（电力系统及其自动化专业论文）高速公路隧道监控系统通信协议的设计.pdf

a b s t r a c t 1h ee x p r e s s w a yt u n n e l m o n i t o r i n gs y s t e mi se s t a b l i s h e df o rt u n n e l ss a f e a n dr e l i a b l eo p e r a t i o n i ti st h es u r v e i l l a n c e ，d e t e c t i o na n dc o n t r o l s y s t e mf o r t r a f f i c ，e n v i r o n m e n t ，a e r a t o r ，l i g h t i n ga n dp o w e rs u p p l yi nt h et u n n e l i tc a n c o l l e c t ，a n a l y z e ，j u d g ea n dm a k ep o l i c yf o rv a r i o u si n f o r m a t i o ni nt h et u n n e li n t i m e t or e d u c et h ei m p a c to fu n f o r e s e e ne v e n t s ，i t m a yt a k ep r o p e rc o n t r o l m e a s u r e s a n ds ot h et r a m ci ss t a b l e ，s a f ea n de x p e d i t e t h i st h e s i si sb a s e do nt h ei m p o r t a n ts c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o j e c to f c h o n g q i n g t h e r ea r em a n yh i l l sa n dt u n n e l si nc h o n g q i n g t om a k ef u l lu s eo f t h ee x p r e s s w a yt u n n e lm o n i t o r i n gs y s t e m ，t h e yw a n tt oc o m b i n e t h e s es y s t e m s b u tt h e r ea r e m a n yc o n t r o lm o d e sa n de q u i p m e n t si nt h e s e s y s t e m s t h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l si nt h ee q u i p m e n t sa r ed i f f e r e n ti ft h e s e e q u i p m e n t sa r e p r o d u c e di nd i f f e r e n tc o m p a n i e s s ot h e s t u d yo nc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s t a n d a r d i z a t i o no fe x p r e s s w a yt u n n e lm o n i t o r i n gs y s t e mi s v e r yi m p o r t a n t i nt h i sp a p e r , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eo s i m o d e l ，t h et c p i pm o d e la n dt h e 10 4 p r o t o c 0 1 t h ef r a m e w o r ka n dd e m a n do fc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o la r e a n a l y z e d a n dt h e n ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo fe x p r e s s w a yt u n n e l m o n i t o r i n g s y s t e mi sd e v i s e d a tl a s t ，t h ee x p r e s s w a yt u n n e lm o n i t o r i n gs y s t e mi sd e s i g n e d b ym i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 t h ep r o l o n g e dt i m ei s a n a l y z e d t h e r e f o r et h i s p r o t o c o l i sr e a s o n a b l e ， k e yw o r d ：e x p r e s s w a y ；t u n n e lm o n i t o r i n gs y s t e m ；c o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 ； s t a n d a r d i z a t i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校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。