（计算机软件与理论专业论文）城市公路隧道监控系统集成方法研究.pdf

摘要 随着现在城市发展步伐的加快，城市交通发展日新月异，公路隧道成为一 种必不可少的交通手段，越建越多。为了提高隧道的营运能力、应急状态下的 事故处理能力及增强隧道内行车的安全性，有必要实现隧道的自动化、智能化 操作与管理，建立一个集成化的公路隧道监控系统。公路隧道监控系统应体现 统一监控、集中管理、分散控制原则；构成一个网络，对公路隧道的各个子系 统进行集成、协调，使各个子系统能够信息交互、联合运作，以确保隧道的安 全运营，实现行车、环境、设备以及隧道结构等状态的监视与控制，达到提高 隧道通效率、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、水灾或其它灾害等异常情况，通过预设的防灾救灾方案，将隧道灾情控 制在最小的范围内，减少灾害损失。 在分析了公路隧道监控系统功能的基础上，本文介绍了两种监控系统集成 方案：顶层信息集成方案和适度集成方案，并运用这两种集成方案给出了城市 公路隧道监控系统的系统级架构，实现了集成。在此基础上，利用上述的方法 对作者参与设计和实现的武汉首义广场隧道监控系统为实例，给出了城市公路 隧道监控系统的集成方案。 对于硬件设备集成方法，本文论述了采用t c s ( t a i l o r e x tc o n t r o ls y s t e m ) 柔性 控制系统的分层体系结构，并结合c a n 总线和p l c 完成了监控系统硬件设备的 集成，形成了监控系统的体系结构；给出了监控系统上下层间的串行通信连接 配置方案，上位计算机与下位p l c 间的通信过程。 对于操作层集成方法，本文以组态软件的实时数据库技术为重点，对实时 数据库的特点和运行机制进行了分析，结合项目实际阐述了系统数据库的设计 和基于数据库的数据集成方法；介绍了界面集成的一般原则，并根据公路监控 系统的主界面说明了按用户需求进行界面集成的方法；提供了借助专家经验的 子系统联动控制方法和系统的权限集成方法。 作者参与的武汉首义广场隧道监控系统已经正常运行2 年，参与的武汉中 山路隧道监控系统已经通过验收、投入运行：两个监控系统均运行平稳、可靠， 完全满足城市公路隧道运营监控的需要。 关键字：城市公路隧道，系统集成，设备集成，操作层集成 a b s t r a c t w i t ht h ec u r r e n tp a c eo fu r b a nd e v e l o p m e n t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fu r b a n t r a n s p o r t a t i o n ，h i g h w a yt u n n e l s ，w h i c ha r eb e i n gb u i l tm o r ea n dm o r e ，b e c o m ea n i n d i s p e n s a b l em e a n so ft r a n s p o r t a t i o n i no r d e rt oi r e p r o v et h eo p e r a t i n gc a p a c i t ya n d u n d e ras t a t eo fe m e r g e n c ya c c i d e n th a n d l i n gc a p a c i t yo ft h et u n n e l ，t oe n h a n c et h e s a f e t vo fr o a dt u n n e l s ，i ti sn e c e s s a r yt oa c h i e v et u n n e la u t o m a t i o n , i n t e l l i g e n t o p e r a t i o na n dm a n a g e m e n t a n dt oe s t a b l i s ha ni n t e g r a t e dm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l s y s t e mo fh i g h w a yt u n n e l s h i g h w a yt h a n e lm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e ms h o u l d r e f l e c tap r i n c i p l eo fu n i f i e dm o n i t o r i n g ，c e n t r a l i z e dm a n a g e m e n ta n dd i s t r i b u t e d c o n t r 0 1 h i g h w a yt u n n e lm o n i t o t i n ga n dc o n t r o ls y s t e ms h o u l dc o n s t i t u t ean e t w o r k o ft u n n e l so nt h eh i g h w a yt oc a r r yo u tt h ev a r i o u ss u b - s y s t e m si n t e g r a t i o n c o o r d i n a t i o n , s ot h a tt h ev a r i o u ss u b s y s t e m sc a nd oi n f o r m a t i o ne x c h a n g e ，i o i n t o p e r a t i o n s i no r d e ro fw h i c ht oe n s u r et h es a f e t yo ft h et u n n e lo p e r a t i o n s 。