状况。交通控制及诱导设施主要有交通信号灯、车道指示器、可变情 报板、可变限速标志、交通区域控制单元，它主要用于收集和处理交通信息，并传送给 中央控制室计算机，同时接受中央控制室计算机传来的有关信息和指示，按照选定的方 案或者控制指令，实现对隧道内交通流量和交通状态的有效控制【1 2 】。隧道诱导设施布设 见图2 1 。 ( 1 ) 以单洞、单车道为目标，以交通信号灯、车道指示器和可变信息标志等为控 制手段对隧道交通进行控制和诱导【7 】： 1 左、右洞正常开放( 单向双车道) ； 2 右洞各道正常，左洞单道( 行车道开放、超车道关闭) ； 3 右洞各道正常，左洞单道( 行车道关闭、超车道开放) ； 4 左洞各道正常，右洞单道( 行车道开放、超车道关闭) ； 5 左洞各道正常，右洞单道( 行车道关闭、超车道开放) ： 8 长安大学硕士毕业论文 6 右洞关闭，左洞单洞双向行车( 超车道反向，行车道正向) ； 7 左洞关闭，右洞单洞双向行车( 超车道反向，行车道正向) ； 8 左洞单道运行( 开放行车道) ，右洞单道运行( 开放行车道) ； 9 左洞单道运行( 开放超车道) ，右洞单道运行( 开放超车道) ： l o 左洞单道运行( 开放行车道) ，右洞单道运行( 开放超车道) ； 1 1 左洞单道运行( 开放超车道) ，右洞单道运行( 开放行车道) ； 1 2 双洞关闭。 左 咽臼霭臼囤 喟 圈区黑色阿m 一网，i色陬m 区圈 i i 1 # 人行横洞 l # 车行横洞 2 # 人行横洞 3 # 人行横= ；9 i 2 # 车行横洞 i | 瞄区言 皂区藿 鬯区蓦 区陆 ， 图2 1 隧道诱导设施布设 ( 2 ) 以区域为目标、以交通信号灯、车道指示器和可变信息标志等为控制手段对 隧道交通进行控制和诱导：【”】 1 故状态 事故( 文中包括事故、火灾) 诱导方案在满足交通诱导条件时( 交通事故、交通堵塞、 火灾事故、洞内环境指数超标、隧道内突然断电、冰雪路面等) 将进入准备状态。控制 系统的操作画面可提供参考，但在实施时需经人工确认后，方可进入诱导程序。 长大高速公路隧道由于长度较长，可能发生事故点较多，因而具有同时发生两件事 故的可能。根据事故发生点的不同和发生事故数目的不同，其诱导方案也有较大区别： 1 ) l 区域或4 区域发生单点事故，不需要开启车行横洞； 2 ) 2 区域发生单点事故，诱导车辆到另一行车线；开启1 拌车行横洞； 3 ) 3 区域发生单点事故，诱导车辆到另一行车线；开启2 拌车行横洞； 4 ) 5 区域发生单点事故，诱导车辆到另一行车线：开启2 群车行横洞； 9 第二章隧道紧急事件联动控制特点及功能 5 、l6 区域发生单点事故，诱导车辆到另一行车线；开启1 拌车行横洞； 6 ) 1 和4 区域同时发生事故，不需要开启车行横洞； 7 11 和2 区域同时发生事故，诱导车辆到另一行车线；开启l 撑车行横洞； 8 ) l 和3 区域同时发生事故，诱导车辆到另一行车线；开启2 撑车行横洞； 9 ) 2 和3 区域同时发生事故，诱导车辆到另一行车线；开启l 、2 撑车行横洞； 1 0 ) 4 和5 区域同时发生事故，诱导车辆到另一行车线；开启2 f 车行横洞； 1 1 ) 4 和6 区域同时发生事故，诱导车辆到另一行车线；开启1 群车行横洞； 1 2 ) 5 和6 区域同时发生事故，诱导车辆到另一行车线；开启2 、1 拌车行横洞； 1 3 ) 3 和6 区域同时发生事故，诱导两洞车分别到另一行车线；开启1 、2 f 车行横洞； 1 4 ) 3 和5 通过同一车行横洞分先后优先权诱导两洞车辆分别到另一行车线，开启 2 车行横洞； 1 5 ) 2 和6 通过同一车行横洞分先后优先权诱导两洞车辆分别到另一行车线，开启 l 撑车行横洞； 1 6 ) 当2 和5 ；l 和5 ；2 和4 ；1 和6 ；3 和4 同时发生重大交通事故时，将无法诱 导，可暂停车辆入洞，通过路段和匝道入口处交通控制，来防止交通堵塞，等 待救援人员路政人员救援和清扫完毕后，方可让车辆通行。 