（通信与信息系统专业论文）集成化长大公路隧道监控系统研究.pdf

中文摘要 摘要：公路隧道的管理水平、运营环境的优劣、服务等级的高低很大程度上取决 于隧道监控系统的安全和可靠性程度，以及监控系统对突发事件( 如隧道火灾、 c 0 含量过高导致乘客窒息、能见度过低易发生的汽车追尾事件、交通阻塞等等) 的反应时间、正确判决率及对事件的处理效率。 本文结合国内长大公路隧道的运营特点及监控需求，对公路隧道监控系统的 功能进行了深入具体地分析研究。基于公路隧道监控系统相关设计规范和系统功 能配置，论文将隧道监控系统划分为通风管理及控制子系统、照明管理及控制子 系统、交通检测及诱导子系统、闭路电视监视管理及控制子系统等七个子系统， 对这些子系统进行了研究。 通过对隧道监控的系统集成化、功能集成化、信息集成化进行研究，并运用 综合检测手段、各种先进的控制算法及处理设施，提高公路隧道内环境、交通参 数检测的准确率，协调各管理及控制模块的协同动作，保证隧道运营安全；利用 现场实时数据与历史经验知识相结合，借助专家系统实现控制预案的自动生成， 以提高隧道监控系统的智能化水平。 关键词：隧道监控；管理信息系统；网络 分类号：t p 3 1 9 ：t p 2 7 4 韭鏖銮通盔堂亟堂焦盈塞旦s ! 曼! a b s t r a c t a b s t r a c t t h em a n a g e m e n tl e v e l o p e r a t i o n a l e n v i r o n m e n ta n ds e r v i c e s t a n d a r da r el a r g e l yd e p e n d e do nt h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo f t u n n e lm o n i t o r i n gs y s t e m ， r e a c t i o nt i m eo f t h es y s t e mt oe m e r g e n c i e s ( t u n n e lf i r e ，p a s s e n g e rs u f f o c a t i o nc a u s e db y h i 班c ol e v e l ，v e h i c l er e a rc o l l i s i o nc a u s e db yp o o rv i s i b i l i t y , t r a f f i cj a m ，e t c ) ， j u d g m e n tc o r r e c t l 3 c s sa n dp r o c e s se f f i c i e n c y n l cf u n c t i o n so fh i g h w a yt u n n e lm o n i t o r i n gs y s t e ma r ed e e p l ys t u d i e di nd e t a i l c o n s i d e r i n gi t so p e r a t i o n a lc l u u a c t e r i s t i c sa n dm o n i t o r i n gr e q u i r e m e n t s b a s e do n r e l a t e dh i g h w a yt u n n e lm o n i t o r i n gs y s t e md e s i g ns p e c i f i c a t i o n sa n ds y s t e mf u n c t i o n a l c o n f i g u r a t i o n s ，t u n n e lm o n i t o r i n gs y s t e mc a nb ed i v i d e di n t os e v e ns u b s y s t e m s t h e s e s u b s y s t e m si n c l u d ev e n t i l a t i o nm a n a g e m e n ta n dc o n t r o ls u b s y s t e m ，i l l n m i n a t i o n s u p e r v i s i o n a n dc o n t r o ls u b s y s t e m ，t r a f f i cd e t e c t i o na n dg u i d a n c e s u b s y s t e m ， c l o s e d - c i r c n i tt vm o n i t o r i n gs u b s y s t e m ，e t c a l la b o v ea r ei n v e s t i g a t e di nt h i sa r t i c l e t h r o u g hs t u d i e so ns y s t e mi n t e g r a t i o n , f u n c t i o ni n t e g r a t i o na n di n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o