t h e r e a l i z a t i o no ft r a f f i c ，e n v i r o n m e n t , e q u i p m e n ta n ds t a t eo ft h et u n n e ls t r u c t u r e s u r v e i l l a n e ea n dc o n t r o lt op a s st oi m p r o v et h ee f 矗c i e n c yo ft h et u n n e l t h et u n n e l o p e r a t o r st oi m p r o v et h ee n v i r o n m e n t t od e t e c ta n dr u l eo u tt h ep o s s i b i l i t yo fi n d u e e d t r a f ! f i ca c c i d e n t s ，f i r e s ，f l o o d so ro t h e rd i s a s t e r s ，s u c ha sa b n o r m a lb yt h ed e f a u l t p r o g r a mf o rd i s a s t e rp r e v e n t i o na n dr e s p o n s e d i s a s t e rc o n t r o lt u n n e l i n t h e f r a m e w o r ko ft h em i n i m u mt or e d u c el o s s e sc a u s e db yd i s a s t e r s a t i e ra n a l y z i n gt h eh i g h w a yt u n n e lm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mo nt h eb a s i so f t h i sp a p e r ，t w ot y p e so fm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m si n t e g r a t i o np r o g r a ma r e i n t r o d u c e d ：t o p 1 e v e li n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o np r o g r a ma n dm o d e r a t ei n t e g r a t e d p r o g r a m t 1 1 i sp a p e ru s eb o t l lo ft h ei n t e g r a t i o np r o g r a mt od e s i g ns y s t e m 1 e v e l a r c h i t e c t u r eo fu r b a nh i g h w a yt u n n e lm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e ma n dt oa c h i e v e i n t e g r a t i o n o nt h i sb a s i s t h i sp a p e ru s et h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h ew u h a n s h o u y is q u a r et u n n e lm o n i t o t i n ga n dc o n t r o ls y s t e m i nw h i c ht h ea u t l l o r si n v o l v e d i n , a sa ne x a m p l e ，a n dg l v ea ni n t e g r a t i o np r o g r a mo ic i t y sh i g h w a yt u n n e i m o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m f r o mt h eh a r d w a r el e v e l t h i sa r t i c l ed i s c u s s e st h eu s eo ft c s ( t a i l o r e dc o n t r o l s y s t e m ) c o n t r o ls y s t e mo ff l