公路智能隧道安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

趙向南

(山西省信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，山西 太原 030012)

0 引言

隨著我國國力日漸強大，國內(nèi)基礎(chǔ)建設(shè)如火如荼，便捷的交通又能帶動經(jīng)濟的快速增長，助力國力提升。在公路建設(shè)中，隧道橋梁建設(shè)溝通了自然屏障，確保了道路一路暢通。當下我國的交通現(xiàn)狀是管理部門眾多，調(diào)度地點分散，而公路隧道的現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，已儼然成為日常維護工作的主要障礙。公路隧道具有以下幾個缺點:1) 工作空間狹小，現(xiàn)場交通疏導(dǎo)與控制及其不便，危險性高；2) 隧道的半封閉特性，要求準確的通風控制，以保證隧道內(nèi)空氣流通和及時排除偶發(fā)的火災(zāi)煙霧；3) 隧道進洞口內(nèi)外光強照度差異巨大，影響通行司機視線，容易引發(fā)交通事故，需要具備較高控制水平的照明系統(tǒng)。

因此，在信息化與網(wǎng)絡(luò)化不斷創(chuàng)新的趨勢下，公路管理部門首要的工作是設(shè)計研發(fā)公路智能隧道安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)，只有將監(jiān)控系統(tǒng)與通信系統(tǒng)及信息系統(tǒng)相結(jié)合，才能實現(xiàn)公路智能隧道全程監(jiān)控的管理與控制，提高管理效率的同時又減少及避免發(fā)生事故，保障交通參與者的人身和財產(chǎn)安全。

1 綜合監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

公路智能隧道安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)是一款集數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、信息管理為一體的規(guī)范化交通指揮控制系統(tǒng)。系統(tǒng)集成了數(shù)據(jù)采集服務(wù)，視頻監(jiān)控子系統(tǒng)，隧道監(jiān)控子系統(tǒng)，信息發(fā)布子系統(tǒng)，報表查詢及打印子系統(tǒng)等六大功能，并具備聯(lián)網(wǎng)控制。

它可以根據(jù)決策實現(xiàn)對公路隧道交通運行的宏觀管理，充分發(fā)揮交通監(jiān)控的路徑誘導(dǎo)、多路徑交通流量調(diào)控的功能，提升和優(yōu)化公路網(wǎng)絡(luò)的車輛通行能力。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 公路智能隧道安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 軟件開發(fā)平臺選擇

公路智能隧道安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)方式主要包括組態(tài)軟件和高級語言編寫。

2.1 組態(tài)軟件開發(fā)模式

組態(tài)軟件是一種工業(yè)控制專業(yè)軟件，主要用于過程控制和數(shù)據(jù)采集，用戶通過拖拽圖形和綁定數(shù)據(jù)可以快速構(gòu)建工業(yè)自動控制系統(tǒng)。主要優(yōu)點包括人機交互界面友好，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、開發(fā)簡單。缺點在于組態(tài)軟件不具備靈活的二次開發(fā)功能，另外，利用組態(tài)軟件開發(fā)綜合監(jiān)控系統(tǒng)所需的后臺管理和報表查詢及打印功能難度大，且難以重復(fù)使用腳本語言，代碼重復(fù)使用率比較低。

2.2 高級語言開發(fā)模式

高級語言主要是通過C#、VB等編程實現(xiàn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)，通過面向?qū)ο蟮哪K化開發(fā)方式，使得功能代碼擁有了繼承性，開發(fā)效率顯著提高。但是高級語言的編寫開發(fā)難度也比較大，需要高水平技術(shù)人員。

在高級語言開發(fā)模式下，上位機監(jiān)控程序通過中間件OPC來實現(xiàn)與PLC的數(shù)據(jù)交互，OPC是基于OLE和DCOM的通信程序，其架構(gòu)為C/S。盡管通過OPC進行數(shù)據(jù)交互速度略微慢，但是目前市場上的主流PLC均提供有標準的通用OPC接口，增加了開發(fā)的便利性。

2.3 系統(tǒng)開發(fā)平臺選擇

根據(jù)公路智能隧道安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)的使用場景和周圍環(huán)境情況，全面考慮綜合監(jiān)控軟件的運行穩(wěn)定性、易開發(fā)性、使用便利性、代碼復(fù)用性及流暢性等因素，我們選擇高級語言開發(fā)模式，即利用C#編寫綜合監(jiān)控系統(tǒng)用戶操作界面和OPC與數(shù)據(jù)庫的通信工具，梯形圖編寫PLC終端控制程序[1]。

3 軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

公路智能隧道安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成了數(shù)據(jù)采集服務(wù)，視頻監(jiān)控子系統(tǒng)，隧道監(jiān)控子系統(tǒng)，信息發(fā)布子系統(tǒng)，綜合業(yè)務(wù)子系統(tǒng)，報表查詢及打印子系統(tǒng)六大功能模塊。數(shù)據(jù)交互流為綜合監(jiān)控系統(tǒng)控制界面到數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫通過OPC到PLC控制器；采集數(shù)據(jù)通過OPC到數(shù)據(jù)庫和用戶界面[2]，控制界面具備兩種數(shù)據(jù)接入方式。