n o ft u n n e lm o n i t o r i n gs y s t e m ，w i t ha d v a n c e dc o n t r o la l g o r i t h m sa n de q u i p m e n t s ，t u n n e l e n v i r o n m e n ta n dt r a m cp a r a m e t e r sd e t e c t i o na c c u r a c yi s i m p r o v e d ，d i s t r i b u t e d m a n a g e m e n t & c o n t r o lm o d u l e sa r es y n t h e s i z e da n dr l n l l e lo p e r a t i o n sa r cs e c u r e d 砷e i n t e l l i g e n c eo ft u n n e lm o n i t o r i n gs y s t e mi se n h a n c e db ye x p e r ts y s t e ms u p p o r t e d c o n t r o lp l a na u t o m a t i cg e n e r a t i o nw h i c hi se n a b l e db yc o m b i n i n gr e a l - t i m ed a t aa n d h i s t o r i c a le x p e r i m e n t a lk n o w l e d g e k e y w o r d s ：t u n n e lm o n i t o r i n g ；m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ；n e t w o r k c l a s s n o ：t p 3 1 9 ；t p 2 7 4 致谢 本论文的工作是在我的导师刘云教授的悉心指导下完成的，刘云教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来刘云 老师对我的关心和指导。 张振江老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向张振江老师表示衷心的谢意。 孟嗣仪副教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示 衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，张立、雷成键、袁尧等同学对我研究工作给 予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人及我的朋友们，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成 我的学业。 序 随着我国经济的快速发展，公路及公路隧道的建设项目与日俱增。鉴于近年 来世界各地频繁发生灾难性隧道运营事故，隧道安全运营问题显得越来越突出。 除隧道本身的土建施工质量外，隧道的监视与控制管理成为公路隧道安全正常运 营的重要课题。从上世纪6 0 年代开始，国外就相继开始研究先进的隧道控制系统， 欧洲、美国、日本等西方发达国家先后开发了相应的隧道控制管理系统。显然， 为了使隧道能安全、高效、经济、节能、环保的运营，隧道监控系统是必不可少 的。隧道监控系统也是保证隧道交通畅通与环保必须的工程设施，是公路交通的 关键技术之一。 一般的，依据相关的技术规范、标准及实际的功能要求，隧道监控系统至少 包括通风管理及控制予系统、照明管理及控制子系统、交通检测及诱导予系统、 闭路电视监视管理及控制子系统、防灾救灾子系统、紧急电话子系统、电力监控 子系统等部分。这些子系统之间具有相对的独立性，同时存在着许多跨子系统之 间的连锁关系。考虑实现这些复杂的联动功能，以确保隧道运营安全为根本目标， 运用现代控制理论，以计算机技术、通信技术、图像处理技术、控制技术为手段， 研究隧道运营管理的综合监控技术和集成系统开发，使得隧道监控系统满足标准 化、集成化、智能化的要求是十分必要的。 论文首先介绍了研究的意义、国内外研究的现状、研究的目标和主要内容及 研究成果等；接下来完成了系统功能设计，论述了隧道监控系统网络层次、设备 构成及系统功能模块的划分并作了简要分析；在第三章介绍了系统涉及到的主要 平台，对相关部分进行了简单的介绍；在第四章对论文涉及到的关键技术进行了 阐述，包括数据采集及处理、通风管理及控制、照明管理及控制、火灾检测及报 警、闭路电视监视管理及控制、交通异常事件分析及检测算法和专家系统。论文 最后进行了总结，并对隧道监控系统的发展提出了进一步展望。 本论文介绍的隧道监控系统结构设计合理、功能完备，无论是在理论研究或 是在具体应用上都有一定的实用价值。 1 引言 1 1 研究的意义 我国幅员辽阔，人口众多，但资源相对稀缺，相对落后的交通运输发展，制 约了经济发展。改革开放后，国民经济持续高速发展，公路运输需求强劲增长， 为了适应国民经济持续快速增长的需要，并促进经济社会发展，我国将交通运输 列为国民经济发展的战略重点之一。