上海長江隧橋綜合信息管理系統(tǒng)應用軟件設計

劉天鵬, 肖又發(fā), 李 翔

(上海交技發(fā)展股份有限公司,上海200135)

0 引 言

上海長江隧橋是G40滬陜高速公路的重要組成部分(地理位置見圖1),全線長約25.5 km,采用“南隧北橋”方案,它不僅是中國最大的越江通道,也是目前世界上最大的隧橋結(jié)合工程。隧道長約9 km,上層雙向6車道,設計時速80 km/h,下層為安全通道、電纜通道以及軌道交通預留空間;大橋長約16.5 km,其中跨江段長約10 km,雙向6車道,設計時速100 km/h。

上海長江隧橋綜合信息管理系統(tǒng)以提高運營決策、監(jiān)管、服務和應急保障能力為目標,以信息資源的整合與利用為重點,致力于提高隧橋交通管理和服務水平?，F(xiàn)對綜合信息管理系統(tǒng)應用軟件的總體框架設計和具體功能進行介紹。

1 系統(tǒng)組成及管理需求

1.1 系統(tǒng)組成

長江隧橋綜合信息管理系統(tǒng)主要由設備監(jiān)控系統(tǒng)、交通監(jiān)控系統(tǒng)和行車環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)組成(詳見圖2)。

1.2 系統(tǒng)特征

長江隧橋綜合信息管理系統(tǒng)在全面、準確實現(xiàn)監(jiān)控功能的同時,也針對項目自身特征和管理需求進行個性化定制。長江隧橋項目特征如表1所示。

圖1 上海長江隧橋工程項目地理位置圖

圖2 系統(tǒng)組成示意圖

表1 系統(tǒng)特征

1.3 系統(tǒng)管理需求

系統(tǒng)采用2級管理、3級控制。

2級管理為長興島監(jiān)控中心和浦東管理站。監(jiān)控中心是綜合監(jiān)控系統(tǒng)的控制機構(gòu),負責全線道路的交通協(xié)調(diào)和運營管理。監(jiān)控中心設置中央計算機管理系統(tǒng),統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理交通控制、通風及照明控制、火災報警集中控制、閉路電視控制、緊急電話控制、有線廣播控制及電力監(jiān)測等。浦東管理站主要負責隧道浦東入口端路政、超限車輛和交通事件救援等日常管理,在特殊情況下,浦東管理站在監(jiān)控中心的授權(quán)指揮下根據(jù)系統(tǒng)配置可以行使監(jiān)控中心職能。

3級控制為“路段監(jiān)控中心(監(jiān)控中心和浦東管理站)—區(qū)域控制—外場設備”?？刂片F(xiàn)場的控制優(yōu)先級最高。在正常情況下,以監(jiān)控中心監(jiān)控為主。

2 系統(tǒng)設計

2.1 物理架構(gòu)設計

2.1.1 網(wǎng)絡架構(gòu)

長江隧橋綜合信息管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡是一個由分布在各個業(yè)務站點中的局域網(wǎng)和現(xiàn)場工業(yè)以太環(huán)網(wǎng),包括監(jiān)控中心局域網(wǎng)、潘園收費站局域網(wǎng)、陳海收費站局域網(wǎng)、浦東管理站局域網(wǎng)、各隧道變電所局域網(wǎng)、隧道現(xiàn)場工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)及大橋現(xiàn)場工業(yè)以太環(huán)網(wǎng),通過通信系統(tǒng)本地主干通信網(wǎng)絡聯(lián)接而構(gòu)成的IP傳輸網(wǎng)絡(見圖3)。

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)圖

2.1.2 中央計算機管理系統(tǒng)架構(gòu)

