公路隧道遠(yuǎn)程監(jiān)控的研究與設(shè)計

李婕莉，張國有（太原科技大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，太原030024）

公路隧道遠(yuǎn)程監(jiān)控的研究與設(shè)計

李婕莉，張國有
（太原科技大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，太原030024）

作為高速公路的咽喉地段，隧道內(nèi)日常交通的穩(wěn)定運行是保證高速公路正常運轉(zhuǎn)的重中之重，所以研究一套完善的隧道監(jiān)控系統(tǒng)尤為重要。系統(tǒng)按照監(jiān)控分中心、隧道管理站和隧道現(xiàn)場三級控制模式設(shè)計，其中隧道管理站是整個監(jiān)控平臺的核心。為保證數(shù)據(jù)傳輸速度系統(tǒng)采用實時數(shù)據(jù)庫處理數(shù)據(jù)，為保證系統(tǒng)安全對用戶設(shè)置不同角色和操作權(quán)限，實現(xiàn)實時、高效、準(zhǔn)確的監(jiān)控隧道的目的。

監(jiān)控系統(tǒng)；數(shù)據(jù)庫；用戶管理

0　引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟發(fā)展速度的加快和現(xiàn)代化進程的推進，公路隧道的項目建設(shè)也迅速發(fā)展起來，道路交通建設(shè)取得明顯成果。我國是個多山地、丘陵的國家，特殊的地質(zhì)條件使我國必然建設(shè)很多隧道。由于隧道中環(huán)境密閉，容易發(fā)生交通事故，所以加強隧道中的安全運營管理顯得極為重要。為了使隧道中交通環(huán)境更加方便、安全和高效，為了及時應(yīng)對隧道內(nèi)的突發(fā)事故，有效地保障隧道內(nèi)行車安全越來越多地受到政府交通部門的重視。然而，現(xiàn)今大多數(shù)公路隧道車輛監(jiān)控都是通過人工觀看視頻，而完全依靠監(jiān)控人員觀看視頻監(jiān)控不僅會增加政府財政支出，而且由于監(jiān)控人員有限的精力和注意力，很容易出現(xiàn)疏漏。為了能夠?qū)λ淼纼?nèi)發(fā)生的異常情況及時做出反應(yīng)并進行分析處理，設(shè)計一個完善的公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)尤為重要，本文就我們完工的某公路隧道監(jiān)控平臺的設(shè)計和實現(xiàn)方案進行詳細(xì)說明。

1　系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.1系統(tǒng)組成

隧道監(jiān)控平臺的管理模式是對平臺的軟件和設(shè)備配置進行集中管控。隧道采用片區(qū)監(jiān)控中心、隧道管理站和隧道現(xiàn)場三級控制模式。一般情況下，隧道的日常運營管理和處理事件由隧道管理站負(fù)責(zé)，隧道管理站可以向區(qū)域控制器下達(dá)控制指令驅(qū)動終端控制設(shè)備（如設(shè)備狀態(tài)控制、設(shè)備閾值設(shè)置、設(shè)備操作方式和系統(tǒng)控制預(yù)案等等）。監(jiān)控總中心擁有最高的控制權(quán)限，它可以協(xié)調(diào)控制各片區(qū)監(jiān)控中心。片區(qū)監(jiān)控中心可通過隧道管理站實現(xiàn)對隧道的管理，它擁有比隧道管理站更高的權(quán)限。各管理站一般都無人職守,若有緊急情況管理人員可以到管理站人工控制隧道設(shè)備。如圖1所示為隧道監(jiān)控系統(tǒng)控制模式圖：

圖1　隧道監(jiān)控控制模式圖

1.2PLC組網(wǎng)與通信

系統(tǒng)組網(wǎng)方式采用工業(yè)以太網(wǎng)組成控制層環(huán)網(wǎng)，再將交換機與PLC鏈接，設(shè)備之間的通信使用遠(yuǎn)程的I/O通信。以某隧道為例，隧道左右洞通過以太網(wǎng)交換機光纖組成以太自愈環(huán)網(wǎng)，圖2所示為其結(jié)構(gòu)圖：

圖2　隧道PLC環(huán)網(wǎng)圖

2　隧道監(jiān)控平臺軟件設(shè)計

2.1數(shù)據(jù)庫模塊

數(shù)據(jù)庫是隧道監(jiān)控平臺的核心，是監(jiān)控系統(tǒng)和現(xiàn)場設(shè)備聯(lián)系的紐帶。監(jiān)控系統(tǒng)運行時，隧道設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)要上傳到隧道管理站，同時中心計算機發(fā)布的控制指令也要實時傳到隧道現(xiàn)場，這些都要以數(shù)據(jù)庫為中心。