其中，公路交通以其覆盖面大、适应性强、 机动灵活等特点和优势，在交通运输和国民经济中受到重视，并得到快速发展， 高速公路、长大桥梁和公路隧道等公路基础设施的发展更是取得了举世瞩目的成 绩。 我国山地、丘陵区面积约占国土总面积的6 9 0 , 6 ，由于过去公路建设资金的短缺， 在山区或丘陵区修筑的公路多以盘山公路为主。这种公路不仅等级低，绕行里程 长，占用可耕地多，而且存在着能耗高，安全隐患多，生态环境破坏大等不利因 素，因而交通事故频发，造成巨大经济损失和大量人员伤亡。随着经济的迅速发 展和公路交通建设规模的日益扩大，新的勘察设计理念逐渐成熟，施工技术不断 进步，公路隧道建设得到迅速发展。5 0 年代，我国仅有3 0 多座总长约2 5 k m 的 公路隧道。在六七十年代，我国干线公路上曾修建了单洞长百米以上的公路隧道。 1 9 6 4 年修建的北京至山西原平公路( 四级公路) ，修建了两座2 0 0 米以上的隧道， 已是非常大的工程。进入八十年代，我国公路隧道发展的速度加快，具有代表性 的工程有深圳梧桐山隧道、珠海板樟山隧道、福建鼓山隧道及甘肃七道梁隧道等。 据交通部综合规划司( 2 0 0 5 年公路水路交通行业发展统计公报，截至2 0 0 5 年底， 全国公路隧道达2 8 8 9 处、1 5 2 7 0 万延米。其中特长隧道4 3 处、1 6 5 9 万延米； 长隧道3 8 1 处、6 2 5 1 万延米；中隧道4 8 5 处、3 4 1 8 万延米；短隧道1 9 8 0 处、 3 9 4 3 万延米。 目前，国内公路隧道建设技术水平己相对较高，但与之配套的通风、防救灾、 监控等系统发展较为滞后。国务院发布的国家中长期科学和技术发展规划纲要 中，把交通运输业中的“交通运输基础设施建设与养护技术及装备”、“智能交 通管理系统”、“交通运输安全与应急保障”等列为优先主题，并提出要重点研 究开发“交通事故预防预警、应急处理技术，开发运输工具主动与被动安全技术， 交通运输事故再现技术，交通应急反应系统和快速搜救等技术”，交通安全成为 交通运输业优先发展的主题之一。我国的隧道建设起步较晚，隧道运营安全管理 技术较为落后，而隧道的安全与否直接决定着整个高速公路的安全与否，因此， 利用现代化的控制理论和先进的监控设备，建立一套完整的隧道监控系统，调节 交通流、控制隧道通风和照明，防患事故于未然，对于提高隧道行车的安全性、 快速性和舒适性尤为重要。 完善、成熟的隧道监控系统在高速公路长大隧道监控领域中具有广泛的应用 前景。目前，国内乃至国际的隧道监控系统控制方案均处于研究之中，尚无成熟、 完整的案例。因此，加快隧道监控系统的研究，尽快拿出一套通用性强、能适用 于多种隧道的监控系统的控制方案和控制软件，对于隧道监控，包括：照明、通 风、交通控制及隧道事故报警、防灾救灾工作，都具有建设性意义。 1 2 国内外研究的现状 国处盟隧道鳖控丕筮笪婴宜重壶 隧道监控系统随着长大隧道的出现而出现，对于它的研究也随着隧道的发展 而不断深入。对于通风系统的研究，美国侧重于通风方式的研究。从1 9 1 9 年的厚 兰隧道开始。在一些大学和研究所的协助下，对当时美国汽车的c o 发生量进行了 比较彻底的研究，同时还就人体对c o 浓度的允许值进行了研究，并以此作为隧道 通风控制的依据。 隧道照明是在一般道路的照明基础上发展起来的。围绕如何经济有效的解决 司机的视觉暗适应和明适应问题，各国都进行了不同的实验和研究，并就隧道的 照明提出了各自的观点和设计参数。日本认为短隧道照明应比长隧道加强；c m ( 国 际照明委员会) 认为凡长度超过5 0 米的直线隧道，弯道上超过2 5 米的隧道都需 要照明。隧道照明分为白天和夜间两种情况来确定不同的亮度值，这是各国共同 遵守的原则。隧道照明困难主要在白天，因此国外在洞外露天的一段距离采用减 光的措施。逐步将视野环境亮度降低，并在洞口加强明缓和亮度的下降比例。为 此，国外采取的做法是将隧道内外分为几个区段，根据行车速度提供不同的亮度 值。 在欧洲，从1 9 9 9 年起开始进行了欧洲隧道安全性能评价，到目前为止没有中 断，其主要内容有： 隧道土建特征：隧道的孔数、隧道线形、隧道内交通车道的宽度、紧急停车 带以及紧急停车点的布置方式； 隧道诱导设施：照明情况、标志标牌、路面及路面标志情况； 交通特征：单向或是双向交通、交通拥挤情况； 监视与检测设施：视频监视、运输车辆高度监测、交通拥挤与危险品检查设 2 置情况； 运营管理：速度限制及特殊车辆管理等； 信息发布设施：隧道发生异常时信息的发布与解释情况； 通信设施：广播系统( 有线无线) 、紧急电话； 通风管理及控制系统：火灾管理专用方案、气流控制。 发达国家公路隧道的迅速发展，极大地推动了公路隧道监控系统的研究工作， 从而使其不断的发展和完善。 国内型隧遒堕撞丕筮丝亟塞王挂 我国的公路隧道建设起步较晚，对隧道监控系统的研究也落后于欧洲和日本。 改革开放以前，我国的公路等级普遍较低，仅在个别公路设置了长度较短的隧道， 基本采取自然通风，不设人工照明或仅挂几盏为行人照明的电灯；改革开放以后， 随着我国经济的迅速发展，公路建设日新月异，公路等级普遍提高，长大公路隧 道的大量涌现，隧道监控系统的研究已逐步深入。 