城市隧道智能监控系统研究

摘要：隧道智能监控系统是城市隧道管理的重要工具，对于增强隧道的通行能力，保证隧道的安全运行具有重要意义。现结合隧道管理需求及工程实例，对城市隧道智能监控系统的设计和应用进行了研究。

关键词：隧道监控;智能系统;设计

0 引言

城市隧道是城市地下空间的重要形式，是庞大的城市地下空间的主要组成部分，是城市地下空间的“动脉”。城市隧道所处的特殊地理位置、地层介质和复杂环境，决定了城市隧道的设计、施工需要考虑的因素比山岭隧道更多，要求更高，存在着许多亟待解决的特殊问题。因此，要想推动城市隧道发展，就要加强对隧道监控系统的研究。隧道监控系统不仅是保证隧道安全运行的关键设施，还是提高城市隧道运营能力以及突发事故应对能力的重要工具。

1 城市隧道智能监控系统概述

1.1    智能监控系统现状

目前国外隧道监控系统多采用分层分布式网络结构，以代替传统的集中控制和集散式控制结构。随着隧道规模的不断扩大，监控系统也逐渐向多隧道集群监控方向发展。我国早期对隧道内的设备控制多采用人工手动控制方式，随着科技的进步，我国虽然在隧道监控系统的研究上取得了显著的成果，但依然存在一定的问题，如维护成本高、系统开发技术不成熟、控制方案效率不高等，制约了监控系统功能的发挥，因此还需加强对隧道监控系统的研究，以适应不断变化的交通监控需求。

1.2    隧道监控系统整体架构

总体来说，隧道监控系统的整体架构主要包括以下几个部分：

（1）PLC控制设备：照明设备、车道灯、光强探测设备、风速风向探测设备等现场设备均由PLC控制，并使用CAN现场总线进行通信。

（2）信号传输：利用光纤对隧道现场和监控室进行信号传输，需要具备传播速度快、可靠性高及防雷等功能[1]。

（3）网络建设：通过交换机组建局域网，进而将各工作站、服务器、PLC等设备串联起来，实现对设备数据的监测和控制。当多隧道需要互联时，可接入Internet。

（4）工作站和服务器：这是监控系统的重要组成部分，工作站可以對PLC进行数据的读取和写入，进而实现对底层硬件设备的监测和控制。服务器则主要是对数据进行存储。

监控系统的诸多子系统，如风机监控系统、火灾报警系统、水泵监控系统等，共同组成了整个隧道监控系统。

2 实例分析

2.1    工程概况

厦门市拟建一条国内最长的城市公路隧道，该隧道是机场快速路最重要的组成段，机场快速路将与仙岳路一起，构成厦门的“十”字形城市交通大动脉。该项工程中的智能监控系统主要包括：中央控制系统、闭路电视系统、紧急电话系统、通风控制系统、水泵控制系统、防雷接地系统等。本文就该工程中的智能监控系统进行深入分析。

2.2    中央控制系统

该系统主要作用是收集处理隧道内各远端装置（RTU）传送过来的数据，记录历史数据，分析当前数据，监测和控制各个独立区域值，对自动控制的顺序进行调度，管理报警和事件记录等。项目根据工业标准设计，保证系统每天24 h连续运行。网络构成主要包括：双中心服务器（含磁盘阵列）、服务器、视频事件检测服务器、电力监控服务器、图形计算机、工作站、交换机等，且服务器采用容错服务器实现双机热备，在主服务器出现故障的情况下，可自动切换，后备服务器将立即投入工作，无需中断操作即可移动出现故障的主服务器进行维修[2]。

2.3    各子系统架构

2.3.1    闭路电视系统

闭路电视系统采用对全路段进行完全不间断的可视性监视方式。平时用以掌握交通状况，以利于交通控制;紧急情况时，用以确认通报设备上传的信息，监视消防活动、疏散行动等状况。

该系统由日常检测及交通事件、事故检测两部分组成，所有摄像机均作为日常检测设备。用于交通异常检测的摄像机选择彩色定焦摄像机，隧道内其他摄像机选择彩色变焦摄像机。同时考虑到闭路电视可以直观、实时观察洞内交通运行状况和事故现场，特别是对火灾报警的确认非常重要，因此隧道闭路电视的设置，应综合考虑隧道空间和线性环境，实现无盲区监视。本次摄像机的布设间距为150 m，镜头焦距为12 mm，摄制的画面覆盖整个隧道，实施全程监视。

2.3.2    紧急电话系统

紧急呼叫系统主要包括有线广播和紧急电话系统，该系统主要是在隧道内发生阻塞、交通事故、火灾等异常情况下使用，平时也可利用此系统灵活传递道路养护施工状况或交通信息。

本次项目采用了综合利用系统，即隧道紧急电话系统和隧道有线广播共用主机及软件平台。紧急电话和有线广播系统应用软件安装在紧急电话和有线广播主机上。该主机通过以太网与通信系统主机相连，对其他子系统的数据请求提供支持。

系统中每一个喇叭控制点和紧急电话分机都设置一个分机地址码，广播系统中的每一个喇叭控制都采用紧急电话主机呼叫分机的控制方式。广播系统与紧急电话系统在同一个控制台和同一台计算机上进行控制。系统具体布设为：隧道内紧急电话分机安装按照200 m间距布设，广播按照50 m间距布设，隧道外洞口设置一台紧急电话分机及广播扬声器。

