高速公路隧道安全管控系统

张 俊

（山西交通控股集团有限公司 大同南高速公路分公司，山西 浑源 037400）

高速公路隧道的行车环境较基本路段的行驶风险要高，驾驶员注意力不集中、容易疲惫等原因，极易导致交通事故，而且隧道内救援困难，现场管控不及时，控制系统不能立刻投入，引发二次事故的风险非常大，极易造成经济损失以及负面社会影响[1]。因此，构建及时高效的隧道安全管控系统势在必行。

1 研究目的

为了提升高速公路隧道的安全运营系数，预防隧道内突发事故，以及对事故的应急能力，该系统需要具备以下功能。

a）隧道出入口照明的智能化管控，消除行驶过程中隧道“白洞”“黑洞”效应，在隧道出入口处提供安全舒适的照明效果，减轻驾驶员的视觉疲劳，降低交通事故发生概率。

b）保持隧道空气能见度在正常范围内，通风系统正常运行。

c）隧道内如有事故，立刻启动报警子系统，以及应急预案子系统，确保生命安全的前提下，将事故控制在最小的范围内[2]。

2 系统设计

隧道安全管控系统由就地和远程双层系统组成，就地系统由信息采集子系统、照明子系统、通风子系统、报警子系统、应急预案子系统组成，采用西门子S7-300PLC作为现场PLC控制器，ET200M分布式I/O是就地控制系统的输入输出模块。远程控制采用西门子S7-400H冗余控制器，硬件冗余增加了系统的可靠性，提高系统数据的实时传输能力和系统运行稳定性。

2.1 控制方案组成要素

系统总体控制方案由11部分组成：远程监控系统、远程控制系统、现场PLC控制器、ET200M分布式I/O模块、信息采集子系统、照明子系统、通风子系统、报警子系统、应急预案子系统、现场监控系统、现场应急手动控制。系统总体控制方案如图1所示。

图1 系统总体控制方案图

2.2 系统组成要素功能

系统总体控制方案中，远程监控系统可以远程监视和控制整个系统的启停，可以监视整个系统的运行。西门子冗余系统是双PLC硬件系统，两个PLC都在运行状态，主PLC故障时，从PLC无扰切换负责整个系统的运行，对系统没有影响，保证了系统运行的稳定性与可靠性。现场PLC依据实时采集数据，通过程序控制整个现场的照明、通风、安全应急管控，以达到安全高效的隧道通行能力。应急手动控制作为应急状态下的纯手动操作，也是整个系统的最后一道防线，确保在任何状态下隧道安全监控系统的无条件投入[3]。

3 系统硬件集成

系统远程监控系统由西门子冗余系统、PC机以及相关软件组成；现场控制器使用西门子S7-300 PLC；分布式I/O使用西门子ET200M模块；远程和现场监控系统由PC机以及相关软件组成；信息采集子系统、照明子系统、通风子系统、报警子系统、应急预案子系统，以及现场PLC控制器共同构成现场控制系统。现场应急手动控制采用手动开关装置[4]。系统硬件集成图如图2所示。

图2 系统硬件集成

3.1 西门子冗余系统

隧道的安全管控，是高速公路正常运营的必要条件。为提高安全管控系统的稳定性，远程控制器采用西门子冗余系统S7-400H，该系统具有高度可靠性和快速实时传输数据的功能，能够在高速公路隧道控制系统的复杂环境下正常运转，冗余系统S7-400H主要单元都是双备份，包括完全一致的双机架、双电源、两个独立的中央控制器CPU模块、双信号处理器模块。西门子冗余系统S7-400H，在运行冗余系统发生故障时，无故障的子单元独立完成整个过程的控制任务。故障排除后，双单元继续保持运行状态，互为备用。

3.2 就地控制系统

就地控制系统采用西门子S7-300PLC控制器、ET-200M输入输出模块，接收现场检测参数，通过程序对现场设备实现控制。例如照明灯具的点亮，通风设备的启停，自动拨打救援电话和值班电话，声光报警灯，隧道入口行车指示灯等。就地控制系统将现场信息上传给远程控制系统，远程控制系统对其进行监视与控制。

4 现场子系统集成

4.1 信息采集子系统

信息采集子系统包含隧道入口检测信息，隧道中检测信息，隧道出口检测信息。采集的信息主要有车辆信息，车辆超温检测，自然光照度，空气能见度，烟雾和温度检测器。这些信息通过现场控制器参与系统控制，监控信息显示，以及启动报警等。

4.2 照明子系统

照明设备是隧道正常运行的基本保障，分为正常照明和事故照明。正常照明根据就地系统的控制程序，针对自然光照度、车流量、夜间等条件进行高效节能运行。事故照明根据应急预案进行控制。

4.3 通风子系统

通风设备保持隧道空气质量在正常范围内，是车辆安全通行的保障。通风设备根据现场控制器进行常规运行和事故应急两种运行模式。

4.4 报警子系统

报警子系统包括车辆超温报警、车辆超速报警、拥堵报警、车辆交通事故报警、隧道内烟雾浓度和温度报警、火灾报警。报警以声光、显示屏、监控画面等显示形式，并根据报警级别以高音喇叭警示、栏杆机等方式，阻止事故的进一步蔓延[5-6]。

4.5 应急预案子系统

应急预案子系统包含自动拨打救援电话，自动拨打值班电话，隧道入口信息提示，声光报警灯，隧道入口行车指示灯，限速标志牌，紧急高音喇叭警示，全景摄像机，隧道上游门架式情报板，隧道入口栏杆机，爆闪灯，洞口信号灯等。隧道上游门架式情报板，放置在隧道上游3 km处，由监控中心发布前方路况信息和交通管控状态。