国内对通风方式的研究经历了由横向通风到半横向通风、射流风机纵向通风， 再到中梁山隧道采用的射流风机加竖井吸出纵向通风技术，不仅为国内特长隧道 的运营通风创出了一条新路径，其某些技术环节在国际上也属首例。 目前正值我国隧道建设的高峰期，隧道愈建愈多，而且越建越长，其中，正 在建设的秦岭终南山公路隧道部分全长1 8 。0 2 k i n ，居“亚洲第一、世界第二”，隧 道的防灾和交通监控问题十分突出。隧道的通风管理及控制系统、照明管理及控 制系统、防灾系统和交通监控诱导系统等都是隧道综合监控系统的子系统。各子 系统既有相对的独立性，又有一定的联系。 1 3 研究的目标和主要内容 研究的目标： 利用现代化的控制理论和先进的监控设备，建立一套完整的隧道监控系统， 调节交通流、控制隧道通风和照明，防患事故于未然，提高隧道行车的安全性、 快速性和舒适性。 加快隧道监控系统的研究，拿出一套通用性强、能适用于多种隧道的监控系 统的控制方案和控制软件，对于隧道监控，包括：照明、通风、交通控制及隧道 事故报警、防灾救灾工作，都具有建设性意义。 主要研究内容： 隧道通风管理及控制 通风控制主要研究隧道内c o 浓度与值对隧道内环境的影响及开启风机和 3 关闭风机的阈值。建立综合考虑环境、交通、节能、控制、设备使用寿命等多方 面因素的通风控制模式。 隧道交通管理及控制 主要研究隧道交通异常自动检测技术、交通流的诱导与控制方法以及正常交 通时如何有效地组织交通流，防止阻塞。在进行上述异常时各交通流模式特性研 究的基础上，进一步研究交通异常的分类方法，研究交通量、车速、占有率对交 通异常的敏感性，选择对交通异常最敏感的指标作为交通异常自动检测参数，建 立交通异常自动检测算法，判别是否有阻塞以及发生阻塞的原因，判断是否发生 异常交通，发生异常交通后，其所在的位置与异常的严重程度，从而逐步走向智 能化交通控制。 照明管理及控制 隧道照明控制重点研究照明的自动控制，同时通过人工干预也可进行本地手 动控制。 隧道火灾检测及报警 分析国内当前所采用的各类检测系统，将各类检测接口及协议集成到模块中， 以支持不同的火灾检测系统，通过连续采集的隧道内环境信息，判断火灾、烟雾 等异常，并及时报警。 广播管理及控制 支持有线广播接入，也可在模块中插入无线收发单元以支持无线广播。 视频控制 视频控制模块主要研究隧道发生火灾时，能够准确的判断火灾的位置，实时 显示火灾的情况。 功能集成化 将不同子系统涉及的功能予以集成，根据需要定制在可扩展的本地模块组中， 实现所需的监控功能。当需要增加新的控制功能时可以通过插入相应模块来实现。 反过来可以针对不同的控制方案实现多个子系统的联动控制。 信息集成化 着眼于对现场实时数据的检测和分析，立足于建立知识库，利用专家系统实 现控制预案的自动生成，不但利用当前信息，还综合考虑对历史事件及其处理经 验的学习和有效利用，真正实现信息的集成化。 4 1 4 主要研究成果 1 、实现长大公路隧道监控系统的成套化、标准化、集成化。该系统具有以下 特点： 集成化，实现公路隧道监控的系统集成化、功能集成化、信息集成化，克服 国内公路隧道监控设施的系统性差、可靠性低、维护及升级困难的缺陷； 模块化，开发本地信息综合接入单元以实现现场各类外设的灵活接入，采取 模块化结构，实现隧道监控功能的自由组合及灵活扩展，通用性强； 兼顾系统集成度及经济性要求，推进隧道监控设施的升级换代。 2 、实现长大公路隧道监控的智能化。利用现场实时数据及历史经验知识相结 合，借助专家系统实现控制预案的自动生成，提高了隧道监控系统的智能化水平， 推进智能交通在隧道领域的运用； 韭塞塞适盔堂亟堂僮途塞丕统功能途让 2 系统功能设计 一般而言，一个完善的隧道监控系统由通风管理及控制子系统、照明管理及 控制子系统、交通检测及诱导子系统、闭路电视监视管理及控制子系统等组成， 其构成图如下： 讨 图2 - 1 隧道监控系统构成图 其中，紧急电话、防灾救灾系统及电力监控系统相对独立，本文不作深入探 2 1 系统结构 隧道监控系统配置规模的大小依据隧道年事故概率而决定。概率越大，隧道 监控系统的等级越高，系统配置的规模越大。隧道监控系统一般应包括中央管理 及控制子系统、交通管理及控制子系统、照明管理及控制子系统、闭路电视管理 及控制子系统、火灾报警及交通诱导子系统、通风管理及控制子系统等。其设备 构成如下图2 - 2 所示 6 j e 立銮遣盔堂亟堂焦盈塞 丕筮次髭遮迁 图2 2 硬件设备构成圈 从图2 2 可以看出，隧道监控系统由三级网络结构组成，第一层为信息管理 层，主要为中央管理子系统各服务器、计算机，其网络结构采用工业以太网；第 二层为控制层，主要包括隧道中的各子系统的区域控制器之间及区域控制器之间 与主控制器之间的连接，采用现场总线。第三层为设备层，包括各系统现场控制 器与区域控制器间的连接，采用现场总线控制方式。 由于监控各子系统具有系统检测、执行设备分散，控制功能要求系统连续性， 和其它系统的衔接功能多的特点，采用多个区域控制器( 将纳入监控系统的某个 隧道分为多个子段，每段设置一个控制器) 进行分区域控制，通过现场总线和中 央控制系统相连，达到总体的控制、协调和连锁目的。同时，因为现场总线将所 有的控制点的接线就地化，可以大大减少系统的线材需要量，显著减轻调试、维 修、维护人员的工作量。 同时，应该注意到，高速公路的监控模式多采用集中监控模式。