高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)設計研究

◎蔡志鴻

引言

近年來，公路隧道重大事故和險情頻發(fā)，進一步暴露了公路隧道安全運營管理的薄弱環(huán)節(jié)。隧道安全運營管理必須強化措施和聯(lián)勤，不斷完善隧道安全管理工作方案和應急救援機制，建立隧道管理責任單位例會制度，定期組織情景演練和模擬訓練，針對各類特殊情況，做到第一時間出警、第一時間設防、第一時間處理、第一時間救援和第一時間交通恢復，最大限度減少災害和損失。為了有效監(jiān)控所有進入隧道的車輛，盡快發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)可能發(fā)生的交通事故，事故發(fā)生后，能及時控制隧道內(nèi)所有車輛的情況，進行有效的救援和引導。廣東趙江高速公路隧道多，路況復雜，交通量不斷增加。積極探索隧道安全運營管理模式，建立了基于高清卡口識別的長大隧道安全比對監(jiān)測系統(tǒng)，取得了良好的效果。

高清卡口已廣泛應用于高速公路車輛信息識別。在高速公路長隧道出入口設置高清卡口，實時監(jiān)控車輛進出隧道情況，實時掌握隧道內(nèi)交通流量的速度，及時發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)滯留的車輛。早期發(fā)現(xiàn)擁堵、交通事故、盜竊事故、車輛滯留等，為交通事故應急處理提供車輛信息依據(jù)。隨著高速公路規(guī)模的不斷擴大，高速公路監(jiān)控已成為現(xiàn)代交通管理的重要組成部分。因此，為了加強高速公路隧道的監(jiān)控，本文將基于高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)的總體框架，闡述隧道監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)設計組成。

一、高速公路監(jiān)控系統(tǒng)設計綜述

高速公路監(jiān)控系統(tǒng)是對高速公路交通流的運行狀態(tài)、道路設施的狀態(tài)和交通環(huán)境的狀態(tài)進行檢測和控制，是實現(xiàn)高速公路安全行駛和道路暢通的基本要求和重要手段。高速監(jiān)控系統(tǒng)設計的目的是及時高效地采集高速公路信息，傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)，有效控制中心，發(fā)布信息。換句話說，高速公路監(jiān)控系統(tǒng)由中央控制系統(tǒng)的子系統(tǒng)統(tǒng)一管理。根據(jù)分布在高速公路網(wǎng)中的各種檢測儀器、攝像頭等采集設備，可以高效、準確地計算高速交通數(shù)據(jù)，及時、有效地監(jiān)測高速公路的交通狀況、天氣狀況和運行狀況。然后將儀器設備采集的交通流量數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、運行狀況等數(shù)據(jù)信息同步傳輸至監(jiān)控系統(tǒng)管理中心，由計算機處理制定高速控制方案，以變更信息和變更限速標志為導向。這種設計不僅便于交管部門對可能或已有的道路擁堵及時采取交通再分配、疏導和控制，而且可以避免和緩解道路擁堵，成為出行者的重要參考。這也使出行者能夠在最短的時間內(nèi)判斷出最佳的行駛路線，讓最快的速度到達，高效利用時間和金錢，始終保持高速交通暢通，以最佳狀態(tài)運行，及時有效地處理交通事故，有效降低事故發(fā)生的概率，提高交通運行的整體能力。

二、高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的設計原則

1.先進性和適用性。

系統(tǒng)的技術(shù)性能和質(zhì)量指標應達到國際領先水平，同時，該系統(tǒng)也是一個面向不同管理層次的系統(tǒng)。其功能配置以給用戶提供舒適、安全、方便、快捷為基礎。其安裝、調(diào)試、軟件編程和操作應簡單易掌握，適合我國國情和本工程特點。

2.可靠性與安全性。

系統(tǒng)的設計應具有較高的可靠性，能夠保證系統(tǒng)故障或事故造成中斷后數(shù)據(jù)的準確性、完整性和一致性，并具有快速恢復功能。同時，系統(tǒng)有一套完整的系統(tǒng)管理策略，可以保證系統(tǒng)的安全運行。

3.開放性。

針對現(xiàn)有成熟產(chǎn)品設計，考慮到周邊信息通信環(huán)境現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展趨勢，可實現(xiàn)消防、防盜、聚光燈系統(tǒng)聯(lián)動，擁有RJ-45網(wǎng)絡通信端口，可實現(xiàn)遠程控制。

4.經(jīng)濟實用。

充分考慮用戶的實際需求和信息技術(shù)的發(fā)展趨勢，根據(jù)用戶的現(xiàn)場環(huán)境，設計選擇適合現(xiàn)場條件和用戶需求的功能和系統(tǒng)配置方案，通過嚴格的有機結(jié)合，實現(xiàn)最佳的性價比，從而節(jié)約項目投資，保證系統(tǒng)功能實現(xiàn)的要求。