2 正常工况下 控制洞口信号灯显绿色；隧道内各车道指示器显示绿色；隧道内、外可变限速标志 和可变情报板“限速1 0 0 ”，将车速限制道设计的车速之内。 3 拥挤阻塞工况下 当隧道内发生拥挤时，交通诱导与控制系统应根据采集的交通流信息并结合c c t v 系统，判断隧道内交通状况的发展趋势，拥挤程度是否会加剧，并根据结果控制可变信 息板和可变限速标志。将拥挤程度分为三级【1 4 】，并给出控制方案：减速调节；暂时关闭 单道或单洞；关闭单洞。诱导车辆左拐经过车行横洞和另一行车线超车道驶离隧道。下 面具体讨论这三种控制方案的实施过程： 1 ) 减速调节。若因隧道内发生微型事故导致隧道内某段车流受阻，导致暂时的偶 发性拥挤，此时隧道内可以继续通行，可变信息标志显示“前方路段事故，请减速慢行”， 可变限速标志将车速限制在规定速度内。若隧道内交通量过大，行驶车辆数超过隧道的 通行能力，导致隧道内出现拥挤，但通过限制通行车辆速度，隧道内仍能通行。这种情 况一般称为常发性拥挤，产生的时间比较具有规律性，特别是在高速公路交通高峰期较 l o 长安人学硕士毕业论文 易出现。通过监控设施采集现场的交通流数据，并预测交通流量的发展方向，计算出合 理的行车速度。中心控制室发送命令改变可变限速标志显示内容，降低行驶车辆的行驶 速度。可变信息板提示驾驶员隧道内交通量较大，请减速行驶。 2 ) 暂时关闭单道或单洞。若隧道内因一些小型事故造成的严重拥挤，车辆仍可以 继续通行，但隧道内的c o 等有害气体浓度超标，严重影响通行人员的健康，这时需暂 时关闭某一条车道或单洞，待经过一段时间通风后，有害气体浓度降低到正常指标再完 全开放隧道。可变信息板根据关闭的车道显示“隧道暂时关闭，请等待 等信息，交通 信号灯禁止车辆经关闭的车道驶入隧道，可变信息板限制进入车辆速度。车道关闭时间 根据拥挤程度决定，而且洞外可变信息板给出动态信息显示最新的估计等待时间，提高 服务水平。 3 ) 关闭单洞。若车流量过大，即使所有风机开启，洞内有害气体浓度己经超标， 或下游道路出现交通事故，逆向波传递到洞内交通流，导致隧道内非常拥挤，在不控制 状态将导致阻塞并有可能引发事故，在这种条件下应关闭整个行车洞，对隧道内受阻车 辆进行横洞诱导处理。判断等待时间，在隧道关闭过久的情况下洞外可变信息标志显示 分流行车路线，避免洞口等待车辆排队过长、时间过久。洞内可变信息板显示“洞内拥 挤，请按诱导方向行驶信息。交通信号灯红灯显示，禁止车辆驶入控制禁止的行车道， 并在适当时有“ _ 信号诱导车辆分流。 2 、火灾工况下的控制与诱导【5 】 火灾一旦发生，首先实施隧道入口关闭，及时准确地掌握火灾发生地点和时刻并实 时观察现场火情发展及灭火消防情况，通过火灾报警和广播系统及时阻止隧道外车辆驶 入洞内，火灾发生时、交通信号灯、车道指示器、可变信息标志和风机状态相应变化： 关闭单洞，另一洞改为双向行驶、隧道的左右洞内外可变信息标志显示事故内容。发生 事故的单洞口交通信号灯立即显示红灯，禁止进入，开启横洞，而后救援车辆才可进入 隧道。当火灾严重时，应考虑停止另一洞的交通。火灾工况下的诱导流程如图2 2 。 第二章隧道紧急事件联动控制特点及功能 图2 2 火灾情况下的报警流程图 2 4 隧道紧急事件处理的缺陷 鉴于隧道断面较窄，没有紧急停车带，加上空间封闭，不利于烟雾和有毒气体扩散 稀释及照明不利等因素，导致隧道内发生紧急事件时具有联络不畅、救援不易、情况不 明和危害性加大等特征。隧道监控系统设计需要事先根据隧道可能发生的各种情况科学 制定一套周密有效的紧急事件控制预案及措施，以应对事件发生，降低事件影响和人员 伤亡，减小经济损失【1 5 】。 