在采用集中 监控模式时，隧道监控系统的一般总体结构为：整个隧道群( 可能包括所在路段) 由一个集中管理所集中控制，在管理所内设置中央集中控制系统；而对于具体的 隧道，对有一定规模者设置现场监控室，在现场监控室设置小规模的现场监控系 统；规模较小的则只设置基本的控制设施而不设专门的现场监控室。中央集中控 制系统同时接受上级管理机构监控系统的管理和控制。 7 韭塞銮疆太堂亟堂僮论塞丞统功能退让 综上所述，隧道监控系统网络层次总体上可以分为三个层次，即高级控制层 ( 上级管理机构监控系统) 、中央集中控制层和现场控制层。对应于上述三个控制 系统层次，隧道监控系统网络可以相应划分为三个层次，即高级控制层网络，中 央集中控制层网络和现场控制层网络。一般情况下，上述各层之间需要通过网关 完成层间的信息互通。 高级控制层网络 高级控制层网络主要为上级管理机构监控系统，在这里不作详细讨论。 中央集中监控系统 通常采用计算机局域网络结构。由于交换式以太网在近几年己逐渐成为局域 网的事实标准，中央集中控制层网络的构成一般都采用交换式以太网。当高级控 制层网络采用非以太网协议时，或者高级控制层与中央集中控制系统地理距离遥 远时，中央集中控制层和高级控制层之问的通信必须通过网关完成。 现场控制层网络 现场控制层网络负责实现隧道现场控制系统内部的信息沟通。现场控制层网 络通常采用的拓扑结构主要有星型拓扑、总线型拓扑、环型拓扑等网络拓扑结构。 在实际应用中通常是各种拓扑结构相结合而构成的混合型拓扑结构。应当注意的 是，隧道监控系统网络结构在物理上通常不采用网状拓扑 根据上面的分析，我们可以得出隧道监控系统网络的层次结构模型，在这个 模型中，当相邻层次的网络采用相同的网络协议时，可考虑取消网关。如图2 3 所示。 图2 - 3 隧道监控系统网络层次结构模型 8 2 2 功能模块划分 通风管理及控制 通风控制应综合考虑隧道长度、路线线形、纵坡、隧道断面、交通量、车辆组 成、通行方式、工程地质、地形条件、气象条件等，同时从安全、适用、经济、合 理等方面进行优化和综合评价，兼顾运营通风与防灾的排烟需要。在确定通风方案 时，应提出防灾的多种预案。 ( 1 ) 通风设施 通风及除尘设旌包括风机和静电除尘器。通风方式有纵向、横向、半横向等多 种方式。中、长隧道采用射流风机的纵向通风方式就能够满足隧道运营安全对通风 的要求。对特长公路隧道采用中间加设通风竖( 斜) 井的纵向通风方式或加装静电 除尘装置亦能满足隧道的通风要求。而很少采用横向通风方式或半横向通风方式。 静电除尘器的主要功能是除去污染空气中的烟雾，它的应用可减少为排散大量 柴油车在隧道中产生的烟雾所需要的通风量。该装置不太适用于路面上尘土较多、 野外公路隧道中汽车携带的尘土及交通扬尘很大的地方，因在这样的隧道环境中静 电除尘器的效果将大受影响且会大大增加该设备的清理维护工作。 ( 2 ) 通风控制 通风控制是以c o 的允许浓度、烟雾透光率允许范围为依据，通风控制设施应 根据隧道类别、通风方式确定规模，控制方式可分为人工控制和全自动控制方式。 人工控制方式是通过观察检测到的交通量、c 0 浓度等参数，人工手动开启和关闭风 机，主要用于公路等级较低，隧道长度较短，风机数量较少的公路隧道中。对于高 速公路中的长大公路隧道由于隧道长、交通量大、风机数量多，其通风控制方式一 般均采用全自动的控制方式。通过设置在隧道中的c o 和能见度检测仪实时检测隧 道中的c o 浓度和能见度值，按照事先确定的通风控制模型和控制流程科学合理地 控制风机的启停，不仅可以保证隧道内的空气环境质量，同时还可节省大量能源和 运营成本。 ( 3 ) 通风控制应遵循下列原则： 电机的启闭次数不应过频，防止风机出现喘振现象； 应在隧道营运过程中不断完善控制方案。 ( 4 ) 通风区域控制单元应符合下列技术要求： 通风区域控制单元应选用模块化结构，具有良好的扩展性； 通风区域控制单元应具有模拟量和数字量输入输出接口； 通风区域控制单元应具有现场设备控制程序； 通风区域控制单元应具有故障自诊断功能； 9 韭塞窑塑盔堂硒堂焦硷塞丕缠功篮递进 通风区域控制单元的防护等级不低于1 p 6 5 。 照明管理及控制 为了避免车辆高速驶入驶出隧道时产生的“黑洞”和“白洞”效应，保障车 辆在隧道中的行车安全，根据公路隧道设计规范，在长度超过l o o m 的公路隧道中， 应设置照明设施。为达到隧道内安全行车所要求的亮度，需要配置相当数量的照 明灯具，而在隧道运营过程中照明设备使用时间长，耗电量大，在隧道的运营成 本中占有很大的比例，所以在公路隧道照明中一个关键的问题是照明灯具的选择、 配置及其控制问题。 ( 1 ) 照明光源 照明光源的选择、配置及照明系统的合理控制无论对确保行车安全，提高隧 道内的行车舒适性，还是降低运营成本，减少维护工作量，均有着重要的作用。 高压钠灯和低压钠灯光效高，高压钠灯的光效约为9 0 l o o l m w 。低压灯可达 1 4 0 1 m w 以上，且透雾能力强。但低压钠灯辐射单色黄光，而高压钠灯工作时则发 出金白色光。两者的一个共同特点，就是显色性差。显色指数只有2 5 4 0 。这两 种光源用于隧道照明，只能达到满足隧道内行车观察、看清路上障碍物的目的， 对反映隧道内环境的真实性和提高公路隧道内行车的舒适性，这两种光源则不够 理想。