高速公路隧道监控系统方案设计

胡振昌

（河北承德承朝高速公路管理处，河北承德 067000）

高速公路隧道监控系统方案设计

胡振昌

（河北承德承朝高速公路管理处，河北承德 067000）

高速公路隧道是典型的狭长构筑物，其内部空间狭窄、封闭性较高，但交通流量较大，倘若隧道内出现交通事故，极易导致严重后果。论文基于某高速公路隧道研发项目，设计了针对该隧道的监控系统，并采用YUMATUNNELSYSTEM监控系统软件在上位机中对隧道的各个子系统进行了监控设计与实现。在实时监控高速公路隧道通行情况的同时，合理地调节并优化了隧道内交通流量，从而对该隧道的安全、高效运行起到了重要作用。

隧道监控系统；数据采集；上位机；系统设计

1 引言

我国是一个多山的国家，桥梁和隧道在山区高速公路中占的比例很大。由于高速公路隧道在结构上的特殊性，对交通安全性的要求日益提高[1]。目前，国外针对高速公路隧道的监控系统大多基于隧道的土建结构载入电子检测系统，实现对隧道交通情况的实时监控；国内的隧道监控系统主要依赖于进口，其隧道监控适用性较差、自动化水平较低，主要问题在于如何提高监控软件的智能化水平和解决网络控制模式问题。

2 系统需求分析

高速公路隧道监控主要是完成对隧道内流量、设备运行状况及隧道内二氧化碳浓度等环境参数的检测，并将数据进行处理分析，为隧道管理提供基础数据，从而有效地减少隧道内的交通事故，提高高速公路隧道管理水平[2]。系统需求分析主要包括以下几方面。

1）数据交换。这里的数据包括实时采集的数据和控制中心下发的控制指令。采集的数据为隧道内的环境参数、道路情况及车流量情况等，下发的控制指令是根据采集的数据进行分析后，控制中心所作出的相应的控制。

2）数据处理。数据处理包括对采集数据的运算分析和对分析结果直接的展示，比如对数据分析结果进行统计报表、分类汇总及图表绘制等。

3）画面展示。在监控界面上实时显示采集到的数据信息，方便管理人员对隧道现场直观地掌握。

4）控制模式。对隧道的控制分为手动、群控及自动控制模式，管理人员可以根据现场的具体情况进行手动控制，也可根据现场条件判断进行自动控制。

3 监控系统设计

隧道监控系统由交通监控子系统、通风控制子系统、照明控制子系统、道路控制、火灾报警及应急控制系统等组成，通过利用现代通信技术，将采集到的交通和道路数据及时反馈给控制中心，通过相应软件对采集的信息进行处理和运算，利用控制策略和现场的条件判断，做出显影的控制指令，保证隧道安全高效的运行[3]。系统的整体框架图如图1所示。本系统的监控软件采用高速公路专用的监控软件 YUMA TUNNELSYSTEM 2.0，该监控软件操作简单，界面简单明了，并完善了照明、通风等控制系统，同时可完成对隧道信息的采集、存储及显示，满足系统设计的要求。

图1 高速公路隧道监控系统总体框架图

3.1 上位机系统设计

上位机系统包括交通环境信息监测系统、外场管理系统。在交通环境信息采集系统中，通过隧道内安置的CO/VI检测器、风向风速检测器、光强检测器等，完成由外到内的车流量、车速、风速、风向、光强、CO浓度等环境和设备数据采集，并将采集的数据分别以曲线和数值两种方式进行展示。

外场设备管理主要是对设备基本信息进行记录和管理，信息包括设备的编号、名称、规格型号及安装位置等，同时还包括设备的维修记录、故障记录及运行状况和记录人等相关信息，本系统的场外设备主要包括CO/VI检测器、风向风速检测器、光强检测器等。对设备进行详细的登记，方便管理人员对任意处安放的设备进行查看，加强了对设备的管理。

3.2 交通监控子系统设计

交通子系统与驾驶人员的关系最为紧密，交通监控子系统可根据采集来的数据进行分析，做出相应的交通管制，如切换交通信号来开放或关闭隧道的运行，充分利用高速路上的交通信号装置来减少交通事故。该系统是由交通监控工作站、PLC、交换机及交通信号装置等组成。系统通过外场设施对各种信息进行采集，经控制器进行运算、判断生成相应的信号显示，管理人员确定之后即可实施，同时，当现场交通异常时，管理人员可直接通过输入控制信息来完成对交通信号的转变，发布临时交通管制。道路的交通信号指示，在监控界面上实时显示。可变信号控制界面如图2、图3，点击图2的上行线车道信号控制按钮，切换到图3。

图2 可变信号控制图

图3 信号控制图

3.3 通风控制子系统设计

通风控制子系统根据在隧道内安置的传感器采集到的能见度数据、CO浓度等数据，通过控制策略判断风机开机的台数和风机的风速和风向，以保证隧道内的环境处于相对稳定的状态，当发生火灾时，根据事故发生地点做相应的排烟处理。系统运行时，首先在监控软件上模拟隧道的全貌，并动态地显示各处风机的运行状态，风机的控制分为自动控制和手动控制。