5.可擴展性。

系統(tǒng)的設計考慮了未來技術(shù)發(fā)展和使用的需要，具有更新、擴展和升級的可能性。根據(jù)本項目未來的實際需求，系統(tǒng)功能將進行擴展。同時，在本方案的設計中將留有冗余，以滿足未來的發(fā)展需求。

三、高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)要求

高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)可以使管理部門充分掌握路段和隧道的運行狀態(tài)，為管理部門的科學規(guī)劃和交通環(huán)境的改善提供理論依據(jù)，從而保證行車的安全、高效、暢通。此外，高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)還可以為管理部門的決策提供依據(jù)，使其合理組織交通，減少因交通堵塞造成的經(jīng)濟損失，在一定程度上實現(xiàn)社會效益和經(jīng)濟效益的統(tǒng)一。此外，高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)的應用還可以減少交通事故，增強管理部門應對突發(fā)事件的能力。

1.信息查詢。

管理部門可以隨時從高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)中調(diào)出圖像信息，并根據(jù)這些信息合理安排交通。一般來說，高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)具有實時上傳的能力，將路況以圖像、視頻的形式保存下來，方便相關(guān)工作人員隨時查詢、統(tǒng)計。

2.信息處理。

此外，高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)還具有一定的信息處理能力，可以對采集到的信息進行處理，包括高速公路隧道的交通量、占用率等，并對信息進行處理后反饋給監(jiān)控中心，以便相關(guān)工作人員處理內(nèi)部交通業(yè)務。

3.模擬屏幕的顯示控制。

高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)可以根據(jù)外場設備采集的數(shù)據(jù)模擬當前高速公路隧道的路況、交通量和速度，這些信息可以及時反饋到模擬屏幕供相關(guān)工作人員查看，高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)還可以自動生成歷史數(shù)據(jù)，讓監(jiān)控中心的工作人員可以觀察和跟蹤車輛的情況。

4.報警和廣播。

高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)具有初步分析功能，能夠及時發(fā)現(xiàn)火災情況，并通過報警將發(fā)現(xiàn)的情況上報監(jiān)控中心，確保路段行車安全。此外，高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)還具有廣播功能，根據(jù)情況對全路段進行廣播，起到調(diào)節(jié)該路段交通量，保持交通暢通的作用。

四、隧道監(jiān)控量測的主要內(nèi)容和方法

隧道監(jiān)測為施工方案的可行性和設計合理性提供依據(jù)，為了解施工現(xiàn)場圍巖變形特征和等級提供依據(jù)，對二次襯砌作業(yè)時間具有決定性意義，是確保隧道順利完工的重要手段。下面詳細分析了主要的測量內(nèi)容和方法。

1.洞穴內(nèi)外調(diào)查。

對預計施工位置進行詳細的現(xiàn)場勘察是隧道監(jiān)控的重要內(nèi)容。通過洞內(nèi)外的勘察，可以了解圍巖的特征和穩(wěn)定性，也可以對支護結(jié)構(gòu)進行安全可靠的分析。一般洞外觀測主要在洞口、巖溶發(fā)育區(qū)和洞穴淺埋區(qū)。主要觀測內(nèi)容包括地表裂縫、沉陷、滲水和邊坡穩(wěn)定性等。內(nèi)部觀測包括開挖工作面觀測和支護區(qū)域觀測，通常在開挖后進行，觀察巖層、巖性、斷層、斷層分布、形態(tài)、裂縫等。在溶洞內(nèi)，及時記錄和分析觀測結(jié)果和錨桿、混凝土、二次襯砌的施工情況。

2.周邊位移監(jiān)控量測。

隧道圍巖發(fā)生應力變化后，反映在圍巖位移上。內(nèi)壁面的距離用測距儀或會聚儀在固定點測量。通過實測數(shù)據(jù)，可以觀察隧道空間是否穩(wěn)定，綜合反映圍巖動態(tài)和支護效果，根據(jù)圍巖穩(wěn)定性判斷初期支護是否合適，確定二次襯砌的施工時間。

3.地面沉降測量。

淺埋隧道施工可能引起地表沉降，因此應在開挖前開始進行地表沉降測量。隨著隧道深度和寬度的增加，按照外疏內(nèi)密的原則進行合理控制。監(jiān)測地表沉降和沉降范圍，分析隨施工的變化規(guī)律。

