基于互聯(lián)網(wǎng)的隧道行車安全監(jiān)測響應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計

郭志強

(山西省高速公路集團太原有限公司，山西 太原 030031)

1 研究背景

隨著我國公路建設(shè)逐漸向山區(qū)轉(zhuǎn)移，而公路隧道作為咽喉地帶，當隧道內(nèi)發(fā)生交通事故時，車速降低引起CO等大量有毒氣體積聚，降低隧道能見度，影響駕駛者行車安全。車輛擁堵會排放大量有毒尾氣加劇環(huán)境污染。目前國外研究較早發(fā)展也較快。主要有日本OMRON公司在20世紀70年代中期推出CONTROLLER LINK環(huán)網(wǎng)控制技術(shù)[1]，具有自主控制功能；德國PHOENIX Contact公司在20世紀80年代推出INTERBUS現(xiàn)場總線技術(shù)，把網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和自主控制相結(jié)合；美國的Echelon公司在20世紀90年代中期推出用于自動控制領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)LONWORK分布式公路隧道監(jiān)控(TMCS)系統(tǒng)技術(shù)，具有真正的分布性、開放性、互操作性與適應(yīng)性。

相較于國外先進檢測控制技術(shù)的應(yīng)用，國內(nèi)在隧道監(jiān)控系統(tǒng)的研究開發(fā)顯得相對落后。深圳梧桐山隧道和上海延安東路隧道在我國引入外國技術(shù)較早實現(xiàn)了隧道監(jiān)控[2-3]；隨后成渝高速的縉云山隧道和中梁山隧道等高等級隧道，通過自主研發(fā)與國外引進設(shè)備實現(xiàn)了對隧道內(nèi)環(huán)境的系統(tǒng)監(jiān)控[4]。肖粵秀等[5]提出一種增設(shè)射流風機和軸流風機的通風系統(tǒng)改進方案，改善了隧道內(nèi)工作面風速偏低等問題，提高了洞內(nèi)空氣的質(zhì)量。宋白樺等[6]提出一種基于高速公路隧道照明LED改造方案進行智能調(diào)光控制，分析隧道節(jié)能的特點，推動節(jié)能控制在工程中的實施。李得俊等[7]根據(jù)國內(nèi)長大公路隧道的運營特點、監(jiān)控需求等，提出一種包括通風管理及控制、照明管理、交通檢測及誘導(dǎo)、閉路電視監(jiān)視管理等子系統(tǒng)的隧道監(jiān)控系統(tǒng)。丁毅等[8]提出一種基于PLC與組態(tài)軟件的城市隧道監(jiān)控系統(tǒng)集成方案。彭飛[9]在上海延安東路隧道中為了掌握隧道動態(tài)數(shù)據(jù)，利用自動化傳感器及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行實時監(jiān)控，使隧道安全可靠地發(fā)揮其交通功能。

但隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與信息管理系統(tǒng)還存在諸多問題：傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)功能不夠全面，僅是一個數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)或簡單的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；停留在科研開發(fā)階段，適合于工程技術(shù)人員使用的少，數(shù)據(jù)分析處理的方法比較落后，軟件自動化、智能化程度較低，真正在解決隧道安全行車問題和信息反饋時實用性還不夠。對此，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)對隧道行車安全監(jiān)測響應(yīng)系統(tǒng)進行設(shè)計就顯得十分必要。

2 設(shè)計方案

2.1 設(shè)計思路

隧道內(nèi)環(huán)境狀況監(jiān)控內(nèi)容主要有：氣體環(huán)境(CO濃度、煙霧濃度)、溫度、濕度、光照強度、風速、噪音等，根據(jù)傳感器采集數(shù)據(jù)信息，依據(jù)隧道內(nèi)自然環(huán)境特點對隧道內(nèi)的安全情況進行預(yù)警。

1)一級預(yù)警。當濃度超過一定濃度，區(qū)域控制設(shè)備響應(yīng)，增加相關(guān)區(qū)域數(shù)據(jù)監(jiān)測頻率，增大風機功率以快速排出有害氣體，并相應(yīng)觸發(fā)判斷機制。持續(xù)監(jiān)測相關(guān)隧道后續(xù)氣體濃度，若一段時間后濃度始終高于預(yù)警值，則自動提高預(yù)警等級與二級預(yù)警享有相同優(yōu)先級。

