（计算机应用技术专业论文）城市公路隧道智能监控方法和系统研究.pdf

摘要 目前我国城市的市政建设发展迅速，城市交通拥挤现象日趋严重，为解决交 通不便等问题，城市公路隧道也日益增多。当前隧道监控的设备及监控方案虽然 已基本成熟，但针对城市公路隧道监控尚无专业标准和规范，只能参考公路隧道 和城市建筑的相关规范，而且系统的性价比不高，控制并未实现全自动，系统的 集成性和可扩展性有待改进。 城市公路隧道不仅是一个城市的交通咽喉，同时也是城市的景观。因此，监 控系统的组成不仅要遵守相关规范的要求，还需考虑城市隧道的特点。隧道一旦 开通后，如不是万不得己就不太可能再封闭维修，因为会对整个城市交通网造成 很大影响。因此要充分考虑系统的可靠性、稳定性、可维护性、操作的方便性。 从技术上考虑应选用数字化与智能化在线检测仪器仪表，控制系统应采用柔 性区域现场控制，系统功能要有智能的联动机制，如火灾报警系统与消防系统的 联动、通风控制系统不仅要考虑隧道的环境参数，还要考虑交通流量及通道占有 率等。 ， 本文首先分析了相关规范和城市公路隧道的特点，提出了城市公路隧道智能 监控系统的框架；提出了适用于城市公路隧道监控系统中的多传感器融合方法和 基于d s 证据理论的多传感器数据融合算法；提出了针对城市长隧道的分布式柔 性控制技术，扩展了城市隧道的柔性控制系统，将其分为城市公路隧道分布式柔 性集散控制系统和局部集中式柔性控制系统；依据空气动力学原理研究城市公路 隧道通风控制基本方法，引入模糊控制技术，设计建立了基于模糊控制技术的通 风控制模型，提出了基于b p 模糊神经网络的通风控制算法；依据国家标准和规 定，研究建立了基于模糊推理神经网络的公路隧道排水控制模型，提出了基于 f c m 聚类的模糊神经网络排水控制算法。 城市公路隧道智能监控系统可作为城市智能交通的一部分，智能交通监控系 统作为解决城市交通复杂系统问题的方法，具有很强的可行性和实际应用价值， 将向产业化方向迅猛发展，其设计和研究都具有重要的实用意义。 关键字：城市公路隧道，智能方法，柔性控制，多传感器融合 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fu r b a nc o n s t r u c t i o n , t h ep h e n o m e n o no fu r b a nt r a f f i c j a mt e n d st ob es e r i o u s u r b a nr o a dt u n n e li si n c r e a s i n gt os o l v es u c hp r o b l e m sa s t r a n s p o r tf a c i l i t i e sa n du r b a nt r a f f i cc o n g e s t i o na ss o o na sp o s s i b l e t u n n e lc u r r e n t m o n i t o r i n ge q u i p m e n ta n dm o n i t o r i n gp r o g r a mh a v eb e e nb a s i c a l l ym a t u r e ，b u tt h e c o s tp e r f o r m a n c ei sn o t h i g he n o u g ht oa c h i e v ea u t o m a t i cc o n t r 0 1 s o f t w a r e i n t e g r a t i o na n de x t e n da b i l i t yn e e di m p r o v i n g u r b a nh i g h w a yt u n n e li sn o to n l yac i t y st r a f f i ct h r o a t ，b u ta l s ot h ec i t y sl a n d s c a p e t h e r e f o r e ，t h ec o m p o s i t i o no ft h em o n i t o r i n gs y s t e mn o to n l yc o m p l i e s 、枥t 1 1 r e g u l a t o r yr e q u i r e m e n t s ，b u tn e e d st oc o n s i d e rt h ec h a r a c t e r i s t i c so fu r b a nt u n n e l sa s w e l l 1 1 1 et u n n e l ，o n c eo p e n e d ，i fn o tal a s tr e s o r t ，i su n l i k e l yt ob ec l o s e df o rr e p a i r s b e c a u s et h ee i t yt r a n s p o r t a t i o nn e t w o r kw i l lb eg