監(jiān)控中心設置中央計算機管理系統(tǒng),統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理交通控制、通風及照明控制、火災報警集中控制、閉路電視控制、緊急電話控制、有線廣播控制及電力監(jiān)測等?；诰钟蚓W(wǎng)(采用TCP/IP通信協(xié)議)實現(xiàn)多工作站網(wǎng)上資源共享、網(wǎng)絡協(xié)調(diào)運作功能,基于Client/Server體系建立統(tǒng)一的信息數(shù)據(jù)庫。浦東管理站接受監(jiān)控中心的業(yè)務管理及指揮調(diào)度,通過通信綜合傳輸網(wǎng)獲取數(shù)據(jù),主要實現(xiàn)對隧道浦東端的視頻監(jiān)視、報警信息接收和設備維護管理。在特殊情況下,浦東管理站在監(jiān)控中心的授權(quán)指揮下根據(jù)系統(tǒng)配置可以行使監(jiān)控中心功能(見圖4)。

圖4 監(jiān)控中心及浦東管理站計算機系統(tǒng)架構(gòu)圖

中央計算機管理系統(tǒng)采用工作站→應用服務→數(shù)據(jù)庫服務組成的3層體系結(jié)構(gòu)。配置數(shù)據(jù)庫服務器、應用服務器、工作站和網(wǎng)絡設備,構(gòu)成中央計算機管理系統(tǒng)的硬件實體。

服務器采用高性能的容錯服務器,提供高可靠性處理能力和遠程管理的非集中式業(yè)務。服務器操作系統(tǒng)采用Microsoft Windows Server 2003簡體中文版,工作站操作系統(tǒng)采用Microsoft Windows XP Professional簡體中文版,數(shù)據(jù)庫管理軟件采用Microsoft SQL Server 2008簡體中文版,組態(tài)軟件采用iFix 4.5簡體中文版,開發(fā)工具采用Microsoft Visual Studio.NET 2008簡體中文版。

2.2 邏輯架構(gòu)設計

長江隧橋綜合信息管理系統(tǒng)應用軟件充分遵循“實時、可靠、開放、可擴展”的原則,采用基于SOA的3層軟件架構(gòu),如圖5所示。

圖5 應用軟件架構(gòu)圖

應用操作層提供界面讓用戶實時監(jiān)視系統(tǒng)運行狀況,同時提供外場設備控制、運營管理和應急處置的功能。

應用服務層由服務總線和掛接在總線上的各種服務組成。服務總線匯總系統(tǒng)數(shù)據(jù),并根據(jù)需求分發(fā)數(shù)據(jù)到各個服務。掛接在總線上的服務完成與各種外場設備、外部接口的通信。

數(shù)據(jù)服務層儲存系統(tǒng)數(shù)據(jù)并進行加工、統(tǒng)計。

基于SOA的3層軟件架構(gòu),其優(yōu)點在于:

1.實時性。通過應用服務層的各個服務(外場設備服務、外部接口服務)采集到的各種數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯總到服務總線上,由服務總線對數(shù)據(jù)進行分析處理后實時更新到應用操作層的各客戶端軟件中,同時總線把處理后的數(shù)據(jù)輸入到數(shù)據(jù)服務層的數(shù)據(jù)庫中進行存儲。這樣做不但保證了整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)的一致性,使得子系統(tǒng)之間的緊密性更強,而且避免了子系統(tǒng)之間由于數(shù)據(jù)交互而造成的數(shù)據(jù)處理延時,大大提高了系統(tǒng)的實時性?？偩€在數(shù)據(jù)接收和分發(fā)過程中采用多線程技術(shù)提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實時性。

2.可靠性。數(shù)據(jù)服務層和應用服務層軟件在長興島監(jiān)控中心和浦東管理站各部署1份,并實現(xiàn)兩地之間的相互冗余,局部故障不會影響整個系統(tǒng)的運行,保證了系統(tǒng)的可靠性。

正常運行時,監(jiān)控中心和浦東管理站的數(shù)據(jù)服務層和應用服務層軟件1份處于激活狀態(tài),1份處于休眠狀態(tài)。當處于激活狀態(tài)的軟件出現(xiàn)故障,系統(tǒng)自動把休眠狀態(tài)的軟件切換為激活狀態(tài),并向應用操作層發(fā)送提示信息,保證故障時系統(tǒng)的平穩(wěn)過渡。監(jiān)控中心和浦東管理站的數(shù)據(jù)服務層數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸中間件實現(xiàn)相互之間的數(shù)據(jù)冗余備份。這樣,當發(fā)生故障進行切換時,能保證應用服務層數(shù)據(jù)的完整性和實時性。