數(shù)據(jù)庫模塊可以存儲隧道監(jiān)控平臺和相關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)，對于系統(tǒng)中大量數(shù)據(jù)應(yīng)運用分月建表的方式，需要獲取歷史數(shù)據(jù)時可以直接從統(tǒng)計表中獲取而不需要再次統(tǒng)計，為統(tǒng)計處理數(shù)據(jù)節(jié)省大量時間。

在系統(tǒng)中添加、修改、刪除和查詢設(shè)備都需要操作數(shù)據(jù)庫，在對數(shù)據(jù)進行定義、初始化、建立數(shù)據(jù)詞典并成功連接數(shù)據(jù)庫后，即可通過代碼實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的相應(yīng)操作。系統(tǒng)數(shù)據(jù)操作流程圖如下圖3所示，客戶端發(fā)出請求到服務(wù)器，通過登錄驗證，從服務(wù)器取出數(shù)據(jù)和文件。

圖3　系統(tǒng)數(shù)據(jù)操作流程圖

2.2系統(tǒng)監(jiān)控

系統(tǒng)監(jiān)控包括交通、照明、通風(fēng)、消防、報警及事故處理和隧道緊急電話及廣播六大子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)通過PLC與設(shè)備之間進行通信，系統(tǒng)通過文字、表格和數(shù)據(jù)曲線等形式展現(xiàn)所出采集的設(shè)備自檢數(shù)據(jù)、實時運行數(shù)據(jù)和系統(tǒng)報警信息等。

（1）交通監(jiān)控子系統(tǒng)

交通監(jiān)控子系統(tǒng)實時收集車輛檢測線圈、CO/VI檢測器和火災(zāi)報警器等設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)過判斷和處理后，通過隧道車道通行燈、交通信號燈和可變情報板標(biāo)語控制隧道交通流，提高隧道運營效率。系統(tǒng)將采集到的信息與預(yù)先在本地控制器上設(shè)置閾值進行比較，若有異常情況如CO濃度超過閾值或者發(fā)生火災(zāi)、交通事故，系統(tǒng)可以自動控制程序也可以提示建議處理方案后經(jīng)過人工確認(rèn)再執(zhí)行。

（2）照明監(jiān)控子系統(tǒng)

照明監(jiān)控子系統(tǒng)分四級控制，包括白天、黃昏、夜間和深夜。照明控制系統(tǒng)將照度檢測器采集的實時照度與預(yù)先設(shè)置的閾值比較后自動開啟對應(yīng)級別的照明,控制洞內(nèi)外照度使之不會相差太大,避免駕駛員出入隧道時視覺上帶來不適，保證行車安全。照度檢測器主要檢測洞內(nèi)照度,并對應(yīng)照明等級判斷照明燈具是否完好,若照度沒有達(dá)到照明等級要求的照度時,系統(tǒng)會自動彈出窗口提醒監(jiān)控人員照明設(shè)備損壞,管理人員經(jīng)過核實后可通知工作人員檢查設(shè)備。同時,管理人員可以依據(jù)具體情況人工啟動或關(guān)閉照明設(shè)備。

（3）通風(fēng)監(jiān)控子系統(tǒng)

通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)采集的信息如一氧化碳濃度、可見度、交通擁堵情況等自動開啟、關(guān)閉相應(yīng)的風(fēng)機。如果收集的數(shù)據(jù)超出閾值達(dá)到報警級別,系統(tǒng)根據(jù)報警級別開啟對應(yīng)的風(fēng)機，并根據(jù)CO濃度、能見度檢測值和風(fēng)速風(fēng)向決定開啟風(fēng)機的大小和數(shù)量。各級閾值和風(fēng)機開啟的數(shù)量、時間間隔可根據(jù)具體情況在監(jiān)控系統(tǒng)進行設(shè)定。發(fā)生火災(zāi)時，通風(fēng)系統(tǒng)自動啟動火災(zāi)區(qū)內(nèi)的風(fēng)機，同時考慮到煙霧會進入相鄰隧道，所以應(yīng)啟動相鄰隧道洞口處風(fēng)機加快排煙。除此之外,隧道監(jiān)控人員可根據(jù)具體情況在監(jiān)控平臺、隧道管理站、可編程控制柜選擇需要控制的風(fēng)機,并控制其開啟、關(guān)閉、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止等。

（4）消防監(jiān)控子系統(tǒng)