r e a t l ya f f e c t e d h e n c e ，s y s t e m r e l i a b i l i t y , s t a b i l i t y , m a i n t a i n a b i l i t ya n de a s eo fo p e r a t i o ns h o u l db et a k e ni n t of u l l a c c o u n t f r o mt e c h n i c a lp o i n to fv i e w , d i g i t a la n di n t e l l i g e n to n l i n ed e t e c t i o ni n s t r u m e n t a t i o n s h o u l db ee m p l o y e d t h ec o n t r o ls y s t e ms h o u l da d o p tf l e x i b l er e g i o n a lo n - s i t ec o n t r 0 1 t h ef u n c t i o no ft h es y s t e mm u s tb ei n t e l l i g e n tl i n k a g em e c h a n i s m ，s u c ha st h ef i r e a l a r ms y s t e ma n df i r e f i g h t i n gs y s t e ml i n k a g e v e n t i l a t i o nc o n t r o ls y s t e ms h o u l d c o n s i d e rn o to n l yt h et u n n e le n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r s ，b u ta l s ot r a f f i cf l o wa n d c h a r m e ls h a r ea n ds oo n t h i sp a p e rf i r s t l ya n a l y z e st h er e l e v a n ts p e c i f i c a t i o n sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fu r b a n h i g h w a yt u n n e l ，p u t sf o r w a r daf r a m e w o r ko ft h ec i t y sh i g h w a yt u n n e li n t e l l i g e n t m o n i t o r i n gs y s t e m ；s t u d i e st h em u l t i s e n s o rf u s i o nm e t h o d sa n df l e x i b l ec o n t r o l t e c h n o l o g ya n dm u l t i - - s e n s o rd a t af u s i o na l g o r i t h mb a s e do nd se v i d e n c et h e o r yi n t h eu r b a nh i g h w a yt u n n e lm o n i t o r i n gs y s t e m f o rt h el o n gt u n n e lo ft h ec i t y , i t p r o p o s e sd i s t r i b u t e df l e x i b l ec o n t r o lt e c h n o l o g y , w h i c he x p a n d sf l e x i b l ec o n t r o l s y s t e mo ft h ec i t yt u n n e l ，d i v i d e su r b a nh i g h w a yt u n n e li n t od i s t r i b u t e df l e x i b l e d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e ma n dl o c a lc e n t r a l i z e df l e x i b l ec o n t r o ls y s t e m t h e n ，t h e p a p e rf o c u s e so nt h ei n t e l l i g e n tm e t h o di nt h ev e n t i l a t i o ns y s t e ma n dd r a i n a g es y s t e m a p p l i c a t i o n s a c c o r d i n gt ot h e a e r o d y n a m i c s ，i