5 控制系统组态

远程控制系统以西门子冗余S7-400H系列PLC为主，就地控制系统以西门子S7-300系列PLC为主，都属于西门子控制器的S7系列，在使用过程中，西门子有统一的软件PCS7支持，在该软件下根据隧道安全管控系统的硬件，首先进行硬件组态并保存下载，下载无误后，根据控制策略进行软件组态，以及程序的编写与调试。整个系统的组态包含远程控制系统组态和就地控制系统组态。

5.1 远程控制系统组态

远程控制系统组态包括西门子硬件系统组态、通信网络组态、工作站组态。隧道安全管控系统的硬件组态，是将西门子冗余PLC硬件系统在PCS7软件系统里生成一个与冗余PLC硬件完全相同的系统，包括硬件的所有参数与物理性能。同时组态软件与硬件的通信网络、远程控制系统的网络使用工业以太网，配置网络参数，实现硬件与PC机之间的通信。

工作站组态包含编写程序语言组态和远程监控画面组态。程序语言使用连续功能图（continuous function chart,CFC），远程控制系统使用CFC语言编程，对就地控制系统实施远程管控。同时，建立变量与远程监控画面的连接，实现远程控制系统对现场控制系统的参数、设备状态监视和远程启停控制[7]。

5.2 就地控制系统组态

就地控制系统使用西门子S7-300PLC控制器，输入输出使用西门子ET-200M模块，现场设备包括信息采集子系统，照明子系统，通风子系统，报警子系统，应急预案子系统。就地控制系统使用西门子Step7软件进行组态与编程，在硬件组态中，针对现场设备进行数字量和模拟量的输入输出地址分配，为编写程序作准备，硬件组态正确下载后，根据控制策略编写程序。

5.3 监控系统组态

远程与就地控制系统的监控画面都使用SIMATIC WinCC软件，形成统一的监控系统。就地监控画面实时显示现场设备的运行状态，报警信息，安全预警提示信息，并可以创建多个画面之间的切换，对重点监视设备建立独立的画面。远程监控画面可以显示就地的所有控制信息，现场设备运行状态，并可以远程启停现场的任何设备，实现对现场的远程监管[8-9]。

6 系统控制策略

为积极响应交通运输部2019年3月发布的《公路隧道提质升级行动技术指南》，提升隧道安全高效的运营指标，本文提出了以照明、通风、交通安全应急预案实施为控制方向的隧道安全管控系统，以提质升级高速公路隧道总体管控措施。

隧道安全管控系统以安全运营为出发点和落脚点，控制策略分为隧道正常运营模式和事故状态模式。正常运营模式主要控制照明、通风、隧道提示信息；其中，照明控制将节能策略写入程序，分为白天和夜晚，并充分利用自然光，以节省能源。事故状态下，控制系统的报警子系统和应急预案子系统同时启动，自动拨打应急电话，通风和照明子系统也运行事故模式下相应的控制程序，在最短的时间内控制事故，并在指示牌发布事故信息，控制车辆进入隧道。在应急工作人员还未赶赴现场的时候，通过远程控制系统对现场车流实现初步有效管控，并对上游交通流进行层级减速，提高应急处置人员到达现场后的处置效率[10]。

6.1 控制过程

以隧道安全管控作为主要控制目的，以保障隧道正常运营为控制目标，依据信息采集子系统数据将控制方式分为正常通行模式和事故状态模式，二者可进行无扰切换。远程控制系统设置在某高速公路总控制室，就地控制系统布置在隧道控制室，就地控制系统完成现场的所有控制任务，并将控制过程及现场数据上传到远程总控制室，远程控制系统可以监视现场所有的工作过程，并有权限向现场发出控制指令，该控制指令将被优先执行，对现场起到远程监管的作用。

6.2 控制程序流程图

隧道安全管控系统控制方式以自动方式为主，同时辅以现场手动控制，以备紧急情况下使用，完善系统的应急控制功能。在自动方式下，控制系统根据信息采集子系统数据判断当前隧道是否为正常运行模式，并调用正常运行子程序。如果当前隧道处于事故状态，将即刻启动对应子程序，启动应急预案控制流程。控制程序由主程序OB1、OB10块和4个子程序功能FC组成。主程序OB1在每一次循环执行程序时，都被执行一次，OB1可以调用除自己外的其他任何程序块。

在执行隧道安全管控系统程序时，首先判断隧道是否为正常通行模式，是则执行正常通行对应的子程序FC4；否则，调用事故专用程序OB10，并进一步判断事故级别，调用一级相应FC1子程序，二级相应FC2子程序，三级相应FC3子程序。隧道安全管控系统程序流程图如图3所示。

图3 隧道安全管控系统程序流程图

7 结语

针对高速公路隧道运行安全现状，提出远程和就地的双层安全管控系统，通过现场实时检测数据，判断事故级别并调用相应控制子程序，实现自动拨打救援电话，自动拨打值班电话，隧道入口信息提示，声光报警灯，隧道入口行车指示灯，限速标志牌，紧急高音喇叭警示，全景摄像机，隧道上游门架式情报板，隧道入口栏杆机，爆闪灯，洞口信号灯等紧急动作，达到现场管控目的，避免二次事故的发生，降低事故造成的损失和救援压力。