李婕莉，張國有（太原科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，太原030024）

公路隧道遠(yuǎn)程監(jiān)控的研究與設(shè)計(jì)

李婕莉，張國有
（太原科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，太原030024）

作為高速公路的咽喉地段，隧道內(nèi)日常交通的穩(wěn)定運(yùn)行是保證高速公路正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重中之重，所以研究一套完善的隧道監(jiān)控系統(tǒng)尤為重要。系統(tǒng)按照監(jiān)控分中心、隧道管理站和隧道現(xiàn)場(chǎng)三級(jí)控制模式設(shè)計(jì)，其中隧道管理站是整個(gè)監(jiān)控平臺(tái)的核心。為保證數(shù)據(jù)傳輸速度系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫處理數(shù)據(jù)，為保證系統(tǒng)安全對(duì)用戶設(shè)置不同角色和操作權(quán)限，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、高效、準(zhǔn)確的監(jiān)控隧道的目的。

監(jiān)控系統(tǒng)；數(shù)據(jù)庫；用戶管理

0　引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度的加快和現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)，公路隧道的項(xiàng)目建設(shè)也迅速發(fā)展起來，道路交通建設(shè)取得明顯成果。我國是個(gè)多山地、丘陵的國家，特殊的地質(zhì)條件使我國必然建設(shè)很多隧道。由于隧道中環(huán)境密閉，容易發(fā)生交通事故，所以加強(qiáng)隧道中的安全運(yùn)營管理顯得極為重要。為了使隧道中交通環(huán)境更加方便、安全和高效，為了及時(shí)應(yīng)對(duì)隧道內(nèi)的突發(fā)事故，有效地保障隧道內(nèi)行車安全越來越多地受到政府交通部門的重視。然而，現(xiàn)今大多數(shù)公路隧道車輛監(jiān)控都是通過人工觀看視頻，而完全依靠監(jiān)控人員觀看視頻監(jiān)控不僅會(huì)增加政府財(cái)政支出，而且由于監(jiān)控人員有限的精力和注意力，很容易出現(xiàn)疏漏。為了能夠?qū)λ淼纼?nèi)發(fā)生的異常情況及時(shí)做出反應(yīng)并進(jìn)行分析處理，設(shè)計(jì)一個(gè)完善的公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)尤為重要，本文就我們完工的某公路隧道監(jiān)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。

1　系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.1系統(tǒng)組成

隧道監(jiān)控平臺(tái)的管理模式是對(duì)平臺(tái)的軟件和設(shè)備配置進(jìn)行集中管控。隧道采用片區(qū)監(jiān)控中心、隧道管理站和隧道現(xiàn)場(chǎng)三級(jí)控制模式。一般情況下，隧道的日常運(yùn)營管理和處理事件由隧道管理站負(fù)責(zé)，隧道管理站可以向區(qū)域控制器下達(dá)控制指令驅(qū)動(dòng)終端控制設(shè)備（如設(shè)備狀態(tài)控制、設(shè)備閾值設(shè)置、設(shè)備操作方式和系統(tǒng)控制預(yù)案等等）。監(jiān)控總中心擁有最高的控制權(quán)限，它可以協(xié)調(diào)控制各片區(qū)監(jiān)控中心。片區(qū)監(jiān)控中心可通過隧道管理站實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道的管理，它擁有比隧道管理站更高的權(quán)限。各管理站一般都無人職守,若有緊急情況管理人員可以到管理站人工控制隧道設(shè)備。如圖1所示為隧道監(jiān)控系統(tǒng)控制模式圖：

圖1　隧道監(jiān)控控制模式圖

1.2PLC組網(wǎng)與通信

系統(tǒng)組網(wǎng)方式采用工業(yè)以太網(wǎng)組成控制層環(huán)網(wǎng)，再將交換機(jī)與PLC鏈接，設(shè)備之間的通信使用遠(yuǎn)程的I/O通信。以某隧道為例，隧道左右洞通過以太網(wǎng)交換機(jī)光纖組成以太自愈環(huán)網(wǎng)，圖2所示為其結(jié)構(gòu)圖：

圖2　隧道PLC環(huán)網(wǎng)圖

2　隧道監(jiān)控平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

2.1數(shù)據(jù)庫模塊

數(shù)據(jù)庫是隧道監(jiān)控平臺(tái)的核心，是監(jiān)控系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備聯(lián)系的紐帶。監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，隧道設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)要上傳到隧道管理站，同時(shí)中心計(jì)算機(jī)發(fā)布的控制指令也要實(shí)時(shí)傳到隧道現(xiàn)場(chǎng)，這些都要以數(shù)據(jù)庫為中心。