ts t u d i e st h eb a s i cc o n t r o lm e t h o do f i i - v e n t i l a t i o ni nt h eu r b a nh i g h w a yt u n n e la n di n t r o d u c e sf u z z yc o n t r o lt e c h n o l o g y i t a l s od e s i g n sac o n t r o lm o d e lo fv e n t i l a t i o nb a s e do nf = z yc o n t r o lt e c h n o l o g y t h e p a p e rs u p p l i e sav e n t i l a t i o nc o n t r o la l g o r i t h r nb a s e do nb pf u z z yn e u r a ln e t w o r k b a s e do nf u z z yi n f e r e n c en e u r a ln e t w o r k , ac o n t r o lm o d e lf o ru r b a nh i g h w a yt u n n e l d r a i n a g ei se s t a b l i s h e dt h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h et u n n e la c c o r d i n gt oc o r r e s p o n d i n g s t a n d a r d s t h e n , b a s e do nf c mc l u s t e r i n g ，af u z z yn e u r a ln e t w o r kc o n t r o la l g o r i t h m f o rd r a i n a g ei sp r o p o s e d u r b a nh i g h w a yt u n n e li n t e l l i g e n tm o n i t o r i n gs y s t e mc a nb eu s e da sap a r to ft h e u r b a ni n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o n 。i n t e l l i g e n tt r a f f i cm o n i t o r i n gs y s t e ma sam e t h o do f s o l u t i o nt ot h ep r o b l e m so ft h e c o m p l e xu r b a nt r a n s p o r ts y s t e m ，h a sas t r o n g f e a s i b i l i t ya n dag r e a tv a l u eo fp r a c t i c a la p p l i c a t i o n i tw i l lb et h ed i r e c t i o no ft h e r a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a l i z a t i o n i t sd e s i g na n ds t u d ys h o wt h ev i t a lp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：u r b a nh i g h w a yt u n n e l ，i n t e l l i g e n tm e t h o d s ，f l e x i b l ec o n t r o l ，m u l t i s e n o r f u s i o n i i i 武汉理工大学学位论文独创性声明及使用授权书 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：日期丝翌：垒：! 圭 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大 学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信 息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c 签名，：童埠导师c 签名，： 注：此表经研究生及导师签名后，请装订在学位论文摘要前页。 武汉理工人学博士学位论文 1 1 概述 第。1 章- 弟覃论 在当今社会是数字化的社会中，信息高速公路、数字城市、桥梁健康检测、 隧道监控等已经成为城市建设的主题。随着城市建设的发展，为尽快解决城市交 通拥挤和出行不便等问题，城市公路隧道也日益增多。到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 。