因此，为了更好地改善公路隧道内照明系统的照明效果，可考虑采用新型 的照明光源，如单灯混光灯在使用维护上比双光源混灯效果好、光效、显色性、 节能性等均优于混光灯具，且单灯混光灯在使用维护上比双光源混光灯更为简单 方便。另外中显钠金卤灯，其光效及显色性指标均更高，用于隧道照明效果将更 好，能获得很好的照明效果和较低的照明费用，但其价格较贵。 ( 2 ) 照明控制 隧道内的照明控制是根据隧道照明设计中所确定的照明区段、不同时段气候 条件下的照明要求，控制各个照明回路的开关，从而达到既满足隧道的照明亮度 要求，保证行车安全，又节省能源的目的。其控制方式大致可分为手动控制方式、 分时段进行的时序控制方式和根据洞内外的亮度值自动控制照明回路的全自动控 制方式三种。手动控制方式主要用于公路等级低，隧道长度较短、照明级别少的 隧道照明系统，由人工根据不同的时段及天气情况而开关不同的照明回路。分段 时序控制方式则是采用时序控制器控制隧道照明的各个配电回路，根据一天中不 同的时间段而开启( 闭合) 相应的照明回路，此种控制方式主要也是用于照明回 路较少的短隧道和中长隧道。隧道照明的自动控制方式则是利用光照度计分别采 集隧道内外的亮度参数，经对比处理后，由计算机系统或照明控制器自动控制各 个照明回路的开关，使洞内的照明亮度与外界自然光的亮度相适应。 消防管理及控制 1 0 消防控制系统是为了保证在因交通事故或车辆故障而引发火灾时，能有效地 实施消防灭火行动，即时扑灭隧道中的火灾，减少人员伤亡和财产损失，防止对 隧道洞体造成更大的损害而产生严重的后果。 防火措施 根据隧道火灾的起因，通常采取以下几种防火措施： ( 1 ) 在隧道进口设管理站，加强交通安全管理和消防管理； ( 2 ) 限制车速，限制载有易燃易爆物品及其他危险品的车辆进入隧道或由专 业车辆引入； ( 3 ) 各种电气线路采取穿管保护，电缆采用阻燃电缆或耐火电缆： ( 4 ) 长隧道内设置电视监控系统，事故报警按钮，避难通道，应急灯，紧急 电话以及风机等； ( 5 ) 选用耐高温、耐潮湿环境的防火涂料； ( 6 ) 所有的灯具、电话箱、灭火设施箱体均要求用非燃烧材料制作。 区么造蕉 隧道内一旦发生火灾，受空间狭小的限制，容易造成交通混乱，为了疏散车 辆和人员，必须尽可能地把火灾限制在最小范围内，要做到这一点，隧道内必须 配置强而有效的灭火设施。根据隧道的长度，我们把隧道分为三类：第一类为5 0 0 m 以下的隧道，称之为短隧道，由于汽车在隧道内通行的时间不足1 分钟，火灾危 险小，故一般只考虑配置便携式磷酸铵盐干粉灭火器；第二类为5 0 0 1 0 0 0 m ( 含 5 0 0 r e ) 的隧道，称之为中隧道，火灾危险性较大，除配置便携式磷酸铵盐干粉灭火 器外，还配置水一水成膜泡沫两用灭火设施。这种灭火设施的配置只能根据火灾种 类选择水或水成膜泡沫之一进行灭火；第三类为1 0 0 0 m ( 含1 0 0 0 m ) 以上的隧道， 称之为长隧道，火灾危险性大，起火后容易造成重大的火灾损失，除配置便携式 磷酸铵盐干粉灭火器外，还分别配置消火栓灭火设施和水成膜泡沫灭火设施。这 种灭火设施的配置，在用水成膜泡沫灭火设施灭火的同时，还可用消火栓灭火设 施对火灾周围进行冷却。 交通监控管理及控制 交通监控子系统可分为交通检测部分和交通控制部分。 ( 1 ) 交通检测部分 交通检测部分负责收集隧道区域内交通信息，向驾驶员提供隧道的基本情况， 行车要求及异常信息，检测、监控隧道内的交通运行状况，合理诱导交通，保障 隧道内的行车安全和交通畅通。其主要由车辆检测器、超高检测报警器组成。车 辆检测器一般设置于隧道出、入口附近和隧道内，如果交通流量大，需自动检测 判断隧道内车辆的拥挤阻塞情况，则需要在隧道洞口前方，( 对于特长公路隧道 韭塞窑道太堂亟堂僮途塞丕统功篚递让 也可在隧道内增设) 用于显示有关隧道状态的内容、各种紧急异常信号及行车指 令、指挥信息，显示隧道内允许的行车速度。 ( 2 ) 交通控制部分 所谓隧道交通控制系统，是指利用计算机软件和先进的控制理论通过对随道 范围内( 包括引线) 的交通信号灯的配时方案进行优化控制，达到使隧道内的车 辆有序流动，保证隧道内道路畅通的目的。同时交通控制还包括对发生各种交通 异常事件的情况下，交通控制方案的优化生成。从控制手段上讲，交通控制是通 过对交通信号灯相位的直接控制达到对车辆行驶状态的直接控制，使道路的通行 能力得到充分的发挥。交通诱导系统是根据当前隧道内的交通流量和状况经优化 计算，为在隧道内行驶的车辆提供最佳的行驶路线。总的来说，隧道交通控制与 诱导系统就是以计算机控制系统为中心，通过交通控制与诱导设备，实现对交通 流的检测、控制和诱导的功能。 实时交通检测信息通过通信链路传输到本地控制器，本地控制器对接收到的 信息进行预处理后将数据传输到控制中心，控制中心将依据情况判断隧道交通情 况( 正常、拥挤、阻塞) 并将数据存档。如果隧道运营正常，控制中心将延用原 有控制方式而不采取新的控制策略；如果隧道发生拥挤或阻塞，则根据所判断出 的事件类型进行自动控制或人工控制，将控制命令传输到本地控制器，由本地控 制器控制外场交通控制与诱导设备执行具体的控制。应当注意的是，一旦控制中 心出现故障，则本地控制器应实现降级自动工作，控制整个交通控制及诱导系统 的正常运转直至控制中心故障排除。 总之，交通控制及诱导策略的最终目的就是根据实际交通情况选择不同的控 制方法，调整交通和道路参数，提高行车安全和交通效率，降低事故发生率。 