隧道機(jī)電系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)方案探討

任彬彬+龍光

摘 要：針對(duì)隧道機(jī)電系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制特點(diǎn)，分析系統(tǒng)要點(diǎn)，提出合理的長(zhǎng)隧道聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成及控制模式，并介紹了實(shí)際設(shè)計(jì)案例。

關(guān)鍵詞：隧道機(jī)電；聯(lián)動(dòng)控制

1 概述

隧道通過(guò)監(jiān)測(cè)、控制及誘導(dǎo)設(shè)備（交通檢測(cè)與控制、環(huán)境檢測(cè)和控制、照明控制、火災(zāi)報(bào)警、視頻監(jiān)控、有線廣播及緊急電話等技術(shù)手段），綜合對(duì)隧道路段進(jìn)行整體監(jiān)控。隧道機(jī)電系統(tǒng)作為隧道狀況采集探測(cè)系統(tǒng)，是早期獲取隧道內(nèi)交通運(yùn)行環(huán)境狀況、緊急預(yù)警、改善行車環(huán)境的主要手段，是隧道安全運(yùn)營(yíng)的重要保障。

隧道特別是長(zhǎng)隧道因單洞距離長(zhǎng)，機(jī)電設(shè)備種類、數(shù)量較多，設(shè)置高成本的設(shè)備可以提高隧道的安全程度，但這只是前提條件。合理完善的數(shù)據(jù)傳輸、決策、控制系統(tǒng)才能較好的發(fā)揮所設(shè)置設(shè)備的功能，以達(dá)到在安全事故初期較好的處理事故、及時(shí)救援的目的。

2 控制管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

隧道內(nèi)設(shè)置有大量的機(jī)電設(shè)備，需合理的對(duì)這些機(jī)電設(shè)備進(jìn)行傳輸控制。在隧道管理體制方面，目前我國(guó)及我省主要采用三級(jí)管理模式，即路段監(jiān)控中心、隧道管理站和隧道本地，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為信息傳輸層、核心控制層和設(shè)備接入層。

信息傳輸層主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的信息傳輸，工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet為目前較常用的一種信息網(wǎng)絡(luò)。隧道監(jiān)控領(lǐng)域利用以太網(wǎng)作為隧道管理站、路段監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸，其中包含了設(shè)備采集數(shù)據(jù)、系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)、及存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)。

核心控制層主要是利用現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)建的總線形成隧道本地控制網(wǎng)絡(luò)，由于采用了標(biāo)準(zhǔn)的總線組網(wǎng)，既滿足了機(jī)電系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信的需求，又因具有較為開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接口，能夠較為方便的在總線網(wǎng)絡(luò)上外接各種機(jī)電設(shè)備，有利于隧道機(jī)電系統(tǒng)的擴(kuò)展，適用于本地控制器與隧道控制室的計(jì)算機(jī)設(shè)備、本地控制器與本地控制器及本地控制器與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)通信。一般控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用了雙纖光纖組成的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

設(shè)備接入層主要用于本地控制器與現(xiàn)場(chǎng)機(jī)電設(shè)備、控制器輸入輸出端子、采集設(shè)備之間的通信，采用各種總線通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)有效。

目前監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)多采用成熟的以太網(wǎng)技術(shù)，以以太網(wǎng)交換機(jī)為中心的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但以太網(wǎng)由于采用CSMA/CD介質(zhì)訪問(wèn)控制方式，本質(zhì)上是非實(shí)時(shí)的，可能導(dǎo)致信息傳輸?shù)臏蟆Ｋ淼罊C(jī)電系統(tǒng)控制的重點(diǎn)是在隧道發(fā)生緊急事故時(shí)候?qū)崿F(xiàn)隧道安全。緊急事故時(shí)易造成信息處理不及時(shí)而造成較大的事故。針對(duì)以太網(wǎng)的這個(gè)問(wèn)題，且長(zhǎng)隧道大量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸需求，可采用現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域控制器+以太網(wǎng)交換機(jī)的方式，將網(wǎng)絡(luò)分為若干網(wǎng)段，以太網(wǎng)交換機(jī)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)功能，使各端口數(shù)據(jù)得到緩沖，不發(fā)生沖突。

