智能監(jiān)控技術(shù)在瀏陽河公路隧道中的應(yīng)用

汪維斌

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 湖北武漢 430063)

1 工程概況

新河三角洲位于長沙市主城區(qū)北部,南起319國道,北至瀏陽河,西臨湘江,東到芙蓉北路；目前現(xiàn)狀是典型的三類工業(yè)區(qū),區(qū)內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施、公益設(shè)施滯后。長沙市已將新河三角洲的開發(fā)列入城市發(fā)展規(guī)劃的重中之重。新河三角洲的總體景觀規(guī)劃,將與湘江風(fēng)光帶、瀏陽河風(fēng)光帶統(tǒng)一考慮,同時在城市格局的建設(shè)上充分協(xié)調(diào)與老城區(qū)的關(guān)系,形成周邊軟質(zhì)綠化空間、內(nèi)部硬質(zhì)城市空間的總體風(fēng)貌。

湘江大道由南至北穿過湘江二橋后,向右拐進(jìn)新河三角洲再轉(zhuǎn)向?yàn)g陽河下游,沿規(guī)劃路在橫三路口前后下潛,設(shè)左偏曲線,以對地面整體規(guī)劃及景觀影響最小的隧道形式下穿瀏陽河,瀏陽河公路隧道全長1.4 km。根據(jù)《公路隧道交通工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T D71—2004),公路隧道交通工程分級根據(jù)隧道長度和隧道交通量兩個因素劃分為A、B、C、D四級。確定其交通工程分級為A級。

2 設(shè)計(jì)原則

隧道正常運(yùn)營,提高車輛通過能力。隧道控制中心實(shí)行統(tǒng)一監(jiān)控，集中管理，達(dá)到疏導(dǎo)交通、防火的功能。通過交通監(jiān)控、閉路電視監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控等子系統(tǒng),完成在控制中心內(nèi)的智能監(jiān)控、狀態(tài)顯示、操作、維護(hù)、監(jiān)視、通信及資源共享等諸多功能。各分系統(tǒng)界面清楚,保持相對獨(dú)立,且自檢和自診斷功能,以便及時準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)異常和故障,并能迅速的排除故障。

3 智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)和方法

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)的主要目標(biāo)

監(jiān)控系統(tǒng)的主要目標(biāo)是監(jiān)視和控制整座隧道的交通運(yùn)行情況,及時發(fā)現(xiàn)由車輛故障、交通事故等引起的各種交通異常情況,實(shí)時做出控制和確定實(shí)施方案。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成及要求

(1)監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

隧道的監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是整個隧道機(jī)電控制的核心部分，負(fù)責(zé)收集各個子系統(tǒng)的數(shù)據(jù),經(jīng)過模擬計(jì)算得出相應(yīng)的控制方案,并將控制命令分別發(fā)送給相應(yīng)的控制模塊：交通控制、通風(fēng)控制、照明控制、火災(zāi)報警、閉路電視、數(shù)據(jù)管理等。控制中心設(shè)背投式顯示屏,顯示隧道的運(yùn)行情況和各相關(guān)設(shè)備的工況,并能通過監(jiān)控計(jì)算機(jī)信息分析軟件,進(jìn)行隧道全部或局部路況、設(shè)備狀況的詳細(xì)圖形顯示,并進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)管理。圖1為系統(tǒng)的拓?fù)潢P(guān)系。

圖1 系統(tǒng)的拓?fù)潢P(guān)系

中心控制系統(tǒng)由控制中心網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器(含磁盤陣列)、系統(tǒng)主機(jī)、系統(tǒng)副機(jī)、綜合控制臺計(jì)算機(jī)、模擬屏、投影顯示屏、火災(zāi)報警控制屏、網(wǎng)絡(luò)集線器、網(wǎng)卡、以太網(wǎng)交換機(jī)、電源系統(tǒng)(含UPS)等組成。系統(tǒng)主副機(jī)實(shí)時收集各區(qū)域控制機(jī)的信息,并加以儲存、統(tǒng)計(jì)、顯示各設(shè)備的工作狀況,當(dāng)某一功能控制機(jī)發(fā)生故障時,將自動或人工轉(zhuǎn)換代替功能控制機(jī)工作,系統(tǒng)主副機(jī)采用雙機(jī)熱備進(jìn)行切換。

