智能監控技術在瀏陽河公路隧道中的應用

汪維斌

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司, 湖北武漢 430063)

1 工程概況

新河三角洲位于長沙市主城區北部,南起319國道,北至瀏陽河,西臨湘江,東到芙蓉北路；目前現狀是典型的三類工業區,區內基礎設施、公益設施滯后。長沙市已將新河三角洲的開發列入城市發展規劃的重中之重。新河三角洲的總體景觀規劃,將與湘江風光帶、瀏陽河風光帶統一考慮,同時在城市格局的建設上充分協調與老城區的關系,形成周邊軟質綠化空間、內部硬質城市空間的總體風貌。

湘江大道由南至北穿過湘江二橋后,向右拐進新河三角洲再轉向瀏陽河下游,沿規劃路在橫三路口前后下潛,設左偏曲線,以對地面整體規劃及景觀影響最小的隧道形式下穿瀏陽河,瀏陽河公路隧道全長1.4 km。根據《公路隧道交通工程設計規范》(JTG/T D71—2004),公路隧道交通工程分級根據隧道長度和隧道交通量兩個因素劃分為A、B、C、D四級。確定其交通工程分級為A級。

2 設計原則

隧道正常運營,提高車輛通過能力。隧道控制中心實行統一監控，集中管理，達到疏導交通、防火的功能。通過交通監控、閉路電視監控、環境監控等子系統,完成在控制中心內的智能監控、狀態顯示、操作、維護、監視、通信及資源共享等諸多功能。各分系統界面清楚,保持相對獨立,且自檢和自診斷功能,以便及時準確的發現異常和故障,并能迅速的排除故障。

3 智能監控系統設計目標和方法

3.1 監控系統的主要目標

監控系統的主要目標是監視和控制整座隧道的交通運行情況,及時發現由車輛故障、交通事故等引起的各種交通異常情況,實時做出控制和確定實施方案。

3.2 監控系統的構成及要求

(1)監控中心計算機系統

隧道的監控中心計算機系統是整個隧道機電控制的核心部分，負責收集各個子系統的數據,經過模擬計算得出相應的控制方案,并將控制命令分別發送給相應的控制模塊：交通控制、通風控制、照明控制、火災報警、閉路電視、數據管理等。控制中心設背投式顯示屏,顯示隧道的運行情況和各相關設備的工況,并能通過監控計算機信息分析軟件,進行隧道全部或局部路況、設備狀況的詳細圖形顯示,并進行數據管理和系統管理。圖1為系統的拓撲關系。

圖1 系統的拓撲關系

中心控制系統由控制中心網絡服務器(含磁盤陣列)、系統主機、系統副機、綜合控制臺計算機、模擬屏、投影顯示屏、火災報警控制屏、網絡集線器、網卡、以太網交換機、電源系統(含UPS)等組成。系統主副機實時收集各區域控制機的信息,并加以儲存、統計、顯示各設備的工作狀況,當某一功能控制機發生故障時,將自動或人工轉換代替功能控制機工作,系統主副機采用雙機熱備進行切換。

系統采用三級網絡結構,上層采用基于Windows-NT平臺信息層上的交換式快速以太網結構,由服務器及各分系統的主控計算機組成,實現各分系統之間的通訊聯絡及數據共享。第二層主要基于雙環光網(Control net)之上的控制層,與下設的交通區域控制器(ACU)等進行聯網。第三層結構中除常規的分散數據采集外,還包括基于總線式的現場設備網,實現數據式監測、控制功能，由此形成一個集散型三層網絡的實時監控系統。

控制臺由交通監控席、設備監控席、火災報警席和電視監控、調度、廣播操作席和緊急電話操作席等五個獨立控制部分組成的主控臺,按中控室建筑要求進行設計,采用單座席低臺式,尺寸為：12 000 mm(長)×1 000 mm(寬)×600 mm(高)。

模擬屏正面由四部分組成,上下兩部分為24臺監視器,采用組合式監視器機架方式,相應于上、下行隧道的電視監視器，分別安裝于顯示屏的上、下方,圖像顯示順序與行車方向一致，與隧道內及洞口24臺攝像機對應,顯示隧道中的監視攝像機的信息。中部為模擬圖形顯示,顯示隧道中緊急電話、信號機、傳感器等的位置及狀況,右端為彩色背投。背投影儀為多晶硅LCD,亮度輸出大于600ANSI,分辨率為1 024×768。