e x i b l el a y e r e da r c h i t e c t u r e c o m b i n e dw i t hc a n b u sa n d p l cc o m p l e t e dam o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mo fi n t e g r a t e dh a r d w a r e ，f o r m i n ga m o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e ma r c h i t e c t u r e s e r i a lc o m m u n i c a t i o nc o n n e c t i o n c o n f i g u r a t i o nb e t w e e nu p p e ra n d1 0 w e rl a y e ra n dt h ec o m m u n i c a t i o np r o c e s sb e t w e e n u p p e r - b i tc o m p u t e r sa n du n d e rp l ci nt h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e ma r eg i v e n f o rt h ei n t e g r a t i o nm e t h o do nt h eo p e r a t i o nl a y e r , t h i sp a p e rf o c u s e so nt h e c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r et e c h n o l o g yo fr e a l t i m ed a t a b a s e ，a n a l y s e st h ec h a r a c t e r i s t i c s a n do p e r a t i n gm e c h a n i s m so fr e a l t i m ed a t a b a s e c o m b i n e dw i t hp r a c t i c a lp r o j e c t ， t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ed e s i g no fd a t a b a s ei nt h es y s t e m a n di n t r o d u c e sm e t h o d so f d a t ai n t e g r a t i o nb a s e do nd a t a b a s e t 1 1 i sp 印e ri n t r o d u c e st h eg e n e r a lp r i n c i p l e so f i n t e r f a c ei n t e g r a t i o n ，a n di na c c o r d a n t ew i t ht h ea c h i e v e m e n to ft h em a i ne f f e c t so f i n t e r f a c e i l l u s t r a t e si n t e r f a c ei n t e g r a t i o na p p r o a c h e si na c c o r d a n c ew i t hu s e rn e e d s i nt h i sp a p c o n t r 0 1m e t h o do fs u b s y s t e m s l i n k a g ei nv i r t u eo fe x p e r t s e x p e r i e n c e i si n t r o d u c e d ；m e t h o do fs y s t e ma u t h o r i t yi m e g r a t i o ni si l l u m i n a t e d t h ew u h a ns h o u ) ，ip l a z at u n n e lm o n i t o t i n ga n dc o n t r o ls y s t e m ，i nw h i c ht h e a u t h o rp a r t i c i p a t e d 。