數(shù)據(jù)庫模塊可以存儲(chǔ)隧道監(jiān)控平臺(tái)和相關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)，對(duì)于系統(tǒng)中大量數(shù)據(jù)應(yīng)運(yùn)用分月建表的方式，需要獲取歷史數(shù)據(jù)時(shí)可以直接從統(tǒng)計(jì)表中獲取而不需要再次統(tǒng)計(jì)，為統(tǒng)計(jì)處理數(shù)據(jù)節(jié)省大量時(shí)間。

在系統(tǒng)中添加、修改、刪除和查詢?cè)O(shè)備都需要操作數(shù)據(jù)庫，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行定義、初始化、建立數(shù)據(jù)詞典并成功連接數(shù)據(jù)庫后，即可通過代碼實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫的相應(yīng)操作。系統(tǒng)數(shù)據(jù)操作流程圖如下圖3所示，客戶端發(fā)出請(qǐng)求到服務(wù)器，通過登錄驗(yàn)證，從服務(wù)器取出數(shù)據(jù)和文件。

圖3　系統(tǒng)數(shù)據(jù)操作流程圖

2.2系統(tǒng)監(jiān)控

系統(tǒng)監(jiān)控包括交通、照明、通風(fēng)、消防、報(bào)警及事故處理和隧道緊急電話及廣播六大子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)通過PLC與設(shè)備之間進(jìn)行通信，系統(tǒng)通過文字、表格和數(shù)據(jù)曲線等形式展現(xiàn)所出采集的設(shè)備自檢數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和系統(tǒng)報(bào)警信息等。

（1）交通監(jiān)控子系統(tǒng)

交通監(jiān)控子系統(tǒng)實(shí)時(shí)收集車輛檢測(cè)線圈、CO/VI檢測(cè)器和火災(zāi)報(bào)警器等設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)過判斷和處理后，通過隧道車道通行燈、交通信號(hào)燈和可變情報(bào)板標(biāo)語控制隧道交通流，提高隧道運(yùn)營效率。系統(tǒng)將采集到的信息與預(yù)先在本地控制器上設(shè)置閾值進(jìn)行比較，若有異常情況如CO濃度超過閾值或者發(fā)生火災(zāi)、交通事故，系統(tǒng)可以自動(dòng)控制程序也可以提示建議處理方案后經(jīng)過人工確認(rèn)再執(zhí)行。

（2）照明監(jiān)控子系統(tǒng)

照明監(jiān)控子系統(tǒng)分四級(jí)控制，包括白天、黃昏、夜間和深夜。照明控制系統(tǒng)將照度檢測(cè)器采集的實(shí)時(shí)照度與預(yù)先設(shè)置的閾值比較后自動(dòng)開啟對(duì)應(yīng)級(jí)別的照明,控制洞內(nèi)外照度使之不會(huì)相差太大,避免駕駛員出入隧道時(shí)視覺上帶來不適，保證行車安全。照度檢測(cè)器主要檢測(cè)洞內(nèi)照度,并對(duì)應(yīng)照明等級(jí)判斷照明燈具是否完好,若照度沒有達(dá)到照明等級(jí)要求的照度時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)彈出窗口提醒監(jiān)控人員照明設(shè)備損壞,管理人員經(jīng)過核實(shí)后可通知工作人員檢查設(shè)備。同時(shí),管理人員可以依據(jù)具體情況人工啟動(dòng)或關(guān)閉照明設(shè)備。

（3）通風(fēng)監(jiān)控子系統(tǒng)

通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)采集的信息如一氧化碳濃度、可見度、交通擁堵情況等自動(dòng)開啟、關(guān)閉相應(yīng)的風(fēng)機(jī)。如果收集的數(shù)據(jù)超出閾值達(dá)到報(bào)警級(jí)別,系統(tǒng)根據(jù)報(bào)警級(jí)別開啟對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)，并根據(jù)CO濃度、能見度檢測(cè)值和風(fēng)速風(fēng)向決定開啟風(fēng)機(jī)的大小和數(shù)量。各級(jí)閾值和風(fēng)機(jī)開啟的數(shù)量、時(shí)間間隔可根據(jù)具體情況在監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)定。發(fā)生火災(zāi)時(shí)，通風(fēng)系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)火災(zāi)區(qū)內(nèi)的風(fēng)機(jī)，同時(shí)考慮到煙霧會(huì)進(jìn)入相鄰隧道，所以應(yīng)啟動(dòng)相鄰隧道洞口處風(fēng)機(jī)加快排煙。除此之外,隧道監(jiān)控人員可根據(jù)具體情況在監(jiān)控平臺(tái)、隧道管理站、可編程控制柜選擇需要控制的風(fēng)機(jī),并控制其開啟、關(guān)閉、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止等。

（4）消防監(jiān)控子系統(tǒng)