2.3.3    环境检测系统

隧道内环境信息检测系统由CO检测仪、VI检测仪、风速风向仪、照度仪组成。CO检测仪可快速、准确、连续地自动测定给定点的CO浓度，同时将检测结果以数字形式显示出来，并自动校正，用于检测CO浓度;VI检测仪用于检测能见度，二者都是为了进行通风控制，分别布设在主隧道入口、中段、出口、万石山隧道匝道等处。照度检测仪用于提供照明控制参数，进行照明控制，各隧道入口处的洞外、洞内配置一套照度检测仪。

2.3.4    交通控制系统

交通控制系统由中控室计算机控制网络、现场控制终端、现场信号灯、车道指示标志、可变限速标志、可变情报板设施等构成，具体架设方案为：

（1）车道指示器：为了保障隧道内的行车安全，交通控制是一个非常重要的问题。本次设计车道指示器采用双面式，在每一车道上方安装一套车道指示灯，当单洞双向行車时，反向的车道指示可以提高行车的安全性。标志尺寸为400 mm×400 mm，设于隧道入口10 m左右、出口前10 m左右以及洞内每500 m左右处。

（2）交通信号灯：隧道入口信号灯通过区域控制单元RTU与中心计算机连接，根据隧道运行状况，能自动或手动进行灯色显示，以控制疏导交通。

（3）可变情报板：能根据隧道运行状况，自动或手动选择并显示监控计算机已贮存的情报，也能根据临时情况，显示监控计算机即时编辑的内容。可变信息标志以图形、文字、符号等方式为驾驶员提供各种信息。

（4）莲前西路平交岔口交通组织采用车道信号灯和人行信号灯诱导交通。其中机动车信号灯，要注意两个问题：一是信号灯灯光不受其他设施的阻挡，如道路旁的树叶遮挡;二是信号灯的背景不会模糊信号灯的灯色，如行道树树叶及靠近信号灯的霓虹灯、彩色广告牌。行人信号灯应设置在行人横道线右侧，设置高度同行人视线相当，在2 m左右。

2.3.5    通风控制系统

这是城市隧道监控的重要系统之一，主要用于监测隧道内风机状态和控制风机的正常启停，保证隧道内CO浓度、能见度处于正常和安全水平。该系统主要包括通风控制子系统及交通控制子系统、照明控制子系统、CCTV子系统等通风辅助系统。这些子系统相辅相成，可互相配合使用，最大程度地发挥各子系统的功能。

2.4    系统智能性的实现方法

2.4.1    系统集成

只有保证照明监控、环境监测、闭路电视等各个系统的有序运行，才能保证隧道的正常、安全运行。如果将这些系统分别部署到不同的工作站，不仅不利于资源的合理利用，还增大了操作难度，为此对隧道监控子系统难易度进行分析，实现系统的合理集成，是智能监控系统设计的重要任务。该项系统中，对风机监控系统、照明监控系统、交通监控系统等各项系统进行了集成，组建了一个综合监控系统，与其他系统分别位于不同的工作站上。此外，对于风机、照明和交通监控系统，分设了监控和预案管理两个界面，以此实现对相关设备的监测、控制和管理。该综合系统还配置了报表、数据维护、参数设置等多个界面，充分保证了系统的实用性、综合性和智能性[3]。

具体实现方法为：各类监测设备将监测数据存储到PLC相应的寄存器上，组态王的变量值和PLC寄存器上的参数一一对应，数据中心通过数据转化，可以将数据存储到数据库中。数据分析模块根据存储的数据库可以形成报表和趋势图，实现对数据的管理。通过界面，可以查看各种传感器的工作状态和可控设备的运行情况，并可进行相应的控制。控制指令以XML形式传给解析器，解析为组态王可识别执行的命令，对设备进行操控。

2.4.2    自动控制

自动控制是智能监控系统最为直接的体现，其原理为管理者通过界面操作，对控制信息进行配置，并选择相应的预案，这是智能监控系统必不可少的部分。以照明系统来说，由于同一季度的同一时间段，光照情况是具备一定规律的，由此可按照经验或者数据分析结果来制定不同季节、不同时间段的控制方案。

2.4.3    灾害预警

城市隧道由于具有车流量大、空气质量差、光照不足等特点，容易导致交通安全事故的发生，易积水、火灾事故增多等问题，由此需要对灾害信号进行正确处理。常用的方法有阈值比较法，该方法简单易行，缺点是抗干扰性较差，误报警率较高，还需利用神经网络算法、遗传算法进行智能预警研究。

3 结语

总体而言，隧道智能监控系统应能及时发现和处理隧道内的偶发事故，并迅速掌握事故发生的区域、类型，解决因偶发事故造成的交通阻塞现象。在隧道区段设置完善的监控设施，可改善洞内环境，降低污染，减少事故，增强隧道的通行能力，保证隧道的安全运行。

[参考文献]

[1] 王晓燕，马兆有，董宪元.我国隧道交通事故分析及管理对策研究[J].交通工程，2017（6）：33-37.

[2] 柳海荣.城市隧道工程地下防水施工技术[J].黑龙江科技信息，2017（9）：218.

[3] 陈卓，刘大洋，李刚伟.厦漳大桥养护管理系统研发实践与思考[J].公路交通技术，2018，34（6）：93-96.

收稿日期：2020-03-28

作者简介：温民安（1982—），男，福建浦城人，工程师，从事机电类相关工程项目施工管理及软件设计开发工作。