h a sb e e nr u n n i n gf o r2y e a r s w u h a nz h o n g s h a nr o a dt u n n e l m o n i t o t i n ga n dc o n t r o ls y s t e m i nw h i c ht h ea u t h o ra l s op a r t i c i p a t e d ，h a sp a s s e d i n s p e c t i o n a n dh a sp u ti n t ou s e t h et w om o n i t o r i n ga n dc o n 仃o ls y s t e m sa r es t a b l e ， r e l i a b l e ，a n df u l l ym e e tt h en e e d so fm o n i t o t i n gu r b a nh i g h w a yt t m n e l k e y w o r d s ：u r b a nh i g h w a yt u n n e l ，s y s t e mi n t e g r a t i o n , h a r d w a r ei n t e g r a t i o n ， o p e r a t i o nl a y e ri n t e g r a t i o n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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 j i j j t l 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。 签名：至遣退日期：五q2 ：幽 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 ( 签名) 缫波 导师 ( 签钟日期h 咀妯 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 课题背景 随着中国城镇化进程的不断加快，大型城市的生活空间日趋紧张，特别是 市内交通问题日益突出，严重阻碍了城市的发展。为了缓解交通压力，提高城 市道路空间利用率，修建各种城市隧道和地下建筑物已成为各个大型城市的发 展趋势。以武汉市为例，近年来就有多处城市隧道开工建设或已建成通车。其 中2 0 0 8 年1 2 月2 8 日进行试通车，总建筑长度3 6 3 0 米的武汉长江隧划l 】就是代 表。 城市公路隧道已经成为大型城市交通网的重要组成部分，按其长度可以划 分为短隧道( l 2 5 0 m ) 、中隧道( 2 5 0 r e l 1 0 0 0 m ) 、长隧道( 1 0 0 0 m l 3 0 0 0 m ) 四类【2 1 。除短隧道外，由于城市公路隧道的相对封闭，行车 环境较为复杂：车流量大、空气质量差、能见度低以及环境噪声大等，当然比 一般路段发生交通事故的几率高。同时，隧道内的事故处理起来比较困难，若 发生火灾，则更为危险。为了保证隧道运营的安全，隧道内安装有大量的安全 设备，如通风、照明、消防等设备。将这些设备集成在一起，建立一个统一管 理的隧道监控系统，通过各种传感器采集隧道运营时是各项数据指标，并进行 分析、判断、决策后，对隧道内的安全设备采取恰当的控制措施，就能有效的 改善隧道内的环境质量，提高隧道运营效率，及时发现和排除交通事故隐患。 按照目前国际上的设计标准，隧道监控系统已是长隧道和特长隧道不可或缺的 组成要件。不断提高隧道监控系统的运行性能和系统功能才能更有效地保证隧 道运营安全。 1 2 课题来源 本课题来源于“武汉市首义广场地下通道监控系统 和“武汉市中山路地 下通道监控系统”。 武昌首义广场隧道起于武汉市首义路，止于黄鹤楼南门的人行天桥，全长 6 2 0 多米，隧道为双向四车道，中间有中隔墙分隔，设计车速为5 0 k m h 。中山 路隧道位于全国铁路交通枢纽武昌火车站前，全长5 4 0 多米，隧道为双向四车 武汉理工大学硕士学位论文 道，中间有中隔墙分隔，设计车速为5 0 k m h 。两个监控系统采用了基本相同的 软、硬架构，本论文结合项目实践，对一些监控系统的集成方法进行了研究。 1 3 课题研究的国内外现状 大型城市中，城市公路隧道日益普及，武汉市内也出现了长度超3 0 0 0 米的 特长隧道：武汉长江隧道。与此同时，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，隧道的监控管理成为城市公路隧道安全正常运行 的重要课题。从2 0 世纪6 0 年代开始，国外就相继开始研究先进的隧道监控系 统，欧洲、美国、日本等西方发达国家先后开发了相应的隧道监控系统，随着 计算机技术、图像处理技术、通讯技术、控制技术的发展，以太网技术和总线 技术突破了原有的技术瓶颈，使隧道监控系统高速信息共享成为可能。近年来， 隧道监控系统呈现出网络化、智能化、综合化、组态化等特点，功能日趋完善。 目前，隧道监控系统多采用统一监控、集中管理的分散控制原则，并构成个 网络，对隧道内各个监控子系统进行集成、协调，使各个子系统能够交换信息， 联合运作【引。 尽管已有多条城市公路中、长隧道在我国许多大型城市开通运营，隧道监 控系统在我国也已发展多年，但是，能较好地实现隧道多子系统集成综合监控 的工程案例仍是很少。当隧道内发生交通事故、火灾等事件时，能够在人员疏 散、消防灭火、清除故障、恢复交通运行等各个阶段，实现交通信号、交通疏 导、通风排烟等综合联运控制的监控系统更是鲜见。并且，公路隧道监控系统 也没有形成一整套行业标准。目前，国际上的发展趋势是通过集成技术和智能 控制技术来进一步增强隧道监控系统的应用功能，主要目标是：系统正常运行 时，能实现交通拥堵、交通事故等事件的预测和处理；不同环境、交通量时， 能控制风机的运行台数、风向、运行时间，实现节能和风机较长寿命的运行； 根据隧道内外的照度值以及交通量的变化，对隧道内的照明进行调节控制，实 现节约用电和降低运营成本；当隧道内发生交通事故、火灾等事件时，能够提 供在疏散、救援、清除故障、恢复交通阶段中的交通信号和交通诱导的控制； 在隧道正常运行、发生交通事故、火灾等事件时，实现多子系统的联动监控【4 1 。