隧道的通风主要是为了稀释隧道内的有害气体CO及汽车尾气，在隧道风量的选择上要综合考虑隧道的工况及有害气体的浓度，选取最大值作为设计风量[4]。

隧道内的CO释放量为：

式中，QCO为洞内全段CO释放量；qco为每辆标准车每公里的CO排放的体积；fa为CO的车况系数；fd为车流密度系数；fh为CO的海拔修正系数；fiv为CO的纵坡车速系数；fm为车型系数，Nm为车型设计交通量；L为隧道长度。

稀释CO所需的风量为：

式中，Qrep为所需风量；δ为CO的设计浓度；p0为标准大气压；T0为选取的基准气温；T为袭击洞内气温。

风量控制选择模糊算法来实现，CO与尾气的浓度是风机启动和停止的关键因素，本设计采用两个模糊控制器，1台模糊控制器是以CO和风速为输入，另外1台是以风速和V I为输入，模糊控制结构如图4所示。

图4 模糊控制结构

设计好模糊控制器之后，需要规定模糊规则，当C O浓度较大风速较小的情况下，需要开动风机提供较大的风量，模糊表达式为：IF COisPM andVw isNM THENNFisPS。当C O浓度较大风速较大的情况下，需要开动风机提供较大的风量，模糊表达式为：IF CO is NM and WS is PM THENNFisNM。在实现模糊推理的过程中，选用Mamdani推理法[5]，该方法实际是1种加权平均的方法，将控制变量的1个模糊子集的隶属度设定为加权函数，在对其进行加权平均可得模糊集合C的重心。将模糊控制规则转化为模糊规则表,见表1。

表1 模糊规则表

通过使用MATLAB进行编程可得风机控制表如表2。

表2 风机控制表

3.4 照明控制子系统设计

照明控制子系统可根据隧道内安装的光强检测装置检测到的光强数据，对白天和夜晚进行区分，根据现场实际的照明情况增加光照或减少光照。系统由检测装置、控制器PLC及相应的执行元件组成。为了保证照明系统的正常运行，避免因通信失败造成的事故，本系统可分为自动控制和手动控制。

根据照明的强度划分为6个等级，如表3所示。

表3 照明等级表

监控可根据检测装置采集的数据进行分析，在这6种模式之间自动进行切换，在后续使用时可根据实际情况对参数进行调整，控制示意如图5所示。

图5 照明控制系统图

3.5 道路控制子系统设计

道路控制子系统主要通过监控软件把交通信息、气象信息及防火灾的控制直观地展示出来。通过RS485、RS232及以太网通信端口相连，管理人员可以直接向情报板发送控制指令，及时有效地疏导交通，提高隧道交通运输的能力。

为了提高高速隧道的气象灾害预警能力，在高速隧道的沿线布设自动气象站，提供交通气象服务，加强重要路段的交通气象观测。根据气候的变化，出现诸如暴雨、大雾、大风及道路结冰、积雪等灾害性天气时，容易造成交通事故，应该及时地将道路检测到的信息传达至监控中心，及时采取规避风险的措施，保证交通安全。

4 结语

通过对隧道监控系统进行研究，利用YUMATUNNEL SYSTEM 2.0监控软件实现了对隧道交通监控、通风、照明灯等的控制，实现了隧道内的交通车辆的动态管理，有效地降低了交通事故的发生和交通堵塞的发生率，保证了隧道内交通系统运行的安全。

【1】尹锋,赵等层,祝勇.高速公路隧道监控系统的设计[J].公路工程，2010(3)：85-91.

【2】王志伟,杨超.高速公路隧道监控系统的现状与发展[J].现代隧道技术，2009(6)：8-16.

【3】闫群东,李小将,王茜,金朝辉.基于RSView32的高速公路隧道监控系统设计与实现[J].交通科技与经济，2008(1)：63-65.

【4】金湖庭.基于传感网络的隧道智能监控系统开发[J].中国交通信息产业，2010(5)：107-108.

【5】历莉.城市道路隧道智能监控系统设计[J].市政技术，2014(4)：98-102.

Scheme Design of Monitoring and Control System for Expressway Tunnel

HU Zhen-chang
（ChengdeHebeiExpresswayManagementOffice,Chengde067000，China）

Thehighway tunnelisa typical longandnarrow structure,itsinternalspaceisnarrow,closedhigher,buttraffic flow isbigger,if the tunnel trafficaccident,easily lead to seriousconsequences.Thispaper,based on a highway tunnel R&D project,design the monitoring system for the tunnel,and theYUMA TUNELSYSTEM monitoringsystem software in PC every sub-system of the tunnelweremonitoring design and implementation,real-time monitoring of the highway tunnel traffic situation at the same time,reasonable adjustment and optimizationofthetraffic flow inthetunnel,thesafetyofthetunnel,runningw ithhighefficiency toanimportantrole.

tunnelmonitoringsystem;dataacquisition;computer;system design

U456.3;U452

B

1007-9467（2016）08-0088-03

10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.020

2016-03-29

胡振昌（1981～），男，内蒙古赤峰人，工程师，从事高速公路机电工程研究，（电子信箱）Zhen-chang@126.com。