1 2 长安人学硕士毕业论文 目前，隧道监控系统的控制作用没有充分的发挥，还主要停留在设备或单一子系统 的数据采集和控制功能上，不能有效的发挥系统的整体控制功能1 3 】，主要表现在： ( 1 ) 控制策略或预案缺乏系统完整性 系统在针对隧道发生火灾、事故等异常事件时所制定的隧道内车辆和人员安全疏 散、交通控制、事件处理，以及重新开放隧道交通等方面的控制预案和程序缺乏系统完 整性。控制预案执行过程和效果未充分利用所有采集数据进行系统分析来相互加以验 证。同时控制预案缺乏逻辑性，各控制措施或控制阶段之间划分不清，执行条件不明确， 甚至出现互相矛盾、前后不一致或无法执行的情况。隧道控制预案中还普遍存在事件处 理过程的完整性不够突出的问题。 ( 2 ) 控制策略不切实际 隧道发生火灾、事故等异常紧急事件时，往往需要很多部门的共同协调处理，因此 控制预案需要充分调查了解各部门在事件处理中的先后顺序、到场时间、操作流程，以 及各自职责等实际业务情况，才能制定切实有效的控制预案。 因此如何与隧道安全管理人员合作，从而达到既能保证隧道软件的正常运营，同时 也保证隧道在出现紧急事件时的快速、有效处理。这个问题将在第三章中进行解决，在 设计预案管理模块时，提供虚拟紧急事件构造模块，这样可以帮助隧道安全员对紧急事 件进行模拟，不断的提高隧道安全员的经验以及处理事件能力，这也是设计预案管理平 台的特点之一。 为了解决以上总结的问题，本文的主体思路和本文主要的工作，体现在以下几个方 面： ( 1 ) 通过对国内外隧道紧急事件处理的方法的研究，分析了隧道紧急事件的特点， 提出目前隧道紧急事件处理存在的问题。 ( 2 ) 以凤永隧道为研究目标，划分隧道紧急事件联动控制的功能。 ( 3 ) 提出了紧急事件处理的方案，阐明虚拟事件和预案的逻辑关系。 ( 4 ) 对隧道监控系统进行了总体架构设计，详细设计了隧道紧急事件管理平台。 阐述了紧急事件管理中虚拟事件和预案管理平台逻辑关系。 ( 5 ) 详细设计了虚拟事件和预案管理平台。提供了虚拟事件在预案管理中的应用。 ( 6 ) 提供对相关数据库的设计。 2 5 凤永隧群道监控系统的功能划分 第二章隧道紧急事件联动控制特点及功能 2 5 1 系统范围 西张堡分中心设在永寿至咸阳高速公路西张堡互通附近( 西张堡分中心结构见图 2 3 ) 承担本路段的交通监测和交通控制职能，管理全路段内的监控设施，包括c c t v 、 可变情报板、可变限速标志、车辆检测器及太峪隧道管理站发送的联动信息，对全线交 通状况进行全面管理，根据隧道管理站上传的联动信息及各路段交通控制设施联动的需 要，驱动全线交通控制和管理设备对出现的异常情况进行联动反应，最大程度降低损失 和保证交通的畅通。 图2 3 西张堡分中心结构图 太峪隧道管理站需建立技术先进、使用方便、操作简单、交通监控实时、全面、功 能强的隧道监控系统。太峪隧道管理站监控软件通过通信系统和网络系统实现对外场设 备的监控管理，是集设备监控、交通监制、环境监控管理为一体的综合信息处理软件系 统。该系统能够2 4 小时不间断连续运转，要求运行稳定、可靠、安全、实用性强，智 能化程度高。系统具有可靠的数据安全保障，可防止及发现对监控数据的非法修改、删 除及入侵。系统采用规范的软、硬件接口，便于日后随业务管理的发展，对系统进行扩 充升级并能实现与外部的无缝连接。 2 5 2 系统总体流程 太峪隧道管理站计算机系统是隧道监控系统的主要组成部分，数据采集设备负责采 1 4 长安大学硕士毕业论文 集各种隧道内的交通和气象参数等信息，这些信息由太峪隧道管理站计算机系统( 交通 控制计算机、彩色图形控制计算机、视频检测计算机、火灾检测计算机) 各自信息处理 后，操作人员结合计算机系统处理过的视频图像等信息、各种交通状态信息，来查询选 择预案并执行。当系统需要对隧道内交通流进行控制和诱导时，交通监控管理人员通过 太峪隧道管理站计算机系统向外场交通控制和诱导设备发送监控命令，执行交通控制和 诱导指令。在太峪隧道管理站和外场设备之间通过隧道p l c 环网完成信息交换。