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密叫使用本授权书。 学位论文作者签名：交如i i l z 指导老师签名：勺苗 日期：侈秽6 仇 日期： dg 6 z 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 高速公路是解决城市间交通的重要手段。根据国家高速公路发展规划， 到2 0 10 年，全国公路总里程将达到2 10 2 3 0 万公里，全面建成“五纵七横” 国道主干线，高速公路里程达到7 万公里以上，基本形成国家高速公路网# 1 。 然而，我国是一个多山的国家，特别是西部地区，在这些地区修建高速公路， 需采用公路隧道方式。为保证隧道内的交通流平稳、安全、通畅地运行，高 速公路隧道监控系统的建立是非常必要的。 高速公路隧道监控系统是高速公路隧道营运管理所必需的现代化信息专 用系统，它通过设置于高速公路隧道上的各种外场设备，采集交通参数、环 境信息、设备状态等多种信息，并进行信息发布，将人、车、路连成为和谐 一体，实现对公路隧道的流量调度和安全保障。 随着高速公路隧道建设步伐的不断加快，要使高速公路隧道监控系统发 挥应有的效率，必须建立一套完整、科学、易于操作和控制的高速公路隧道 区域联网监控系统。以便它能够最大限度地满足对高速公路隧道交通运营状 态的控制、监督和指导，为使用高速公路隧道的用户提供一个良好的安全舒 适驾乘环境。 高速公路隧道区域联网监控非常重要，它可以克服目前大多数隧道使用 单体隧道监控模式的很多不足。具体表现p 一为：采集的信息比较全面，即路 政的交通事故信息、养护及封道信息、应急电话的报警信息等得到共享，各 隧道的信息可以提供给相邻隧道共享，某个隧道段发生影响通行的事件后可 以及时通知到相邻隧道；隧道监控分中心与省市监控总中心之间数据可以进 行互通，包括隧道路段数据可以及时上传隧道监控总中心、隧道监控总中心 可以及时准确地了解隧道路段交通状况，进而充分发挥统一协调控制功能。 构建高速公路隧道区域联网监控系统，制定相应的高速公路隧道监控通 信协议标准是首要任务。高速公路隧道监控系统包括通风、照明、交通、 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 c c t v 、广播、紧急电话、火灾、电力等安全监控子系统，并需要提供对包 括可变情报板、可变限速标志、车辆检测仪等串口设备统一控制。高速公路 隧道监控系统中对各个子系统和各子系统内部没有形成统一的数字通讯接口 和标准的通信协议，不同的现场设备一般来自不同的生产厂家，采用不同的 数字通信接口和不同的通信协议；甚至同一种类型的现场设备由于公开招标 等缘故也可能来自于不同的生产厂家，也会造成采用不同的数字通信接口和 不同的通信协议幅1 。这给高速公路隧道监控系统通信开放性、兼容性带来不 好的影响，增加了很多通信协议的协议转换工作，严重的时候还会造成通信 不可靠。提高高速公路隧道监控系统通信的开放性、兼容性，一个最好的办 法和途径，应该是所有的厂家都采用标准的通信协议，使自己的产品更为标 准化，但是目前高速公路隧道监控系统还没有通信协议标准。要构建高速公 路隧道区域联网监控系统，首要任务即要制定相应的高速公路隧道监控通信 协议，以规范区域联网的监控数据和远程控制外场设备的监控命令。 本课题得到重庆重大科技攻关项目支持。重庆以山城著称，高速公路大 量建设，隧道应运而生，高速公路隧道监控系统发展起来。目前重庆现行的 设计规范、标准、方案基本是按照一条路一个管理单元，一个长大隧道或一 个隧道群为一个控制单元进行设计的，比如成渝高速公路重庆段的两个分别 为3 1 和2 5 公里的隧道，就分别建有两个监控中心，其监控值班、通风照 明的运行维护、供配电维护、消防系统由配备了13 9 人的隧道机电处负责。 到2 0 1 0 年，重庆的高速公路里程将达到2 0 0 0 公里，其中新建隧道就有1 7 0 余座，如果按照现行的模式，其运行维护人员就将达到2 0 0 0 人以上，仅此一 项的年运行成本就将达到1 亿元以上川。钱虽花了这么多，却没有很好的 效果，因为现行的设计规范不能解决路网内不同路段之间、不同隧道群之间 交通信息的共享和综合管理的协调，这些各自独立的路段和隧道监控系统之 间根本无法相互协调工作，无法实现跨路段交通信息采集、处理、发布和交 通指挥、调度。这将对高速公路路网形成后需要的相互协调、互动控制、高 效管理产生严重的制约，高速公路路网整体的交通调控作用将无法真正发挥 出来。 对此，重庆市交委在编制重庆市高速公路网规划( 2 0 0 3 年至2 0 2 0 年) 时，就提出了“集中管理，分级控制”的管理理念，之后确定了重庆高速公 路路网区域监控的管理模式，明确了与之相适应的监控、通信的技术体系和 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 关键技术，核心就是联网监控系统。