基于互联网的隧道行车安全监测响应系统设计

郭志强

(山西省高速公路集团太原有限公司，山西 太原 030031)

1 研究背景

随着我国公路建设逐渐向山区转移，而公路隧道作为咽喉地带，当隧道内发生交通事故时，车速降低引起CO等大量有毒气体积聚，降低隧道能见度，影响驾驶者行车安全。车辆拥堵会排放大量有毒尾气加剧环境污染。目前国外研究较早发展也较快。主要有日本OMRON公司在20世纪70年代中期推出CONTROLLER LINK环网控制技术[1]，具有自主控制功能；德国PHOENIX Contact公司在20世纪80年代推出INTERBUS现场总线技术，把网络技术和自主控制相结合；美国的Echelon公司在20世纪90年代中期推出用于自动控制领域的网络技术LONWORK分布式公路隧道监控(TMCS)系统技术，具有真正的分布性、开放性、互操作性与适应性。

相较于国外先进检测控制技术的应用，国内在隧道监控系统的研究开发显得相对落后。深圳梧桐山隧道和上海延安东路隧道在我国引入外国技术较早实现了隧道监控[2-3]；随后成渝高速的缙云山隧道和中梁山隧道等高等级隧道，通过自主研发与国外引进设备实现了对隧道内环境的系统监控[4]。肖粤秀等[5]提出一种增设射流风机和轴流风机的通风系统改进方案，改善了隧道内工作面风速偏低等问题，提高了洞内空气的质量。宋白桦等[6]提出一种基于高速公路隧道照明LED改造方案进行智能调光控制，分析隧道节能的特点，推动节能控制在工程中的实施。李得俊等[7]根据国内长大公路隧道的运营特点、监控需求等，提出一种包括通风管理及控制、照明管理、交通检测及诱导、闭路电视监视管理等子系统的隧道监控系统。丁毅等[8]提出一种基于PLC与组态软件的城市隧道监控系统集成方案。彭飞[9]在上海延安东路隧道中为了掌握隧道动态数据，利用自动化传感器及互联网技术进行实时监控，使隧道安全可靠地发挥其交通功能。

但隧道监测数据分析与信息管理系统还存在诸多问题：传统的监测系统功能不够全面，仅是一个数据库管理系统或简单的数据处理系统；停留在科研开发阶段，适合于工程技术人员使用的少，数据分析处理的方法比较落后，软件自动化、智能化程度较低，真正在解决隧道安全行车问题和信息反馈时实用性还不够。对此，结合互联网对隧道行车安全监测响应系统进行设计就显得十分必要。

2 设计方案

2.1 设计思路

隧道内环境状况监控内容主要有：气体环境(CO浓度、烟雾浓度)、温度、湿度、光照强度、风速、噪音等，根据传感器采集数据信息，依据隧道内自然环境特点对隧道内的安全情况进行预警。

1)一级预警。当浓度超过一定浓度，区域控制设备响应，增加相关区域数据监测频率，增大风机功率以快速排出有害气体，并相应触发判断机制。持续监测相关隧道后续气体浓度，若一段时间后浓度始终高于预警值，则自动提高预警等级与二级预警享有相同优先级。

2)二级预警。气体含量超过一级浓度预警，启动GSM基站向相关交管部门发出信号，判断是否需要进一步提高预警等级、是否发生火灾(火灾预警系统包括隧道内温度检测、明火检测，隧道内手动预警装置也会触发火灾警报)。若定为二级预警，开启隧道相关提示设备(如可变信号牌、隧道内语音提示、险情指示灯)，并实时将现场情况持续发送交管中心。

3)三级预警及火灾响应。若交管中心判断隧道内有害气体浓度已达到三级响应或发生火灾险情，启动最高响应：开启隧道内水雾喷淋系统；开启道路两旁的应急出口供隧道内人员紧急疏散；在隧道两端封闭车道，禁止车辆驶入；将事故信息及时反馈至120指挥中心及消防中心作出火灾事故应急响应；发布信息至隧道沿线附近车辆的车载导航系统，告知驾驶员前方险情。