与普通的路段相比，隧 道具有空间高度有限、空气污染严重、内外亮度差大等缺点，这些都使隧道成为 事故易发路段。武汉市在近几年内规划了几项城市建设重要工程中隧道就有多条 隧道，已建成有武汉长江隧道、武汉阅马场隧道、武汉中山路隧道等；在建隧道 有拦江路隧道、东湖隧道和汉口火车站隧道等。 城市公路隧道是城市道路上的咽喉所在，环境复杂，车流量大，事故发生的 概率相对较高，后果尤其严重。因而隧道内的安全保障是公路隧道建设和运营要 特别关注的问题。公路隧道在运营时，由于通风，尾气排放等条件限制，很容易 导致隧道内空气的质量下降，且公路隧道管理过程中的能耗远高于一般道路的管 理能耗。隧道监控系统是隧道的安全运营必不可少的工程设施。为了提高隧道的 营运能力、增强隧道内行车的安全性及应急状态下的事故处理能力，需建立一个 统一集成的隧道智能监控系统实现隧道的智能化操作和管理。 随着市政建设向地下空间发展，城市公路隧道越来越多，城市的所有隧道由 专门的机构负责管理，因此，监控系统呈现出网络化、智能化、综合化、组态化 等特点。随着计算机技术、图像处理技术、通讯技术、控制技术的发展，使隧道 的监视与控制系统高速信息共享成为可能【2 j 。 1 2 国内外城市公路隧道监控技术研究与应用概况 进入二十一世纪以来，中国的城市公路隧道建设进入了一个前所未有的新 发展时期。除了建国后铁路隧道和公路隧道的不断发展，现在城市市政基础建设 中，道路资源紧张的矛盾日益突出，有效利用地下空间是缓解地面交通紧张的有 效措施。我国”十五”期间，隧道建设长度将达到3 0 0 0 公里，除铁路隧道5 0 0 公 里外，其它主要为公路、地铁等用途的隧道【l j 。随着水底隧道建造技术的发展和 国家经济实力的增强，我国将会建造更多的越江跨海隧道，其中提高机动车辆隧 武汉理工大学博士学位论文 道监控系统集成水平也显得越来越重要。 近二十年来，随着我国交通事业飞速发展，由于公路隧道能缩短行车里程， 得到广泛的应用，并且规模越来越大。各种类型，各种用途的隧道相继建成。伴 随着我国的可持续发展战略的坚定推广，这种既环保又节省资源的交通方式成为 现代化建设中的重要一部分，它的建设任务必然越来越重，技术要求也越来越高。 由于公路隧道处于地面之下，空间相对封闭、视觉不自然、道路机动力差、空气 容易污染，一旦出现事故很容易产生次生灾害。因此，公路隧道监控系统是隧道 安全、高效运营提供保障的重要手段。 从上世纪6 0 年代开始，欧美、日本等西方发达国家先后研究开发了先进的 隧道控制系统，随着现代科学技术的发展，尤其是网络技术和现代工业控制技术 在隧道监控系统中广泛应用，使以全方位、高速信息采集、传输和共享为基础， 以微型机综合处理和现场控制器为核心的多功能集成化系统成为目前公路隧道 监控系统的主流模式 2 1 。系统一般采用分层分布式网络结构以取代传统的模拟集 中控制和集散式控制网络结构，采用以太网方式构成并与隧道外场区域控制主机 组网，隧道外场的区域控制主机则通过分布式现场总线以实现对终端信息采集和 相关设备的控制。在控制中心的协调和管理下系统通过隧道外场区域控制主机有 效汇集各类外场终端设施的信息进而实现对此类设施的控制，最终完成公路隧道 的交通调度和流量监控、应急事故处理、防灾报警、环境质量及隧道辅助设备监 控等功能。随着公路隧道网络规模的不断扩大，对公路隧道的监控正呈现出由原 有的单隧道监控系统向隧道集群监控系统发展的趋势1 3 j 。 二十世纪6 0 年代开始开始自动化控制系统迅猛发展，8 0 年代出现了种类繁 多的集散控制系统( d c s ) 和可编程控制器( p l c ) ，它们在恶劣环境下的抗干扰 性强、稳定性好，使自动化系统性能得到极大的改善而广泛使用，d c s 和p l c 也因此成为控制系统的主流产品。但由于当时还未制定相应的工业标准，采用的 都是制造商专用的集成电路，系统和其它系统之间无法通信，甚至同类系统之间 都无法通信。9 0 年代，随着微型机开始进入工业领域，慢慢出现了以p c 为基础 的工业过程控制系统，由于p c 的编程能力强、开放性好，使之可以以较低的成 本方便地实现不同系统的互连，以及与管理信息系统，计算机集成制造系统进行 方便的连接。但是，p c 毕竟是按办公环境设计的，存在在恶劣的工业环境下可 靠性和稳定性差的弱点，限制了其在工业上尤其是在底层自动化方面的大量应 用；自动化控制技术的另一个重要发展是现场工业总线的出现，它只需两根网络 线把来自不同厂家的数量庞大的传感器、执行器和其它的仪表连接起来，极大地 简化了控制系统的复杂度、简化了系统的走线、方便了系统的施工、降低了工程 的造价、提高了系统的可靠性。但现场总线控制系统无法实现复杂的控制算法， 武汉理工大学博十学位论文 对多个输入输出点的情形缺乏好的解决方法【4 j 。 智能控制系统的结构方面，系统控制应从集散式控制系统逐步发展为柔性区 域现场控制，前端传感器应向数字化、嵌入式和智能化方向发展，从而提高系统 的可靠性、维护操作的方便性与降低工程造价【s 】。智能控制系统的功能方面，系 统软件应能作出预判，提供多种应对预案，相关子系统能实现联动的功能；隧道 空气环境以及火灾发生时的排烟要由通风控制系统来保证，通风系统和照明系统 是隧道运营中的主要能耗所在。