為保證電源質量和不間斷性,控制中心電源設備室設置一臺連續供電60 min的UPS。UPS及交流電源自切柜均受設備監控系統集中管理。

在電源自切配電柜近端和里端設置三級保護設備,在可變情報板電源端設置第二級保護,在計算機網絡重要設備端根據需要設置數據線防雷保護設置。

中控室采用工作和保護二種接地方式。工作接地以建筑物的結構作接地體,是將弱電設備的直流電源需要接地的一極引至該接地體。保護接地是以供電系統的PE線作為接地體,將弱電設備的機架,機殼、隧道內不帶電設備的金屬外殼,隧道電纜及橋架,室內電纜和配線的金屬護套和屏蔽層引至該接地體。

(2)交通監控子系統

交通監控子系統的核心是交通控制處理機,負責管理交通監控機、照明控制柜、通風控制柜。交通監控機、照明控制柜、通風控制柜均采用智能化的控制,根據上級指令實施自動監控。交通監控機負責對場外區域控制器、車輛標志、交通信號燈、可變情報板、車輛檢測等設備進行控制。控制中心分別設照明控制柜、通風控制柜接口。室外設備設置情況如下。

區域控制器：是由核心控制模塊、輸入輸出模塊、網關、數據集線器、外機箱和電源等部分組成,通過現場Control Net雙環光網互聯組成一個整體。負責對現場交通信號燈、車道控制標志、車輛檢測器、可變情報板等設備進行管理。其功能是：收集本地控制區域內的各檢測設備的信息；對收集信息進行預處理后儲存在存儲單元中,并通過網絡上報給遠端的監控主機；接收主機下發的控制策略并按照預定的控制策略對本地的場外設備進行監視和控制。它具有RS232串行接口和10M/100M自適應以太網接口,軟件支持TCP/IP、TFTP、UDP、FTP等多種協議。

本系統采用三組區域控制器,分別設置在右線隧道左側,里程位置分別為：K0+790、K1+158、K1+490處。每組區域控制器通過網關上提供的16路開關輸入、16路繼電器控制輸出、8路模擬量輸入和2路串口，采集和控制交通信號燈、車道控制標志、車輛檢測器、可變情報板、CO、VI、射流風機等單元,并將信息通過集線器上傳到中心控制室。為了保證傳輸安全可靠,在隧道內采用光纖冗余環網與集線器連接,用以太網對數據進行交換。

車道控制標志：為“╳”、“↓”可變顯示,按車道設置,為滿足反向行駛的要求,采用雙面顯示。車道控制標志的顯示狀況由控制中心通過區域控制器來控制。

環型線圈檢測器：在隧道的每個車道各設置相應的環型線圈檢測器,用來檢測車速、車流量及車輛堵塞情況,使監控中心值班人員隨時掌握洞內運營情況。

可變情報板：在隧道上、下行洞口前,向洞外方向各設1面可變情報板,由紅色特超高亮度發光二極管組成。情報板顯示的內容有：“隧道火警禁止通行”、“保持車距謹慎駕駛”等。

情報板通過RS-232接口加調制解調器接入區域控制器由控制中心控制。

(3)安全監視子系統

安全監視子系統通過網絡交換機進行信息采集,它負責緊急電話主機、閉路電視控制器等信息交換。

電視監視監控由中央控制室內的電視監視屏、控制臺(含控制設備)、錄象設備、光端機，以及現場的洞內外攝像機、光發送器、信號傳輸光纜等設備組成。

根據攝像機的監視范圍,在兩條隧道內分別安裝11臺低照度黑白一體化CCD攝像機；隧道南、北洞口各安裝1臺彩色一體化CCD攝像機,其上配有變焦鏡頭,并加裝全天候室外防護罩,攝像機電源均引自本地交流電源。監視系統設備機柜(視頻切換矩陣、視頻分配器、多畫面分割器、多路圖像光端機、維護管理終端、錄像設備、電源、接口等)設于隧道中央控制室內。