2.2 功能分析

2.2.1 基础设备层。

由隧道内相关设备组成，分为预警设备、交通诱导设备、环境调控设备三部分。

1)预警设备用于对隧道内环境情况进行数据收集与反馈。紧急电话与按钮、双波长明火检测对隧道内发生的火情进行监控并向上级发出预警。COVI传感器对隧道内的气体环境进行监控，风速风向检测仪将数据实时反馈至隧道区域控制设备。非预警响应状态下，由隧道出入口处地感线圈监测隧道内交通量，根据交通量控制风机工作功率。

2)交通诱导设备用于对预警设备测得的异常状况作出自动预警。隧道中的可变情报板、交通信号灯、可变信息标志等提示驾驶员隧道气体浓度发生异常。当交管中心发出最高级响应需要关闭隧道时，隧道两端会响应而关闭隧道。

3)环境调控设备包括隧道排气系统、照明系统。传感器测定浓度超过阈值后PLC做出快速反应，将隧道相关区段的风机调整为高功率状态增加稀释有害气体的能力；当隧道内能见度降低，照明系统提高亮度避免驾驶员因隧道内亮度不足引起交通安全事故；当发生火灾响应，开启区域水雾喷淋装置防止火势进一步蔓延，打开紧急逃生通道防止因交通堵塞，驾驶员无法及时逃出危险区域。

2.2.2 处理控制层

隧道内置数据处理单元，通过PLC(可编程逻辑控制器)处理传感器收集的数据，识别事故预警等级：低预警等级下环境调控设备自行处理；高预警等级，将预警信号报告交管中心，等待其对隧道内状况做出指示后，处理控制层响应。

2.2.3 数据传输层

在此建立通信基站，借助互联网平台实现数据传输。传感器收集到的数据经过PLC处理后，如果浓度超出预警条件则发出报警信号，Internet单片机收到报警信号后，通过3G无线网络将报警信号、传感器数据连同视频图像信息发送到交管中心，由交管中心判断是否升级为二级预警。如果预警等级升级为二级，预警信息经过无线网络传到单片机，在经过PLC处理后，控制隧道内电子屏提示、语音提示、险情指示灯等响应。隧道二级预警时若火情手动报警被触发，PLC自动提升预警级别为三级，三级预警信号再次经无线网络传到交管中心，等待响应。

2.2.4 管理部门响应层

交管中心接收到隧道相关数据，结合现场的实时视频图像资料分析是否采用三级预案、是否发生火灾。将隧道内情况投放至监控大屏幕并通报相关单位(消防和医疗)进行紧急动员处理。若确认发生火灾，反馈至隧道喷淋装置、阻断隧道进口处车辆，防止发生拥堵及一系列次生交通事故。

2.2.5 用户层

用户层的隧道安全信息发送功能依托于中心导航系统。当交管中心接到三级报警信号时，将报警信号及火灾地点等信息通过无线网络发送至车载信息系统服务中心，并发出控制请求。车载信息系统服务中心接到信息后通过GPS导航系统确定以火灾地点为中心一定范围内的车辆，将反馈控制信息发送至相应的车载终端。车载终端接收到控制信息后，告知驾驶员隧道火灾位置与汽车间的距离、前方隧道禁止通行等信息。

2.3 系统设计

系统设计主要包括以下内容：①传感器、地感线圈、风机等装备布设个数与位置的选择；②三个级别的预警浓度阈值设定；③管理中心与驾驶员对接，利用互联网车载导航系统的交通诱导策略。

2.4 电路设计

自动报警控制电路中，内部电路核心构件为单片机，在单片机的前向通道有传感器信号采集电路。该信号采集电路包含信号采样电路、信号放大电路、信号比较电路。单片机的后向通道分别包含三极管T2、继电器KM1和三极管T3、继电器KM2的两路控制电路。其中继电器KMl的常开触点KM1-l和继电器KM2的常闭触点，KM2-l串接于预警系统1的供电回路，继电器KM1的常闭触点KM1-2和继电器KM2的常闭触点KM2-1串接于预警系统2的供电回路。