文献( 7 ) 中提到，一旦实现区域监控管 理模式，与现行的管理模式相比，其每年的管理成本、人员等所节省的费用 将超过数千万元，减少的人员达1 5 0 0 人左右。 由此可见，重庆建立高速公路隧道区域联网监控系统势在必行。但目前 各个隧道监控系统中使用的p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r 或称智能区 域控制器) 厂家不同，使用的通信协议也不尽相同，另外因可变情报板、可 变限速标志、车辆检测仪等外围设备厂家很多，协议不同，监控系统对它们 的控制方式也多种多样。因此，要构建高速公路隧道区域联网监控系统，统 一高速公路隧道监控通信协议是一个非常重要的问题。本课题即为高速公路 隧道监控系统通信协议标准化研究，它对重庆高速公路信息统一监控有重要 的作用，对高速公路隧道监控系统及工业控制技术的发展有重要的意义。 1 2 公路隧道监控系统发展概况 公路隧道监控系统经历了如下发展历程n0 ：单体隧道单系统模式、单 体隧道多系统联动模式、多隧道集中控制模式、隧道群( 毗邻隧道) 联动控 制模式。 一、单体隧道单系统模式 上世纪9 0 年代以前，隧道一般采用单系统模式，各子系统通过人工手动 进行监控管理，各子系统无信息交换，不能进行自动联合运转，管理信息收 集发送落后，不能满足运营需要。 二、单体隧道多系统联动模式 上世纪9 0 年代中期，隧道监控系统引入中心控制系统，将各子系统联为 一体。中心控制系统由多台计算机构成，其中两台为服务器，其余为工作站， 通过计算机局域网联为一体，构成服务器一客户机模式，该系统可达到很高 的可靠性、实时性，满足隧道机电监控系统信息量大，监控流量复杂的要求， 同时管理计算机可为用户提供大量运营管理资料。对于一般特长隧道而言， 单体隧道多系统联动模式可以满足运营管理要求。 三、多隧道集中控制模式 本世纪初，随着高速公路隧道增多，特别是一条路段上有多条隧道组成， 为了减少管理机构，降低管理成本，开始将多个隧道的监控系统进行合并设 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 置，如正在实施的重庆市北碚隧道( 4 0 1 0 m ) 和西平山隧道( 2 6 0 0 m ) 就是 采用这种控制模式，多隧道集中控制模式的最大缺点是：各个隧道之间的相 互影响没有考虑，各个隧道之间的信息也不交流，虽然多个隧道监控设置在 一个系统中，但在管理上仍然是独立的，缺少隧道间的联动控制。 四、隧道群( 毗邻隧道) 联动控制模式 一般情况下，在一条路段上，各个隧道的交通流是连续，因此，前面隧 道的未来交通流可以通过后面隧道的当前交通流进行预测。另外当隧道口距 离较少时，后方隧道的出口污染物将对前方隧道进口通风产生严重影响。由 于隧道进出口距离较少，光线的明暗变化剧烈，因此，必须对后方隧道出口 照明进行特别关注。隧道发生事故或火灾时，隧道群或毗邻隧道相互影响很 大，必须采取联动措施，才能减少火灾损失，防止火灾影响扩大，杜绝次生 灾害发生。对于相互影响很大，各隧道的控制系统彼此不能独立设置，必须 统一考虑智能联动控制技术。 1 3 常用p l c 介绍 p l c 是高速公路隧道监控系统的核心组成部分，它的性能对隧道监控 系统会起到关键性作用。p l c 作为隧道监控的核心控制器，须具备以下几大 功能特点：首先本身必须稳定可靠，并具有预先处理数据和集中传输数据的 能力，具有较高的故障保护能力；其次，p l c 可以独立承担控制单元内的基 本控制任务，即使监控中心因故障停止运行，p l c 仍具有独力控制现场设备 的能力；再次，当某区域的交通量出现变化时，可按预定方案和程序采取相 应的算法，对相关区域的流量做出相应的调整。因此，它必须至少有如下功 能模块，数据采集存储处理功能( 实现集中和独立工作方式，尤其是在独立 控制时能与相邻控制器实现数据交换) ；通信功能、容错功能、自动诊断功能 和本地操作功能( 即能带触摸屏或键盘显示控制单元) 。 现行高速公路隧道监控系统中使用较多的p l c 有2 1 ：施耐德 ( s c h n e i d e r ) 、西门子( s i e m e n s ) 、欧姆龙( o m r o n ) 、罗克韦尔( r o c k w e l l ) 、 通用电气( g e ) 以及专门针对隧道监控的自动化公司生产的智能区域控制器 ( 如浙大中控、西南交大金隧等自动化公司) 。 施耐德的p l c 型号比较多，在国内应用也比较多。在使用r s 4 8 5 串行 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 连接时，使用m o d b u s 串行协议。当通过以太网连接时，使用的是m o d b u s t c p i p 协议。 西门子系列p l c 主要包括其早期的s 5 和现在的s 7 2 0 0 、s 7 3 0 0 、s 7 4 0 0 等各型号p l c 。西门子的通讯协议没有公开，使用西门子的p l c 需使用公司 自己的组态软件在工业以太网上进行通信。 欧姆龙系列p l c 在中国推广的也比较多。在通讯方式上，o m r o n 现在 主要采用两种通讯方式：h o s tl i n k 协议是基于串口方式进行数据传输的通讯 方式。