黃勤陸，肖 甘，黃海峰，黃 駿

(1.成都紡織高等專科學(xué)校，四川成都611731;2.四川新潮工控技術(shù)有限責(zé)任公司，四川成都610041;3.重慶新世紀電氣有限公司，重慶400041)

在山區(qū)和丘陵地區(qū)的公路建設(shè)中，長隧道建設(shè)方案以能縮短行車里程、提高線路標準、保障運營安全、保護生態(tài)環(huán)境等優(yōu)點，得到了普遍應(yīng)用。隧道內(nèi)部空間環(huán)境狹窄、光線變化大、汽車尾氣排放不易散發(fā)、視野不清［1］，隧道越長，規(guī)模越大，存在的潛在交通事故危險也越嚴重，發(fā)生交通事故后交通疏導(dǎo)和救援工作也越困難。處理不當(dāng)還可能發(fā)生二次事故。因此，長隧道內(nèi)的安全保障是與普通路面有很大不同，在隧道建設(shè)和運營時期都是特別關(guān)注的重點。

高速公路隧道在使用過程中，通風(fēng)和照明方面的能耗遠高于普通道路的運營能耗。為了保障隧道能安全、高效、環(huán)保、經(jīng)濟運行［2］，隧道監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)是必須的。隧道的監(jiān)控系統(tǒng)是隧道能夠安全暢通和正常營運的的基本保證，科學(xué)合理地建設(shè)具有重要意義。

建設(shè)隧道監(jiān)控系統(tǒng)，首先可以減少事故發(fā)生、降低污染、增強隧道通行能力、提高隧道的運營管理水平;其次，通過控制系統(tǒng)預(yù)防火災(zāi)和交通事故的發(fā)生，可以增強管理部門對隧道交通異常事件(例如:火災(zāi)和交通事故)的處理能力;第三，還可以通過確保各種隧道設(shè)備(風(fēng)機、照明燈具、供電設(shè)施)的安全有效運行，降低運營成本，延長隧道使用期限，提高總體經(jīng)濟和社會效益。

公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)一般包括值班人員監(jiān)控中心、供配電變電所、隧道內(nèi)部現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)、以及配套的監(jiān)控軟件組成。筆者以Schneider UnityPremium PLC在龍泉山隧道控制系統(tǒng)［3］應(yīng)用實例來介紹隧道監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

隧道監(jiān)控系統(tǒng)在管理上可實現(xiàn)視頻監(jiān)控、火災(zāi)檢測、緊急電話和廣播等功能。為實現(xiàn)以上幾大功能，系統(tǒng)設(shè)計上分為通風(fēng)控制子系統(tǒng)、消防控制子系統(tǒng)、照明控制子系統(tǒng)、電力監(jiān)控子系統(tǒng)、交通監(jiān)控子系統(tǒng)、緊急電話子系統(tǒng)和有線廣播子系統(tǒng)等［4］。這幾大子系統(tǒng)獨立工作又通過網(wǎng)絡(luò)相互聯(lián)系，優(yōu)點是可避免由于某子系統(tǒng)出現(xiàn)故障而影響其它子系統(tǒng)的正常運行，同時也確保整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行。

隧道監(jiān)控系統(tǒng)組成包括:①由車道指示器、交通信號燈、超高尺寸監(jiān)控構(gòu)成的交通監(jiān)控子系統(tǒng);②由CO/VI檢測、風(fēng)機控制構(gòu)成的通風(fēng)控制子系統(tǒng)。通風(fēng)控制、交通監(jiān)控、消防控制是整個系統(tǒng)控制的重點;照明控制、緊急電話、電力監(jiān)控、有線廣播子系統(tǒng)是整個系統(tǒng)正常運行的保障。筆者重點介紹交通監(jiān)控和通風(fēng)控制系統(tǒng)。隧道監(jiān)控系統(tǒng)組成如圖1［2］。

圖1 隧道監(jiān)控系統(tǒng)組成Fig.1 Components of highway tunnel supervisory system

1.2 交通監(jiān)控系統(tǒng)

交通監(jiān)控系統(tǒng)包括交通信號控制系統(tǒng)和交通視頻監(jiān)控系統(tǒng)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)由隧道洞內(nèi)/洞外攝像機、視頻控制設(shè)備、傳輸通道、數(shù)字硬盤錄像機、監(jiān)視器等組成［4］。在隧道內(nèi)，一般按每隔150 m左右安裝有一臺定焦距彩色攝像機，用以及時直觀地觀測隧道內(nèi)部和外部交通運行情況，對突發(fā)事故現(xiàn)場情況和特殊事件進行確認，為救災(zāi)排險提供準確及時的信息。