消防監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)液位儀檢測(cè)消防系統(tǒng)高低位水池水位、中間水位信號(hào)的信息，如果液位儀檢測(cè)到水位過高或過低，立刻向隧道管理站發(fā)出報(bào)警。系統(tǒng)經(jīng)過分析判斷后，可以通過自動(dòng)啟停消防泵實(shí)現(xiàn)對(duì)消防泵啟停的全自動(dòng)控制；監(jiān)控人員也可以根據(jù)水池水位數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷后，在監(jiān)控管理站遠(yuǎn)程遙控消防泵的啟停。

（5）報(bào)警及事故處理子系統(tǒng)

報(bào)警包括設(shè)備報(bào)警、事故報(bào)警、閾值報(bào)警、火災(zāi)報(bào)警和其他報(bào)警等，當(dāng)發(fā)生異常情況時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)確認(rèn)發(fā)生故障的設(shè)備或事故地點(diǎn)，同時(shí)伴隨報(bào)警聲。監(jiān)控系統(tǒng)停留在報(bào)警頁面直到操作員進(jìn)行事故確認(rèn)方可停止。操作員對(duì)報(bào)警確認(rèn)后可通過手工處理，也可執(zhí)行系統(tǒng)預(yù)案或者自定義預(yù)案進(jìn)行處理。

當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)會(huì)將報(bào)警信號(hào)上傳至隧道監(jiān)控站火災(zāi)報(bào)警計(jì)算機(jī)。中心計(jì)算機(jī)通過分析后形成控制方案，系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)CCTV將監(jiān)視畫面切換到最靠近事故點(diǎn)的攝像機(jī)畫面，管理人員通過顯示屏實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控報(bào)警的隧道。系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)隧道管理站內(nèi)交通監(jiān)控系統(tǒng)、通風(fēng)控制系統(tǒng)、照明控制系統(tǒng)，并通過可變情報(bào)板及隧道廣播發(fā)布警告信息及交通誘導(dǎo)信息；通過車道通行燈和交通信號(hào)燈等設(shè)備控制隧道內(nèi)交通流；通過通風(fēng)系統(tǒng)的控制方案控制隧道內(nèi)的風(fēng)機(jī)設(shè)備風(fēng)向、開啟數(shù)量，減少隧道內(nèi)CO濃度等；通過聯(lián)動(dòng)照明控制系統(tǒng)強(qiáng)制開啟事故隧道內(nèi)所有照明回路，對(duì)隧道火災(zāi)進(jìn)行及時(shí)有效的控制，確保道路使用者的安全，并將損失降低到最小。

（6）隧道緊急電話及廣播子系統(tǒng)

隧道洞內(nèi)外均設(shè)置緊急電話及廣播系統(tǒng)，隧道管理站內(nèi)有隧道緊急電話及有線廣播控制計(jì)算機(jī)、主機(jī)及其他外設(shè)等，用于收集管轄路段內(nèi)隧道事故報(bào)警信息及向發(fā)生事故的隧道廣播，給駕駛員提供警告、緊急調(diào)度信息，平時(shí)也可以利用此系統(tǒng)向司機(jī)傳遞交通實(shí)時(shí)信息等。

2.3系統(tǒng)管理

為了方便系統(tǒng)管理，保證系統(tǒng)安全，按照用戶角色管理、設(shè)備管理、閾值管理、預(yù)案管理、手工事件管理、報(bào)表管理、日志管理和數(shù)據(jù)備份等模塊進(jìn)行管理。

（1）用戶角色管理

系統(tǒng)賦予不同的用戶不同的管理權(quán)限。此系統(tǒng)將用戶角色分為系統(tǒng)管理員、報(bào)表管理員、系統(tǒng)操作員、普通操作員和監(jiān)視員五種角色。其中系統(tǒng)管理員和報(bào)表管理員為系統(tǒng)管理用戶，具有用戶賬號(hào)和角色的分配與審批權(quán)限；系統(tǒng)操作員、普通操作員和監(jiān)視員為監(jiān)控用戶，系統(tǒng)操作員具有各個(gè)子系統(tǒng)的操作權(quán)限，普通操作員只有一個(gè)子系統(tǒng)的操作權(quán)限，監(jiān)視員只能查看系統(tǒng)設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息。

（2）設(shè)備管理

設(shè)備管理功能：實(shí)現(xiàn)設(shè)備的基本信息、通信端口和參數(shù)等信息的增加、刪除、修改等操作；管理隧道內(nèi)各子系統(tǒng)的主線設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備、控制設(shè)備及設(shè)備通訊參數(shù)（包括PLC設(shè)備參數(shù)、情報(bào)板參數(shù)等）；對(duì)PLC和其他設(shè)備分組，必要時(shí)按照分組控制設(shè)備；可設(shè)置報(bào)警級(jí)別及報(bào)警聲音。