為了保證各監(jiān)控設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性，隧道的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可采用環(huán)形結(jié)構(gòu)。環(huán)形冗余結(jié)構(gòu)帶有線路冗余，具有很高的生存性，當(dāng)線路上有一個(gè)斷點(diǎn)時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)仍可正常通訊，常見(jiàn)于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)長(zhǎng)隧道可按區(qū)段組環(huán)，每個(gè)區(qū)段設(shè)置1處主PLC，配置觸摸屏，在特殊情況下能夠?qū)崿F(xiàn)更高效、可靠的現(xiàn)場(chǎng)控制。

3 系統(tǒng)控制模式的選擇

隧道的控制需要將系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)進(jìn)行有效的結(jié)合，通過(guò)智能分析，整合為統(tǒng)一的機(jī)電系統(tǒng)，隧道控制方式可以分為自動(dòng)控制與手動(dòng)控制，正常情況下通過(guò)隧道管理站的計(jì)算機(jī)對(duì)隧道交通信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析、信息發(fā)布及實(shí)時(shí)控制。隧道本地控制器（PLC）向下以一對(duì)多的方式與外場(chǎng)設(shè)備相連，實(shí)時(shí)采集交通數(shù)據(jù)，并配備相應(yīng)的各種接口模塊與各監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行通信。緊急情況下可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地人工手動(dòng)控制。

隧道機(jī)電硬件通訊結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)集成方案采用全以太網(wǎng)通訊架構(gòu)，可采用上位軟件通過(guò)定制的驅(qū)動(dòng)接口程序?qū)λ淼劳鈭?chǎng)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行訪問(wèn)，PLC硬件的邏輯編寫與調(diào)試也可在中控室直接下載或上傳，視頻監(jiān)控由視頻平臺(tái)的通訊接口與上位軟件通訊，緊急電話與消防系統(tǒng)可用API、ODBC等數(shù)據(jù)訪問(wèn)方式獲取數(shù)據(jù)。整合后的軟件系統(tǒng)可由客戶端操控的就是所有的隧道監(jiān)控子系統(tǒng)，形成統(tǒng)一的應(yīng)用軟件平臺(tái)對(duì)隧道進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

4 設(shè)計(jì)案例

岳西至武漢高速公路安徽段地處皖西大別山區(qū)，是溝通安徽、湖北兩省的重要省際區(qū)域干線，也是連接中部地區(qū)和東部地區(qū)的重要高速公路大通道，隧道數(shù)量較多，橋隧占路線總長(zhǎng)近60%，其中明堂山隧道全長(zhǎng)約7.5km，為我省目前最長(zhǎng)公路隧道。

根據(jù)安徽省目前實(shí)行的公路建設(shè)模式，岳武高速隧道監(jiān)控設(shè)施管理模式如下：高速集團(tuán)公司信息中心-高界路段監(jiān)控中心-隧道管理站-監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)施。考慮本項(xiàng)目?jī)?nèi)隧道路段較多，且路段監(jiān)控中心距離連續(xù)、長(zhǎng)隧道路段較遠(yuǎn)，在岳西收費(fèi)站內(nèi)設(shè)置隧道管理站，負(fù)責(zé)本項(xiàng)目?jī)?nèi)隧道路段的交通管理，對(duì)本路段的交通監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及其他各種參數(shù)進(jìn)行匯總，向路段監(jiān)控中心上傳監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及圖像，并接受路段監(jiān)控中心的管理。

此項(xiàng)目隧道監(jiān)控設(shè)備的種類多而復(fù)雜，為了保證各監(jiān)控設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性，本次設(shè)計(jì)隧道的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方案采用環(huán)形結(jié)構(gòu)。環(huán)形冗余結(jié)構(gòu)帶有線路冗余，具有很高的生存性，當(dāng)線路上有一個(gè)斷點(diǎn)時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)仍可正常通訊，常見(jiàn)于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。