c o n t r o l l i n k 协议是欧姆龙p l c 的一种快速通讯方式。c o n t r o ll i n k 通 过板卡进行数据通讯，板卡之间有数据交换区，由板卡实现数据的交换从而 完成数据采集功能。使用该方式通讯需配置欧姆龙的驱动。 罗克韦尔的p l c 主要是包括p l c 2 、p l c 3 、p l c 5 、s l c 5 0 0 、c o n t r o l l o g i x 等型号，p l c 2 和p l c 3 是早期型号，现在用的比较多的小型p l c 是s l c 5 0 0 ， 中型的一般是c o n t r o l l o g i x ，大型的用p l c 5 系列。d f l 协议是r o c k w e l l 各 p l c 都支持的通讯协议，d f l 协议可以通过2 3 2 或4 2 2 等串口介质进行数据 传输，也可以通过以太网络介质来传输。 通用电气现在在国内用的比较多的主要是9 0 7 0 和9 0 一3 0 系列p l c ，这 两款p l c 都支持s n p 协议。若通过以太网链接，g e 的以太网协议内容不对 外公开，但g e 提供了一个s d k 开发包，可以基于该开发包通讯。 国内一些厂家生产的p l c 在重庆渝合路，万开路等道路上的多条隧道都 有应用，这种p l c 是使用的m o d b u st c p i p 协议在以太网中通信。 1 4 电力系统中的远动协议 目前我们经常使用的常见的远动协议有c d t 协议、i e c6 0 8 7 0 5 系列的 l o l 协议、1 0 4 协议及i e c6 1 8 5 0 协议等。 c d t 协议4 1 是一种典型的循环式传送协议。该标准由中华人民共和国能 源部提出，由全国电力远动通信标准化技术委员会归口，于19 9 1 年1 1 月发 布，1 9 9 2 年5 月正式实施，该协议由于其简单可靠，至今还被广泛使用。 i e c6 0 8 7 0 5 系列通信协议体系4 蚓是国际电工委员会第5 7 技术委员会 第3 工作组( i e ct c 5 7w g0 3 ) 于1 9 9 0 年开始制订的用于变电站远动通信 的协议体系，即“远动设备和系统的第5 部分：传输协议。1 0 1 、1 0 4 远动 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 通信协议的制定目的在于使得兼容远程监控系统设备之间达到互操作性，均 适用于具有串行比特编码的数据传输的远程监控系统设备。1 0 1 、1 0 4 协议传 送的信息主要为s c a d a 的监控信息，共享相同的应用数据结构和应用信息 元素的定义和编码。其中，1 0 1 协议规定了以串口通信方式监视和控制远端 设备；1 0 4 协议则采用1 0 1 协议的网络访问，规定了应用层与t c p i p 提供的 传输功能的结合。为了保证应用层a s d u ( a p p l i c a ti o ns e r v i c ed a t au n i t ，应 用服务数据单元) 的通信可靠性，包装了a p c i 传输接口，规定了应答和重 发机制，具有很好的兼容性和可靠性。 i e c6 l8 5 0 协议6 1 是在19 9 4 年由德国国家委员会提议制定的国际上关 于变电站自动化系统的第一个完整的通信标准体系。i e c 在2 0 0 1 年的s p a g 会议上，正式确定了以i e c6 1 8 5 0 为基础构建无缝远动通信体系结构。将来 在变电站以内及变电站和控制中心之间都是基于i e c6 18 5 0 来进行通信。 1 5 论文的主要研究内容 论文的主要讨论对象是工业监控系统间通信，论文重点是提出一个能够 满足高速公路隧道监控系统需求的可行通信协议。本文的主要研究内容如下： 一、介绍了高速公路隧道监控通信协议标准化的目的和意义；叙述了公 路隧道监控系统发展概况、高速公路隧道监控系统常用p l c 和电力系统中常 用远动协议。 二、介绍了o s i 参考模型和t c p i p 参考模型结构；叙述了1 0 4 协议的 框架结构、应用层帧格式及防止报文丢失和报文重传协议。 三、介绍了公路隧道监控系统框架结构；叙述了公路隧道监控系统总体 功能需求以及各子系统功能要求；总结出了公路隧道监控系统的可靠性要求 和监控系统内信息传输特点。 四、考虑到高速公路隧道监控系统体系结构与电力通信系统体系结构相 类似，高速公路隧道监控系统通信协议采用1 0 4 协议的协议结构。研究了高 速公路隧道监控系统各种外围设备、c c t v 系统、紧急电话系统、火灾通信， 并制定了其通信协议。 五、介绍了协议实现环境；利用m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 编制了高速公 路隧道监控系统通信程序；实现了遥控、遥信、时间同步等功能，并对遥信、 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 遥控、时间同步做了成功的测试：设计了遥测、可变限速标志为代表的外围 串口设备控制、火灾报警控制程序；对通信报文结果进行了分析。 六、分析了高速公路隧道监控系统通信过程中的延时；叙述了实验结果； 最后对其结果进行了分析，说明论文制定协议具有良好的实时性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章协议参考模型及10 4 通信协议 2 1o s i 协议参考模型 为实现开放系统互连所建立的分层模型，简称为o s i 参考模型b 0 2 。