系統(tǒng)采用三級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),上層采用基于Windows-NT平臺信息層上的交換式快速以太網(wǎng)結(jié)構(gòu),由服務(wù)器及各分系統(tǒng)的主控計(jì)算機(jī)組成,實(shí)現(xiàn)各分系統(tǒng)之間的通訊聯(lián)絡(luò)及數(shù)據(jù)共享。第二層主要基于雙環(huán)光網(wǎng)(Control net)之上的控制層,與下設(shè)的交通區(qū)域控制器(ACU)等進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。第三層結(jié)構(gòu)中除常規(guī)的分散數(shù)據(jù)采集外,還包括基于總線式的現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)式監(jiān)測、控制功能，由此形成一個集散型三層網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)。

控制臺由交通監(jiān)控席、設(shè)備監(jiān)控席、火災(zāi)報警席和電視監(jiān)控、調(diào)度、廣播操作席和緊急電話操作席等五個獨(dú)立控制部分組成的主控臺,按中控室建筑要求進(jìn)行設(shè)計(jì),采用單座席低臺式,尺寸為：12 000 mm(長)×1 000 mm(寬)×600 mm(高)。

模擬屏正面由四部分組成,上下兩部分為24臺監(jiān)視器,采用組合式監(jiān)視器機(jī)架方式,相應(yīng)于上、下行隧道的電視監(jiān)視器，分別安裝于顯示屏的上、下方,圖像顯示順序與行車方向一致，與隧道內(nèi)及洞口24臺攝像機(jī)對應(yīng),顯示隧道中的監(jiān)視攝像機(jī)的信息。中部為模擬圖形顯示,顯示隧道中緊急電話、信號機(jī)、傳感器等的位置及狀況,右端為彩色背投。背投影儀為多晶硅LCD,亮度輸出大于600ANSI,分辨率為1 024×768。

為保證電源質(zhì)量和不間斷性,控制中心電源設(shè)備室設(shè)置一臺連續(xù)供電60 min的UPS。UPS及交流電源自切柜均受設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)集中管理。

在電源自切配電柜近端和里端設(shè)置三級保護(hù)設(shè)備,在可變情報板電源端設(shè)置第二級保護(hù),在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)重要設(shè)備端根據(jù)需要設(shè)置數(shù)據(jù)線防雷保護(hù)設(shè)置。

中控室采用工作和保護(hù)二種接地方式。工作接地以建筑物的結(jié)構(gòu)作接地體,是將弱電設(shè)備的直流電源需要接地的一極引至該接地體。保護(hù)接地是以供電系統(tǒng)的PE線作為接地體,將弱電設(shè)備的機(jī)架,機(jī)殼、隧道內(nèi)不帶電設(shè)備的金屬外殼,隧道電纜及橋架,室內(nèi)電纜和配線的金屬護(hù)套和屏蔽層引至該接地體。

(2)交通監(jiān)控子系統(tǒng)

交通監(jiān)控子系統(tǒng)的核心是交通控制處理機(jī),負(fù)責(zé)管理交通監(jiān)控機(jī)、照明控制柜、通風(fēng)控制柜。交通監(jiān)控機(jī)、照明控制柜、通風(fēng)控制柜均采用智能化的控制,根據(jù)上級指令實(shí)施自動監(jiān)控。交通監(jiān)控機(jī)負(fù)責(zé)對場外區(qū)域控制器、車輛標(biāo)志、交通信號燈、可變情報板、車輛檢測等設(shè)備進(jìn)行控制?？刂浦行姆謩e設(shè)照明控制柜、通風(fēng)控制柜接口。室外設(shè)備設(shè)置情況如下。

區(qū)域控制器：是由核心控制模塊、輸入輸出模塊、網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)集線器、外機(jī)箱和電源等部分組成,通過現(xiàn)場Control Net雙環(huán)光網(wǎng)互聯(lián)組成一個整體。負(fù)責(zé)對現(xiàn)場交通信號燈、車道控制標(biāo)志、車輛檢測器、可變情報板等設(shè)備進(jìn)行管理。其功能是：收集本地控制區(qū)域內(nèi)的各檢測設(shè)備的信息；對收集信息進(jìn)行預(yù)處理后儲存在存儲單元中,并通過網(wǎng)絡(luò)上報給遠(yuǎn)端的監(jiān)控主機(jī)；接收主機(jī)下發(fā)的控制策略并按照預(yù)定的控制策略對本地的場外設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制。它具有RS232串行接口和10M/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口,軟件支持TCP/IP、TFTP、UDP、FTP等多種協(xié)議。