内部电路包含一个单片机IC3，在单片机的前向通道有传感器信号采集电路。该信号采集电路由传感器、射极电阻R1、输出电阻R2构成信号采样电路。输入端与信号采样电路的输出端相连，由集成运放芯片IC1、电阻R3构成信号放大电路；输入端与信号放大电路的输出端相连，由集成运放芯片IC2、电阻R4构成信号比较电路。信号比较电路的输出端与单片机相连，在单片机的后向通道包括由三极管T2、三极管T2的基极电阻R5和R6、串接于三极管T2基电极的继电器KM1和三极管T3、三极管T3的基极电阻R7和R8、串接于三极管T3基电极的继电器KM2构成两路控制电路。其中继电器KM1的常开触点KM1-1和继电器KM2的常闭触点KM2-1串接于预警系统1的供电回路，继电器KM1的常闭触点KM1-2和继电器KM2的常闭触点KM2-1串接于预警系统2的供电回路。

1)闭合电源总开关K，当烟雾浓度很低时，传感器接入的电路始终处于导通状态，其输出电压经放大电路放大，足以达到比较电路的门坎电压，比较电路的输出信号进入单片机，在单片机软件支持下，其后向通道的输出线端11、12分别向两路控制电路给出控制信号，使三极管T2、T3导通，继电器KM1、KM2带电，其串接与预警系统1、2供电回路的常闭触点KM2-1、KM1-2都处于断开状态，预警系统1、2都不响应。

2)当烟雾浓度较高时传感器接入的电路导通，单片机后向通道的输出线端11输出控制信号，三极管T2导通，继电器KM1带电，使串接于预警系统1的供电回路的常开触点KM1-1闭合，串接于预警系统2的供电回路的常闭触点KM1-2断开，预警系统1单独响应，发出一级预警信号。

3)当烟雾浓度很高时，传感器接入的电路处于断开状态，最终使单片机后向通道的输出线端11、12无控制信号输出，三极管T2、T3都处于截止状态，继电器KM1、KM2都不带电，预警系统2的常闭触点KM1-2、KM2-1闭合，预警系统2响应，发出二级预警信号并报送交管中心。

3 系统功能分析

1)实时处理功能。通过微处理器将隧道内CO浓度、能见度、风向风速等气体环境作出评价并划分等级。若隧道内气体浓度在可控水平则判定低等级，由系统自动调控手段自行处理。若有害气体浓度长时间高于阈值或出现超过相应阈值则判定高等级。启动高等级预案将隧道内视频实时资料和统计隧道内车流量等数据发送至交通控制中心，等待控制中心作出指示。这加快了隧道内部对紧急情况的反应处理速度，同时避免隧道监控人员长时间检测隧道内情况而造成的麻痹心理。

2)变频控制功能。在隧道内安装地感线圈设备自动获取隧道内车流量数据。根据车流量数据对射流风机的运行状况作出调整。在车流量较小的情况下，隧道内置风机采用低能耗模式运行。当交通流量高于一定阈值或检测有害气体浓度已高于允许的范围，则针对浓度过高区域加大风机排风功率。以此避免在不同交通量情况下风机均以相同功率运行所造成的能源浪费，达到节能减排的目的。

3)无线信息发布功能。在控制中心确定事故隧道需要封闭处理时，利用互联网的快速与便捷，将相关监控隧道情况信息快速响应发送至相关车辆内置车载终端，达到交通诱导目的。

4 结束语

通过对隧道环境的调查分析，在分析功能的基础上，结合管理需求设计出基于互联网的隧道安全检测结构图和电路设计图。该系统可广泛应用于隧道或地下通风较为封闭的地段，有效解决由于通风性差而影响人员安全等问题。同时庞大的隧道监测数据为各级交管、设计施工单位在进行交通管理、隧道设计等方面提供基本的数据基础。通过与互联网车载终端结合，实时发布隧道信息，符合智能交通发展方向，推广前景广阔。

[ID:010488]