消防監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)液位儀檢測消防系統(tǒng)高低位水池水位、中間水位信號的信息，如果液位儀檢測到水位過高或過低，立刻向隧道管理站發(fā)出報警。系統(tǒng)經(jīng)過分析判斷后，可以通過自動啟停消防泵實現(xiàn)對消防泵啟停的全自動控制；監(jiān)控人員也可以根據(jù)水池水位數(shù)據(jù)進行判斷后，在監(jiān)控管理站遠(yuǎn)程遙控消防泵的啟停。

（5）報警及事故處理子系統(tǒng)

報警包括設(shè)備報警、事故報警、閾值報警、火災(zāi)報警和其他報警等，當(dāng)發(fā)生異常情況時監(jiān)控系統(tǒng)自動確認(rèn)發(fā)生故障的設(shè)備或事故地點，同時伴隨報警聲。監(jiān)控系統(tǒng)停留在報警頁面直到操作員進行事故確認(rèn)方可停止。操作員對報警確認(rèn)后可通過手工處理，也可執(zhí)行系統(tǒng)預(yù)案或者自定義預(yù)案進行處理。

當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，火災(zāi)自動報警系統(tǒng)會將報警信號上傳至隧道監(jiān)控站火災(zāi)報警計算機。中心計算機通過分析后形成控制方案，系統(tǒng)聯(lián)動CCTV將監(jiān)視畫面切換到最靠近事故點的攝像機畫面，管理人員通過顯示屏實現(xiàn)實時監(jiān)控報警的隧道。系統(tǒng)聯(lián)動隧道管理站內(nèi)交通監(jiān)控系統(tǒng)、通風(fēng)控制系統(tǒng)、照明控制系統(tǒng)，并通過可變情報板及隧道廣播發(fā)布警告信息及交通誘導(dǎo)信息；通過車道通行燈和交通信號燈等設(shè)備控制隧道內(nèi)交通流；通過通風(fēng)系統(tǒng)的控制方案控制隧道內(nèi)的風(fēng)機設(shè)備風(fēng)向、開啟數(shù)量，減少隧道內(nèi)CO濃度等；通過聯(lián)動照明控制系統(tǒng)強制開啟事故隧道內(nèi)所有照明回路，對隧道火災(zāi)進行及時有效的控制，確保道路使用者的安全，并將損失降低到最小。

（6）隧道緊急電話及廣播子系統(tǒng)

隧道洞內(nèi)外均設(shè)置緊急電話及廣播系統(tǒng)，隧道管理站內(nèi)有隧道緊急電話及有線廣播控制計算機、主機及其他外設(shè)等，用于收集管轄路段內(nèi)隧道事故報警信息及向發(fā)生事故的隧道廣播，給駕駛員提供警告、緊急調(diào)度信息，平時也可以利用此系統(tǒng)向司機傳遞交通實時信息等。

2.3系統(tǒng)管理

為了方便系統(tǒng)管理，保證系統(tǒng)安全，按照用戶角色管理、設(shè)備管理、閾值管理、預(yù)案管理、手工事件管理、報表管理、日志管理和數(shù)據(jù)備份等模塊進行管理。

（1）用戶角色管理

系統(tǒng)賦予不同的用戶不同的管理權(quán)限。此系統(tǒng)將用戶角色分為系統(tǒng)管理員、報表管理員、系統(tǒng)操作員、普通操作員和監(jiān)視員五種角色。其中系統(tǒng)管理員和報表管理員為系統(tǒng)管理用戶，具有用戶賬號和角色的分配與審批權(quán)限；系統(tǒng)操作員、普通操作員和監(jiān)視員為監(jiān)控用戶，系統(tǒng)操作員具有各個子系統(tǒng)的操作權(quán)限，普通操作員只有一個子系統(tǒng)的操作權(quán)限，監(jiān)視員只能查看系統(tǒng)設(shè)備的實時運行信息。

（2）設(shè)備管理

設(shè)備管理功能：實現(xiàn)設(shè)備的基本信息、通信端口和參數(shù)等信息的增加、刪除、修改等操作；管理隧道內(nèi)各子系統(tǒng)的主線設(shè)備、檢測設(shè)備、控制設(shè)備及設(shè)備通訊參數(shù)（包括PLC設(shè)備參數(shù)、情報板參數(shù)等）；對PLC和其他設(shè)備分組，必要時按照分組控制設(shè)備；可設(shè)置報警級別及報警聲音。