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 课题研究的目标 本课题研究的目标是通过系统集成方法，对公路隧道监控系统的多个分系 统进行分析、集成，最终建立一个集成化程度高，多系统联合监控的公路隧道 监控系统。 1 5 论文结构 本文分7 章阐述，具体组织结构如下： 第1 章是绪论部分，概述了课题的背景和研究的意义，介绍了国内外隧道 监控系统的发展现状及其趋势，以及论文的研究目标。 第2 章论述了公路隧道监控系统的系统级架构集成，介绍了所采用的两种 系统集成方案。 第3 章论述了公路隧道监控系统的硬件设备集成，采用t c s 柔性控制系统 的分层体系结构，使用c a n 总线和p l c 完成了硬件级体系架构。 第4 章介绍了监控系统上下层间的通信连接配置方案，上位计算机与下位 p l c 间的通信过程。 第5 章论述了监控系统操作层的一些集成方法。数据集成，以组态软件的 实时数据库技术为重点，对实时数据库的特点和运行机制进行了分析，结合项 目实际，阐述系统数据库的设计，并以数据服务器为基础指出了进一步数据集 成的方向。界面集成，说明了按用户需求进行界面集成设计原则和现实的方法。 此外，还介绍了借助人为经验的子系统联动控制方案和系统权限集成方法。 第6 章是公路隧道监控系统示例，包括综合监控系统软件的一些监控界面 示例和系统监控主界面的实现及系统控制界面的实现。 第7 章是全文工作的总结，并对隧道监控系统进一步的改善和发展方向做 了展望。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章公路隧道监控系统集成方案 2 1 城市公路隧道特点概述 隧道现已是高速公路及城市公路网的重要组成部分，其中城市公路隧道内 有车流量大、光线不充足、空气质量较差等特点，因此相比于一般路段一旦发 生交通事故，由于空间有限，隧道内的事故处理起来会比较困难，会导致中断 交通时间较长，若发生火灾，则更为危险；再由于其明显的低地势特点，容易 形成积水，尤其是在大雨时，因此隧道的排水系统也处于十分重要的地位。 以武汉市首义广场隧道为例，该隧道处于武汉市公路交通网的咽喉地段， 并且该路段交通流量一向较大，尤其是在上下班的高峰时间。因此如果发生交 通意外，很容易造成大量汽车拥堵，给救援、维护工作增加困难。所以，保持 隧道的安全畅通，对整个武汉市主干公路网的正常运行非常重要。因此，公路 隧道监控系统作为隧道运营安全性、隧道交通通行效率和舒适度的保障，其重 要性不言而喻。 2 2 公路隧道监控系统总体功能 针对以上城市隧道的特点以及该隧道本身的实际情况，建立隧道监控系统 的主要目标是使系统对隧道的各种环境参数进行实时监测，一旦发生异常可迅 速地感知异常发生的地域、类型，对隧道内的偶发事故及时发现并处理，解决 因偶发事故而产生的交通堵塞问题。这需要实现对行车、环境、设备以及隧道 本身结构等状态的监视与控制，才能达到隧道行车畅通、提高隧道通等效率、 改善运营环境的目的。其主要的功能是对系统包含的所有现场设备和分系统进 行全天候不间断的监视、控制。系统实时采集隧道内各区域的各种数据信息， 对它们进行实时运算、分析与处理；并具有事故自动检测功能；交通控制预案 自动选择功能；显示功能；统计、查询功能；图像监视功能；系统设备自动检 测功能；协调处理系统内部交通管理业务功能等；将处理数据实时的上传到数 据中心【4 j 。 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 公路隧道监控系统的系统级构成 根据中华人民共和国行业标准公路隧道设计规范j t gd 7 0 2 0 0 4 ，一个城市 公路隧道监控系统( t m c s - t u n n e lm o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e m ) 应该包括以下分立 系统，如图2 1 所示： 图2 1 城市公路隧道监控系统组成 理论上，只要是对城市公路隧道和隧道内行驶的车辆有监控功能的设备和 系统都可以纳入城市公路隧道监控系统中。在满足规范的基础上，实际项目设 计的t m c s 主要包括中央计算机系统、闭路电视监视系统、交通监测系统、环 境监测系统、有线广播系统、紧急电话系统、风机控制系统、照明控制系统、 火灾报警系统、水泵控制系统等。这些正是隧道监控系统集成的基础和目标。 图2 2 是t m c s 的部分分系统及设备的示意图。 武汉理工大学磺士学位论文 口圈 厂 7 “”“ t a r l l 2 目 日口m 图2 - 2 t m g s 部分分系统示意图 各个分系统的功能： f 1 ) 中央计算机系统 中央计算机系统设置在中央控制室内，主要用来收集和处理其它分系统传 送过来的数据，可以实现隧道监控信息的集中显示，并对隧道运营的综合决策 方案提供参考依据。 f 2 ) 闭路电视监视系统 闭路电视监视系统主要的功能是对整条隧道的车辆和路面状况进行监视， 给中央控制室的操作人员提供隧道的实时画面。