隨著交通工程建設和交通事業(yè)的發(fā)展，我國所建交通隧道的里程迅速延長，不斷增長的交通流量、路況改善以及運輸物品的復雜性，增加了交通隧道的火災和隧道污染等的風險。公路隧道智能化監(jiān)控系統(tǒng)建立，能提高隧道服務水平，提供一個高質(zhì)量、高可靠性的交通與生活環(huán)境。

一、概述
    隨著交通工程建設和交通事業(yè)的發(fā)展，我國所建交通隧道的里程迅速延長，不斷增長的交通流量、路況改善以及運輸物品的復雜性，增加了交通隧道的火災和隧道污染等的風險，引發(fā)了不少嚴重的災難性事故，尤其是火災事故，它不僅嚴重威脅到人的生命和財產(chǎn)安全，而且對交通設施、人類的生產(chǎn)活動造成巨大的損壞。隧道的智能化監(jiān)控顯得越來越重要。

    隨著計算機技術、圖像處理技術、通訊技術、控制技術的發(fā)展，以太網(wǎng)技術和總線技術突破了原有的技術瓶頸，為公路隧道的智能化監(jiān)控提供了一個行之有效的最佳解決途徑，它滿足了社會經(jīng)濟發(fā)展與人們文明生活的高標準的要求，為人類的出行創(chuàng)造了一個安全、方便、快捷、舒適、經(jīng)濟、高效的交通與生活環(huán)境。

二、隧道智能化監(jiān)控系統(tǒng)
    隧道智能化監(jiān)控系統(tǒng)采用分級管理的模式，通過建立多平臺、多系統(tǒng)下的統(tǒng)一管理平臺，實現(xiàn)對所有系統(tǒng)內(nèi)的分監(jiān)控中心、監(jiān)控主機及監(jiān)控設備進行統(tǒng)一有序的協(xié)調(diào)、管理。各分監(jiān)控中心在服從總監(jiān)控中心調(diào)度指揮的同時，能在自己職能范圍內(nèi)管理和調(diào)度其所管轄各隧道內(nèi)的監(jiān)控設備，從而達到集中與分散相結合的多級用戶管理模式。

    隧道智能化監(jiān)控系統(tǒng)主要包括：隧道內(nèi)實時視頻監(jiān)控、車流量、流速檢測、變配電參數(shù)檢測、火災自動報警、照明、通風、緊急電話、環(huán)境監(jiān)測、交通控制等子系統(tǒng)。其中隧道網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的建立，可實時對隧道內(nèi)交通流量和交通運行狀況的監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)異常情況及時采取應急措施，確保隧道高速、安全、舒適、經(jīng)濟地運營。

（一）中央控制中心
    中央監(jiān)控中心是整個隧道智能化監(jiān)控系統(tǒng)的核心，由中心服務器、網(wǎng)絡交換機、視頻工作站、電子地圖、報警主機、數(shù)字矩陣主機、電視墻等組成，其功能主要包括：信息采集功能、信息處理與發(fā)布功能、控制功能、告警處理功能、報表統(tǒng)計與打印功能、查詢功能、自動數(shù)據(jù)備份和系統(tǒng)恢復功能、自動后備功能、聯(lián)網(wǎng)功能及網(wǎng)絡管理等功能。實現(xiàn)對隧道引道區(qū)、隧道區(qū)及出入口區(qū)的信號燈、可變情報板、綜合交通信息板、限速信號板、火災自動報警、應急廣播等的控制功能，達到分流、啟閉車道、引導車輛改道等作用，對車輛的運行實施動態(tài)管理和控制。