因此既要考虑提供良好的环境，又要考虑设备的 运转平衡节约能源。 隧道的供配电系统是保证监控、通信、消防等重要一级负荷以及照明、通风 等负荷的一个系统。隧道的供配电系统的监控作为监控系统的子系统，能实现远 程自动监控，且能与交通监控系统综合应用，这样的需求成为公路隧道监控的发 展趋势。供配电监控系统可对主变压器、重要供配电回路进行遥控、遥信、遥测。 其监控范围包括专用变配电所、高压电源线路、馈出高压线路、备用发电机组、 e p s 、主变压器、重要的低压配电回路及低压配电装置等瞄j 。 目前隧道监控系统的从业人员们经过各自不懈的努力，已经取得了一定的成 绩，我国交通部也于2 0 0 4 年颁布一系列行业标准，如公路隧道设计规范等， 各项规范中也对隧道监控系统作了细致的规定。我们正是在规范的指导下，结合 实际项目的特点，不断攻克技术难点、完善理论基础，力求走在行业前列。 处于起步阶段的城市公路隧道监控系统必然会存在一些问题。比如在c o 的 设计浓度这个问题上，我国和德国的标准就有些不同；另外关于交通流量信息的 提取也存在几种方式。这些问题的存在说明了该领域仍不成熟，有待国内外的学 者们进一步研究实践。 目前，我国比较成功的隧道监控案例包括南京玄武湖隧道，上海越江通道、 南港隧道工程等。监控的设备及监控方案已基本成熟，但性价比不高，控制并未 实现全自动，软件集成性和可扩展性需改善。以上的问题需要根据工程项目的实 际情况和所处的环境，加以解决。本课题在广泛查阅相关文献资料及了解国内外 现状的基础上，结合具体的工程实例，研究一道隧道监控系统方案并对其进行优 化。 1 3 本文研究内容、目标及方法 1 3 1 研究目的和意义 当前的控制主要是直接控制，该方法很明显的缺少对隧道突发的检测状况变 化的可预见性，导致了它的控制的滞后性。 武汉理工大学博士学位论文 隧道监控系统是为了使隧道能安全、环保、高效、经济运行。公路隧道监控 系统一般包括中控室设备、隧道内现场设备、信息传输网络和控制软件。建立一 个以现代科技为手段、具有较高自动化水平的隧道综合智能监控系统，为确保隧 道的安全运营，实现行车、环境、设备以及隧道本身结构等状态的监视与控制； 达到隧道行车畅通、提高隧道通过能力、改善隧道运营环境的目的；及时发现和 排除可能引发交通事故、火灾、水灾或其它灾害等的异常情况，减少隧道运营中 的各类灾害；通过预设的防救灾措施，将隧道灾情控制在最小的范围内，减少灾 害损失。因此，需要根据监控系统整体背景概况，结合隧道运营在各种运营状态 下的需求分析，以及工程实际情况，按综合全面、安全可靠、技术先进、系统设 备性能价格比优良、适应运营环境的总原则进行设计瞵j 。 1 3 2 研究的内容 本文结合公路隧道的自身特点，对隧道监控系统的几个关键技术进行了研 究。主要包括： ( 1 ) 智能方法与监控技术相结合的研究，公路隧道监控系统的智能化，高 效化，节能化。 ( 2 ) 城市公路长隧道智能监控方法的研究、城市公路长隧道监控系统的整 体设计与优化、监控系统的配制选型及工具软件的选择使用和城市公路长隧道监 控系统的框架和标准的研究等。 ( 3 ) 监控系统的智能化监控效果及监控多子系统的协同工作、智能监控方 法的融合与应用和城市公路隧道监控系统的标准化等问题。 1 3 3 研究方法 ( 1 ) 研究适用与城市长隧道监控系统中的多传感器融合方法。 ( 2 ) 研究分布式柔性控制技术，并应用到一、两个实际工程中，总结提炼 城市长隧道智能监控系统框架。 ( 3 ) 研究适于城市长隧道的智能监控方法，分析研究智能监控关键技术， 结合应用领域，提出适于城市长隧道的监控系统标准。 ( 4 ) 将智能方法与监控技术相结合，研究并总结多种智能监控方法。主要 根据领域特点和实际工程情况，拟采用模糊控制方法、神经网络预测、数据挖掘 等策略，将多种智能方法融合，综合优化出好的智能控制技术。 武汉理工大学博士学位论文 1 3 4 本文的组织结构 本文根据武汉阅马场隧道，武汉站中山路隧道，武汉拦江路隧道等多项城 市公路隧道的实践工程经验，研究了一整套城市公路隧道的智能控制方法和系统 实施方案。本文提出了城市公路智能监控系统的总体设计，研究了将多传感器融 合技术，柔性集散控制方法及神经网络与模糊控制技术等智能监控方法应用与监 控系统各子系统的设计中，重点以通风控制系统与排水控制系统为例详细讨论了 具体的实现方案。图1 1 给出了全文的组织结构图。 1 4 本章小结 图1 - 1 全文组织结构图 法 本章首先介绍了我国公路隧道及城市公路隧道的发展状况，指出了城市公路 隧道的特点；而后介绍了当前国内外公路隧道的主要监控技术，并进行分析；最 后列出了本论文所研究的内容、研究路线，指出了其中的关键问题所在和解决关 键问题的研究路线。 武汉理工大学博十学位论文 第2 章城市公路隧道智能监控系统结构研究 城市公路隧道智能监控系统是工业自动化控制技术的一种具体应用，系统的 结构和规模是否合理将直接关系到整个监控系统的综合性能和整体水平。