交通信號控制系統(tǒng)主要是通過控制隧道內(nèi)部安裝的交通信號燈的狀態(tài)，給司機提供道路信息、便于現(xiàn)場警察疏導(dǎo)交通、保證道路暢通?？刂品桨赴凑！頂D狀態(tài)、事故等3種狀態(tài)進行分類控制。交通信號控制系統(tǒng)主要是通過車輛檢測設(shè)備(如埋地線圈車檢、超聲波車檢、微波車檢等方式)，實現(xiàn)平均車速、車流量、車道占有率等交通參數(shù)的檢測，在交通發(fā)生異常時結(jié)合視頻監(jiān)控信息，判斷隧道內(nèi)的交通狀態(tài)。交通信息數(shù)據(jù)同時也是隧道通風(fēng)控制子系統(tǒng)和隧道照明控制子系統(tǒng)實施控制策略的重要數(shù)據(jù)來源，通過對這些信息數(shù)據(jù)的處理，通風(fēng)控制子系統(tǒng)和照明控制子系統(tǒng)采取不同的控制策略，例如，在發(fā)生異常事件時自動報警。交通信號設(shè)備主要包括車道指示器、交通信號燈、可變限速標志、可變情報板等設(shè)備，是交通控制系統(tǒng)的執(zhí)行設(shè)備。

1.3 通風(fēng)控制系統(tǒng)

公路隧道內(nèi)汽車排出的廢氣，其主要成分有一氧化碳、氮氧化合物、醛類、有機化合物等。一般都是有毒的，刺激人的眼睛和呼吸器官。通風(fēng)控制系統(tǒng)建設(shè)是遵照JTG F 60—2009《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》［1］和相關(guān)規(guī)章制度實施的，目的是保持隧道內(nèi)環(huán)境指標在國家相關(guān)標準允許的范圍內(nèi)。該系統(tǒng)由隧道風(fēng)機控制柜、風(fēng)機、一氧化碳/能見度(CO/VI)檢測儀、風(fēng)速/風(fēng)向檢測儀以及傳輸網(wǎng)絡(luò)組成［5］。通過對環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器采集的實時數(shù)據(jù)的分析，實現(xiàn)對風(fēng)機進行自動控制，達到節(jié)能和風(fēng)機長期穩(wěn)定地運行。

1.4 消防控制系統(tǒng)

消防火災(zāi)報警系統(tǒng)用于隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時發(fā)出緊急救援信號，迅速通告隧道監(jiān)控站的值班人員，請求救援和滅火等活動。主要設(shè)備是安裝在隧道內(nèi)的火災(zāi)報警控制器，用以接收來自火災(zāi)自動探測器和人工報警按鈕傳輸來的信息［6］。當(dāng)自動檢測出火災(zāi)或現(xiàn)場人工報警時，在監(jiān)控中心的火災(zāi)報警工作臺就有緊急告警聲音和信號，并能夠顯示出火災(zāi)報警的地點，經(jīng)視頻監(jiān)視子系統(tǒng)自動將故障地點處的攝像機監(jiān)視畫面調(diào)出供值班人員分析，并提供可選擇的控制方案，待值班員經(jīng)其它手段確認后再進行消防控制和信息發(fā)布。配合火災(zāi)子系統(tǒng)的消防給水控制也實現(xiàn)與火災(zāi)自動報警子系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)聯(lián)動。

1.5 其它控制系統(tǒng)

除了以上主要系統(tǒng)外，電力監(jiān)控子系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對隧道內(nèi)部的變電所及箱式變電站的運行狀態(tài)進行監(jiān)視，并對供配電系統(tǒng)設(shè)備及照明回路、通風(fēng)設(shè)備進行控制［5］。網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)對系統(tǒng)中所使用的交換機及其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的硬件參數(shù)進行監(jiān)控。緊急電話子系統(tǒng)就是在隧道監(jiān)控站設(shè)有緊急電話管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)管理所管轄隧道區(qū)域內(nèi)的緊急電話，在隧道內(nèi)和隧道口一般按每200 m設(shè)置有一個緊急電話。廣播子系統(tǒng)還可以根據(jù)管理的需要，在超過1 000 m的隧道內(nèi)設(shè)置有線廣播子系統(tǒng)，用于在發(fā)生緊急情況時，進行緊急情況的通知。緊急電話信號和有線廣播信號都是通過光纖信號傳輸?shù)礁鱾€隧道內(nèi)的有線廣播終端設(shè)備上的。