1、系統(tǒng)控制模式
    控制是實現(xiàn)隧道監(jiān)控系統(tǒng)目的的根本手段。從系統(tǒng)結構考慮，系統(tǒng)控制應從集散式控制系統(tǒng)逐步發(fā)展為現(xiàn)場控制，從而提高系統(tǒng)的可靠性、維護操作的方便性與降低工程造價，應用現(xiàn)場總線技術，由FCS（無中心控制）代替現(xiàn)在的DCS（集散式控制）和PLC（可編程控制）是發(fā)展的必然趨勢；現(xiàn)場總線作為一種開放的、全數(shù)字化、雙向、多站的通信系統(tǒng)，近年來得到了迅猛的發(fā)展和應用，具有協(xié)議簡單開放、容錯能力強、實時性高、安全性好、成本低、適于頻繁交換等特點，在隧道智能化監(jiān)控中得到了廣泛的應用。

目前所應用的現(xiàn)場總線，模塊化分布式控制系統(tǒng)，主要分為三個系列：
（1）基于以太網(wǎng)和Modbus通訊協(xié)議的Openline系列；
（2）基于Optomux和Modbus通訊協(xié)議的MicroDAC,OpenDAC,OpenLT系列；
（3）基于現(xiàn)場總線Lonworks,Device,Profibus的Microlon,DacNet系列。

2、系統(tǒng)網(wǎng)絡結構形式
    為確保隧道智能化監(jiān)控系統(tǒng)的安全和高可靠性，應采用自愈環(huán)網(wǎng)拓樸結構形式，自愈環(huán)網(wǎng)拓樸結構優(yōu)點突出，如果在環(huán)網(wǎng)的某處發(fā)生斷路，它將自動重新配置網(wǎng)絡使通訊得以繼續(xù)。[nextpage]

3、設備控制
    根據(jù)隧道內(nèi)外的交通狀況、天氣狀況、車流情況，對隧道內(nèi)各交通控制設備進行遠程控制，通過中央控制中心傳送到現(xiàn)場的PLC；現(xiàn)場的PLC根據(jù)中央控制中心的操作指令進行各種操作，將操作信息實時返回給中央控制中心。各PLC能在控制中心出現(xiàn)故障的情況下，獨立進行系統(tǒng)控制，由于使用了環(huán)網(wǎng)結構，各PLC之間查相互通信，實時掌握各PLC的運行狀況。設備控制還包括通信、廣播、消防等設備的監(jiān)控。

4、狀態(tài)監(jiān)視
    在中央控制中心的顯示器上，通過電子地圖，直觀反應出隧道內(nèi)的圖像資料，實時顯示出隧道內(nèi)所有交通控制設備、消防設備、通風設備、變配電設備的工作狀態(tài)和隧道內(nèi)交通狀況的畫面。

5、故障報警
    在系統(tǒng)檢測到故障信息后能立即彈出故障窗口，以閃爍的方式在電子地圖上顯示出相應的故障信息、故障點和故障時間；同時，自動將該故障信息存入故障信息數(shù)據(jù)庫。

6、文檔生成
    對系統(tǒng)內(nèi)各項信息自動進行歸納、分析和整理，生成所需的各種報表，如操作記錄，報警記錄，日報、月報、季報和年報等。

7、數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析
    對系統(tǒng)內(nèi)測量的模擬信息記錄到模擬量歷史數(shù)據(jù)庫中，同時根據(jù)用戶的需要，將記錄在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)信息進行統(tǒng)計與分析，以生成實時趨勢圖和歷史趨勢圖。

（二）PLC控制技術
    PLC是實現(xiàn)整個隧道智能化監(jiān)控的最關鍵設備之一，一臺或多臺PLC控制器配置一套工業(yè)以太網(wǎng)交換機，交換機配置雙光口雙電口。各個PLC控制器通過位于CPU上的10M／100M以太網(wǎng)接口與交換機電口相聯(lián)。各個交換機之間采用雙環(huán)光纜組成100Mbps速率的光纖冗余環(huán)網(wǎng)。中央控制器室設備同樣通過以太網(wǎng)交換機接入光纖冗余環(huán)網(wǎng)。利用PLC網(wǎng)絡技術來實現(xiàn)分布式采樣，即在被控點附近設置采樣單元，就近完成被控點的狀態(tài)采樣和控制輸出，完成該采樣單元內(nèi)部各控制信號的聯(lián)鎖，在各采樣單元之間，通過工業(yè)控制以太網(wǎng)絡進行通訊，實現(xiàn)相互協(xié)調(diào)、相互控制的功能，實現(xiàn)對隧道內(nèi)設備、交通狀況的監(jiān)控。