五、高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)的組成

1.計算機控制系統(tǒng)。

計算機控制系統(tǒng)是整個隧道監(jiān)控系統(tǒng)的大腦，可分為區(qū)域控制系統(tǒng)和主機控制系統(tǒng)兩部分。區(qū)域控制系統(tǒng)的主要功能是采集和控制居民小區(qū)的實時交通信息，例如采集相應區(qū)域的CO 含量、能見度、光照強度等實時檢測信息；對采集的實時檢測信息進行預處理和存儲，同時將信息及時傳輸給中央主機；從中央主機接收命令并將其發(fā)送到每個執(zhí)行設備，管理人員可以根據(jù)隧道控制器組裝的顯示裝置檢查設備的運行狀態(tài)。主機控制系統(tǒng)可以實時監(jiān)控整個隧道，通過通信計算機對來自區(qū)域管制員的信息進行采集、檢測和預處理，根據(jù)處理結(jié)果對隧道交通狀況和環(huán)境進行分析和評價，制定相應的控制方案，以便能夠及時調(diào)度和處理隧道事故，快速（迅速）疏通隧道，解決交通擁堵問題。

2.交通監(jiān)控系統(tǒng)。

該系統(tǒng)由檢測系統(tǒng)和感應系統(tǒng)兩部分組成。其中，檢測系統(tǒng)采集隧道內(nèi)的各種實時信息，如交通流量、速度、能見度、異常情況等。根據(jù)信息，及時判斷事故。掌握信息后，第一時間將信息傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，同時自動判斷交通情況。判斷結(jié)果分為正常、擁堵、嚴重擁堵、事故四個等級。然后根據(jù)導向系統(tǒng)，對實際交通流量進行調(diào)控，確保隧道安全。對于引導方案，不同的運行工況對應各自的方案類型，如擁堵下的引導方案對應擁堵。交通檢測的常用設施包括：攝像裝置、監(jiān)控裝置和各種探測器等。感應常用的設施包括信號燈、限速標志、區(qū)域控制器等。一般來說，高速公路隧道進口段應設置限速標志和一組探測器，最后根據(jù)區(qū)域特點和要求在隧道內(nèi)設置探測器。

3.照明控制系統(tǒng)。

照明系統(tǒng)的主要功能是控制高速公路中的照明。車輛白天通過隧道時，由于隧道外比較亮，隧道內(nèi)比較暗，駕駛員開車進入隧道后，由于光線的差異會出現(xiàn)視覺黑洞現(xiàn)象，導致反應延遲。駛出隧道時，由于出口處光線很亮，會在視覺上導致白洞，影響駕駛員的視覺判斷。此外，由于隧道內(nèi)的車輛廢氣沒有及時充分擴散，容易形成一定的煙霧，降低隧道內(nèi)的能見度，給車輛埋下安全隱患。因此，為了保證車輛行駛的安全性和監(jiān)控的有效性，需要在高速公路隧道內(nèi)設計合理的照度，同時設置不間斷電源和應急照明設備，避免因突然停電或斷電而引發(fā)事故。

4.視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

視頻監(jiān)控子系統(tǒng)的主要監(jiān)控設備是攝像機，可以直觀、實時地監(jiān)控流量。當隧道或箱式配電站發(fā)生火災時，火災監(jiān)控子系統(tǒng)能夠檢測到報警事件，并通過隧道語音廣播系統(tǒng)及時發(fā)出報警信號，同時通知相關(guān)部門及時實施救援工作。在界面設計中，可以在界面上動態(tài)顯示被監(jiān)控路段消防設備的工作狀態(tài)，并接收火災報警信號進行進一步確認和救援?；馂膱缶痛_認程序完成后，應做好記錄。值班人員通過消防聯(lián)動控制系統(tǒng)檢測或手動報警接收火災信息，圖像確認后立即啟動火災報警控制方案。

5.應急聯(lián)動系統(tǒng)。

應急聯(lián)動預案是在收到應急事件信息后，可以人工進行驗證和校驗，通過聯(lián)動系統(tǒng)實現(xiàn)設備控制的自動化集成，能夠提供安全舒適的駕駛環(huán)境，提高駕駛效率。聯(lián)動應急預案系統(tǒng)可實現(xiàn)事件檢測發(fā)現(xiàn)、報警信息確認、預案預設置、聯(lián)動應急處理等功能。接收隧道內(nèi)火災報警點的報警、各種檢測設備的報警和各種渠道獲得的手動報警；手動確認報警信息；根據(jù)不同的報警區(qū)域、事件分類和事件級別，用戶可以修改和刪除現(xiàn)有計劃，也可以重新編輯和設置新計劃。按照事先設定的應急預案，對所有相關(guān)設備進行操作，達到聯(lián)動聯(lián)控的預期效果。