其 目的是为异种计算机互连提供一个共同的基础和标准框架，并为保持相关标 准的一致性和兼容性提供共同的参考。这里所谓的开放，是强调对o s i 标 准的遵从。开放是对可使用的标准的共同认识。一个系统的开放，是指它可 以与世界上任何一个地方的遵守相同标准的其他任何系统通信。 o s i 参考模型是在博采众长的基础上形成的系统互连技术的产物。它不 仅促进了数据通信的发展，而且还导致了整个计算机网络的发展。o s i 参考 模型提供了概念性和功能性结构。该模型将开放系统的通信功能划分为七个 层次。各层协议细节的研究是各自独立进行的。这样一旦导入新技术或提出 新的业务时，就可以把由通信功能扩充、变更所带来的影响限制在直接有关 的层内，而不必改动全部协议。 图2 1o s i 七层参考模型 o s i 参考模型分层的原则是将相似的功能集中在同一层内，功能差别较 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 大时则分层处理，每层只对相邻的上、下层定义接口。这个模型把开放系统 的通信功能划分为七个层次，从邻接物理媒体的层次开始，分别赋予1 ，2 ， 7 层的顺序编号，相应地称之为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会 话层、表示层和应用层。o s i 参考模型如图2 1 所示。 2 2t c p i p 参考模型 t c p i p 参考模型2 2 2 3 与o s i 参考模型一样采用了分层结构，但是它更侧 重于互联设备间的数据传送，而不是严格功能层次的划分。两者的对比如图 2 2 所示。t c p i p 协议是2 0 世纪6 0 年代由麻省理工学院和一些商业组织为 美国国防部开发的，到9 0 年代已发展成为计算机之间最常用的组网协议。 t c p i p 的设计目的是独立于计算机所在的网络，在它们之间提供通用的互 联。 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 o s i 参考模型t c p i p 参考模型 图2 - 20 s i 模型和t c p i p 模型比较 物理层：以二进制数据形式在物理媒体上传输数据。 数据链路层：有时也称作网络接口层，通常包括设各的驱动程序和计算 机对应的网络接口卡。它们一起处理与电缆( 或其他任何传输媒介) 的物理 接口细节。负责接收i p 数据报并通过网络发送，或者从网络上接收物理帧， 抽出i p 数据报，交给网络层。链路层主要包括a r p 、r a r p 协议，该层协议 主要针对以太网卡的m a c 地址。a r p 协议为i p 地址到对应的硬件地址之间 提供自动的动态映射；r a r p 协议是被那些没有磁盘驱动器的系统使用( 一 般是无盘工作站或x 终端) ，它需要系统管理员进行手工设置。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 网络层：处理报文的路由管理，根据接收报文的信息决定报文的去向。 网络层定义了分组格式和协议，即口协议( i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 。i p 协议是 t c p i p 协议族中最为核心的协议。它提供不可靠、无连接的服务，也即依赖 其他层的协议进行差错控制。i p 协议往往被封装在以太网帧中传送。而所有 的t c p 、u d p 等数据都被封装在i p 数据报中传送，如图2 3 所示。 图2 3t c p i p 数据报的格式 传输层：管理源和目的之间的报文传输。这一层包含了两个协议，一个 是有连接的t c p 协议( 传输控制协议) ，一个是无连接的u d p 协议( 用户数 据报协议) 。 应用层：包括一些服务，这些服务是和用户相关的认证、数据处理、压 缩等等。它主要包括f t p 协议、s m t p 协议、s n m p 协议、t e l n e t 协议等等。 2 3 电力系统10 4 通信协议 10 4 协谢2 4 1 提出将1 0 1 协议和由t c p i p ( 传输控制协议以太网协议) 提 供的传输功能结合在一块。它是将1 0 1 协议以t c p i p 的数据包格式在以太 网上传输的扩展应用。其协议结构如图2 4 所示。 传输层接i - 1 ( 用户至i j t c p 的接u ) t c p 协议( 传输控制协议)传输层( 第4 层) i p 协议( 互联网协 义)网络层( 第3 层) a r p 协议 数据链路层( 第2 层) ( 在以太嘲上传输i p 数据报) i e e e 8 0 2 3 系列物理层( 第l 层) 以太嘲 图2 4 协议结构 传输接口( 用户到t c p ) 是一个面向流的接口，它没有为l0 1 协议中的 a s d u 定义任何启动或者停止机制。为了检出a s d u 的启动和结束，每个 a p c i 包括下列的定界元素：一个启动字符，a s d u 的规定长度，以及控制域。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 具体见图2 5 。