姚 丹，朱映雪，吳 燕，何坤城，吳雪琪

(西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)高速公路建設(shè)迅猛發(fā)展，隧道修建總長(zhǎng)度以及單洞長(zhǎng)度越來(lái)越長(zhǎng)[1]?？紤]到隧道環(huán)境的特殊性，如果發(fā)生塌陷、火災(zāi)、交通事故等重大事故，對(duì)災(zāi)后救援、人員疏散來(lái)說(shuō)是個(gè)極大的挑戰(zhàn)。目前，高速公路隧道工程建設(shè)趨于標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，因此，進(jìn)一步深入探究高速公路安全管理方法和經(jīng)驗(yàn)大有裨益[2]。

本文在分析常用逃生方案優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一套公路隧道人員逃生的解決方案，設(shè)計(jì)了一套智能逃生系統(tǒng)，當(dāng)高速公路隧道內(nèi)發(fā)生重大事故時(shí)，通過(guò)軟件服務(wù)器端遠(yuǎn)程控制逃生設(shè)備，幫助逃生人員辨明逃生出口，指引逃生方向，引導(dǎo)撤離。

1 隧道交通智能逃生引導(dǎo)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)模擬了隧道內(nèi)部40個(gè)橫洞，其總體架構(gòu)如圖1所示。隧道內(nèi)部的40個(gè)橫洞分別分布著40個(gè)主控模塊，主控分左幅及右幅兩部分，分別包括誘導(dǎo)標(biāo)控制[3]、語(yǔ)音播報(bào)及信息板等分模塊。在隧道管理處裝有服務(wù)器管理軟件負(fù)責(zé)管理(詢問(wèn)當(dāng)前狀態(tài)、控制當(dāng)前狀態(tài))隧道內(nèi)的40個(gè)主控模塊。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)庫(kù)、服務(wù)器及主控模塊3個(gè)部分。數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)，記錄各個(gè)模塊的運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)通過(guò)服務(wù)器管理界面完成對(duì)橫洞主控模塊的模式控制及定時(shí)監(jiān)測(cè)，并將運(yùn)行狀態(tài)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，便于隧道管理處的管理人員統(tǒng)計(jì)分析，及時(shí)維護(hù)設(shè)備，同時(shí)主控模塊對(duì)服務(wù)器端發(fā)送反饋指令，并顯示在服務(wù)器管理界面上。也可直接通過(guò)主控模塊上的應(yīng)急按鈕來(lái)控制各分模塊。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)旨在實(shí)現(xiàn)當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生緊急情況時(shí)，能夠引導(dǎo)人員及車輛快速離開(kāi)危險(xiǎn)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)整個(gè)隧道智能化管控。

如圖2所示，系統(tǒng)的硬件部分主要包括：信息顯示屏、語(yǔ)音設(shè)備、誘導(dǎo)設(shè)備、應(yīng)急按鈕、主控設(shè)備等。終端主控設(shè)備功能：響應(yīng)服務(wù)器控制或詢問(wèn)指令；控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息返回服務(wù)器。

圖2 終端主控模塊框圖

主控設(shè)備選用型號(hào)為STM32F103的32位ARM微控制器[4]，響應(yīng)服務(wù)器端的指令，實(shí)現(xiàn)信息處理和對(duì)各子部件的控制，并向服務(wù)器端發(fā)送反饋指令；誘導(dǎo)設(shè)備能夠顯示箭頭指向，引導(dǎo)人員及車輛前往安全區(qū)域；信息顯示設(shè)備在實(shí)際中主要安裝在隧道的出口、入口及橫洞處，當(dāng)隧道有緊急事件發(fā)生時(shí)及時(shí)將相關(guān)信息顯示在屏上，以提醒即將進(jìn)入隧道的車輛減速慢行、禁止進(jìn)入或引導(dǎo)隧道內(nèi)車輛安全撤離；當(dāng)有緊急情況發(fā)生時(shí)，遇事人員可按下應(yīng)急按鈕自主實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道的初步管理，同時(shí)在服務(wù)器端也會(huì)有一個(gè)反饋信息以提醒工作人員及時(shí)處理險(xiǎn)情。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

每一個(gè)隧道現(xiàn)場(chǎng)的任意橫洞內(nèi)都會(huì)安裝一個(gè)主控模塊，在隧道管理處會(huì)裝有服務(wù)器軟件，用以查詢并控制當(dāng)前任意隧道內(nèi)的40個(gè)主控模塊中任意模塊的狀態(tài)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，主控模塊定時(shí)向服務(wù)器軟件傳送管理數(shù)據(jù)，服務(wù)器軟件隨時(shí)保存主控模塊傳來(lái)的數(shù)據(jù)，并在每一次主控模塊工作狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)做詳細(xì)的記錄，包括：時(shí)間、模塊名稱、模塊動(dòng)作、是否有故障，并對(duì)工作狀態(tài)和故障進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)。

3.1 系統(tǒng)主操作

為使管理人員操作簡(jiǎn)單方便，通過(guò)點(diǎn)擊界面上的按鈕即可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制主控模塊，該過(guò)程是通過(guò)局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的。

服務(wù)器端將消息發(fā)送至主控模塊，主控模塊將接收到的信息進(jìn)行解析后控制相應(yīng)分模塊，并反饋服務(wù)器端主控切換狀態(tài)成功。系統(tǒng)主操作流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)主操作流程圖

服務(wù)器軟件與主控模塊指令格式說(shuō)明如表1所示。

表1 服務(wù)器軟件與主控模塊指令格式說(shuō)明

例如指令為0xE8 0xE9 0x00 0x01 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x92 0xF9時(shí)，即為服務(wù)器軟件給ID為0x01的主控模塊發(fā)送所分模塊為常規(guī)模式。