3.開放性。系統(tǒng)在服務總線下掛接各種外部接口服務,接口服務根據(jù)外部接口(健康監(jiān)測系統(tǒng)、大橋陰極保護系統(tǒng)、養(yǎng)護管理MIS系統(tǒng)、收費系統(tǒng)以及公安交警、消防、上海市高速公路聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng))的數(shù)據(jù)需求,分別從服務總線上獲取數(shù)據(jù)和控制命令,同時把系統(tǒng)數(shù)據(jù)和控制命令傳輸?shù)礁魍獠肯到y(tǒng)中。

對于綜合信息管理系統(tǒng)和各外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互,只需要在服務總線下掛接相應的接口服務即可,不需要對綜合信息管理系統(tǒng)本身的架構(gòu)或代碼進行修改。這種模塊組合方式能完全滿足系統(tǒng)開放性設計的要求,實現(xiàn)“一次采集,多處共享”,提高系統(tǒng)資源的利用率。

4.可擴展性。系統(tǒng)的3層軟件架構(gòu),其整體設計是面向服務的。它將應用程序的不同功能單元(服務)通過服務之間定義良好的接口和契約聯(lián)系起來,業(yè)務服務匯集在應用服務層的服務總線上,由服務總線對服務進行組織,并提供給應用操作層的客戶端。

這種設計方式具有很強的靈活性和可擴展性。當某些服務的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)發(fā)生變化時,只需要對特定的服務進行修改,然后重新掛接入系統(tǒng)即可,而不需要對整個應用程序進行修改。當有新的系統(tǒng)需要接入時,首先檢查新系統(tǒng)需要的功能服務在應用服務層中是否已經(jīng)存在,如果已經(jīng)存在則通過簡單配置即可接入系統(tǒng),否則重新開發(fā)新的服務并掛接到應用服務層中,而這些更改都不會影響到現(xiàn)存的系統(tǒng)架構(gòu),也不需要對現(xiàn)存的應用程序進行大的修改。

可擴展性保證了后續(xù)A14崇啟高速公路和下層軌道交通監(jiān)控系統(tǒng)的接入,滿足上海長江隧橋工程信息發(fā)展的需求。

3 功能設計與實現(xiàn)

長江隧橋綜合信息管理系統(tǒng)應用軟件由4個子系統(tǒng)組成:綜合監(jiān)控系統(tǒng)、綜合管理系統(tǒng)、專家系統(tǒng)、演練培訓系統(tǒng)。

3.1 綜合監(jiān)控系統(tǒng)

綜合監(jiān)控軟件對交通監(jiān)控系統(tǒng)(交通流檢測子系統(tǒng)、可變信息發(fā)布子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、交通信號控制子系統(tǒng)、視頻事件檢測子系統(tǒng)、收費監(jiān)控子系統(tǒng)、車輛超限子系統(tǒng))、設備監(jiān)控系統(tǒng)(電力監(jiān)控子系統(tǒng)、照明子系統(tǒng)、給排水子系統(tǒng)、有線廣播子系統(tǒng)、緊急電話子系統(tǒng))、行車環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)(通風子系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)、氣象監(jiān)測子系統(tǒng)、消防子系統(tǒng)、應急逃生子系統(tǒng))等進行24 h不間斷可靠監(jiān)控,根據(jù)采集到的各系統(tǒng)工作情況,控制各系統(tǒng)聯(lián)合運作,對各種情況提供有效監(jiān)控,對各系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息進行統(tǒng)一有效管理。系統(tǒng)功能如圖6所示。

圖6 綜合監(jiān)控系統(tǒng)功能

3.1.1 信息采集

綜合監(jiān)控軟件采集以下信息:

●通過線圈車檢器采集交通數(shù)據(jù);

●交通信號燈、車道通行燈等交通信號狀態(tài);

●通過視頻檢測器檢測交通事件信息;