本系統(tǒng)采用三組區(qū)域控制器,分別設(shè)置在右線隧道左側(cè),里程位置分別為：K0+790、K1+158、K1+490處。每組區(qū)域控制器通過網(wǎng)關(guān)上提供的16路開關(guān)輸入、16路繼電器控制輸出、8路模擬量輸入和2路串口，采集和控制交通信號燈、車道控制標(biāo)志、車輛檢測器、可變情報板、CO、VI、射流風(fēng)機(jī)等單元,并將信息通過集線器上傳到中心控制室。為了保證傳輸安全可靠,在隧道內(nèi)采用光纖冗余環(huán)網(wǎng)與集線器連接,用以太網(wǎng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行交換。

車道控制標(biāo)志：為“╳”、“↓”可變顯示,按車道設(shè)置,為滿足反向行駛的要求,采用雙面顯示。車道控制標(biāo)志的顯示狀況由控制中心通過區(qū)域控制器來控制。

環(huán)型線圈檢測器：在隧道的每個車道各設(shè)置相應(yīng)的環(huán)型線圈檢測器,用來檢測車速、車流量及車輛堵塞情況,使監(jiān)控中心值班人員隨時掌握洞內(nèi)運(yùn)營情況。

可變情報板：在隧道上、下行洞口前,向洞外方向各設(shè)1面可變情報板,由紅色特超高亮度發(fā)光二極管組成。情報板顯示的內(nèi)容有：“隧道火警禁止通行”、“保持車距謹(jǐn)慎駕駛”等。

情報板通過RS-232接口加調(diào)制解調(diào)器接入?yún)^(qū)域控制器由控制中心控制。

(3)安全監(jiān)視子系統(tǒng)

安全監(jiān)視子系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)行信息采集,它負(fù)責(zé)緊急電話主機(jī)、閉路電視控制器等信息交換。

電視監(jiān)視監(jiān)控由中央控制室內(nèi)的電視監(jiān)視屏、控制臺(含控制設(shè)備)、錄象設(shè)備、光端機(jī)，以及現(xiàn)場的洞內(nèi)外攝像機(jī)、光發(fā)送器、信號傳輸光纜等設(shè)備組成。

根據(jù)攝像機(jī)的監(jiān)視范圍,在兩條隧道內(nèi)分別安裝11臺低照度黑白一體化CCD攝像機(jī)；隧道南、北洞口各安裝1臺彩色一體化CCD攝像機(jī),其上配有變焦鏡頭,并加裝全天候室外防護(hù)罩,攝像機(jī)電源均引自本地交流電源。監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)備機(jī)柜(視頻切換矩陣、視頻分配器、多畫面分割器、多路圖像光端機(jī)、維護(hù)管理終端、錄像設(shè)備、電源、接口等)設(shè)于隧道中央控制室內(nèi)。

緊急電話采用全雙工方式通話,當(dāng)電話分機(jī)呼叫時,操作臺具有聲光報警功能,自動顯示呼叫緊急分機(jī)位置,主機(jī)內(nèi)微處理器將緊急電話呼叫信號傳至以下兩處。

模擬顯示屏：使地圖板系統(tǒng)能同步顯示呼叫分機(jī)位置。

閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)：控制計(jì)算機(jī)將切換呼叫地區(qū)的圖像至大屏幕投影屏，并使錄像機(jī)從時滯工作方式自動轉(zhuǎn)為錄像工作方式。整個呼叫過程能自動錄音、記錄及打印。

各值班室的調(diào)度電話均以兩位編號自動呼叫，緊急電話具有特定編號,當(dāng)按下緊急電話的按鈕時,用戶就向監(jiān)控中心發(fā)出呼叫信息,話機(jī)有等待信號或提示音。緊急電話機(jī)設(shè)備的變動、增減可通過人機(jī)命令簡單操作實(shí)現(xiàn)。

隧道內(nèi)緊急電話分機(jī)在隧道沿行車方向右側(cè)壁設(shè)置,上、下行隧道共設(shè)16臺。隧道南、北隧道口共設(shè)置4臺隧道外緊急電話分機(jī)。在中控室內(nèi)設(shè)自動撥號室內(nèi)調(diào)度分機(jī)共8臺。