隧道內(nèi)各監(jiān)控設(shè)備的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)首先由布置在隧道內(nèi)和隧道變電所的本地控制器（PLC）進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和控制，同時(shí)經(jīng)設(shè)置在各隧道變電所內(nèi)的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組成環(huán)形自愈環(huán)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到隧道管理站管理?？刂品绞娇梢苑譃樽詣?dòng)控制與手動(dòng)控制，正常情況下通過(guò)隧道管理站的計(jì)算機(jī)對(duì)隧道交通信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析、信息發(fā)布及實(shí)時(shí)控制。隧道本地控制器（PLC）向下以一對(duì)多的方式與外場(chǎng)設(shè)備相連，實(shí)時(shí)采集交通數(shù)據(jù)，并配備相應(yīng)的各種接口模塊與各監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行通信。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)隧道目前存在只監(jiān)不控、監(jiān)強(qiáng)控弱的現(xiàn)象，采集的監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)也得不到較好的利用；對(duì)隧道進(jìn)行較好的管理控制，一方面要兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠與可控，同時(shí)也要對(duì)不同主體條件的隧道及交通狀況配置不同規(guī)模和冗余等級(jí)的機(jī)電系統(tǒng)，并設(shè)置合理的系統(tǒng)集成方案，構(gòu)建系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，保證系統(tǒng)的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)，最大程度的發(fā)揮系統(tǒng)應(yīng)用的作用，實(shí)現(xiàn)靈活機(jī)動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)控制。

參考文獻(xiàn)：

[1]李祖?zhèn)ィ?單體特長(zhǎng)公路隧道聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)方案研究[A].公路隧道運(yùn)營(yíng)管理與安全國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C]，重慶：中國(guó)公路協(xié)會(huì)，2006.

摘 要：針對(duì)隧道機(jī)電系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制特點(diǎn)，分析系統(tǒng)要點(diǎn)，提出合理的長(zhǎng)隧道聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成及控制模式，并介紹了實(shí)際設(shè)計(jì)案例。

關(guān)鍵詞：隧道機(jī)電；聯(lián)動(dòng)控制

1 概述

隧道通過(guò)監(jiān)測(cè)、控制及誘導(dǎo)設(shè)備（交通檢測(cè)與控制、環(huán)境檢測(cè)和控制、照明控制、火災(zāi)報(bào)警、視頻監(jiān)控、有線廣播及緊急電話等技術(shù)手段），綜合對(duì)隧道路段進(jìn)行整體監(jiān)控。隧道機(jī)電系統(tǒng)作為隧道狀況采集探測(cè)系統(tǒng)，是早期獲取隧道內(nèi)交通運(yùn)行環(huán)境狀況、緊急預(yù)警、改善行車環(huán)境的主要手段，是隧道安全運(yùn)營(yíng)的重要保障。

隧道特別是長(zhǎng)隧道因單洞距離長(zhǎng)，機(jī)電設(shè)備種類、數(shù)量較多，設(shè)置高成本的設(shè)備可以提高隧道的安全程度，但這只是前提條件。合理完善的數(shù)據(jù)傳輸、決策、控制系統(tǒng)才能較好的發(fā)揮所設(shè)置設(shè)備的功能，以達(dá)到在安全事故初期較好的處理事故、及時(shí)救援的目的。

2 控制管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

隧道內(nèi)設(shè)置有大量的機(jī)電設(shè)備，需合理的對(duì)這些機(jī)電設(shè)備進(jìn)行傳輸控制。在隧道管理體制方面，目前我國(guó)及我省主要采用三級(jí)管理模式，即路段監(jiān)控中心、隧道管理站和隧道本地，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為信息傳輸層、核心控制層和設(shè)備接入層。

信息傳輸層主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的信息傳輸，工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet為目前較常用的一種信息網(wǎng)絡(luò)。隧道監(jiān)控領(lǐng)域利用以太網(wǎng)作為隧道管理站、路段監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸，其中包含了設(shè)備采集數(shù)據(jù)、系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)、及存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)。

核心控制層主要是利用現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)建的總線形成隧道本地控制網(wǎng)絡(luò)，由于采用了標(biāo)準(zhǔn)的總線組網(wǎng)，既滿足了機(jī)電系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信的需求，又因具有較為開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接口，能夠較為方便的在總線網(wǎng)絡(luò)上外接各種機(jī)電設(shè)備，有利于隧道機(jī)電系統(tǒng)的擴(kuò)展，適用于本地控制器與隧道控制室的計(jì)算機(jī)設(shè)備、本地控制器與本地控制器及本地控制器與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)通信。一般控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用了雙纖光纖組成的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