2)二級預(yù)警。氣體含量超過一級濃度預(yù)警，啟動GSM基站向相關(guān)交管部門發(fā)出信號，判斷是否需要進一步提高預(yù)警等級、是否發(fā)生火災(zāi)(火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)包括隧道內(nèi)溫度檢測、明火檢測，隧道內(nèi)手動預(yù)警裝置也會觸發(fā)火災(zāi)警報)。若定為二級預(yù)警，開啟隧道相關(guān)提示設(shè)備(如可變信號牌、隧道內(nèi)語音提示、險情指示燈)，并實時將現(xiàn)場情況持續(xù)發(fā)送交管中心。

3)三級預(yù)警及火災(zāi)響應(yīng)。若交管中心判斷隧道內(nèi)有害氣體濃度已達到三級響應(yīng)或發(fā)生火災(zāi)險情，啟動最高響應(yīng)：開啟隧道內(nèi)水霧噴淋系統(tǒng)；開啟道路兩旁的應(yīng)急出口供隧道內(nèi)人員緊急疏散；在隧道兩端封閉車道，禁止車輛駛?cè)耄粚⑹鹿市畔⒓皶r反饋至120指揮中心及消防中心作出火災(zāi)事故應(yīng)急響應(yīng)；發(fā)布信息至隧道沿線附近車輛的車載導(dǎo)航系統(tǒng)，告知駕駛員前方險情。

2.2 功能分析

2.2.1 基礎(chǔ)設(shè)備層。

由隧道內(nèi)相關(guān)設(shè)備組成，分為預(yù)警設(shè)備、交通誘導(dǎo)設(shè)備、環(huán)境調(diào)控設(shè)備三部分。

1)預(yù)警設(shè)備用于對隧道內(nèi)環(huán)境情況進行數(shù)據(jù)收集與反饋。緊急電話與按鈕、雙波長明火檢測對隧道內(nèi)發(fā)生的火情進行監(jiān)控并向上級發(fā)出預(yù)警。COVI傳感器對隧道內(nèi)的氣體環(huán)境進行監(jiān)控，風速風向檢測儀將數(shù)據(jù)實時反饋至隧道區(qū)域控制設(shè)備。非預(yù)警響應(yīng)狀態(tài)下，由隧道出入口處地感線圈監(jiān)測隧道內(nèi)交通量，根據(jù)交通量控制風機工作功率。

2)交通誘導(dǎo)設(shè)備用于對預(yù)警設(shè)備測得的異常狀況作出自動預(yù)警。隧道中的可變情報板、交通信號燈、可變信息標志等提示駕駛員隧道氣體濃度發(fā)生異常。當交管中心發(fā)出最高級響應(yīng)需要關(guān)閉隧道時，隧道兩端會響應(yīng)而關(guān)閉隧道。

3)環(huán)境調(diào)控設(shè)備包括隧道排氣系統(tǒng)、照明系統(tǒng)。傳感器測定濃度超過閾值后PLC做出快速反應(yīng)，將隧道相關(guān)區(qū)段的風機調(diào)整為高功率狀態(tài)增加稀釋有害氣體的能力；當隧道內(nèi)能見度降低，照明系統(tǒng)提高亮度避免駕駛員因隧道內(nèi)亮度不足引起交通安全事故；當發(fā)生火災(zāi)響應(yīng)，開啟區(qū)域水霧噴淋裝置防止火勢進一步蔓延，打開緊急逃生通道防止因交通堵塞，駕駛員無法及時逃出危險區(qū)域。

2.2.2 處理控制層

隧道內(nèi)置數(shù)據(jù)處理單元，通過PLC(可編程邏輯控制器)處理傳感器收集的數(shù)據(jù)，識別事故預(yù)警等級：低預(yù)警等級下環(huán)境調(diào)控設(shè)備自行處理；高預(yù)警等級，將預(yù)警信號報告交管中心，等待其對隧道內(nèi)狀況做出指示后，處理控制層響應(yīng)。