六、高速公路隧道開發(fā)管理系統(tǒng)

1.聯(lián)合計算機控制系統(tǒng)。

高科技的發(fā)展給交通的各個方面帶來了巨大的機遇，尤其是公路隧道段。過去的監(jiān)控系統(tǒng)和監(jiān)控設備還不足以跟上時代的發(fā)展趨勢，也不能在交通發(fā)展中發(fā)揮明顯的作用。要想跟上當代潮流的發(fā)展，離不開計算機的應用。可以用最先進的技術(shù)和操作方法第一時間反映公路隧道的交通情況，用智能處理和計算機對監(jiān)控內(nèi)容進行智能化、系統(tǒng)化的處理。同時，計算機的智能化還可以處理一系列問題，尤其是在高速公路隧道中行駛時。安裝智能照明能源可以利用電腦根據(jù)外面的亮度調(diào)節(jié)隧道內(nèi)的亮度，使亮度達到標準，改變進入黑暗天時視覺下降的問題。同時也能緩解駕駛員對隧道內(nèi)亮度調(diào)節(jié)的適應，給駕駛員一個反應時間，避免事故發(fā)生。隧道內(nèi)還可以安裝一定的智能排氣系統(tǒng)，或者對廢氣進行處理，使汽車尾氣在排放時不會形成煙霧，從而避免對駕駛員的視線造成一定的阻礙；在離開隧道前，可以通過電腦智能處理出口燈光，使燈光相對更強，防止司機出現(xiàn)白洞，造成一定的交通事故。我們應該做好照明安全。一旦夜間出現(xiàn)一系列警示標志，必須提示車輛在隧道內(nèi)減速行駛。不僅如此，我們還可以利用電腦將監(jiān)控設備和模式調(diào)整到夜間，確保高速公路隧道在夜間能夠得到有效的觀察，如果有緊急情況，也能及時處理。

2.隧道監(jiān)控和照明系統(tǒng)。

為確保公路隧道交通安全，從施工角度來看，需要完善照明系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)，為隧道安全通行提供有效保障，同時可以大大提高通行速度和效率，從而提高公路隧道發(fā)展質(zhì)量。采用分散式交通控制策略對高速公路隧道內(nèi)的交通進行控制，找出引發(fā)事故的因素并及時消除，防止交通擁堵和交通事故的發(fā)生，可以及時提高處理交通隧道的利用率。隧道的存在不僅是一種進步，也是對高速公路建設的挑戰(zhàn)。高速公路的快速發(fā)展為隧道帶來了許多機遇，尤其是照明系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)極為重要。如果能結(jié)合外界光線的具體情況，有效調(diào)節(jié)照明的亮度或有效開發(fā)隧道，那么這將是高速公路未來發(fā)展的一次跨越式調(diào)整。除了照明系統(tǒng)之外，隧道內(nèi)還有一個監(jiān)控系統(tǒng)需要完善，尤其是檢測交通流量、車速以及安全的各個方面等，從而提高高速公路資源的利用率。視頻等監(jiān)控設備完善后，可以及時有效地了解高速公路隧道內(nèi)的運行和交通情況。視頻監(jiān)控系統(tǒng)必須連續(xù)不間斷地工作，隨時為工作人員檢查提供最佳視角。不僅如此，監(jiān)控系統(tǒng)還能有效提供各方面的信息，通過智能處理提供更完整的數(shù)據(jù)，獲得各個地方全方位的數(shù)據(jù)系統(tǒng)。視頻監(jiān)控前端系統(tǒng)可以讓工作人員更方便的采集數(shù)據(jù)，尤其是視頻和圖像數(shù)據(jù)，監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸系統(tǒng)主要由電纜和電力線控制。由于監(jiān)控系統(tǒng)的控制中心遠離控制現(xiàn)場，主要用于控制前端設備和處理事故的工作，以方便和更好地加強監(jiān)控系統(tǒng)的控制和處理。顯示系統(tǒng)的功能通常與控制中心一起使用，完善的監(jiān)控設備不僅可以完成基礎監(jiān)控和事件處理，還可以對相應的監(jiān)控設備進行一系列具體操作，然后通過各種渠道對視頻顯示屏上的視頻進行分析，找到解決方案，確保一系列交通安全，從根本上預防交通事故的發(fā)生。

結(jié)語

完善高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)是隧道行車安全的保證，監(jiān)控管理的統(tǒng)一系統(tǒng)和智能化正日益發(fā)揮著非常突出的作用。完善監(jiān)測機制是當代科技的又一進步，將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用于高速公路隧道的發(fā)展必將成為未來發(fā)展的必然要求。在確保安全的情況下，高速公路隧道的管理將進入一個新的階段。