（3）閾值管理

閾值管理包括對(duì)隧道交通狀況（如車流量、車速等）、環(huán)境狀況（如CO濃度、可見度、光照度等）門限值的管理。對(duì)設(shè)備的控制門限值、報(bào)警門限值進(jìn)行設(shè)值，用于預(yù)案控制和系統(tǒng)報(bào)警等功能的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)可以單獨(dú)選擇某個(gè)設(shè)備，也可以選擇某一種類型的設(shè)備進(jìn)行閾值設(shè)置。

（4）預(yù)案管理

預(yù)案管理用于實(shí)現(xiàn)預(yù)案信息管理，如增加、刪除、修改等操作，包括單系統(tǒng)預(yù)案、聯(lián)動(dòng)預(yù)案和自定義預(yù)案。單系統(tǒng)預(yù)案包括：交通、照明、通風(fēng)和消防等控制預(yù)案。聯(lián)動(dòng)預(yù)案將各個(gè)單系統(tǒng)預(yù)案進(jìn)行組合，進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。自定義預(yù)案可根據(jù)隧道的上下行選擇不同的設(shè)備進(jìn)行預(yù)案制定，可設(shè)置預(yù)案中各設(shè)備的延時(shí)啟動(dòng)時(shí)間。

（5）手工事件管理

手工事件管理用于實(shí)現(xiàn)對(duì)手工事件的增加、修改、刪除、查詢、統(tǒng)計(jì)等。事件信息來源包括：隧道緊急電話、隧道養(yǎng)護(hù)人員、巡邏車、攝像機(jī)、交警等。手工事件錄入完成后將自動(dòng)記錄到數(shù)據(jù)庫中，以便日后查詢、分析。

（6）報(bào)表管理

報(bào)表管理可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中所有原始數(shù)據(jù)按條件進(jìn)行查詢、打印、導(dǎo)出結(jié)果，分為管理報(bào)表、數(shù)據(jù)報(bào)表和預(yù)案報(bào)表三大類。

（7）日志管理

日志管理包括用戶操作日志和系統(tǒng)運(yùn)行日志，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)日志的查詢、統(tǒng)計(jì)和打印等。用戶操作日志包括用戶的登錄信息、退出信息和下發(fā)控制指令等；系統(tǒng)運(yùn)行日志包括設(shè)備故障、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及其改變時(shí)間、系統(tǒng)報(bào)警事件及處理方式和結(jié)果等。

（8）數(shù)據(jù)備份

數(shù)據(jù)備份包括：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存、歷史數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存、數(shù)據(jù)庫自動(dòng)備份和數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)手動(dòng)備份等。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存：每日固定時(shí)間點(diǎn)轉(zhuǎn)存前一天的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；歷史數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存：每日固定時(shí)間點(diǎn)轉(zhuǎn)存前一年的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)自動(dòng)備份：每月固定時(shí)間點(diǎn)自動(dòng)備份數(shù)據(jù)庫，備份的.bak文件存儲(chǔ)在服務(wù)器指定的硬盤目錄下；數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)手動(dòng)備份：系統(tǒng)管理員可以通過后臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行實(shí)時(shí)手動(dòng)備份。

3　結(jié)語

本文首先引入系統(tǒng)研究的目的和意義；其次對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和組網(wǎng)進(jìn)行說明；最后對(duì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)說明，包括數(shù)據(jù)庫模塊、系統(tǒng)監(jiān)控和系統(tǒng)管理。此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、高效、準(zhǔn)確的監(jiān)控隧道的目的，為隧道管理者提供了一套完善、可靠、穩(wěn)定的設(shè)計(jì)方案，便于隧道的運(yùn)營管理。

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Monitoring System;Database;User Management

Research and Design of Highway TunnelMonitoring System

LIJie-li，ZHANG Guo-you
（Departmentof Computer Science and Technology，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024）

As the throatarea of highway,the stable operation of the tunnel daily traffic is very important to ensure the normal operation of the highway.Therefore,a comprehensive research on the tunnel monitoring system is particularly important.Designs the system in accordance with three levels of controlmodes:monitoring and control center,the tunnel station and tunnel devices,and among of them the tunnel station is the core of the wholemonitoring station platform.The system uses real-time database to ensure the speed of data processing and transmitting,and it sets up different roles and operating authorities for the users to ensure system security.It implements the purpose of real-time,efficient and accuratemonitoring of the tunnel.

1007-1423（2015）15-0066-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.15.017

李婕莉（1989-），女，山西臨汾人，碩士研究生，研究方向?yàn)楣匪淼肋h(yuǎn)程監(jiān)控相關(guān)技術(shù)

張國有（1972-），男，山西忻州人，博士，副教授，研究方向?yàn)檐浖?/p>

2015-03-26

2015-05-05