（3）閾值管理

閾值管理包括對隧道交通狀況（如車流量、車速等）、環(huán)境狀況（如CO濃度、可見度、光照度等）門限值的管理。對設(shè)備的控制門限值、報警門限值進行設(shè)值，用于預(yù)案控制和系統(tǒng)報警等功能的實現(xiàn)。系統(tǒng)可以單獨選擇某個設(shè)備，也可以選擇某一種類型的設(shè)備進行閾值設(shè)置。

（4）預(yù)案管理

預(yù)案管理用于實現(xiàn)預(yù)案信息管理，如增加、刪除、修改等操作，包括單系統(tǒng)預(yù)案、聯(lián)動預(yù)案和自定義預(yù)案。單系統(tǒng)預(yù)案包括：交通、照明、通風(fēng)和消防等控制預(yù)案。聯(lián)動預(yù)案將各個單系統(tǒng)預(yù)案進行組合，進行聯(lián)動控制。自定義預(yù)案可根據(jù)隧道的上下行選擇不同的設(shè)備進行預(yù)案制定，可設(shè)置預(yù)案中各設(shè)備的延時啟動時間。

（5）手工事件管理

手工事件管理用于實現(xiàn)對手工事件的增加、修改、刪除、查詢、統(tǒng)計等。事件信息來源包括：隧道緊急電話、隧道養(yǎng)護人員、巡邏車、攝像機、交警等。手工事件錄入完成后將自動記錄到數(shù)據(jù)庫中，以便日后查詢、分析。

（6）報表管理

報表管理可實現(xiàn)對系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中所有原始數(shù)據(jù)按條件進行查詢、打印、導(dǎo)出結(jié)果，分為管理報表、數(shù)據(jù)報表和預(yù)案報表三大類。

（7）日志管理

日志管理包括用戶操作日志和系統(tǒng)運行日志，用于實現(xiàn)對日志的查詢、統(tǒng)計和打印等。用戶操作日志包括用戶的登錄信息、退出信息和下發(fā)控制指令等；系統(tǒng)運行日志包括設(shè)備故障、設(shè)備運行狀態(tài)及其改變時間、系統(tǒng)報警事件及處理方式和結(jié)果等。

（8）數(shù)據(jù)備份

數(shù)據(jù)備份包括：實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存、歷史數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存、數(shù)據(jù)庫自動備份和數(shù)據(jù)庫實時手動備份等。實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存：每日固定時間點轉(zhuǎn)存前一天的實時數(shù)據(jù)；歷史數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存：每日固定時間點轉(zhuǎn)存前一年的實時數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)自動備份：每月固定時間點自動備份數(shù)據(jù)庫，備份的.bak文件存儲在服務(wù)器指定的硬盤目錄下；數(shù)據(jù)庫實時手動備份：系統(tǒng)管理員可以通過后臺對數(shù)據(jù)庫進行實時手動備份。

3　結(jié)語

本文首先引入系統(tǒng)研究的目的和意義；其次對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和組網(wǎng)進行說明；最后對系統(tǒng)的軟件設(shè)計說明，包括數(shù)據(jù)庫模塊、系統(tǒng)監(jiān)控和系統(tǒng)管理。此系統(tǒng)實現(xiàn)了實時、高效、準(zhǔn)確的監(jiān)控隧道的目的，為隧道管理者提供了一套完善、可靠、穩(wěn)定的設(shè)計方案，便于隧道的運營管理。

[1]鄧煒，陳雄，婁艷艷.山區(qū)高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)[J].中國交通信息化,2015,02:92～94

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Monitoring System;Database;User Management

Research and Design of Highway TunnelMonitoring System

LIJie-li，ZHANG Guo-you
（Departmentof Computer Science and Technology，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024）

As the throatarea of highway,the stable operation of the tunnel daily traffic is very important to ensure the normal operation of the highway.Therefore,a comprehensive research on the tunnel monitoring system is particularly important.Designs the system in accordance with three levels of controlmodes:monitoring and control center,the tunnel station and tunnel devices,and among of them the tunnel station is the core of the wholemonitoring station platform.The system uses real-time database to ensure the speed of data processing and transmitting,and it sets up different roles and operating authorities for the users to ensure system security.It implements the purpose of real-time,efficient and accuratemonitoring of the tunnel.

1007-1423（2015）15-0066-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.15.017

李婕莉（1989-），女，山西臨汾人，碩士研究生，研究方向為公路隧道遠(yuǎn)程監(jiān)控相關(guān)技術(shù)

張國有（1972-），男，山西忻州人，博士，副教授，研究方向為軟件建模

2015-03-26

2015-05-05