公路智能隧道安全综合监控系统的设计与实现

赵向南

(山西省信息产业技术研究院有限公司，山西 太原 030012)

0 引言

随着我国国力日渐强大，国内基础建设如火如荼，便捷的交通又能带动经济的快速增长，助力国力提升。在公路建设中，隧道桥梁建设沟通了自然屏障，确保了道路一路畅通。当下我国的交通现状是管理部门众多，调度地点分散，而公路隧道的现场环境复杂，已俨然成为日常维护工作的主要障碍。公路隧道具有以下几个缺点:1) 工作空间狭小，现场交通疏导与控制及其不便，危险性高；2) 隧道的半封闭特性，要求准确的通风控制，以保证隧道内空气流通和及时排除偶发的火灾烟雾；3) 隧道进洞口内外光强照度差异巨大，影响通行司机视线，容易引发交通事故，需要具备较高控制水平的照明系统。

因此，在信息化与网络化不断创新的趋势下，公路管理部门首要的工作是设计研发公路智能隧道安全综合监控系统，只有将监控系统与通信系统及信息系统相结合，才能实现公路智能隧道全程监控的管理与控制，提高管理效率的同时又减少及避免发生事故，保障交通参与者的人身和财产安全。

1 综合监控系统构成

公路智能隧道安全综合监控系统是一款集数据采集、设备控制、信息管理为一体的规范化交通指挥控制系统。系统集成了数据采集服务，视频监控子系统，隧道监控子系统，信息发布子系统，报表查询及打印子系统等六大功能，并具备联网控制。

它可以根据决策实现对公路隧道交通运行的宏观管理，充分发挥交通监控的路径诱导、多路径交通流量调控的功能，提升和优化公路网络的车辆通行能力。其系统结构图如图1。

图1 公路智能隧道安全综合监控系统结构图

2 软件开发平台选择

公路智能隧道安全综合监控系统的开发方式主要包括组态软件和高级语言编写。

2.1 组态软件开发模式

组态软件是一种工业控制专业软件，主要用于过程控制和数据采集，用户通过拖拽图形和绑定数据可以快速构建工业自动控制系统。主要优点包括人机交互界面友好，系统性能稳定、开发简单。缺点在于组态软件不具备灵活的二次开发功能，另外，利用组态软件开发综合监控系统所需的后台管理和报表查询及打印功能难度大，且难以重复使用脚本语言，代码重复使用率比较低。

2.2 高级语言开发模式

高级语言主要是通过C#、VB等编程实现综合监控系统，通过面向对象的模块化开发方式，使得功能代码拥有了继承性，开发效率显著提高。但是高级语言的编写开发难度也比较大，需要高水平技术人员。

在高级语言开发模式下，上位机监控程序通过中间件OPC来实现与PLC的数据交互，OPC是基于OLE和DCOM的通信程序，其架构为C/S。尽管通过OPC进行数据交互速度略微慢，但是目前市场上的主流PLC均提供有标准的通用OPC接口，增加了开发的便利性。

2.3 系统开发平台选择

根据公路智能隧道安全综合监控系统的使用场景和周围环境情况，全面考虑综合监控软件的运行稳定性、易开发性、使用便利性、代码复用性及流畅性等因素，我们选择高级语言开发模式，即利用C#编写综合监控系统用户操作界面和OPC与数据库的通信工具，梯形图编写PLC终端控制程序[1]。

3 软件的设计与实现

公路智能隧道安全综合监控系统集成了数据采集服务，视频监控子系统，隧道监控子系统，信息发布子系统，综合业务子系统，报表查询及打印子系统六大功能模块。数据交互流为综合监控系统控制界面到数据库，数据库通过OPC到PLC控制器；采集数据通过OPC到数据库和用户界面[2]，控制界面具备两种数据接入方式。

3.1 数据采集服务

数据采集服务主要功能是采集隧道内外的检测设备(包括车流量、光照强度、CO/VI、风速风向等)及其终端控制设备的数据信息及设备工作状态。隧道各PLC控制器通过光纤组成光环网，任何一组终端控制器离线都不影响系统采集其余设备数据。

3.2 视频监控子系统

实现对公路隧道内两侧安装的摄像机视频调用、监视、保存、历史查看，控制矩阵可以对监控视频进行大屏切换显示等。

3.3 隧道监控子系统

1) 交通监控：交通控制是对隧道口的交通信号灯和隧道内车道指示灯进行控制和状态显示的功能。交通控制的主要作用是协助疏导交通，给司机提供正确信息，保证道路安全通畅，提高路网的整体通行能力。

2) 照明控制：照明控制是对隧道内照明灯具的开关进行控制和状态显示的功能。根据系统采集的洞内外光强度，可实现根据光照条件判断开启隧道照明(引道照明、基本照明或加强照明等)。隧道照明控制包括本地控制和远程控制两种方式，只有照明控制处于远程控制状态时，才能通过监控室综合监控系统对照明进行调节。

3) 通风监控：通风控制是对公路隧道内的风机进行控制和状态显示的功能。对于长隧道来说，良好的通风环境是安全舒适行车的重要指标，也是处置火灾等突发情况必备的功能。风机控制包括本地控制和远程控制两种方式，只有风机控制处于远程控制状态时，才能通过监控系统界面对风机开关进行控制。风机状态包括正转、反转、停转和故障四种。

4) 消防监控：消防监控是对消防水泵、防火卷帘门、火灾报警光纤进行状态显示和控制的功能。

5) 报警预案及联动控制：事故报警及联动控制是对隧道内部各种异常情况进行报警和记录，触发多种设备进行联动控制的功能。当隧道内部有异常事件时，系统会发出报警声音，同时界面也会显示报警图案。常见异常事件包括：交通堵塞、火灾、机械设备故障等。具体触发的预案类型及开启设备可根据用户需要另行增加[3]。

3.4 信息发布子系统

可变情报板信息发布控制是对可变信息标志、信息发布屏显示信息进行增加、删除、编辑、保存和发布，对信息发布标志当前显示信息进行查看和控制。综合监控系统开发了标准化的可变信息情报板通信接口，可兼容不同厂商的设备，规范控制数据格式，如图2所示。

图2 信息发布子系统

3.5 综合业务子系统

综合业务子系统即系统管理模块，管理公路智能隧道安全综合监控系统所有资源。包括设备增删查改管理、用户权限管理、隧管站管理及隧道管理等。

3.6 报表查询及打印子系统

报表查询及打印子系统可对CO/VI等环境信息、情报板发布信息、指令下发信息、报警信息、故障信息、操作日志信息等进行历史数据查询及统计，可以分析各类数据的历史趋势，生成和打印报表、图表，如图3所示。

图3 一氧化碳详情查询报表

4 结语

公路智能隧道安全综合监控系统通过OPC与PLC进行数据交互达到了对隧道机电设备高效稳定的控制。综合监控界面具有数据库与WCF两种采集数据接入方式，实时性和稳定性均得到了保障。系统内部采用并行数据处理与指令下发方式，具有高吞吐量，高并发和高性能的优势。