（三）視頻檢測功能
    對隧道內(nèi)視頻車輛檢測器所采集的視頻信號，進行數(shù)字化處理和數(shù)學模型運算，過濾出事故報警；實現(xiàn)對隧道內(nèi)交通的實時監(jiān)控、事后分析、檢測報警（如擁堵、逆行、棄物及停止等）、交通測量（流量、占有率、平均速度等）。視頻車輛檢測器具有檢測視頻圖像中每一車道和同一行駛方向上所通過的車流量、瞬時速度、車頭時距、道路占有率、車輛長度識別、檢測區(qū)域?qū)挾鹊裙δ堋?

（四）閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)
    在隧道出入口、隧道中間設全方位可控彩色攝像機?，F(xiàn)場視頻圖像采用多路視頻復用光端機和光纜向控制中心傳輸視頻圖像和控制信息，并在控制中心電視墻上實現(xiàn)監(jiān)控圖像的實時顯示。在控制中心可以對彩色攝像機實現(xiàn)遠程遙控，控制包括對全方位云臺和可變鏡頭等，使控制中心的值班員能實時監(jiān)視隧道內(nèi)的交通情況，輔助值班員指揮行車。在發(fā)生災情時，及時了解現(xiàn)場的災害和乘客疏散情況。

（五）緊急電話系統(tǒng)
    隧道設緊急電話，為駕駛員提供一個直接呼救求援的專用通信系統(tǒng)，對火災、交通事故，采用熱線方式，直通計算機主機，并進行聲光報警，與110、120聯(lián)動。[nextpage]

（六）有線廣播系統(tǒng)
    系統(tǒng)可對隧道內(nèi)來往車輛駕駛員播放各種交通信息等；在發(fā)生緊急情況時進行緊急情況的通知，同時，當收到火災報警信號時，能自動進入火災緊急廣播狀態(tài)，與火災自動報警系統(tǒng)實現(xiàn)聯(lián)動。

（七）隧道通風控制子系統(tǒng)
    通風控制子系統(tǒng)主要由風機PLC控制器、隧道內(nèi)區(qū)域控制器、CO/VI檢測器、風速風向檢測器等組成。根據(jù)隧道的通風方式，分別在隧洞中間、進口及通風豎井附近設置CO/VI檢測器及風速風向檢測器，根據(jù)CO/VI和風速風向檢測器的檢測參數(shù)。對洞內(nèi)射流風機采用“PLC風機控制器→PLC區(qū)域控制器→監(jiān)控中心”的三級控制。

    公路隧道發(fā)生火災時，及時啟動軸流風機，保證隧道內(nèi)的最低風速不得低于2.5m/s，使煙霧迅速向同一方向排出，確保車輛有序疏散。

（八）隧道照明控制
    照明控制子系統(tǒng)主要由洞內(nèi)外亮度檢測器和區(qū)域控制器完成，根據(jù)檢測到的洞內(nèi)外亮度數(shù)據(jù)、交通量變化以及白天、黑夜等情況，按照預計的照明控方案控制隧道的照明，調(diào)節(jié)出入口以及洞內(nèi)照明燈具的亮度，防止黑洞和白洞效應，保證行車的安全暢通，同時，在滿足照明要求的情況下達到節(jié)能運行的目的。

（九）電力監(jiān)控
    電力監(jiān)控系統(tǒng)對隧道變電所及箱式變電站的運行狀態(tài)進行監(jiān)視，主要監(jiān)測高、低壓開關柜的工作狀態(tài)、各斷路器的開關狀態(tài)、故障、電流、電壓、頻率、有功功率、功率因素、變壓器溫度等參數(shù)，對供配電系統(tǒng)設備及通風、照明回路進行監(jiān)控，實現(xiàn)顯示、報警、統(tǒng)計、維護等功能。