当隧道内发生交通事故时，操 作人员可以将摄像机的镜头拉近事故发生的地段，对事故有清楚的了解，并可 以向相关部门报告更加准确的信息以利于获得帮助。同时该系统还具有录像 功能，可以对违章驾驶、撞车等事件进行视频回放。 。w m ， 目 日 哮 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 交通控制系统 交通控制系统主要用来对隧道内的车道灯进行控制。在正常通车的情况下， 车道灯显示绿色通行信号，基本不需要对车道灯进行控制；在交通阻塞或发生 交通事故时，可以控制相应的车道灯来关闭该车道。如果隧道的一条通道发生 事故，不能进行通车，可以将隧道的另一条通道改变成双向通车。这时，可以 通过改变车道灯引导车流。交通控制系统对疏导交通起着非常关键的作用。 ( 4 ) 交通检测系统 交通检测系统的功能主要是指检测隧道每条车道上所通过的车流量、车辆 速度和车道占有率等信息。 ( 5 ) 环境监测系统 环境监测系统主要检测隧道内c o 浓度、v i ( 能见度) 、纵向风速和洞口自 然光光强等环境参数。通过c o n i 检测仪，能实时检测隧道内一氧化碳浓度和 能见度。通过风速风向检测仪，能实时检测隧道内的纵向风速。通过光强检测 仪，能实时检测隧道口的光强。可以对各项环境参数进行显示，并存储在数据 库内以供查询。如果环境参数异常时，可以向操作员发出报警。 ( 6 ) 广播和紧急电话系统 在首义广场隧道监控系统中，设备提供商提供的是广播和紧急电话一体的 设备，所以这里将其合为一个系统。注意，这是个系统融合的例子。 广播和紧急电话系统包括广播、紧急电话两大功能模块。 广播的功能主要是控制设置在隧道口和隧道内的扬声设备进行广播。中央 控制室可以通过麦克风向任何一个指定的扬声设备或所有的扬声设备进行广 播。在该子系统的界面上可以显示每一个扬声设备在隧道内对应的位置和工作 状态。同时，系统可以定时对扬声器进行检测，并将检测记录保存起来。 紧急电话的功能主要是发生事故时隧道内的人能拨打紧急电话向中央控制 室寻求帮助。该紧急电话可以直接摘机进行通话，中央控制室接到电话后可以 与相关部门取得联系，从而能快速获得帮助。中央控制室也可以通过该子系统 拨打隧道内的任何一个紧急电话，快速与该区域的相关人员取得联系。该子系 统还具有数字录音功能，可以录下每一段拨打过的电话音频。 ( 7 ) 火灾报警系统 网络化的火灾报警系统是整个消防系统的核心。系统实时采集和处理用户 火灾自动报警终端的报警数据和系统运行状态数据等，并且生成待处理信息数 7 武汉理工大学硕士学位论文 据库，无须处理的数据将直接存入历史数据库。 这些数据来自于： 隧道内点势双波段火灾探测器 缆式定温探测器( 用于电缆通道、安全通道) 的火灾报警 隧道及控制中心手动报警按钮的报警信号 隧道内变电所、泵房及控制中心用房的光电式烟温感应探测仪的报警信 号 ( 8 ) 风机控制系统 风机控制系统主要是保证隧道内通风顺畅，加快隧道内汽车运行时引起的 扬尘、排放的尾气的扩展和稀释速度。由于汽车行驶排放的尾气主要是二氧化 氮和一氧化碳，在一定的气候条件( 一般在夏季、阳光照射、相对湿度较低) 、 地理环境以及连续排放的情况下，产生多种二次污染物，形成光化学烟雾，它 对人体最突出的危害是刺激眼睛和上呼吸道黏膜。人暴露在高浓度的氮氧化合 物环境中，可引起中枢神经系统受刺激，并导致麻痹和痉挛等现象，造成免疫 系统的伤害。在一氧化碳浓度过高的环境中，人的心血管系统和神经系统会受 到危害【5 1 。因此，该系统对于隧道内行车人员健康十分重要，尤其是在发生堵塞 车辆行驶不顺畅时。 ( 9 ) 照明控制系统： 它是整个机电工程中投资最大的一个系统，给隧道内提供一个良好的视觉 环境。由于隧道内明显是自然光线不足，需要照明系统长时间的不间断运行， 因此照明设备被分成三组进行控制，其中两组分奇、偶数交替运行，一组作为 应急照明备用，由u p s 供电。合理的安排它们的工作时间，可以延长设备寿命； 同时，照明也是隧道运营成本的一个大头，优化控制方案，在保证安全的前提 下降低运营成本。 0 0 ) 水泵控制系统 城市隧道处于明显的低洼地势，雨水很容易大量流入隧道内淹没道路，水 泵控制系统就是在隧道出现积水时开启水泵进行排水作业，及时排出隧道内积 水，保障隧道内行车安全。 2 4 公路隧道监控系统的集成方案 根据武汉首义广场隧道监控系统的集成规模和现有的技术实力以及工程预 8 武汉理工大学硕士学位论文 算，选用以下监控系统集成方案。 顶层信息集成方案【6 】：将各个分系统的重要监控数据统一汇集处理，然后显 示到中央计算机系统的图形化人机界面上。其实质就是将分立监控模式下各个 分系统的上下位机结构拆分成两个独立部分进行设计、实施和调试。其一大特 点就是将原来分立的各个分系统拦腰截为两部分，上位机监控部分功能由综合 监控系统来完成，下位控制器部分功能仍由各个分系统完成。 适度集成方案【7 】：适度集成是通过对系统功能及集成难度分析，将目前可 以集成的系统集成，与难以集成或不适合集成的系统互联，从而达到综合监控 的目的。互联是指综合监控系统只整合分系统中相关的、必要的信息；互联分 系统具有独立完整的操作界面、设备和网络，正常情况下可脱离综合监控系统 独立运行。 2 5 公路隧道监控系统平台 2 5 1 公路隧道监控系统的集成分析 根据适度集成方案，首义广场隧道监控系统中将可以集成的交通控制系统、 交通监测系统、环境监测系统、环境监测系统、风机控制系统、照明控制系统、 火灾报警系统按照顶层集成方案进行集，形成综合监控系统。