2 PLC控制系統(tǒng)

2.1 PLC 系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)根據(jù)隧道長度(約2 km)和實際路況對隧道進行了6個分區(qū)，每個分區(qū)有一個本地現(xiàn)場控制柜，現(xiàn)場傳感器檢測到的環(huán)境參數(shù)通過功能模塊或通過Modbus傳輸協(xié)議輸入到UnityPremium PLC，經(jīng)過PLC的處理再通過光纖以太網(wǎng)傳輸至現(xiàn)場控制工作站，再通過無線通信系統(tǒng)傳輸?shù)秸{(diào)度中心。

本地控制站核心設(shè)備是采用了Schneider公司的Unity Premium TSX572634M PLC和100M bps TCP/IP以太網(wǎng)自愈光纖環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)［2］。該PLC具有32位微處理器的專用計算機，內(nèi)嵌以太網(wǎng)接口，具有多任務(wù)實時操作的功能，可保證各任務(wù)的并行處理，具有各種功能模塊。該TCP/IP以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用的是冗余光纖網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方便、可靠性高、抗電磁干擾的能力比較強。PLC控制系統(tǒng)如圖2［4］。

圖2 PLC控制系統(tǒng)Fig.2 PLC control system diagram

2.2 PLC 控制柜

2.2.1 控制柜的功能特點

本地PLC控制柜根據(jù)客戶需求和隧道的特點，需要具有的功能如下［4］:

就空間效應(yīng)而言，引入經(jīng)濟增長和轉(zhuǎn)移支付條件后，無論是在全國范圍還是在各地區(qū)內(nèi)部，相鄰地區(qū)教育水平的提高都將對相鄰省份教育水平的提升有巨大的推動作用，教育水平的提升具有較強的空間外溢性。

1)收集本區(qū)段檢測設(shè)備檢測的各類信息。

2)對收集信息、進行預(yù)處理，并儲存在儲存單元內(nèi)。

3)在計算機循環(huán)掃描時，將把存儲單元中已處理好的信息上傳給隧道監(jiān)控站計算機。

4)接收隧道監(jiān)控中心計算機的各種控制命令，將控制命令和設(shè)備運行狀態(tài)比較后，發(fā)出對現(xiàn)場執(zhí)行設(shè)備的控制指令。例如對交通信號燈、可變情報板、車道控制標志的指令。

5)還可存儲常用的和特殊的程序，如火災(zāi)緊急處理程序、交通事故處理程序等。

6)現(xiàn)場控制器還設(shè)有手動控制單元。當(dāng)通信中斷或發(fā)生火災(zāi)時，可優(yōu)先進行手動操作。

7)具有故障自檢功能。

根據(jù)以上功能需求，現(xiàn)場設(shè)備控制柜功能示意，外部檢測信號連接控制信號如下［4］:

1)通過Premium PLC的數(shù)字量模塊控制交通信號燈。

2)通過Premium PLC的數(shù)字量模塊和串口通信模塊接收和控制車道控制標志。

3)通過Premium PLC的模擬量模塊接收一氧化碳和能見度信號。

4)通過Premium PLC的數(shù)字量模塊控制射流風(fēng)機。

5)通過Premium PLC的數(shù)字量模塊接收報警信息。

6)通過Premium PLC的通信模塊接收煙霧等火警報警信息。

7)通過Premium PLC的通信模塊與無線通訊模塊DTU通信。

PLC外部檢測的控制信號連接情況如圖3。

圖3 PLC控制信號Fig.3 PLC control signal

2.3 PLC 通風(fēng)控制

通風(fēng)系統(tǒng)控制是該隧道控制的一個重要環(huán)節(jié)，在隧道的出口附近和隧道內(nèi)安裝有射流風(fēng)機60組，送風(fēng)和排風(fēng)機組共9組，雨水泵、廢水泵、消防泵共9臺，CO濃度監(jiān)測儀9臺，能見度監(jiān)測儀9臺。通風(fēng)系統(tǒng)中通過CO/VI探測器實時檢測隧道內(nèi)的CO值，通過風(fēng)速/風(fēng)向檢測儀測量風(fēng)速和風(fēng)向［5］，并將所有參數(shù)通過4～20 mA信號送入PLC。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)與檢測到的環(huán)境實時數(shù)據(jù)與進行比較，再結(jié)合交通量信息數(shù)據(jù)，以及當(dāng)前軸流風(fēng)機的運行臺數(shù)、轉(zhuǎn)向、運行時間，實現(xiàn)風(fēng)機的啟?？刂?。例如，當(dāng)CO值超過設(shè)定值時，自動啟動風(fēng)機及車道的開閉;在發(fā)生火災(zāi)時，還要進行排煙處理，以保證隧道運行環(huán)境的安全和駕駛員的舒適性。通風(fēng)控制分為手動控制和自動控制兩種方式［6］。其中，手動控制優(yōu)先權(quán)高于自動控制。通風(fēng)控制模式分為正常通風(fēng)狀態(tài)和火災(zāi)通風(fēng)狀態(tài)兩種工況。