（十）隧道火災報警
    火災報警方式分為手動報警按鈕和火災自動探測器兩種。

    手動報警按鈕，在隧道內(nèi)按每50米一套設置手動報警按鈕。在緊急情況下由人工按動報警按鈕，將信號傳到隧道監(jiān)控中心。

    自動火災報警探測可采用分布式光纖感溫自動探測器，在隧道內(nèi)頂部敷設感溫火災探測光纜，對隧道內(nèi)進行連續(xù)的溫度檢測。該系統(tǒng)利用光纖作為線性感溫探測器，該探測器基于光纖后向拉曼散射效應，產(chǎn)生一個比光源波長長的光，稱斯托克斯(stokes)光，和一個比光源波長短的光，稱為后斯托克斯(anti-stokes)光，光纖受外部溫度的調(diào)制使光纖中的反斯托克斯(anti-stokes)光強發(fā)生變化，anti-stokes與stokes的比值提供了溫度的絕對指示，利用這一原理可以實現(xiàn)對光纖溫度場的分布式測量，因此，感溫光纖可以將環(huán)境溫度以連續(xù)的線性方式表示出來。該探測系統(tǒng)還可以準確地定位溫度發(fā)生變化的確切位置，定位精確度可達10cm。

    火災報警系統(tǒng)接受隧道內(nèi)、變電所、泵房以及設備用房內(nèi)火災探測器的報警信號，當隧道內(nèi)發(fā)生火災時，發(fā)出緊急信號，發(fā)出聲、光報警信號，并顯示出火災報警的具體位置，經(jīng)過視頻監(jiān)控系統(tǒng)自動將事故地點顯示在相應的工作站和大屏幕上，并啟動相應的控制預案，如啟動應急照明、通風、消防滅火等設施，發(fā)布交通誘導信息，調(diào)度救援車輛及人員等，以便能快速、有序地疏導隧道內(nèi)的車輛和人員，保障隧道及司乘人員的生命財產(chǎn)安全。

（十一）交通信號控制
    交通信號控制主要是用于協(xié)助疏導交通、給司機提供信息，以保證道路暢通。在隧道兩端入口前設置交通信號燈，由控制中心綜合分析各系統(tǒng)的相關信息，控制信號燈的開關及時間的長短。[nextpage]

    在隧道入口處設置一個可變限速標志和一個可變情報板，控制中心根據(jù)隧道內(nèi)的交通狀況，編輯和發(fā)送交通信息、運營指令、路況資料、限速、報警信息等多幅信息，引導進入隧道的車流量，以避免或排除隧道內(nèi)交通阻塞，在突發(fā)事件發(fā)生時關閉隧道通行，在隧道入口處設車高紅外檢測器，對進入隧道的車輛的進行車高測量，利用車牌識別系統(tǒng)，語音系統(tǒng)、視頻檢測系統(tǒng)，對超高車輛進行語音報警。

    在隧道內(nèi)或隧道口設置可變信息標志和可變限速標志，用于在異常情況下發(fā)布隧道內(nèi)交通提示信息和速度控制信息。

三、結束語
    隧道控制系統(tǒng)主要是為了進行隧道交通控制，提高隧道服務水平，提供一個高質(zhì)量，高可靠性，創(chuàng)造一個安全、方便、快捷、高效的交通與生活環(huán)境，其關鍵問題是解決控制網(wǎng)絡模式和提高監(jiān)控設備軟、硬件可靠性，同時，工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)控制領域具有的開放性、高可靠性等優(yōu)勢，在公路隧道的監(jiān)控系統(tǒng)中應用工業(yè)以太網(wǎng)，實現(xiàn)管控一體化，控制軟件智能化，將成為隧道監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。