当管 理站与p l c 的网络出现故障时，需要采取一级现场控制，即当网络设置的自检程序发 出网络异常时，p l c 执行由现场触摸屏系统预先设定的控制预案，完成对隧道的交通系 统的通风系统、照明系统、电力系统等的控制。系统总体流程见图2 4 。 图2 4 系统总体流程图 2 5 3 隧道紧急事件联动控制的功能划分 太峪隧道监控系统主要在正常和异常紧急情况的运营管理，正常运营时管理人员可 对软件的数据维护，当出现紧急情况时，系统会自动查询检测到的外场信息，分析事故 状态及时定位并切换视频来查看现场事故状态和发展态势，快速查询预案来对交通诱导 和调度消防救灾等工作，使得人身财产损失降到最低。系统运行后，详细记录系统的运 理站 1 6 长安大学硕上毕业论文 可变情报板及其它相关的诱导、引导设施的反应动作进行设置。由于事件随着时间的推 移发生变化，因此，系统设置了按时序响应的功能，即对应于同一事件的不同时刻，将 重要的时刻点进行排序，对每一个时刻点都进行预案定义，对每一事件的响应是由顺序 排列的一系列预案构成的动作阵列，而不是单时刻点的响应。 表2 1 事件规模及图标 等级1自然灾害洪涝，地震，山体崩塌、滑坡 泥石流等。( 图标) 重大( 图标) 等级2 火灾一般( 图标) 轻微( 图标) 重大( 图标) 等级3 化学物品泄露般( 图标) 轻微( 图标) 重大( 图标) 等级4 交通事故一般( 图标) 轻微( 图标) ( 2 ) 顸案管理模块 当软件运行时检测器检测到该区域发生紧急事件时，系统通过算法自动依据检测到 的数据进行事件特征评估，得出事件等级规模、位置、基本信息、环境参数等特征信息， 通过以位置、事件信息和环境参数为关键词检索到事件库中匹配的相似虚拟事件，由此 虚拟事件检索到预案库的参考预案，选择最合理的预案并且显示在界面上，管理人员通 过修改或确认执行此动作序列。此模块同时具有数据保存功能，可以把修改过的预案存 入预案库中，方便下次直接使用。当找不到预案时候可以手动自行设置各个时刻的诱导 设施的状态，并把这些时刻序列动作保存作为新的预案，以便下次查询、使用。预案管 理活动图见图2 6 。 1 7 第二章隧道紧急事件联动控制特点及功能 预案管理 根据灾情在数据库中查询预案q 弋“磊蔬 、一。 根据各个检测设备所采集到的信息今 一i 未找到预案l )、j ， 沙 r 找剑预案、1 图2 6 预案管理的活动 ( 3 ) 运行管理模块 当高速公路监控系统投入运行时，系统可以按照设定的流程启动，当现场检测设施 采集到异常数据时触发异常报警，经过人工解除报警后，系统可以自动查询预案，经过 管理人员确认或修改后方可执行所选方案。该模块还有如下功能： 1 参数设置 在监控功能启动前，需要对系统中的一些参数正确地进行设置。需要设置的参数包 括：周期配置、参数阀值、运行模式和网络配置这四部分。周期配置里要设置的包括： 演示预案时的周期、各种检测器的数据采集周期。参数阀值里设置的是各种交通参数所 长安大学硕士毕业论文 能允许的最大值，超过这个最大值时系统认为交通状况是不正常的，进而进行报警。运 行模式里设置系统运行的模式，包括全自动执行、半自动执行和手动执行三种模式。网 络配置里设置本系统的通讯端口号分中心的i p 地址和端口号。 2 启动系、暂停系统 经过参数设置和设备状态检查后，就可以启动监控系统了。启动时需要验证操作员 身份，只有拥有此权限的人才能进行此操作。在需要停止监控系统运行时，可以进行暂 停操作，这也需要验证身份。 3 电话簿管理 为了方便工作人员快速获取各种设备厂商的联系方式，特在系统中增加电话薄管理 功能。 4 与监控分中心通信，传递控制信息 这一功能是使隧道上的监控软件和道路上的监控软件能互相发送消息，相当于一般 的即时通讯软件，不同的是这里只有两个终端，一方发送信息时，另一方就是接收者。 通讯信息保存到数据库里以便以后查询。 5 在正常情况下检查隧道运行状态 启动运行管理后，系统进入监控界面，日常管理中操作人员最常使用的就是此界面。 通过此监控界面，操作人员可以查看道路状态及各种检测器的检测数据，包括交通、通 风、照明、电力、环境、c c t v 、消防系统、紧急电话等。