2.4 PLC 火警控制

該隧道火災(zāi)報警系統(tǒng)能實時檢測隧道內(nèi)溫度的分布狀況，并在監(jiān)視器上顯示溫度動態(tài)分布圖，還可按實際情況設(shè)定和調(diào)整火災(zāi)發(fā)生的預(yù)報警和報警的溫度值、溫升速率值［7］?；馂?zāi)發(fā)生時，系統(tǒng)能發(fā)出聲、光報警信號，準確指示火災(zāi)報警位置，同時將報警信息傳給現(xiàn)場PLC和上傳到現(xiàn)場監(jiān)控室和調(diào)度中心。同時該系統(tǒng)能反映自身工作正常和故障，具有故障自診斷的能力，能連續(xù)檢測火災(zāi)探測器、連接線纜等的工作狀態(tài)，并報告故障及其準確位置。

2.5 PLC 通信網(wǎng)絡(luò)

該隧道通信網(wǎng)絡(luò)采用的是PLC冗余光纖環(huán)網(wǎng)和無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)［8］，通過光纖網(wǎng)絡(luò)進行各PLC單元間的數(shù)據(jù)通信，并通過無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳監(jiān)控管理中心。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)意外故障時，可以自動選擇備用路由恢復(fù)業(yè)務(wù)，例如網(wǎng)絡(luò)線路A出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)能夠自動通過網(wǎng)絡(luò)線路B進行連接;如果隧道發(fā)生火災(zāi)報警，報警信息會通過Modbus通訊傳輸?shù)?Unity Premium PLC，再通過MOXA公司的DTU無線通訊［9］傳輸至道班房，由中控室操作人員發(fā)出應(yīng)急操作指令。冗余光纖環(huán)網(wǎng)和無線數(shù)據(jù)傳輸保證了數(shù)據(jù)處理及時、準確、完整上傳到控制中心。該冗余和無線網(wǎng)絡(luò)如圖4。

圖4 冗余和無線網(wǎng)絡(luò)Fig.4 Redundancy and wireless network

3 結(jié)語

提供了一種采用Schneider Premium PLC架構(gòu)的MODBUS TCP/IP 100Mbps工業(yè)光纖以太環(huán)網(wǎng)和GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通訊模塊為網(wǎng)絡(luò)核心的隧道監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)具有冗余備份，網(wǎng)絡(luò)可靠性高的優(yōu)點，同時實現(xiàn)了現(xiàn)場無人值守控制，提高了運營經(jīng)濟型。該系統(tǒng)交付使用以來，運行情況良好，達到了預(yù)期效果，該設(shè)計方案還具有一定的通用性，已經(jīng)在多條公路隧道中得到應(yīng)用。

［1］ JTG F 60—2009公路隧道施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2009.

［2］ 尹鋒，趙等層，祝勇.高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計［J］.公路工程，2010，35(3):85-91.

Yin Feng，Zhao Dengceng，Zhu Yong.Design about expressway tunnel monitoring system ［J］.Highway Engineering，2010，35(3):85-91.

［3］ 施耐德電氣公司.Schneider UnityPremium Premium系列用戶手冊［M/OL］.China:Schneider-Electric，2010［2010-02-20］.http://www.schneider-electric.cn/sites/china/cn/products-services/automation-control/automation-control.page.

［4］ 張利兵，趙永忠，幺進祥.昆石高速公路隧道區(qū)域控制器RTU［J］.中國交通信息產(chǎn)業(yè)，2005(2):121-122.

Zhang Libing，Zhao Yongzhong，Yao Jinxiang.The RTU of Kunshi highway tunnel［J］.Transportation Information Industry，2005(2):121-122.

［5］ 王志偉，楊超.高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2009，46(6):8-13.

Wang Zhiwei，Yang Chao.Current status and development trend of monitoring systems for expressway tunnels［J］.Modern Tunneling Technology，2009，46(6):8-13.

［6］ 王永振.PLC在高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.可編程控制器與工廠自動化，2007(4):60-62.Wang Yongzhen.A research on freeway tunnel monitoring system based on PLC［J］.PLC ＆ FA，2007(4):60-62.

［7］ 邊艷妮.高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計［J］.科技咨詢，2007(4):88-89.

Bian Yanni.Design of monitoring systems for expressway tunnels［J］.Science＆ Technology Information，2007(4):88-89.

［8］ 皺益仁，馬增良，蒲維.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2003.

［9］ Moxa公司.MOXA EDS用戶手冊［M/OL］.China:Moxa.2010［2010-02-20］.http://www.moxa.com.cn/product/Wireless_Ethernet_Products.htm.