3.1 數(shù)據(jù)采集服務(wù)

數(shù)據(jù)采集服務(wù)主要功能是采集隧道內(nèi)外的檢測設(shè)備(包括車流量、光照強度、CO/VI、風速風向等)及其終端控制設(shè)備的數(shù)據(jù)信息及設(shè)備工作狀態(tài)。隧道各PLC控制器通過光纖組成光環(huán)網(wǎng)，任何一組終端控制器離線都不影響系統(tǒng)采集其余設(shè)備數(shù)據(jù)。

3.2 視頻監(jiān)控子系統(tǒng)

實現(xiàn)對公路隧道內(nèi)兩側(cè)安裝的攝像機視頻調(diào)用、監(jiān)視、保存、歷史查看，控制矩陣可以對監(jiān)控視頻進行大屏切換顯示等。

3.3 隧道監(jiān)控子系統(tǒng)

1) 交通監(jiān)控：交通控制是對隧道口的交通信號燈和隧道內(nèi)車道指示燈進行控制和狀態(tài)顯示的功能。交通控制的主要作用是協(xié)助疏導(dǎo)交通，給司機提供正確信息，保證道路安全通暢，提高路網(wǎng)的整體通行能力。

2) 照明控制：照明控制是對隧道內(nèi)照明燈具的開關(guān)進行控制和狀態(tài)顯示的功能。根據(jù)系統(tǒng)采集的洞內(nèi)外光強度，可實現(xiàn)根據(jù)光照條件判斷開啟隧道照明(引道照明、基本照明或加強照明等)。隧道照明控制包括本地控制和遠程控制兩種方式，只有照明控制處于遠程控制狀態(tài)時，才能通過監(jiān)控室綜合監(jiān)控系統(tǒng)對照明進行調(diào)節(jié)。

3) 通風監(jiān)控：通風控制是對公路隧道內(nèi)的風機進行控制和狀態(tài)顯示的功能。對于長隧道來說，良好的通風環(huán)境是安全舒適行車的重要指標，也是處置火災(zāi)等突發(fā)情況必備的功能。風機控制包括本地控制和遠程控制兩種方式，只有風機控制處于遠程控制狀態(tài)時，才能通過監(jiān)控系統(tǒng)界面對風機開關(guān)進行控制。風機狀態(tài)包括正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停轉(zhuǎn)和故障四種。

4) 消防監(jiān)控：消防監(jiān)控是對消防水泵、防火卷簾門、火災(zāi)報警光纖進行狀態(tài)顯示和控制的功能。

5) 報警預(yù)案及聯(lián)動控制：事故報警及聯(lián)動控制是對隧道內(nèi)部各種異常情況進行報警和記錄，觸發(fā)多種設(shè)備進行聯(lián)動控制的功能。當隧道內(nèi)部有異常事件時，系統(tǒng)會發(fā)出報警聲音，同時界面也會顯示報警圖案。常見異常事件包括：交通堵塞、火災(zāi)、機械設(shè)備故障等。具體觸發(fā)的預(yù)案類型及開啟設(shè)備可根據(jù)用戶需要另行增加[3]。

3.4 信息發(fā)布子系統(tǒng)

可變情報板信息發(fā)布控制是對可變信息標志、信息發(fā)布屏顯示信息進行增加、刪除、編輯、保存和發(fā)布，對信息發(fā)布標志當前顯示信息進行查看和控制。綜合監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)了標準化的可變信息情報板通信接口，可兼容不同廠商的設(shè)備，規(guī)范控制數(shù)據(jù)格式，如圖2所示。

圖2 信息發(fā)布子系統(tǒng)

3.5 綜合業(yè)務(wù)子系統(tǒng)

綜合業(yè)務(wù)子系統(tǒng)即系統(tǒng)管理模塊，管理公路智能隧道安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)所有資源。包括設(shè)備增刪查改管理、用戶權(quán)限管理、隧管站管理及隧道管理等。

3.6 報表查詢及打印子系統(tǒng)

報表查詢及打印子系統(tǒng)可對CO/VI等環(huán)境信息、情報板發(fā)布信息、指令下發(fā)信息、報警信息、故障信息、操作日志信息等進行歷史數(shù)據(jù)查詢及統(tǒng)計，可以分析各類數(shù)據(jù)的歷史趨勢，生成和打印報表、圖表，如圖3所示。

圖3 一氧化碳詳情查詢報表

4 結(jié)語

公路智能隧道安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)通過OPC與PLC進行數(shù)據(jù)交互達到了對隧道機電設(shè)備高效穩(wěn)定的控制。綜合監(jiān)控界面具有數(shù)據(jù)庫與WCF兩種采集數(shù)據(jù)接入方式，實時性和穩(wěn)定性均得到了保障。系統(tǒng)內(nèi)部采用并行數(shù)據(jù)處理與指令下發(fā)方式，具有高吞吐量，高并發(fā)和高性能的優(yōu)勢。