在具体 系统结构选择时不但要考虑系统所处现场环境及监控对象对系统测控的要求，更 应考虑管理运行层面对系统功能集成的要求，应力求系统的可靠性、稳定性、先 进性、可扩展性与经济性的有机结合。 2 1 公路隧道工程分级与设备配置 我国目前与公路隧道相关的主要规范有两个，一个是中华人民共和国交通 部颁布的公路隧道设计规范j t gd 7 0 - 2 0 0 4 ) ) ，另一个是又中华人民共和国建设 部与国家质量监督检验检疫总局联合颁布的建筑设计防火规范 g b 5 0 0 1 6 q 0 0 6 。后者中有专门针对城市交通隧道的防火部分。 目前尚没有完整的城市公路隧道监控系统的相关规范，本文主要参考以上 两个规范并针对城市隧道的特殊性而展开研究。 两个规范都有划分隧道等级的方法，然后根据隧道等级配置相应的监控设 施。下面摘要介绍这两个规范。 2 1 1 公路隧道交通工程分级 交通部的规范中的分级方法是根据公路隧道长度和隧道交通量两个因素将 公路隧道划分为a 、b 、c 、d 四个等级。分计算法和图解法。 计算法为：p = 3 6 5x1 0 9xaxl q 式中： p 隧道内年事故概率估计值( 当p 1 时，取值为1 ) ： l 隧道长度( m ) ： q 隧道单洞年平均日交通量( p c u d ) ： c t 事故率( 事故数百万车公里) ，取值0 1 。 武汉理t 大学博士学位论文 根据p 的计算值，隧道监控等级根据p 值划分为a 、b 、c 、d 四个等级。 a 级； b 级： c 级： d 级： p 0 5 5 ； 0 5 5 p o 1 8 ； 0 1 8 p 0 0 5 ； p 0 0 5 。 图解法见图2 1 。 、 。 迫 a r 、 、l ， l n 。 、 图2 1 隧道交通工程分级示意 建设部的规范中的分级方法是：根据单孔和双孔隧道按其封闭段长度及交通 情况分为一、二、三、四类，规定见表2 1 。 表2 - i 隧道分类 隧道封闭段长度l ( m ) 用途 一类二类三类四类 可通行危险化学品 乙 1 5 0 05 0 0 3 0 0 015 0 0 l 3 0 0 05 0 0 1 5 0 0l 1 5 0 0 武汉理工大学博士学位论文 2 1 2 公路隧道交通设施配置标准 交通部的规范对公路隧道监控设施按级配置规定的较为具体，建设部的规 范是把城市隧道看作建筑物，主要规定的是城市交通隧道的防火部分的要求。 这里只介绍交通部的规范要求。根据计算法或图2 - 1 隧道交通工程分级示意图 所示判定隧道交通工程的分级；然后遵照表2 - 2 对公路隧道交通工程的各个设 施( 系统) 进行详细的配置。 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 设备名称 abcd 车辆检测器必选应选可选 摄像机必选必选可选 可变限速标志必选 应选 可选 交通监控设施 可变信息标忐必选应选可选 交通信号灯必选应选可选 车道指示器必选应选可选 v i 检测器必选应选可选 通风与照明控c o 检测器必选应选可选 制设施 风速风向检测器 必选 应选 可选 亮度检测器必选应选 可选 紧急电话必选必选可选 紧急呼叫设施 有线广播必选应选可选 火灾报警、消火灾探测器必选应选可选 防与避难设施 手动报警按钮 必选 必选 可选 计算机设备必选应选 可选 中央控制管理 显示设备必选应选可选 设施 控制台必选应选可选 依据各设备的功能组成各个子系统，如：环境监控子系统、通风控制子系 统、火灾报警子系统、交通控制子系统、照明控制子系统、中央控制系统等。 如何将各个子系统有机地联系起来、组成一个针对城市公路隧道的智能化监控 系统正是本文研究的重点之一。 武汉理工大学博士学位论文 2 2 隧道监控系统组成原则及功能的总体研究 2 2 1 系统组成原则及原理 遂道监控信息系统的目的是为了改善通道的交通状况，提高运营效率和交通 安全管理水平。监控信息系统的设置按综合全面、安全可靠、技术先进、经济合 理、系统设备性能价格比优良、适应工程场区的自然环境的总原则进行设计。 具体细则遵循以下设计原则： ( 1 ) 综合性：系统是一个集多学科、多项技术的综合系统； ( 2 ) 可靠性：隧道往往是城市的交通要道，短时间的关闭都会对城市的交 通网络造成重大影响，因此要选择国内外有业绩的成熟产品和技术，保证系统能 长期稳定地运行； ( 3 ) 可操作性和易维护性：系统的操作尽量简洁直观，避免因复杂操作带 来的困难和失误。系统具备自检功能，设备的连线尽可能采用可靠的标准接插件； ( 4 ) 可扩充性：系统要具备良好的扩充性，不至于因为系统功能的调整而 破坏整个系统； ( 5 ) 实用性：监控系统是以满足隧道运营管理的实际需求为主，与隧道的 规模、所处的位置以及管理人员的能力有密切关系。因此，设计时应从实际出发； ( 6 ) 开放性：系统以计算机网络为通信平台，可实现多终端开放式数据处 理，实现资源共享； ( 7 ) 高性价比：在满足规范的基础上，选用高性价比的方案，优化设备的 布局，以达到用最小的代价来正确把握结构状况，避免无效工作和资源浪费。 系统采用分布式柔性控制模式，控制相对分散，使每个测试点都用一个区域 控制单元a c u 来组成底层网络，控制各种检测设备和执行器及诱导设备，由中 央计算机系统组成上层网络。