設(shè)備接入層主要用于本地控制器與現(xiàn)場(chǎng)機(jī)電設(shè)備、控制器輸入輸出端子、采集設(shè)備之間的通信，采用各種總線通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)有效。

目前監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)多采用成熟的以太網(wǎng)技術(shù)，以以太網(wǎng)交換機(jī)為中心的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但以太網(wǎng)由于采用CSMA/CD介質(zhì)訪問(wèn)控制方式，本質(zhì)上是非實(shí)時(shí)的，可能導(dǎo)致信息傳輸?shù)臏?。隧道機(jī)電系統(tǒng)控制的重點(diǎn)是在隧道發(fā)生緊急事故時(shí)候?qū)崿F(xiàn)隧道安全。緊急事故時(shí)易造成信息處理不及時(shí)而造成較大的事故。針對(duì)以太網(wǎng)的這個(gè)問(wèn)題，且長(zhǎng)隧道大量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸需求，可采用現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域控制器+以太網(wǎng)交換機(jī)的方式，將網(wǎng)絡(luò)分為若干網(wǎng)段，以太網(wǎng)交換機(jī)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)功能，使各端口數(shù)據(jù)得到緩沖，不發(fā)生沖突。

為了保證各監(jiān)控設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性，隧道的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可采用環(huán)形結(jié)構(gòu)。環(huán)形冗余結(jié)構(gòu)帶有線路冗余，具有很高的生存性，當(dāng)線路上有一個(gè)斷點(diǎn)時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)仍可正常通訊，常見(jiàn)于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)長(zhǎng)隧道可按區(qū)段組環(huán)，每個(gè)區(qū)段設(shè)置1處主PLC，配置觸摸屏，在特殊情況下能夠?qū)崿F(xiàn)更高效、可靠的現(xiàn)場(chǎng)控制。

3 系統(tǒng)控制模式的選擇

隧道的控制需要將系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)進(jìn)行有效的結(jié)合，通過(guò)智能分析，整合為統(tǒng)一的機(jī)電系統(tǒng)，隧道控制方式可以分為自動(dòng)控制與手動(dòng)控制，正常情況下通過(guò)隧道管理站的計(jì)算機(jī)對(duì)隧道交通信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析、信息發(fā)布及實(shí)時(shí)控制。隧道本地控制器（PLC）向下以一對(duì)多的方式與外場(chǎng)設(shè)備相連，實(shí)時(shí)采集交通數(shù)據(jù)，并配備相應(yīng)的各種接口模塊與各監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行通信。緊急情況下可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地人工手動(dòng)控制。

隧道機(jī)電硬件通訊結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)集成方案采用全以太網(wǎng)通訊架構(gòu)，可采用上位軟件通過(guò)定制的驅(qū)動(dòng)接口程序?qū)λ淼劳鈭?chǎng)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行訪問(wèn)，PLC硬件的邏輯編寫與調(diào)試也可在中控室直接下載或上傳，視頻監(jiān)控由視頻平臺(tái)的通訊接口與上位軟件通訊，緊急電話與消防系統(tǒng)可用API、ODBC等數(shù)據(jù)訪問(wèn)方式獲取數(shù)據(jù)。整合后的軟件系統(tǒng)可由客戶端操控的就是所有的隧道監(jiān)控子系統(tǒng)，形成統(tǒng)一的應(yīng)用軟件平臺(tái)對(duì)隧道進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

4 設(shè)計(jì)案例

岳西至武漢高速公路安徽段地處皖西大別山區(qū)，是溝通安徽、湖北兩省的重要省際區(qū)域干線，也是連接中部地區(qū)和東部地區(qū)的重要高速公路大通道，隧道數(shù)量較多，橋隧占路線總長(zhǎng)近60%，其中明堂山隧道全長(zhǎng)約7.5km，為我省目前最長(zhǎng)公路隧道。