●收費流量信息;

●電力儀表、變電站、變壓器、直流屏、UPS、EPS等電力數(shù)據(jù);

●隧道加強照明、隧道LED照明、大橋路燈、大橋霧燈、景觀照明等照明狀態(tài);

●廢水泵、存水泵、雨水泵、泡沫泵、消防水噴霧泵、消火栓泵等給排水數(shù)據(jù);

●緊急電話狀態(tài);

●射流風機、排風排煙風機、設備用房通風設備等狀態(tài);

●隧道高壓細水霧降溫系統(tǒng)、大橋除濕機等環(huán)境監(jiān)測設備狀態(tài);

●通過自動氣象儀采集氣象數(shù)據(jù);

●消防系統(tǒng)報警信息;

●逃生蓋板、卷簾門、疏散標志等應急逃生設備狀態(tài);

●超高超載等超限信息;

●設備工作狀態(tài)。

3.1.2 信息處理

通過對采集到的信息進行處理,可以判斷:

●交通狀況;

●隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量狀況;

●大橋段或隧道內(nèi)的能見度狀況;

●氣象情況;

●事件種類、嚴重程度、影響范圍;

●車輛超限情況;

●設備故障類型和故障原因。

3.1.3 事件處理

系統(tǒng)能及時發(fā)現(xiàn)并通過預案處理以下事件:

●1級重大事件,包括火災、隧道空氣污染嚴重超標、重大交通事故;

●2級較大事件,包括交通阻塞、緊急電話報警、逃生蓋板打開、車輛超限、嚴重惡劣天氣;

●3級一般事件,包括設備故障或通信故障、養(yǎng)護作業(yè)、偶發(fā)事件、一般惡劣天氣。

3.1.4 信息顯示

●通過計算機屏幕以圖文方式顯示系統(tǒng)信息,發(fā)生異常時聲音報警;

●通過大屏幕投影、監(jiān)視器、計算機屏幕等顯示實時視頻;

●通過大型LED屏顯示實時報警及系統(tǒng)主要運行數(shù)據(jù)。

3.1.5 設備控制

●通過可變情報板發(fā)布信息;

●通過廣播發(fā)布信息;

●控制交通信號;

●控制照明設備;

●控制給排水設備;

●控制通風系統(tǒng)設備;

●視頻切換及云臺攝像機控制。

3.2 綜合管理系統(tǒng)

綜合管理軟件完成系統(tǒng)參數(shù)管理和數(shù)據(jù)管理功能,其主要功能包括:

●報表管理系統(tǒng)——通過報表查詢系統(tǒng)歷史運行數(shù)據(jù),包括報警、交通、設備操作、信息發(fā)布、各個子系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)等;

●路政事件管理系統(tǒng)——記錄、處理、分析路政事件;

●設備管理系統(tǒng)——設備信息查詢、故障查詢、設備維護與更換;

●人員管理系統(tǒng)——管理人員及權(quán)限信息。

3.3 專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)軟件完成系統(tǒng)應急預案的編輯生成、管理、跟蹤及評估功能,并實現(xiàn)對系統(tǒng)控制模式的設置操作,從而達到有效應對可能的突發(fā)事件,建立相應的預測預警、防范指揮、應急處置的體制和機制,最大限度降低損失,保障系統(tǒng)的安全運行。

以“掌握現(xiàn)狀、找出規(guī)律、科學誘導、有效指揮”的指導思想為依據(jù),根據(jù)長江隧橋的運營規(guī)律和特點,專家系統(tǒng)實現(xiàn)了預警、應急處置與指揮的功能,提高了管理人員的運營管理水平,為系統(tǒng)安全、暢通地運行提供了保障。

從長江隧橋的安全運營、道路通行能力、交通組織等多方面著手,系統(tǒng)將可能影響長江隧橋運營的事件按照“分類、分級、分區(qū)”的辦法,共劃分為16類系統(tǒng)聯(lián)動預案,針對事件的類別、嚴重程度和發(fā)生地點,根據(jù)需要針對性地制定相關(guān)預案。16類系統(tǒng)聯(lián)動預案包括:

●正常運營預案;

●緊急電話報警預案;

●逃生蓋板報警預案;

●交通事件預案;

●火災預案;

●惡劣天氣預案;

●隧道空氣污染嚴重超標預案;

●車輛超限預案;

●隧道淹水預案;

●隧橋結(jié)構(gòu)體損壞預案;

●斷電預案;

●隧橋機電管養(yǎng)預案;

●船舶撞橋卡橋預案;

●車輛人員墜落大海預案;

●交保交管預案;

●用戶自定義預案。

3.3.1 編輯預案

隨著客觀條件的變化和運營經(jīng)驗的積累,系統(tǒng)中的預案也會發(fā)生變化。專家系統(tǒng)軟件提供了預案編輯功能。預案編輯功能可以使監(jiān)控人員根據(jù)運行的需求自己添加、編輯合適的預案,可以最大限度地滿足運行管理中對預案的需求。

3.3.2 執(zhí)行預案

系統(tǒng)實時接收并處理數(shù)據(jù),如果發(fā)現(xiàn)異常則以圖形、聲音等方式報警提示用戶。同時自動執(zhí)行該報警關(guān)聯(lián)的、在專家系統(tǒng)軟件中被設置為自動執(zhí)行的動作(通常是視頻動作),并根據(jù)專家?guī)焯崾居脩舢斍敖ㄗh采用的預案(包括設備動作、車輛/人員調(diào)度等)。用戶可以選擇按照建議的方式直接執(zhí)行,或者在建議的方式基礎(chǔ)上進行更改后再執(zhí)行。

在預案執(zhí)行過程中,用戶可以對預案執(zhí)行情況進行跟蹤。跟蹤的內(nèi)容包括設備動作跟蹤、車輛/人員的調(diào)度。

3.3.3 評估預案

預案執(zhí)行完畢后,系統(tǒng)分析生成預案的事件信息及預案執(zhí)行過程,得出預案評估報告。評估報告是預案具體內(nèi)容的全面展示,是預案執(zhí)行過程及結(jié)果的全面總結(jié),是評估預案的合理性及系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的重要資料,是改進預案的重要依據(jù)。

3.4 演練培訓系統(tǒng)

國內(nèi)現(xiàn)有交通監(jiān)控系統(tǒng)軟件基本針對項目開發(fā),能滿足實際項目的監(jiān)控要求,但缺少完全基于軟件的仿真培訓功能,在實際應用中要么不能完全滿足用戶的培訓演練需求,要么需要增加硬件帶來成本的增加。

長江隧橋演練培訓系統(tǒng)由學生工作站和教師工作站組成,通過信號發(fā)生器軟件對實際監(jiān)控系統(tǒng)中全部設備的數(shù)據(jù)進行模擬,提供給用戶與實際監(jiān)控軟件在功能、界面和操作流程方面完全相同的監(jiān)控模擬軟件,同時提供預案制定、修改和演練功能,使系統(tǒng)操作人員、管理人員和參觀人員在不影響系統(tǒng)運行的情況下掌握監(jiān)控軟件的操作流程和應急預案的各項功能。同時針對系統(tǒng)運營管理的要點編制了多個課程,使用戶可以簡單快速地掌握要點。

4 結(jié) 語

上海長江隧橋綜合信息管理系統(tǒng)應用軟件充分遵循了“實時、可靠、開放、可擴展”的原則,自系統(tǒng)開通以后運行穩(wěn)定,設備監(jiān)控實時可靠,事故響應及時,既保證了系統(tǒng)安全運營,又提高了長江隧橋的交通管理和服務水平。

[1] 林懷恭,聶瑞華,羅輝瓊,等.基于SOA架構(gòu)的服務集成技術(shù)的研究[J].計算機技術(shù)與發(fā)展,2009,19(7):141-144,148.

[2] 夏紅霞,丁毅,鐘珞.基于PLC與組態(tài)軟件的隧道監(jiān)控系統(tǒng)集成[J].微計算機信息,2008,24(12-1):10-11.