该方法不仅控制灵活、柔性高、单点有故障不会影 响全局，而且造价较低、可靠性高，而且施工方便。 中心控制层主要由现场监控工作站( 控制计算机) 、 监控系统软件及相应的 附属设施构成，现场监控工作站与现场控制器通过工业总线及网路进行数据交 换，实时准确地把通过现场设备所检测隧道及交通状态以多种方式显示在操作界 面上。同时，操作人员在控制计算机中的每个动作，监控系统软件也将其转换为 相关的命令参数写入控制层的现场控制器，从而实现对现场设备的手动控制。监 控系统软件还能由事先设好的预案自动操纵现场设备。 区域控制器( a c u ) 效率高且稳定可靠，通过区域控制器将我们现场所有的 系统都能有机的结合起来，并加上算法分析、人工智能技术等，从而实现整个系 统的智能化控制。区域控制器是其实现的核心，现场各个区域的控制器负责收集 武汉理工大学博士学位论文 现场检测设备的信息，将处理后的信息传给监控中心，而监控中心处理后，将控 制命令重新发给各个区域控制器，再由区域控制器直接控制相应设备，以达到一 体化控制。同时，区域控制器能够独立的控制现场设备，即使在控制中心与区域 控制器通讯中断的情况下也能够保证设备的正常工作。 隧道是一个狭长区域，通信网络的好坏决定了整个系统是否能够正常高效 的运行。只有保证整个通讯网络的畅通，才能保证大量数据的传输高速、有效。 同时还要求通讯的设备具有容错能力，能够在出现故障时能够实现自恢复，以提 高通讯的可靠、稳定。 系统通讯网络的设备必须满足工业级要求，系统必须具有良好的可扩展性， 即各种设备更新与增加以及功能改善与变化等等，使其最大限度地对原有系统进 行扩展。同时，由于隧道监控的环境相对比较特殊，还必须考虑隧道内的控制箱 到密封问题、设备的防雷问题、汽车烟尘的附着导致的导电问题等等。 2 2 2 系统功能 按我国交通部的规范公路隧道监控系统应具备以下功能8 1 ( 城市公路隧道 可参考此规范) ： ( 1 ) 实时监测隧道环境状况 隧道环境主要包括：一氧化碳( c o ) 浓度、能见度、风速、风向、内外光 强等。 ( 2 ) 实时监测隧道交通状况 隧道交通状况主要是车速、车道占有率等，实时掌握隧道内的行车情况。 ( 3 ) 现场设备的控制 根据现场隧道环境和交通监测设备采集的数据，由智能监控软件控制现场相 关设备的启停以改善隧道环境和疏导交通以及紧急情况下启动应急方案。 ( 4 ) 信息管理功能 监控系统还应记录隧道运营信息，形成记录及报表，供有关管理者决策使用， 监控系统综合管理各个子系统，使其联合运作，为智能控制积累数据，为隧道设 施的保养维护提供依据。 2 3 城市公路隧道监控系统结构 2 3 1 城市公路隧道的特点 城市公路隧道相比城市外的公路隧道有其特殊性，如： ( 1 ) 城市隧道的车流量大且分布不均。城市隧道通常都是城市交通的咽喉 武汉理工大学博士学位论文 所在，不仅车流量非常大，而且车流的分布不均，高峰期常常堵塞。 ( 2 ) 与城市交通网密切相关。隧道是城市交通网的一部份，隧道中的交通 指挥和占道维护必须与地面交通指挥系统相协调。 ( 3 ) 与多个城市管理部门相关。城市隧道在管理中涉及到多个城市管理部 门，如：城管部门、交管部门、水务管理部门、公安消防部门、环保部门、园林 绿化部门等。 ( 4 ) 城市隧道是城市的景观之一。城市隧道不仅承担城市的交通任务；同 时又是城市的景观之一。因此，在监控设施的配置和布设上要和整体装饰协调。 分析本章第一节公路隧道交通工程设计规范中的分级方法，起主要作用的 因素是车流量和隧道长度，车流量越大、隧道越长，等级越高。实际上是体现以 人为本的原则，既在隧道内的人越多、滞留时间越长，监控等级越高。根据这一 原则并结合城市公路隧道的特点，我们认为城市公路隧道的设施配置应至少以高 速公路b 级标准配置为参考。 由于城市公路隧道有其特殊性，监控系统的设施配置会在规范的基础上有 所增减，在系统结构上也要充分考虑其特殊性。如： 洞口的信号灯是为隧道维修需封闭一个通道而设计的，但隧道管理往往不 是交管部门，隧道又是城市交通网的重要路段，贸然改变信号灯会和城市交通指 挥系统产生冲突并影响城市的交通状况。因此，洞口的信号灯可由交管部门设置 和管理，万一要维修需封闭一个通道时再向交管部门申请备案。 隧道的设计车速一般和与之相连的地面道路的限速一致，通常是固定的， 因此，可变限速板用处不大，可考虑不配。 城市的隧道的排水系统由水务部门负责，隧道的排水在有些城市也是由水 务部门负责，而其他部分由另外的部门负责，因此，在系统结构上要考虑将排水 系统独立出来。 隧道作为城市地下空间的建筑之一，环保部门要对其环境进行监测，按我 国环保标准，不仅要监测一氧化碳浓度，还要监测一氧化氮浓度和温度，当其超 标后要启动风机来改善环境。因此，城市隧道应配置一氧化氮浓度和温度传感器。 隧道敞口段设备的布置应与周边的景观相协调。如：可变情报板、洞外的 摄象机、扬声器、龙门架等。 系统要为相关部门提供数据接口，如：为交管部门提供交通状况数据及图 象信号；为公安消防部门提供专用通信频道信号覆盖；为广电部门提供广播信号 覆盖等。 