综合监控系统运 行在中央计算机系统中，其运行平台为：计算机的操作系统为m i c r o s o f tw i n d o w s x pp r o f e s s i o n 。监控软件采用组态王k i n g v i e w 6 。5 2 开发，数据库采用s q l s e r v e r2 0 0 0 。服务器的操作系统采用m i c r o s o f tw i l l d o w ss e r v e r2 0 0 3 ，数据库采 用s q ls e r v e r2 0 0 0 。 对于难以集成或不适合集成的闭路电视监视系统、广播和紧急电话系统、 水泵控制系统则采用相对独立的系统，其信息数据经过各自系统分析后实时向 中央计算机系统发送，在中央计算机系统中与综合监控系统互联。 2 5 。2 公路隧道监控系统的结构 综合监控系统软件采用组态王k i n g v i e w 6 5 2 开发，这里介绍一下。组态 王l 洲g v i e 、5 2 是一种利用系统软件提供的工具，通过简单形象的组态工作， 构成系统所需的组态软件。组态软件具有强大的画面显示组态功能，配有实时 数据库，可存储各种数据，实现与外部设备的数据交换：具有良好的开发性，能 9 武汉理工大学硕士学位论文 方便地与数百种硬件设备通信；支持d d e 功能，能与多种应用软件互连、交换数 据：系统安全防范性非常周密，对不同的操作者赋予不同的操作权限，保证整个 系统的安全可靠运行【8 l 。 组态王的主要功能【9 】： ( 1 ) 丰富的人机界面功能，可视化操作界面，真彩显示图形、丰富的图库 ( 2 ) 强大的通讯能力 ( 3 ) 先进的报警和事件管理 ( 4 ) 强大的网络和冗余功能 组态王很适合编写此类监控软件。 在首义广场隧道监控系统的开发中，对综合监控系统所集成的分系统，根 据需求作了一定的融合后，重新划分子系统，最后得到的隧道监控系统结构， 如图2 3 所示。 后面论述的集成方法基本上都是以综合监控系统为基础。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 图2 3 隧道监控系统结构图 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章基于t c s 的t m c s 设备集成 3 1 隧道监控系统的现场设备 隧道监控系统中，大量分布于隧道内的现场设备是系统构成的基础，是系 统信息数据的来源，也是系统控制的目标。 以首义广场隧道监控系统为例，系统涉及的现场设备按照设备的类型可分 为： ( 1 ) 信息采集设备：c o n i 检测仪，风速风向检测仪，光强照度计，水位 检测仪，火灾探测器，视频摄像机，车辆检测线圈。这些设备就是传感器，主 要负责采集隧道内的交通、环境信息，提供给系统做分析、处理。 ( 2 ) 信息发布设备：广播和紧急电话，交通信号灯，可变情报板。主要功 能是向隧道内行驶的车辆提供道路交通信息和交通诱导指令。 ( 3 ) 受控设备：风机，照明，水泵。这些设备是隧道监控系统改善隧道内 的行车环境的主要手段。 3 2 系统硬件设备集成目标 隧道监控系统的现场设备众多，其供货商各不相同，这是隧道监控系统集 成的外在基础。而系统内在的实时监控特性要求系统能在各种情况下准确、可 靠、迅捷地做出反应，及时处理、协调各现场设备的运作。因此，隧道监控系 统必须具备【1 0 】： ( 1 ) 开放性和互操作性 一个隧道监控系统需要集成多家供货商的机电设备，包括硬件和软件等各 个方面，因此，它应该具备良好的开放性和互操作性。 ( 2 ) 可靠性 系统需要2 4 小时地不间断监控，所以系统必须具有高度的可靠性。 ( 3 ) 模块化 控制系统应尽可能地采用模块化开发方式，且具有自诊断功能。这样不仅 便于维护，同时也便于系统日后在功能上的扩展。 ( 4 ) 可安装性和易操作性 系统结构应简单，易于操作，能方便地增加或改进有关功能，以满足日后 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 的运行需要。 ( 5 ) 经济性 集成开发时要考虑到中国的国情，系统应具有较低的建设维护成本和运营 费用。 3 3 系统硬件设备集成方案 3 3 1 控制系统方案 从硬件设备的角度来看，隧道监控系统是一种自动化控制系统，要达到系 统的集成开发目标，需要选择一个合适的便于集成的控制系统结构。 自8 0 年代以来，随着种类繁多的集散控制系统( d c s ) t 1 1 ，1 2 】和可编程控制器 ( p l c ) n3 】的出现，使自动化控制的可靠性和实时性，可操作性和可维护性得到极 大的改善，成为控制系统的主流产品，但由于d c s 和p l c 都是采用制造商专用的 集成电路，同类系统之间以及本系统与其他系统之间无法通信。9 0 年代，由于 个人计算机领域的空前成功，慢慢出现了以p c 为基础的工业过程控制系统( p c b c s ) ，由于这种系统具有通用性强，编程方便，开放性好等特点，使之可以 以较低的成本方便的进行不同系统的互连。但是，p c 在框架结构，防尘，抗干 扰等工业应用方面的不够成熟，以及令人不够信服的可靠性等弱点又限制了其 在工业上尤其是在底层自动化方面的大量应用。