根據(jù)安徽省目前實(shí)行的公路建設(shè)模式，岳武高速隧道監(jiān)控設(shè)施管理模式如下：高速集團(tuán)公司信息中心-高界路段監(jiān)控中心-隧道管理站-監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)施?？紤]本項(xiàng)目?jī)?nèi)隧道路段較多，且路段監(jiān)控中心距離連續(xù)、長(zhǎng)隧道路段較遠(yuǎn)，在岳西收費(fèi)站內(nèi)設(shè)置隧道管理站，負(fù)責(zé)本項(xiàng)目?jī)?nèi)隧道路段的交通管理，對(duì)本路段的交通監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及其他各種參數(shù)進(jìn)行匯總，向路段監(jiān)控中心上傳監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及圖像，并接受路段監(jiān)控中心的管理。

此項(xiàng)目隧道監(jiān)控設(shè)備的種類多而復(fù)雜，為了保證各監(jiān)控設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性，本次設(shè)計(jì)隧道的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方案采用環(huán)形結(jié)構(gòu)。環(huán)形冗余結(jié)構(gòu)帶有線路冗余，具有很高的生存性，當(dāng)線路上有一個(gè)斷點(diǎn)時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)仍可正常通訊，常見(jiàn)于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。

隧道內(nèi)各監(jiān)控設(shè)備的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)首先由布置在隧道內(nèi)和隧道變電所的本地控制器（PLC）進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和控制，同時(shí)經(jīng)設(shè)置在各隧道變電所內(nèi)的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組成環(huán)形自愈環(huán)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到隧道管理站管理。控制方式可以分為自動(dòng)控制與手動(dòng)控制，正常情況下通過(guò)隧道管理站的計(jì)算機(jī)對(duì)隧道交通信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析、信息發(fā)布及實(shí)時(shí)控制。隧道本地控制器（PLC）向下以一對(duì)多的方式與外場(chǎng)設(shè)備相連，實(shí)時(shí)采集交通數(shù)據(jù)，并配備相應(yīng)的各種接口模塊與各監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行通信。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)隧道目前存在只監(jiān)不控、監(jiān)強(qiáng)控弱的現(xiàn)象，采集的監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)也得不到較好的利用；對(duì)隧道進(jìn)行較好的管理控制，一方面要兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠與可控，同時(shí)也要對(duì)不同主體條件的隧道及交通狀況配置不同規(guī)模和冗余等級(jí)的機(jī)電系統(tǒng)，并設(shè)置合理的系統(tǒng)集成方案，構(gòu)建系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，保證系統(tǒng)的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)，最大程度的發(fā)揮系統(tǒng)應(yīng)用的作用，實(shí)現(xiàn)靈活機(jī)動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)控制。

參考文獻(xiàn)：

[1]李祖?zhèn)?，?單體特長(zhǎng)公路隧道聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)方案研究[A].公路隧道運(yùn)營(yíng)管理與安全國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C]，重慶：中國(guó)公路協(xié)會(huì)，2006.

摘 要：針對(duì)隧道機(jī)電系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制特點(diǎn)，分析系統(tǒng)要點(diǎn)，提出合理的長(zhǎng)隧道聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成及控制模式，并介紹了實(shí)際設(shè)計(jì)案例。

關(guān)鍵詞：隧道機(jī)電；聯(lián)動(dòng)控制

1 概述

隧道通過(guò)監(jiān)測(cè)、控制及誘導(dǎo)設(shè)備（交通檢測(cè)與控制、環(huán)境檢測(cè)和控制、照明控制、火災(zāi)報(bào)警、視頻監(jiān)控、有線廣播及緊急電話等技術(shù)手段），綜合對(duì)隧道路段進(jìn)行整體監(jiān)控。隧道機(jī)電系統(tǒng)作為隧道狀況采集探測(cè)系統(tǒng)，是早期獲取隧道內(nèi)交通運(yùn)行環(huán)境狀況、緊急預(yù)警、改善行車環(huán)境的主要手段，是隧道安全運(yùn)營(yíng)的重要保障。