武汉理工大学博士学位论文 2 3 2 系统结构 根据规范的配置要求并考虑城市隧道的特殊性，系统的上层为中央控制系 统，系统的底层网络由环境监控子系统、交通控制子系统、通风控制子系统、照 明控制子系统、水泵控制子系统、视频监控子系统、紧急电话与广播子系统、电 力监测子系统、有线信息子系统和火灾报警子系统等组成。整个隧道监控系统组 成结构图，如图2 2 所示： 图2 2 隧道监控系统组成结构图 按照设备的类型可分为以下四个部分： 检测设备，如：火灾报警探测器、车辆检测器、c o v i 检测仪、风速风向仪等； ( 1 ) 控制设备，如交通控制柜、照明控制柜、通风控制柜等； ( 2 ) 显示设备，如：计算机工作站、大屏幕监视器、声光报警器、可变情报板 和可变限速板等； ( 3 ) 通讯设备，如：交换机、集线器、串口信号传输设备、光端机等。 2 3 3 系统的组成及功能 1 中央控制管理系统 包括综合集成计算机信息系统、显示设备和控制斜8 】。 武汉理工大学博士学位论文 控制中心显示通道的运行情况和相关子系统的情况。集成软件具有主要功能 如下：实现通道集中监控管理；获得通道空间的动态图像信息，并存储回放；根 据现场的交通流量，发出控制信号；当通道发生紧急情况时，对通道内外进行广 播、指挥调度；能提供紧急救援的专用通信系统；能实时对通道内的能见度、 c o 浓度、风速风向及洞口照度进行监测。 2 信息传输系统 整个系统为信息层、控制层和设备层三层体系结构。其中控制层采用工业总 线以太环网，设备层采用现场总线，保证了现场子系统的实时性。 系统通过独特通道保护的形式实现自愈环功能，最大限度地提高系统传输的 可靠性。系统组成自愈环网时，如果光纤传输线路等发生故障，系统在故障处两 端设备形成自愈保护，自动利用其他通道进行数据传输。当故障解除后系统自动 恢复到原有通道传输，从而提高了系统传输的可靠性。 3 交通监控系统 包括：车辆检测器、交通信号灯、车道指示器。 该系统是整个通道的基础控制层，其组成有：主控p l c 、现场p l c 、现场 i 0 、现场检测控制设备及现场工业总线网络。该系统主要检测控制对象有：交 通信号设备、车辆检测设备等。具体功能如下： ( 1 ) 设备控制( 遥控) 系统完成对交通信号( 包括交通信号灯和车道控制器) 的控制，采用人工集 中控制的方法。 ( 2 ) 信号反馈和参数采集( 遥信、遥测) 系统通过各类传感器、变送器采集各类有关参数( 遥测功能) ，经现场控制 器反馈给系统，以实现系统对受控设备的模拟显示( 遥信功能) ；数据一方面供 管理机完成其管理工作，另一方面，供主控机实现对相关设备的自动控制，或为 值班员对设备控制提供参考数据。系统遥信对象有：信号灯和车道控制器的显示 状态( 红、绿、黄、左转) ；系统遥测对象有：环境参数、行车参数等。行车参 数包括车速、车流量和通道占有率的监测和统计，以次判断通道内是否塞车，以 便管理人员通过交通信号机有效地组织进入通道的车辆，减少通道内车辆的数 量，从而减少通道内车辆尾气的排放，减轻风机负荷，达到系统节能和疏导交通 的目的。 4 环境监控系统 主要包括：一氧化碳胄邑见度检测器( c o n i ) 、风速风向检测器( w s ) 、亮度 检测器( l u ) 。该系统主要检测控制对象有：通风系统设备、环境检测设备( c o ， v i ，l u ) 设备等。具体功能如下： 武汉理工大学博+ 学位论文 ( 1 ) 设备控制( 遥控) 系统完成对风机、照明的控制。系统根据实际需求对风机进行控制，主要形 式有：人工控制和自动控制； ( 2 ) 信号反馈和参数采集( 遥信、遥测) 功能同上。系统遥信对象有：通道照明状态；风机工作状态( 包括正转、反 转、停机和故障) ；系统遥测对象有：环境参数。环境参数主要是为风机和车道 控制控制提供实时参数。它包括：通道内能见度浓度( v i ) 、一氧化碳浓度( c o ) 、 通道内风速风向等，通过这些参数和风机运转情况来控制风机起停，调节通道内 空气质量并合理使用风机；通过洞内外照度仪指示实现照明自动控制等。 5 视频监控系统 该系统提供实时的现场视频图象，为隧道的运营管理提供直观的实时资料， 对指导运营生产和指挥救灾均有非常明显的功效，是公路隧道必设设备l l o l 。 系统由室内控制设备( 画面处理器、视频分配器、硬盘录象机、监视器) ， 通道外摄像机、通道内摄像机、光端机和光缆等组成。工程采用全通道无盲区设 计。除了重点区域摄象机和监视器一对一显示外，还设有一台活动监视器，通过 切换控制，该监视器可以切换监视各摄像机的图像信号。系统能接收防灾报警系 统送来的报警信号。并在收到该信号后，自动将活动监视器图像切换为对应报警 区段摄像机的图像信号，以便于值班员及时对异常情况的确认。通过多个适当布 设于现场的视频图像摄像机，获得覆盖整个通道空间9 0 以上的图像信息。本子 系统功能如下： ( 1 ) 监视整条通道、出入口的运营状况。 ( 2 ) 在事件报警情况下，通过控制台将电视墙监视画面切换至相关区段，使中 央控制室能更加清晰地监视事故现场情况，特别是火灾时，能及时了解现场的灾 害规模及车辆、乘客疏散情况。 ( 3 ) 系统能对视频信号进行数字化存储和回放，普通视