( a p c i 表示“应用协议控制信息”：a s d u 表示“应用服务数 据单元 ；a p d u 表示“应用协议数据单元) 起始字符6 8 h a p d u 长度 控制域八位位组1 控制域八位位组2 控制域八位位组3 控制域八位位组4 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 和i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 定义的a s d u 图2 - 51 0 4 协议a p d u 定义 控制域有三种格式，即编号的信息传输格式( i 格式) ，编号的监视功能 格式( s 格式) 和未编号的控制功能格式( u 格式) 。 i 格式，即控制域第1 个字节的第1 位等于0 ，其控制信息如图2 - 6 所示。 ( 以下l s b 表示低位，m s b 表示高位) ， 比特8765 4 3 2 1 发送序列号n ( s ) l s b 0 m s b 发送序列号n s ) 接收序列号n ( s ) l s b o m s b 接收序列号n ( s ) 八位位组1 八位位组2 八位位组3 八位位组4 图2 - 6 信息传输格式类型( i 格式) 的控制域 s 格式，即控制域第1 个字节的第1 位等于1 ，并且第2 位等于o ，s 格式的的帧格式没有应用数据单元。s 格式的控制信息如图2 7 所示。 比特8 7654321 00l 0 接收序列号n ( s ) l s b o m s b 接收序列号n ( s ) 八位位组l 八位位组2 八位位组3 八位何组4 图2 7 编号的监视功能类型( s 格式) 的控制域 一千l 一 l pa 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 u 格式，即控制域第1 个字节的第l 位与第2 位同时等于1 。u 格式的 的帧格式没有应用数据单元。u 格式的控制信息如图2 8 所示。在同一时刻， t e s t f r ，s t o p d t 或s t a r t d t 中只有一个功能可以被激活。 比特 8765 4321 t e s t f rs t o p d ts t a r t d t 1l 确认生效 确认生效确认生效 0 0o 0 八位位组1 八位位组2 八位位组3 八位位组4 图2 8 未编号的控制功能类型( u 格式) 的控制域 2 3 1 防止报文丢失和报文重复传输 报文传输流程如图2 - 9 至图2 1 1 所示。其中v ( s ) = 发送状态变量；v ( r ) = 接收状态变量；a c k - - 指示对方已经正确收到所有达到并包括该数字 的i 格式数据单元；i ( a , b ) = 信息格式数据单元，a = 发送序列号，b = 接收 序列号；s ( b ) = 监视格式数据单元，b = 接收序列号；u = 未编号的控制 功能数据单元。 图2 - 9 为发送方增加发送序列号而接受方增加接收序列号。当数据传输 只在一个方向进行时，如图2 1 0 所示，另一个方向发送s 格式确认接收。在 创建一个t c p 连接后，发送和接收序列号都被设置成0 。 a 站b 站 a p d u 发送或接收后a p d u 发送或接收后 的内部计数器v 状态的内部计数器v 状态 a c k v ( s )v ( r ) v ( s )v ( r )a c k 00 0 1 ( q 必一 000 l 师必一 l 2师至妙 2 j 一 3 3 揣- l 3 l o = 2 2 i ( j ! 垄一 244 图2 - 9 编号为i 格式报文未受干扰传输过程 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 a 站b 站 a p d u 发送或接收后a p d u 发送或接收后 的内部计数器v 状态的内部计数器v 状态 a c kv ( s )v ( r ) v ( s )v ( r )a c k oo o 1 ( q 旦) 一 ooo 1咱必一 l 2 = i 出一 2 3 3 垆时乜 迎 3 图2 1 0 用s 格式报文确认的i 格式报文的未受干扰传输过程 a 站b 站 a p d u 发送或接收后a p d u 发送或接收后 的内部计数器v 状态的内部计数器v 状态 a c k v ( s )v ( r )v ( s )v ( r ) a c k o00 墼功磁祷j 000 = 2 程 或 u s t a r t d t 激活 超时t 1 主动关闭 叶 随后丰动打开 图2 - 1 1 开始数据传输过程 a 站与b 站在某个具体时间段内没有数据传输时会启动测试过程。即一 方发送测试a p d u ( t e s t f r = 激活) 并得到接收站发回的a p d u ( t e s t f r = 确 认) ，测试完成。 a 站利用启动数据传输和停止数据传输来控制与b 站问的数据传输。这 个方法很有效。定义启动数据传输和停止数据传输功能在于从一个连接切换 到另一个连接时避免数据的丢失。开始数据传输过程如图2 1 1 所示。 2 3 2 控制站与被控站的初始化 控制站初始化如图2 1 2 所示，依次与每一个被控站建立连接。由1 挣被 控站开始，控制站向t c p 发出主动打开请求，如果被控站的t c p 有监听状 态，连接就建立起来了。其他被控站也重复相同的过程。