有線廣播由信源、廣播控制操作臺、設(shè)備機(jī)柜、功率放大器、負(fù)載揚(yáng)聲器、廣播電纜組成。廣播控制操作臺由播音控制臺、通信接口裝置、狀態(tài)顯示裝置、數(shù)字錄音設(shè)備等組成。設(shè)備機(jī)柜含各種控制設(shè)備、功率放大器、實(shí)時錄音裝置、電源、接口等,設(shè)于控制中心的設(shè)備間內(nèi)。廣播控制操作臺由播音控制臺、通信接口裝置、狀態(tài)顯示裝置、數(shù)字錄音設(shè)備等組成。

廣播系統(tǒng)沿上、下行隧道壁每100 m設(shè)一組揚(yáng)聲器,每組揚(yáng)聲器為兩個號筒式揚(yáng)聲器,沿隧道壁背靠背式安裝,每個揚(yáng)聲器功率為15 W?？刂浦行膭潪橐粋€音區(qū),采用吸頂揚(yáng)聲器和掛壁式音箱進(jìn)行廣播。

(4)環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)

環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)是通過隧道內(nèi)區(qū)域控制器檢測隧道中一氧化碳、能見度、風(fēng)速等實(shí)際參數(shù),為控制隧道內(nèi)有害氣體含量和煙霧濃度提供信息。同時還監(jiān)測隧道洞口內(nèi)外亮度的反差,為照明控制提供依據(jù)。

3.3 監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能和控制方式

(1)交通控制

系統(tǒng)能連續(xù)檢測隧道入口、中部、出口的交通數(shù)據(jù),并按日、周、月打印報表。系統(tǒng)能按照隧道的交通狀況、事故、火災(zāi)的防護(hù)要求,自動或手動控制交通信號燈,以及車道指示器的顯示。系統(tǒng)能按照隧道的交通狀況、事故、火災(zāi)的情況，自動或手動控制可變情報板，以顯示預(yù)定信息,或手動控制顯示隨機(jī)置入信息。

(2)通風(fēng)控制

根據(jù)隧道內(nèi)CO、VI、TW檢測器的檢測數(shù)據(jù)(一氧化碳、能見度、風(fēng)速),以及隧道內(nèi)是否發(fā)生火災(zāi)等情況來控制風(fēng)機(jī)的開閉。

(3)照明控制方式

照明控制系統(tǒng)根據(jù)隧道口的照度計(jì)測出的洞口內(nèi)外部光線強(qiáng)弱,控制隧道內(nèi)照明燈組的開閉情況,以調(diào)節(jié)洞內(nèi)的光強(qiáng),保持洞內(nèi)外較小的光強(qiáng)反差。

(4)閉路電視

閉路電視系統(tǒng)用于隧道的交通控制和監(jiān)視。通過監(jiān)視器可監(jiān)視隧道的全路段,中心計(jì)算機(jī)根據(jù)報警信息,緊急電話摘機(jī)報警自動切換主監(jiān)視器至模擬屏上相應(yīng)位置攝像機(jī)圖像,并發(fā)出聲光報警,時滯轉(zhuǎn)為正常錄像狀態(tài)。

(5)緊急電話及有線廣播

當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生緊急情況如：車禍、火災(zāi)等,司機(jī)可撥打緊急電話向控制中心報警。系統(tǒng)向中心計(jì)算機(jī)提供摘機(jī)電話的位置,自動切換相應(yīng)區(qū)段的電視攝像機(jī),供值班員確認(rèn)現(xiàn)場信息,并通過有線廣播指揮搶險。

4 結(jié)束語

自隧道正式運(yùn)營以來,通過實(shí)時監(jiān)控整座隧道的交通運(yùn)行情況,系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能聯(lián)動,數(shù)據(jù)實(shí)時進(jìn)行共享,實(shí)時作出控制和確定實(shí)施方案,及時處理多起交通事故,把人員傷亡和財產(chǎn)損失降到最低。

[1]JTJ/T D71—2004 公路隧道交通工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[2]JTGF60—2009 公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S]

[3]JTG B01—2003 公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S]

[4]JTG D81—2006 公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[5]GB50116—98 火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[6]GB/T3453—94 數(shù)據(jù)通信基本型控制規(guī)范[S]

[7]GB5768—1999 道路交通標(biāo)志標(biāo)線[S]