闭路电视监视管理及控制 该系统主要由洞内定焦摄像机、洞口全方位摄像机、管理站内的视频控制矩 阵等设备构成。 隧道闭路电视系统对隧道出、入口及隧道内的交通流量、车流密度及道路使 用状况进行监视，可及时地、直观地得到关于交通阻塞等现场情况和原因的画面， 进一步辨认事故、火灾及其严重程度、事故、火灾类型及其原因；并能采集必要 的交通数据资料，必要时还能够对视频图像进行录像、打印，以便分析及取证。 在隧道中闭路电视系统最突出的作用就是用于监视隧道内车辆运营状态，尤 其重要的是对隧道内火灾报警予以确认。该系统能够从监控计算机接受来自隧道 各种反馈通报设备发出的报警信息，进行摄像的选择控制，自动显示报警区段及 相邻区段的图像，并自动录像，自动将时间、摄像机号码( 对应相应的隧道区段) 记录在录像带上。为值班人提供处理事故的直接依据。如果几种通报设备同时报 1 2 韭塞銮道太堂亟堂焦盈塞丕缍功鳇邀盐 警，则以火灾报警区定为优先显示。 洞内按2 0 0 米左右间距设置定焦距摄像机，顺着车辆行驶方向，并尽量结合 人( 车) 行横道洞口和紧急停车带布设，在隧道两端洞口外设置室外彩色遥控摄 像机。在所有的变电所内设置一台彩色遥控摄像机，用于监视隧道变电所内的运 行状况和异常事件的确认。隧道内摄像机信号通过光端机直接上传至隧道管理所。 对于隧道管理c c t v 显示系统视频图像显示方式有2 种方案： “一一对应”的显示方式 该方式是指将隧道现场采集的视频信号在监控室全部显示，优点是能够对隧 道内进行实时全区域的监视，能够及时发现异常情况，但如果视频信号的路数很 多，所需的显示设备数量就较多，而且对房建工艺要求比较苛刻，同时将增加隧 道监控室值班员监视工作强度，应进一步提高智能化程度。 “定时轮显“的方式 该方式对隧道管理站采集的视频信号进行定时轮流显示方式，同时结合画面 分割器对主要视频信号进行实时显示的方式。该种方案不仅能够完成对隧道视频 信号的实时监视功能，而且能够减少相应的显示设备，降低监控室工作人员的监 视强度。 火灾报警 公路隧道的火灾检测报警系统主要用于火灾检测、及时报警，以便快速救援、 减少设备损失，提高公路隧道的运营能力而设置的，主要由隧道内的火灾探测器、 手动报警按钮、火灾报警控制器及连接线缆等组成。长大公路隧道也可设置自动 火灾报警器。 3 系统平台简介 集成化长大公路隧道监控系统是一个综合了多方面技术的系统，其中涉及的 主要技术包括现场总线、数据库管理等。下面对这些技术的基本内容作一个概要 介绍。 3 1p r o f i b u s 现场总线 所谓现场总线，是指将现场设备与工业过程控制单元、现场操作等互连而成 的计算机网络，具有全数字化、双向、多变量、多点多站等特点，是工业控制网 络向现场发展的产物。目前比较成熟、应用较多的有f f 总线( 现场总线基金会， f i e l d b u s f o u n d a t i n ) 、l o n w b r l c s 、c a n 总线( c o n t r o l a r e a n e t w o r k ) 、h e r t 总线 ( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u e r ) 、p r o f i b u s 等。由于p r o f i b u s 现场 总线自身的一些特点和优势，该总线得到了广泛的应用，故主要研究p r o f i b u s 现场总线技术。 3 1 1p r o f i b u s 简介 p r o f i b u s 是过程现场总线( p r o c e s sf i e l db u s ) 的缩写，是一种国际化、开 放式、不依赖于设备生产商现场总线标准。1 9 9 1 年p r o f i b u s 现场总线成为德国 国家标准d i n1 9 2 4 5 、1 9 9 6 年被c e n e l e c ( 欧洲电工标准化委员会) 批准为欧 洲标准、1 9 9 9 年加入i c e6 1 1 5 8 。该总线可实现现场设备层到车间级监控的分散 式数字控制和现场通信网络，从而能够为工厂综合自动化和现场设备智能化提供 可行的解决方案。与其它现场总线系统相比，p r o f i b u s 的最大优点在于具有稳 定的国际标准e n 5 01 7 0 作保证，可同时实现集中控制、分散控制和混合控制三种 方式，并且经过实际应用验证具有普遍性。 p r o f m u s 根据应用特点由三个兼容部分组成： p r o f i b u s - d p ( d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ) ：以d i n1 9 2 4 5 的第一部分为基础， 经过优化的高速( 数据传输速率9 6 k b p s s 1 2 m b p s ) 、廉价通信网络，适用于设 备级控制系统与分散式i o 的通信，可满足交直流调速系统快速响应的时间要求， 并具有非常短的响应时间和极高的抗干扰性能。