并可以修改各种设施的状态。 界面中监控窗口包含机电监控、交通监控、通风监控、照明监控、电力监控、环境监控、 c c t v 、消防系统和紧急电话等9 种监控窗口。通过机电监控可以监控所有类型的设施， 除此以外，其他监控窗口分别专门监控相应类型的设施。当鼠标移到设施上时，显示出 关于此设施的信息窗口，信息窗口里包含名称、编号、桩号、方向、状态值。当用鼠标 点击设施时，在设备趋势图里开始显示此设施的状态变化趋势情况，横坐标为时间，纵 坐标为状态值。当用鼠标双击设施时，弹出修改设施状态的对话框，输入状态值后按确 定按钮，修改状态的指令将会被发送到现场设施上去。 6 事件报警和报警处理。 事件报警和报警处理是本系统的核心所在。当启动运行管理后，系统按照参数设置 中设置的三种模式之一运行。运行模式有手动运行、半自动运行、全自动运行三种。 1 ) 手动运行 手动运行指系统只实时采集数据供操作员监视，但不自动判断是否有异常情况发 1 9 第二章隧道紧急事件联动控制特点及功能 生，而是由操作员根据采集到的数据判断是否有异常，并进行控制。 2 ) 半自动运行 半自动运行指系统根据实时采集到的数据，以预先设置的各种参数阀值为判断标 准，自动判断是否有异常情况发生。若有则自动报警，然后由人工参与选择出预案，经 过修改确认后执行预案，完成异常情况的处理过程。 3 1 全自动运行 全自动运行指系统根据实时采集到的数据，以预先设置的各种参数阀值为判断标 准，自动判断是否有异常情况发生。若有则自动查询预案、执行预案。整个监控过程都 是在无人参与的过程中完成。 ( 4 ) 数据维护模块 该模块的主要功能使管理员对历史数据进行筛选把一些无用的或者是长期不用的 数据进行删除，优化数据库，使其达到正常运行的目的。本模块具有安全机制，能通过 设置不同的权限使不同身份的人登陆模块，起到安全保密的作用。权限划分分为三级权 限：系统管理员，数据安全管理员，操作人员。 1 系统管理员：可以自行添加和删除对象，如：道路、情报板、气象检测器、线 圈车辆检测器设施等，可以通过对这些对象的修改来改变界面。并且能够设真数据安全 管理员和操作人员的身份，即给人员设置身份，但是身份设置好他不能使用其他的身份 来登陆。 2 数据安全管理员：他的任务是维护系统数据，保护系统数据安全，可以完成进 入数据库并操作数据库( 包括修改和删除) 的操作。 3 操作人员：只能操作界面上已列出的功能，设置预案，察看软件的运行情况， 以及设置软件的运行方式等。 ( 5 ) 数据分析模块 对实时执行动作状态序列表显示和打印，工作人员通过此报表可以对紧急事件处理 的过程进行分析，得出有用的信息。对报表的管理可以分为正常情况和异常情况两种情 况来分析，对于正常情况，只需要从报表中得出管理员需要的数据资源即可，例如在某 个时刻某个或某些检测器的工作状态数据等，以便更好的管理系统，而对于异常情况下 对报表的管理主要体现在在灾情发生时对当时某个或者某些设备的数据进行管理。另外 还可以记录操作人员当时的登陆身份和时间，以便事后进行查询。 2 0 长安人学硕士毕业论文 第三章隧道紧急事件联动控制设计 3 1 隧道监控系统架构设计 3 1 1 系统层次架构 监控系统的软件部分主要包括p l c 软件、数据采集软件和监控软件、数据库四个 部分。各部分作用如下： ( 1 ) p l c 软件 p l c 软件安装在各个p l c 上，负责上传数据给数据采集计算机，并接收监控系统 发送的指令( 指令由数据采集计算机代理发送) ，对现场各种设备进行控制。 ( 2 ) 数据采集软件 数据采集软件安装在数据采集计算机上，负责从p l c 上采集现场设备数据，存入 数据库，供监控软件读取。另外，数据采集软件还要从数据库中读取监控软件要发给 p l c 的指令，然后发给p l c ，并将指令执行的返回结果放入数据库，供监控软件读取。 ( 3 ) 监控软件 监控软