不过就开放和集成方面而言， 目前的d c s 和p l c 系统与以p c 为基础的分布式控制系统( p c b c s ) 是无法相比的。 支持集成和开放的另一个重要方向是现场总线。这种彻底开放的现场设备 网络试图用数字通信代替4 2 0 m a 的连线标准。现场总线通过两根网络线把来自 不同厂家的数量庞大的传感器，执行器和其它仪表连接起来，实现数据交互， 极大的简化了集中式控制系统的走线，降低了系统的造价，提高了工程进度和 系统的可靠性。但现场总线控制系统( f b c s ) 无法实现复杂、先进的控制算法， 对多个输入输出点的情形缺乏好的解决方法。从系统工程的角度来看，现场总 线有其特点和优越性，但作为控制系统的主体是无法胜任的( 尤其是存在着复杂 控制的场合) ，只能作为控制系统中一种不可缺少的补充。 综上所述，各种控制系统都有其优点和不足，为了克服这些系统的不足， 出现了t c s ( t a i l o r e dc o n t r o ls y s t e m ) t 1 4 】柔性控制系统。 t c s 是一种既以p c 为基础的，又具有现场总线结构，可以进行实时控制的 武汉理工大学硕士学位论文 开放性系统，并且集合了d c s 和p l c 的优点。结构上由两层组成，上层是操作层 ，在能够发挥出p c 特色的场合( 如网络、与外界的连接、优化、操作界面、数据 处理、文件记录和打印等) ，工作由以p c 为基础的系统来承担，底层是控制层， 需要高可靠和实时控制的带实时操作系统的控制器和各类智f l 邑v o 模件承担，现 在p l c 完全可以胜任。 t c s 控制系统符合项目需求。根据项目实际，确定现场控制器选型及分布， 确定现场总线选型，确定控制层与操作层间的传输介质，如此，隧道监控系统 的物理体系结构就架设起来了，同时，隧道监控系统硬件设备的集成也得以完 成。 3 3 2 现场控制器选型 在项目实践中是采用的p l c 作为现场区域控制器。这是因为p l c 是专为在 工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器、可以 编制程序的控制器。它能够存储和执行指令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、 计数和算数等操作，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械 和生产过程。p l c 及其有关的现场设备，都应按易于与工业控制系统形成一体、 易于扩张其功能的原则设计【13 1 。 使用p l c 还具有以下几个显著的优势【1 3 】： ( 1 ) 可靠性好 由于p l c 采用了输入和输入信号的光电隔离、虑波、电源的屏蔽、稳压和 保护、故障诊断等技术，所以p l c 可以在工业控制现场的恶劣环境中可靠地工 作。平局无故障时间可高达5 万1 0 万小时以上。 ( 2 ) 功能完善 p l c 的种类多、模块丰富和指令功能强大，使目前的p l c 几乎可以完成所 有的工业控制任务。 ( 3 ) 编程简单 类似继电器控制系统图的梯形图言语易学易懂，非常容易被技术入员掌握。 ( 4 ) 在线编程 在工业现场，可以使用手持编程器或笔记本电脑对p l c 进行编程。当p l c 联网后，可以在网络的任一位置对p l c 编程。 ( 5 ) 安装容易 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 由于采用模块化的结构，现场安装非常简单。 ( 6 ) 体积小、重量轻、功耗低 在现代集成电路技术的支持下，p l c 体积越来越小，重量也越来越轻，且 功耗也越来越低。 ( 7 ) 价格越来越便宜 在生产厂家增多、集成电路技术进步等因素的影响下，p l c 的价格越来越 低。 3 3 3 现场控制器分布 根据公路隧道的自身特点，各控制点沿一个狭长的地段线状分布，如图3 1 所示，根据现场控制需要随机散列在该线状区内。如果沿用通常集中式刚性控 制结构，如分段集中控制，将导致施工( 此方案与土建进度交织，施工管理不 易控制) 、维护困难，费用高，故障分析手段弱，影响系统健壮性及系统的安全 运营。 图3 - 1 现场控制器分布示意图 项目实践中采用的方案是每个控制点都用一个p l c 来控制，最后再集中到 上层操作层去。此方案控制灵活，柔性高，单点有故障不会影响全局，且与土 建施工基本隔离，便于进行系统施工管理，但要求p l c 成本低。综合p l c 的价 格不断走低，且单点控制时可灵活选用小型的p l c ，此方案可以实施。 3 3 4 现场总线选型 现场总线的种类繁多，比较流行的现场总线大约也有1 5 种之多。按照与其 传送的平均数据分组长度相关的信息复杂度，可以把现场总线分为3 类：位总 线、字节总线和数据流总线。为了更形象起见，有时把位总线称为传感器总线， 把字节总线称为设备总线，把数据流总线称为全功能总线或现场级总线【l 捌。表 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 列出若干影响比较大的现场总线的归类情况。表3 2 列出了现场总线的简单 比较。 表3 - 1 现场总线的分类 位总线 字节总线 数据流总线 c a nc a nf o u n d a t i o nf i