p r o f i b u s d p 一般构成单主站系 统，主从站之间采用循环数据传送方式工作： p r o f i b u s - p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ) ：采用m c 5 8 2 标准，传输速率为 1 4 3 1 2 5 k b p s ，提供本质安全特性，适用于安全性要求较高以及由总线供电的场合， 由于应用了本质安全传输技术，因此，p r o f i b u s p a 可以方便地运用于许多对安 全性要求较高的场合。 p r o f i b u s - f m s ( f i e l d b l l sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) ：主要解决车间级通信问 题，是一个令牌结构、实时多主网络。完成中等传输速度的周期或非周期数据交 换任务，功能强大的f m s ( 现场总线报文规范) ，向用户提供了广阔的应用范围和 更大的灵活性，同时p r o f i b u s - f m s 还具有更加强大的数据通信功能。 3 1 2p r o f i b u s 现场总线特性 设备之间的通信采用主从方式；结构采用o s i 参考模型中的物理、数据链路 和应用的3 层结构； 符合d i n1 92 4 5 标准的第l 3 部分； p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s - f m s 采用r s 4 8 5 传输，p r o f i b u s p a 采用 e c 6 1 1 5 8 2 传输； 信号线可用设备电源线； 每条总线区段可连接3 2 个设备，不同区段用中继器连接； 传输速率可在9 6 l 【b ，s 1 2 砌b s 间选择； 传输介质可以用金属双绞线或光纤； 提供通用的功能模块管理规范： 在一定范围内可实现互操作； 提供系统通信管理软件( 包括波形识别、速率识别和协议识别等功能) ； 界面友好，数据一致性、高度的容错性； 开放的设计：可以连接第三方厂家的部件； 提供2 4 4 b 报文格式，提供通信接口的故障安全模式( 当i o 故障时输出全为 零) 。 3 1 3p r o f i b u s 现场总线在隧道监控中应用的特点 由于p r o f i b u s 现场总线将所有的控制点的接线就地化，大大减少了系统的 线材需要量，显著减轻了调试、维修、维护人员的工作量，同时，p r o f i b u s 现 场总线在隧道监控中应用还有以下的特点： 可靠性高。通过在隧道中各控制点相对集中的地方分别设置区域控制器进行 分散控制，可保证某一控制点或控制器的故障或失效不会影响系统的安全运行； 整合性强。整个监控系统采用高度集成自动化技术，通过硬件、软件之间的 充分协调以及在整个系统内的完全一体化，使得系统的整体性非常好。各个区域 控制器通过冗余的环形p r o f i b u s 现场总线而成为一个整体，任何控制器都可以 透明、快捷地访问系统中任一输入输出点，信息交换如同人体血液流动一样自然 流畅； 开放性高。通信协议是公开的，各个不同厂家的设备之间可以进行互联并实 现信息交换。可以按实际需要和对象来用不同的设备组成系统； 性能高。在隧道监控系统中，连接各区域控制器的p r o f i b u s 总线以 1 5 m b p s 的速率运行，中央控制器和监控工作站网络以高达1 0 0 m b p s 的速率相连 接，加上可编程控制器强大的计算能力，控制器内的连锁保护可以在大约5 毫秒 内完成，控制器间的连锁和信息交换可以在大约2 0 毫秒内完成，监控工作站的操 作可以在大约1 秒钟内响应。 3 2 现场控制器 隧道现场控制系统主要由现场控制计算机，隧道内现场控制器和网络设备构 成。由于现场控制器安装在隧道内部，工作环境非常恶劣，对可靠性要求很高， 因此目前大多数隧道都采用适应环境恶劣的工业现场的可靠性高、使用方便、系 统扩展灵活的可编程控制器p l c 作为现场控制器。 1 9 8 7 年i c e ( 国际电工委员会) 对p l c 做出如下定义：“可编程序控制器是 一类专为工业环境下应用而设计的数字式电子系统，它采用一种可编程的存储器， 用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等功能的面 向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各类型的机械设备或 生产过程。可编程控制器及其相关外部设备，都应按照易于与工业控制系统联成 一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。” 可编程控制器的特点 ( 1 ) 适应工业现场的恶劣环境，可靠性高。工业生产一般要求控制设备具有 很强的抗干扰能力，能在恶劣的环境中可靠地工作。而p l c 在这方面有它的独到 之处：硬件上采用许多屏蔽措施以防止空间电磁干扰；采用较多的滤波环节，以 清除外部干扰和各模块之间的相互影响；还采用光电隔离、联锁控制、模块式结 构、环境检测和诊断电路等措施，以提高硬件的可靠性；在软件上采用了故障检 测、诊断等措施；在机械结构设计和加工工艺上都做了精心的安排。 可编程控制器的应用得到迅速地发展并受到用户地青睐，其重要原因在于用 户把它所具有高可靠性作为首选指标。 1 6 ( 2 ) 编程简化。可编程控制器编程中有一种特殊地编程方法，即使用梯形图 编程。它类似于继电器控制线路图，只要具有继电器控制