隧道特別是長(zhǎng)隧道因單洞距離長(zhǎng)，機(jī)電設(shè)備種類、數(shù)量較多，設(shè)置高成本的設(shè)備可以提高隧道的安全程度，但這只是前提條件。合理完善的數(shù)據(jù)傳輸、決策、控制系統(tǒng)才能較好的發(fā)揮所設(shè)置設(shè)備的功能，以達(dá)到在安全事故初期較好的處理事故、及時(shí)救援的目的。

2 控制管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

隧道內(nèi)設(shè)置有大量的機(jī)電設(shè)備，需合理的對(duì)這些機(jī)電設(shè)備進(jìn)行傳輸控制。在隧道管理體制方面，目前我國(guó)及我省主要采用三級(jí)管理模式，即路段監(jiān)控中心、隧道管理站和隧道本地，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為信息傳輸層、核心控制層和設(shè)備接入層。

信息傳輸層主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的信息傳輸，工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet為目前較常用的一種信息網(wǎng)絡(luò)。隧道監(jiān)控領(lǐng)域利用以太網(wǎng)作為隧道管理站、路段監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸，其中包含了設(shè)備采集數(shù)據(jù)、系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)、及存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)。

核心控制層主要是利用現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)建的總線形成隧道本地控制網(wǎng)絡(luò)，由于采用了標(biāo)準(zhǔn)的總線組網(wǎng)，既滿足了機(jī)電系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信的需求，又因具有較為開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接口，能夠較為方便的在總線網(wǎng)絡(luò)上外接各種機(jī)電設(shè)備，有利于隧道機(jī)電系統(tǒng)的擴(kuò)展，適用于本地控制器與隧道控制室的計(jì)算機(jī)設(shè)備、本地控制器與本地控制器及本地控制器與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)通信。一般控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用了雙纖光纖組成的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

設(shè)備接入層主要用于本地控制器與現(xiàn)場(chǎng)機(jī)電設(shè)備、控制器輸入輸出端子、采集設(shè)備之間的通信，采用各種總線通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)有效。

目前監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)多采用成熟的以太網(wǎng)技術(shù)，以以太網(wǎng)交換機(jī)為中心的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但以太網(wǎng)由于采用CSMA/CD介質(zhì)訪問(wèn)控制方式，本質(zhì)上是非實(shí)時(shí)的，可能導(dǎo)致信息傳輸?shù)臏?。隧道機(jī)電系統(tǒng)控制的重點(diǎn)是在隧道發(fā)生緊急事故時(shí)候?qū)崿F(xiàn)隧道安全。緊急事故時(shí)易造成信息處理不及時(shí)而造成較大的事故。針對(duì)以太網(wǎng)的這個(gè)問(wèn)題，且長(zhǎng)隧道大量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸需求，可采用現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域控制器+以太網(wǎng)交換機(jī)的方式，將網(wǎng)絡(luò)分為若干網(wǎng)段，以太網(wǎng)交換機(jī)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)功能，使各端口數(shù)據(jù)得到緩沖，不發(fā)生沖突。

為了保證各監(jiān)控設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性，隧道的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可采用環(huán)形結(jié)構(gòu)。環(huán)形冗余結(jié)構(gòu)帶有線路冗余，具有很高的生存性，當(dāng)線路上有一個(gè)斷點(diǎn)時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)仍可正常通訊，常見(jiàn)于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)長(zhǎng)隧道可按區(qū)段組環(huán)，每個(gè)區(qū)段設(shè)置1處主PLC，配置觸摸屏，在特殊情況下能夠?qū)崿F(xiàn)更高效、可靠的現(xiàn)場(chǎng)控制。

3 系統(tǒng)控制模式的選擇

隧道的控制需要將系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)進(jìn)行有效的結(jié)合，通過(guò)智能分析，整合為統(tǒng)一的機(jī)電系統(tǒng)，隧道控制方式可以分為自動(dòng)控制與手動(dòng)控制，正常情況下通過(guò)隧道管理站的計(jì)算機(jī)對(duì)隧道交通信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析、信息發(fā)布及實(shí)時(shí)控制。隧道本地控制器（PLC）向下以一對(duì)多的方式與外場(chǎng)設(shè)備相連，實(shí)時(shí)采集交通數(shù)據(jù)，并配備相應(yīng)的各種接口模塊與各監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行通信。緊急情況下可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地人工手動(dòng)控制。