2.2.3 數(shù)據(jù)傳輸層

在此建立通信基站，借助互聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。傳感器收集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過PLC處理后，如果濃度超出預(yù)警條件則發(fā)出報警信號，Internet單片機收到報警信號后，通過3G無線網(wǎng)絡(luò)將報警信號、傳感器數(shù)據(jù)連同視頻圖像信息發(fā)送到交管中心，由交管中心判斷是否升級為二級預(yù)警。如果預(yù)警等級升級為二級，預(yù)警信息經(jīng)過無線網(wǎng)絡(luò)傳到單片機，在經(jīng)過PLC處理后，控制隧道內(nèi)電子屏提示、語音提示、險情指示燈等響應(yīng)。隧道二級預(yù)警時若火情手動報警被觸發(fā)，PLC自動提升預(yù)警級別為三級，三級預(yù)警信號再次經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)傳到交管中心，等待響應(yīng)。

2.2.4 管理部門響應(yīng)層

交管中心接收到隧道相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場的實時視頻圖像資料分析是否采用三級預(yù)案、是否發(fā)生火災(zāi)。將隧道內(nèi)情況投放至監(jiān)控大屏幕并通報相關(guān)單位(消防和醫(yī)療)進行緊急動員處理。若確認發(fā)生火災(zāi)，反饋至隧道噴淋裝置、阻斷隧道進口處車輛，防止發(fā)生擁堵及一系列次生交通事故。

2.2.5 用戶層

用戶層的隧道安全信息發(fā)送功能依托于中心導(dǎo)航系統(tǒng)。當交管中心接到三級報警信號時，將報警信號及火災(zāi)地點等信息通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至車載信息系統(tǒng)服務(wù)中心，并發(fā)出控制請求。車載信息系統(tǒng)服務(wù)中心接到信息后通過GPS導(dǎo)航系統(tǒng)確定以火災(zāi)地點為中心一定范圍內(nèi)的車輛，將反饋控制信息發(fā)送至相應(yīng)的車載終端。車載終端接收到控制信息后，告知駕駛員隧道火災(zāi)位置與汽車間的距離、前方隧道禁止通行等信息。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計主要包括以下內(nèi)容：①傳感器、地感線圈、風機等裝備布設(shè)個數(shù)與位置的選擇；②三個級別的預(yù)警濃度閾值設(shè)定；③管理中心與駕駛員對接，利用互聯(lián)網(wǎng)車載導(dǎo)航系統(tǒng)的交通誘導(dǎo)策略。

2.4 電路設(shè)計

自動報警控制電路中，內(nèi)部電路核心構(gòu)件為單片機，在單片機的前向通道有傳感器信號采集電路。該信號采集電路包含信號采樣電路、信號放大電路、信號比較電路。單片機的后向通道分別包含三極管T2、繼電器KM1和三極管T3、繼電器KM2的兩路控制電路。其中繼電器KMl的常開觸點KM1-l和繼電器KM2的常閉觸點，KM2-l串接于預(yù)警系統(tǒng)1的供電回路，繼電器KM1的常閉觸點KM1-2和繼電器KM2的常閉觸點KM2-1串接于預(yù)警系統(tǒng)2的供電回路。

內(nèi)部電路包含一個單片機IC3，在單片機的前向通道有傳感器信號采集電路。該信號采集電路由傳感器、射極電阻R1、輸出電阻R2構(gòu)成信號采樣電路。輸入端與信號采樣電路的輸出端相連，由集成運放芯片IC1、電阻R3構(gòu)成信號放大電路；輸入端與信號放大電路的輸出端相連，由集成運放芯片IC2、電阻R4構(gòu)成信號比較電路。信號比較電路的輸出端與單片機相連，在單片機的后向通道包括由三極管T2、三極管T2的基極電阻R5和R6、串接于三極管T2基電極的繼電器KM1和三極管T3、三極管T3的基極電阻R7和R8、串接于三極管T3基電極的繼電器KM2構(gòu)成兩路控制電路。其中繼電器KM1的常開觸點KM1-1和繼電器KM2的常閉觸點KM2-1串接于預(yù)警系統(tǒng)1的供電回路，繼電器KM1的常閉觸點KM1-2和繼電器KM2的常閉觸點KM2-1串接于預(yù)警系統(tǒng)2的供電回路。