緊急電話采用全雙工方式通話,當電話分機呼叫時,操作臺具有聲光報警功能,自動顯示呼叫緊急分機位置,主機內微處理器將緊急電話呼叫信號傳至以下兩處。

模擬顯示屏：使地圖板系統能同步顯示呼叫分機位置。

閉路電視監控系統：控制計算機將切換呼叫地區的圖像至大屏幕投影屏，并使錄像機從時滯工作方式自動轉為錄像工作方式。整個呼叫過程能自動錄音、記錄及打印。

各值班室的調度電話均以兩位編號自動呼叫，緊急電話具有特定編號,當按下緊急電話的按鈕時,用戶就向監控中心發出呼叫信息,話機有等待信號或提示音。緊急電話機設備的變動、增減可通過人機命令簡單操作實現。

隧道內緊急電話分機在隧道沿行車方向右側壁設置,上、下行隧道共設16臺。隧道南、北隧道口共設置4臺隧道外緊急電話分機。在中控室內設自動撥號室內調度分機共8臺。

有線廣播由信源、廣播控制操作臺、設備機柜、功率放大器、負載揚聲器、廣播電纜組成。廣播控制操作臺由播音控制臺、通信接口裝置、狀態顯示裝置、數字錄音設備等組成。設備機柜含各種控制設備、功率放大器、實時錄音裝置、電源、接口等,設于控制中心的設備間內。廣播控制操作臺由播音控制臺、通信接口裝置、狀態顯示裝置、數字錄音設備等組成。

廣播系統沿上、下行隧道壁每100 m設一組揚聲器,每組揚聲器為兩個號筒式揚聲器,沿隧道壁背靠背式安裝,每個揚聲器功率為15 W。控制中心劃為一個音區,采用吸頂揚聲器和掛壁式音箱進行廣播。

(4)環境監控子系統

環境監控子系統是通過隧道內區域控制器檢測隧道中一氧化碳、能見度、風速等實際參數,為控制隧道內有害氣體含量和煙霧濃度提供信息。同時還監測隧道洞口內外亮度的反差,為照明控制提供依據。

3.3 監控系統的主要功能和控制方式

(1)交通控制

系統能連續檢測隧道入口、中部、出口的交通數據,并按日、周、月打印報表。系統能按照隧道的交通狀況、事故、火災的防護要求,自動或手動控制交通信號燈,以及車道指示器的顯示。系統能按照隧道的交通狀況、事故、火災的情況，自動或手動控制可變情報板，以顯示預定信息,或手動控制顯示隨機置入信息。

(2)通風控制

根據隧道內CO、VI、TW檢測器的檢測數據(一氧化碳、能見度、風速),以及隧道內是否發生火災等情況來控制風機的開閉。

(3)照明控制方式

照明控制系統根據隧道口的照度計測出的洞口內外部光線強弱,控制隧道內照明燈組的開閉情況,以調節洞內的光強,保持洞內外較小的光強反差。

(4)閉路電視

閉路電視系統用于隧道的交通控制和監視。通過監視器可監視隧道的全路段,中心計算機根據報警信息,緊急電話摘機報警自動切換主監視器至模擬屏上相應位置攝像機圖像,并發出聲光報警,時滯轉為正常錄像狀態。

(5)緊急電話及有線廣播

當隧道內發生緊急情況如：車禍、火災等,司機可撥打緊急電話向控制中心報警。系統向中心計算機提供摘機電話的位置,自動切換相應區段的電視攝像機,供值班員確認現場信息,并通過有線廣播指揮搶險。

4 結束語

自隧道正式運營以來,通過實時監控整座隧道的交通運行情況,系統的各個子系統實現智能聯動,數據實時進行共享,實時作出控制和確定實施方案,及時處理多起交通事故,把人員傷亡和財產損失降到最低。

[1]JTJ/T D71—2004 公路隧道交通工程設計規范[S]

[2]JTGF60—2009 公路隧道施工技術規范[S]

[3]JTG B01—2003 公路工程技術標準[S]

[4]JTG D81—2006 公路交通安全設施設計規范[S]

[5]GB50116—98 火災自動報警系統設計規范[S]

[6]GB/T3453—94 數據通信基本型控制規范[S]

[7]GB5768—1999 道路交通標志標線[S]