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 控制站的应用功能通信服务被控站的应用功能 当地初始化开始 与多个站连接 例如，上电 可以并行启动 例如，给下一个站主动 主动打开 。 打开以建立连接之前， ，1 建立 c t l y na ，= = 不必等与站l 的连接完 1r 1 = i 兰兰竺 全建立 建立 控制站初始化 主动打开 7 ) 站n 建立 = 延一 建立 。 接着进行总召唤 图2 1 2 控制站的初始化 被控站本地初始化如图2 1 3 所示，控制站反复尝试与被控站建立连接。 直到被控站完成本地的初始化，向t c p 发出被动打开请求，取得监听状态， 连接才成功。 控制站应用功能通信服务被控站的应用功能 主动打开 。 本地初始化开始。 r 超时t o 婴型竺- 例如，上电 主动打开 被控站的初始r 化 超时t o 主动打开 r 一被动打开 1r 建立 ! 芝全! 。 建立 。 接着进行总召唤 本地初始化后，彼控站司 用 图2 1 3 被控站的本地初始化 被控站远程初始化如图2 1 4 所示，控制站向被控站发出c r p a c t 复位 命令，被控站返回确认并向t c p 发出主动关闭请求。控制站向t c p 发出被 动关闭请求后连接被释放。然后控制站向t c p 循环发出主动打开请求，试着 连接被控站。当被控站完成初始化并再次可用，被控站返回c l t = s y n ，a c k 。 当控制站确认后，连接建立。 2 3 3 时间同步 第1 5 页 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 2 4 本章小结 本章介绍了o s i 参考模型和t c p i p 参考模型结构；叙述了1 0 4 协议的 框架结构、应用层帧格式及防止报文丢失和报文重传协议，以及时间同步机 制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 第3 章高速公路隧道监控系统需求分析 高速公路隧道监控系统是为保证隧道内整个系统安全可靠运营而建立 的，为隧道内的交通流平稳、安全、通畅地运行提供了可靠的保障。 3 1 高速公路隧道监控系统结构分析 高速公路隧道监控系统详细结构如图3 1 所示，分为g 隧道监控中心层、 通信网络层、区域控制单元层( 或称p l c ) 、现场设备层四个部分瞪1 。 监控总中心 图3 - 1 隧道监控系统体系结构图 隧道监控中心层主要包括隧道监控主机、路段管理主机、数据库服务器、 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 视频服务器、紧急电话及广播主机、电力监控主机、火灾报警主机、大屏幕 显示等中心监视系统及设备。 通信网络层使用的是光纤自愈式双环冗余以太网，它提供了隧道监控中 心层和智能控制单元层之间的通信链路。 区域控制器层将状态监视、数据采集、智能控制和数字化通信技术融为 一体。由图3 1 可知，智能控制单元首先通过信号线、r s 4 8 5 、r s 2 3 2 、r s 4 2 2 等多种通信线与现场各种类型的设备进行通信，再通过通信网络层与隧道监 控中心主系统交互信息。一般情况下区域控制器负责采集现场检测设备的信 息，处理后传给本地监控中心，而本地监控中心的控制命令则发给区域控制 器，再由区域控制器控制相应设备。在本地监控中心与区域控制器通信中断 情况下，区域控制器仍具有独力控制现场设备的能力。 现场设备层由通风照明设备、控制诱导设备和各种检测设备组成。其中 控制诱导设备包括车道指示器、交通灯、可变情报板、可变限速标志等，检 测设备包括车辆检测仪、c o v i 检测仪、风速风向检测仪、亮度检测仪、超 高车辆检测仪等。 3 2 高速公路隧道监控系统总体功能需求 隧道监控系统为隧道交通和隧道内环境、通风设备、照明设备以及供电 设备的监视、检测和控制系统。分为：信息采集系统、隧道监控中心、信息 提供系统三个部分口5 2 6 1 。 信息采集系统可以实时的采集变化着的隧道路段交通信息。主要采集设 备有车辆检测仪( 收集隧道内的交通量、车速、占有率等交通数据) 、一氧化 碳检测仪、能见度检测仪、火灾报警设备、闭路电视监视系统( 隧道控制中 心可以通过安装在隧道墙壁上的摄像机直观及时的观测隧道内交通运行情况 和事故现场) 、紧急电话系统、巡逻车。 隧道监控中心可以通过通信系统汇集、显示外场设备传送来的各种数据 ( 交通量、气象、事故及控制操作等) ；监视高速公路隧道的营运及设备运行 状况接听紧急电话：将上述数据、图像等信息上传至监控总中心；根据各类 信息判断交通现况，决策、发布控制指令；对外场设施进行控制；执行监控 总中心下达的指令。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 信息提供系统向道路使用者提供道路交通状况信息，对行驶车辆发出限 制劝诱、建议性指令。主要信息提供设备有：可变情报板、可变限速标志、 交通信号灯、隧道标志标线、广播系统等。 隧道监控中心是一个闭环系统。系统的输入是反映隧道车辆运行情况的 交通参数和交通状况。这些信息经监控系统分析、处理后，由监控中心发出 控制指令，控制道路信息发布设备，变更显示内容，对交通流实施调节和控 制。 