3.2 服務(wù)器端軟件設(shè)計(jì)

管理人員通過(guò)服務(wù)器端主界面對(duì)主控模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，也可在子界面上完成信息界面配置、歷史數(shù)據(jù)查詢及導(dǎo)出等操作。服務(wù)器端主程序框圖如圖4所示。

圖4 服務(wù)器端主程序框圖

程序初始化時(shí)服務(wù)器端首先讀取配置文件主控模塊IP，根據(jù)配置文件中主控模塊的數(shù)量生成主控模塊類的數(shù)量并填充配置表。之后服務(wù)器端按時(shí)間分配詢問(wèn)主控模塊或根據(jù)實(shí)時(shí)表反饋情況給主控模塊發(fā)送切換工作狀態(tài)命令，同時(shí)拋出線程接收各主控模塊傳回的數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)傳回?cái)?shù)據(jù)是否存在異常，若不存在異常，分析數(shù)據(jù)后更新實(shí)時(shí)表，并判斷是否有故障信息或發(fā)生誘導(dǎo)模式；若有，則更新數(shù)據(jù)庫(kù)記錄表。服務(wù)器10 s內(nèi)所有40個(gè)主控模塊可完成一次應(yīng)答，奇數(shù)秒更改網(wǎng)絡(luò)標(biāo)志。

3.3 主控模塊軟件設(shè)計(jì)

主控模塊安裝在隧道內(nèi)，與隧道管理處的服務(wù)器軟件部分構(gòu)成一個(gè)整體。因?yàn)樗淼纼?nèi)有多個(gè)主控，每個(gè)主控模塊要實(shí)現(xiàn)多個(gè)功能，因此需通過(guò)多線程[5]進(jìn)行控制。

待主控模塊與服務(wù)器建立連接，等待并執(zhí)行服務(wù)器端的控制指令后，向服務(wù)器端回復(fù)一條當(dāng)前狀態(tài)指令。其程序框圖如圖5所示。

圖5 主控模塊程序框圖

4 測(cè)試與應(yīng)用

4.1 功能測(cè)試

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)軟硬件各個(gè)功能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明系統(tǒng)可正常運(yùn)行，各個(gè)功能完全符合預(yù)期。

系統(tǒng)性能指標(biāo)如表2所示。

表2 系統(tǒng)性能指標(biāo)

4.2 應(yīng)用案例

西漢高速全長(zhǎng)258.65 km，全線設(shè)管理處1個(gè)，管理所4處。其中秦嶺隧道群內(nèi)分布著186個(gè)橫洞門，隧道內(nèi)每150 m設(shè)有一個(gè)監(jiān)控?cái)z像頭和有線廣播揚(yáng)聲器，監(jiān)控隧道內(nèi)部情況，指導(dǎo)緊急情況下人員逃生。每500 m設(shè)有一個(gè)車行橫洞、一個(gè)緊急停車區(qū)和一個(gè)人行橫洞，橫洞是雙向隧道連接洞，緊急狀態(tài)下，人車可通過(guò)橫洞轉(zhuǎn)移。

圖6所示為服務(wù)器端主界面，設(shè)置可管理40個(gè)主控模塊，其中01～38號(hào)主控用于橫洞內(nèi)設(shè)備管理，AA號(hào)與BB號(hào)主控用于隧道外顯示屏控制。通過(guò)點(diǎn)擊界面上的按鈕可以分別對(duì)某個(gè)主控模塊進(jìn)行操作，也可以一次性對(duì)全體主控模塊進(jìn)行操作。根據(jù)該實(shí)際情況，可在秦嶺隧道群的3條特長(zhǎng)隧道內(nèi)分別配置3套系統(tǒng)，在管理所配置服務(wù)器端，管理人員通過(guò)局域網(wǎng)即可遠(yuǎn)程控制主控模塊，在緊急情況下引導(dǎo)車輛、人員逃離現(xiàn)場(chǎng)。

圖6 服務(wù)器主界面

5 結(jié)論

本文著眼于智能化設(shè)計(jì)隧道逃生系統(tǒng)，從功能需求和設(shè)計(jì)理念出發(fā)，詳細(xì)地介紹了智能逃生引導(dǎo)系統(tǒng)的基本工作原理，并給出了系統(tǒng)框圖和軟件流程圖，講

述了系統(tǒng)各個(gè)功能特點(diǎn)。系統(tǒng)主要可應(yīng)用于隧道通道中交通事故、火災(zāi)事故、有害氣體泄露、坍塌事故等發(fā)生時(shí)的人員及時(shí)逃生和車輛快速疏散，具有方便、高效、易于操作等優(yōu)勢(shì)，可以減小救援難度及節(jié)約人力成本，推動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。

[1] 張臻. 公路隧道逃生方案研究[D]. 西安：長(zhǎng)安大學(xué), 2009.

[2] 張景歡, 郭大雨. 高速公路隧道安全管理研究[J]. 冶金叢刊, 2016(7)：132.

[3] 劉大鵬. 高速公路線形誘導(dǎo)標(biāo)志設(shè)置研究[D].昆明：昆明理工大學(xué), 2006.

[4] 黃智偉, 王兵, 朱衛(wèi)華. STM32F 32位ARM微控制器應(yīng)用設(shè)計(jì)與實(shí)踐(第2版)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 2014.

[5] 伍光勝, 宋信忠, 鄭明輝. 多線程技術(shù)及其應(yīng)用的研究[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究, 2001, 18(1):33-36.