1)閉合電源總開關(guān)K，當煙霧濃度很低時，傳感器接入的電路始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，其輸出電壓經(jīng)放大電路放大，足以達到比較電路的門坎電壓，比較電路的輸出信號進入單片機，在單片機軟件支持下，其后向通道的輸出線端11、12分別向兩路控制電路給出控制信號，使三極管T2、T3導(dǎo)通，繼電器KM1、KM2帶電，其串接與預(yù)警系統(tǒng)1、2供電回路的常閉觸點KM2-1、KM1-2都處于斷開狀態(tài)，預(yù)警系統(tǒng)1、2都不響應(yīng)。

2)當煙霧濃度較高時傳感器接入的電路導(dǎo)通，單片機后向通道的輸出線端11輸出控制信號，三極管T2導(dǎo)通，繼電器KM1帶電，使串接于預(yù)警系統(tǒng)1的供電回路的常開觸點KM1-1閉合，串接于預(yù)警系統(tǒng)2的供電回路的常閉觸點KM1-2斷開，預(yù)警系統(tǒng)1單獨響應(yīng)，發(fā)出一級預(yù)警信號。

3)當煙霧濃度很高時，傳感器接入的電路處于斷開狀態(tài)，最終使單片機后向通道的輸出線端11、12無控制信號輸出，三極管T2、T3都處于截止狀態(tài)，繼電器KM1、KM2都不帶電，預(yù)警系統(tǒng)2的常閉觸點KM1-2、KM2-1閉合，預(yù)警系統(tǒng)2響應(yīng)，發(fā)出二級預(yù)警信號并報送交管中心。

3 系統(tǒng)功能分析

1)實時處理功能。通過微處理器將隧道內(nèi)CO濃度、能見度、風向風速等氣體環(huán)境作出評價并劃分等級。若隧道內(nèi)氣體濃度在可控水平則判定低等級，由系統(tǒng)自動調(diào)控手段自行處理。若有害氣體濃度長時間高于閾值或出現(xiàn)超過相應(yīng)閾值則判定高等級。啟動高等級預(yù)案將隧道內(nèi)視頻實時資料和統(tǒng)計隧道內(nèi)車流量等數(shù)據(jù)發(fā)送至交通控制中心，等待控制中心作出指示。這加快了隧道內(nèi)部對緊急情況的反應(yīng)處理速度，同時避免隧道監(jiān)控人員長時間檢測隧道內(nèi)情況而造成的麻痹心理。

2)變頻控制功能。在隧道內(nèi)安裝地感線圈設(shè)備自動獲取隧道內(nèi)車流量數(shù)據(jù)。根據(jù)車流量數(shù)據(jù)對射流風機的運行狀況作出調(diào)整。在車流量較小的情況下，隧道內(nèi)置風機采用低能耗模式運行。當交通流量高于一定閾值或檢測有害氣體濃度已高于允許的范圍，則針對濃度過高區(qū)域加大風機排風功率。以此避免在不同交通量情況下風機均以相同功率運行所造成的能源浪費，達到節(jié)能減排的目的。

3)無線信息發(fā)布功能。在控制中心確定事故隧道需要封閉處理時，利用互聯(lián)網(wǎng)的快速與便捷，將相關(guān)監(jiān)控隧道情況信息快速響應(yīng)發(fā)送至相關(guān)車輛內(nèi)置車載終端，達到交通誘導(dǎo)目的。

4 結(jié)束語

通過對隧道環(huán)境的調(diào)查分析，在分析功能的基礎(chǔ)上，結(jié)合管理需求設(shè)計出基于互聯(lián)網(wǎng)的隧道安全檢測結(jié)構(gòu)圖和電路設(shè)計圖。該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于隧道或地下通風較為封閉的地段，有效解決由于通風性差而影響人員安全等問題。同時龐大的隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)為各級交管、設(shè)計施工單位在進行交通管理、隧道設(shè)計等方面提供基本的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過與互聯(lián)網(wǎng)車載終端結(jié)合，實時發(fā)布隧道信息，符合智能交通發(fā)展方向，推廣前景廣闊。

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