隧道监控系统主要具有以下几个功能晗6 2 7 1 ： 一、信息采集功能 系统通过检测仪采集隧道的交通参数、环境指标和设备运行状态等信息 并上传至数据处理单元。采集的信息包括车速、车流量、占有率、隧道内的 能见度、c o 浓度、风速、亮度、风机运行状态、故障报警信号、供配电系 统的电压、电流、手动报警按钮信号、火灾报警信号、紧急电话信号等。一 二、信息处理功能 监控系统对接受到的上述检测信息进行综合分析，并对有关数据进行统 计处理。 三、信息提供功能 系统所产生的各种控制方案通过大尺寸图形显示器、地图板等向值班员 动态显示整个隧道群监控系统设备的布设及工作状态，异常情况时可以自动 进行声光报警；通过设置在隧道外场上的可变情报板等设备向司机和乘客提 供有关道路、交通、气象等信息。 四、实时控制功能 中心控制计算机可以对交通信号灯、可变情报板、通风机、照明、消防 及闭路电视摄像机进行全方位控制，保证系统在正常和紧急情况下都能及时 作出反应。 五、统计查询功能 系统设置数据管理系统，实现故障实时打印；将实时数据按车流量、c o 浓度、能见度、风速、火灾和交通事故等项目进行统计处理，生成一系列报 表和统计图表，建立数据库，根据需要可调阅年内任一天有关数据。 六、系统自诊断功能 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 各级监控系统可以对隧道内所有外场设备( 如车辆检测仪、交通信号灯、 c o 检测仪、v i 检测仪、风速检测仪、风机) 及监控站中心设备等进行实时 检测，设备发生故障时可以自动指示、报警。 3 3 高速公路隧道监控系统各子系统功能需求 隧道监控系统功能结构如图3 - 2 所示，主要由以下几个子系统组成心5 2 6 2 8 1 。 图3 2 隧道监控系统功能结构框图 3 3 1 中心监控子系统 中心监控系统连续不断地采集各子系统的数据，并通过人机接口对隧道 机电设备实行集中、统一、协调的监视和控制。其具体功能如下： 一、操作功能 通过人机接口接受以下几种人工控制命令： 关闭或开放隧道入口交通信号灯； 改变隧道内车道的使用方式； 人工改变可变情报板、可变限速标志的显示； 远程手动控制风机、照明设备、供电设备、车行横通道门。 二、信息综合显示功能 在中控室显示如下几种信息： 交通信号灯、车道控制标志、可变情报板、可变限速标志的显示 状态： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 隧道及出入口附近的模拟图形显示； 隧道内交通状况显示，包括交通量、平均行车速度等参数； 火灾报警( 包括自动和手动报警) 位置显示； 闭路电视图像显示； 摄像机工作状态、风机运行状态、照明设备运行状态显示； 紧急电话摘机显示； 隧道内环境检测数值显示； 主要设备的故障显示。 三、监控系统集成 。 监控系统的集成就是通过计算机网络技术，把构成隧道监控系统的交通 监控子系统、照明监控子系统、通风监控子系统、火灾自动报警子系统、闭 路电视监视子系统、电力监控子系统等，从各个分离的设备、功能和信息等 集成为一个相互关联的、统一的和协调的系统之中，使系统资源达到充分的 共享，实现管理集中高效、便利。系统集成功能包括：各子系统的信息采集、 共享、存储及交换。 四、监控系统管理 监控系统管理具体包括以下几种： 历史数据的查询； 数据自动处理并输出各种报表、图表； 主要设备运行状态记录； 信息的安全管理。 3 3 2 交通、通风、照明监控子系统 交通、通风、照明监控子系统较为复杂，其结构框图如图3 3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 图3 - 3 交通、通风、照明监控子系统结构框图 一、交通监控子系统 隧道采用双洞单向交通运行模式，设有行车、行人横通道。供行人和车 辆在发生火灾等重大事故时进行逃逸。 1 、交通检测 检测车流量、行车速度、占有率、密度、车间时距等交通信息； 检测隧道入口交通信号灯、车道控制标志、行车横通道绕行标志、 可变情报板、可变限速标志的显示状态； 检测隧道入口交通信号灯、车道控制标志、行车横通道绕行标志、 可变情报板、可变限速标志等交通设备的运行工况； 系统应具备自诊断功能，应能反映系统工作正常和故障。 2 、隧道内交通堵塞判断 依据车辆检测仪检测隧道内车辆判断交通堵塞并选择交通疏导预案。 3 、交通控制 发生火灾、交通事故或交通堵塞时，关闭入口交通信号灯； 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 当隧道因故关闭，应用入口交通信号灯指挥该方向交通车辆经由 另一隧道绕行行驶； 火灾时开放行车横通道绕行标志； 用车道控制标志区分双车道单方向、双车道双方向、单车道单方 向等行车方式； 用可变情报板提供隧道内的交通信息及事故情况； 用可变限速标志提供限制速度信息； 车道控制标志与入口信号机之间，车道控制标志与行车横通道绕 行标志( 含横通道门) 之间应有联锁功能，不允许出现矛盾显示。 4 、具备与其他子系统交换信息的功能。 二、环境检测与通风控制子系统 1 、环境检测 c o 检测仪及能见度检测仪可快速、准确、连续地检测隧道内c o 浓度 值及烟雾浓度值，并将检测值传送至通风控制设备以调节通风量，控制隧道 内c o 浓度值及烟雾浓度值在允许范围以内。同时将隧道内c o 浓度值及烟 雾浓度值传送至中控室显示在模拟屏和操作工作站监视器上，当c o 浓度值 或烟雾浓度值超过允许浓度时