隧道機(jī)電硬件通訊結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)集成方案采用全以太網(wǎng)通訊架構(gòu)，可采用上位軟件通過(guò)定制的驅(qū)動(dòng)接口程序?qū)λ淼劳鈭?chǎng)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行訪問(wèn)，PLC硬件的邏輯編寫與調(diào)試也可在中控室直接下載或上傳，視頻監(jiān)控由視頻平臺(tái)的通訊接口與上位軟件通訊，緊急電話與消防系統(tǒng)可用API、ODBC等數(shù)據(jù)訪問(wèn)方式獲取數(shù)據(jù)。整合后的軟件系統(tǒng)可由客戶端操控的就是所有的隧道監(jiān)控子系統(tǒng)，形成統(tǒng)一的應(yīng)用軟件平臺(tái)對(duì)隧道進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

4 設(shè)計(jì)案例

岳西至武漢高速公路安徽段地處皖西大別山區(qū)，是溝通安徽、湖北兩省的重要省際區(qū)域干線，也是連接中部地區(qū)和東部地區(qū)的重要高速公路大通道，隧道數(shù)量較多，橋隧占路線總長(zhǎng)近60%，其中明堂山隧道全長(zhǎng)約7.5km，為我省目前最長(zhǎng)公路隧道。

根據(jù)安徽省目前實(shí)行的公路建設(shè)模式，岳武高速隧道監(jiān)控設(shè)施管理模式如下：高速集團(tuán)公司信息中心-高界路段監(jiān)控中心-隧道管理站-監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)施?？紤]本項(xiàng)目?jī)?nèi)隧道路段較多，且路段監(jiān)控中心距離連續(xù)、長(zhǎng)隧道路段較遠(yuǎn)，在岳西收費(fèi)站內(nèi)設(shè)置隧道管理站，負(fù)責(zé)本項(xiàng)目?jī)?nèi)隧道路段的交通管理，對(duì)本路段的交通監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及其他各種參數(shù)進(jìn)行匯總，向路段監(jiān)控中心上傳監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及圖像，并接受路段監(jiān)控中心的管理。

此項(xiàng)目隧道監(jiān)控設(shè)備的種類多而復(fù)雜，為了保證各監(jiān)控設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性，本次設(shè)計(jì)隧道的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方案采用環(huán)形結(jié)構(gòu)。環(huán)形冗余結(jié)構(gòu)帶有線路冗余，具有很高的生存性，當(dāng)線路上有一個(gè)斷點(diǎn)時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)仍可正常通訊，常見(jiàn)于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。

隧道內(nèi)各監(jiān)控設(shè)備的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)首先由布置在隧道內(nèi)和隧道變電所的本地控制器（PLC）進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和控制，同時(shí)經(jīng)設(shè)置在各隧道變電所內(nèi)的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組成環(huán)形自愈環(huán)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到隧道管理站管理。控制方式可以分為自動(dòng)控制與手動(dòng)控制，正常情況下通過(guò)隧道管理站的計(jì)算機(jī)對(duì)隧道交通信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析、信息發(fā)布及實(shí)時(shí)控制。隧道本地控制器（PLC）向下以一對(duì)多的方式與外場(chǎng)設(shè)備相連，實(shí)時(shí)采集交通數(shù)據(jù)，并配備相應(yīng)的各種接口模塊與各監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行通信。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)隧道目前存在只監(jiān)不控、監(jiān)強(qiáng)控弱的現(xiàn)象，采集的監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)也得不到較好的利用；對(duì)隧道進(jìn)行較好的管理控制，一方面要兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠與可控，同時(shí)也要對(duì)不同主體條件的隧道及交通狀況配置不同規(guī)模和冗余等級(jí)的機(jī)電系統(tǒng)，并設(shè)置合理的系統(tǒng)集成方案，構(gòu)建系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，保證系統(tǒng)的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)，最大程度的發(fā)揮系統(tǒng)應(yīng)用的作用，實(shí)現(xiàn)靈活機(jī)動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)控制。

參考文獻(xiàn)：

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