公路隧道控制中心集成軟件平臺設計及應用

高 波

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 概述

以武漢、南京長江隧道為代表的城市快速路隧道為確保車輛安全快速通過以及監控設備的長期正常運行,對于隧道監控系統提出了嚴格的技術要求。隧道監控系統統一管理和監控隧道中各機電子系統的正常運轉,通過采用先進的數字化數據采集技術、通信技術、數據存儲技術、智能化技術以及一體化監控集成軟件平臺,從整體上提升系統的運行效率和安全管理水平,完善運營管理和服務。

隧道監控系統為實時數據管理系統,系統對數據的實時性及安全性要求較高。其集成軟件平臺必須滿足可靠性、安全性、易用性、可擴展性、互聯性的需求,提供的整體解決方案具有廣泛的兼容能力,可以支持不同的系統平臺、數據格式和多種連接方式,要求在企業級網絡環境下,實現對多系統的接入、各系統的松散耦合、跨平臺、與語言無關、與特定接口無關的對各種應用程序的可靠訪問。

2 隧道監控系統組成

監控系統一般包括中央計算機系統、交通監控系統、設備監控系統、通信系統、火災自動報警(FAS)系統；根據工程的實際需求,可以設置結構體健康監測系統等其他輔助監控系統。系統構成如圖1所示。

圖1 監控系統總體結構架構

其中,控制中心的中央計算機系統通過統一集成平臺將各系統操作界面加以集成,通過統一數據庫系統收集和管理所有監控信息,以提高運行效率,實現信息共享。

3 集成軟件平臺的功能需求及組成

3.1 功能需求

(1)信息采集。監控系統應實時收集到各相關監控子系統通過主控網絡傳輸上來的各種信息,也可以由運營操作人員手工輸入相關事件事故信息。

(2)數據處理。主要數據處理對象包括：視頻監測系統及交通監控系統提供的各種數據；環境參數監測器、設備監控系統提供的各種數據；火災報警系統提供的各種數據；以及各種外場設備工作狀態的反饋信息。

(3)事件響應。監控系統獲取所需信息后,按一定模式運作、存檔、制表及顯示,并通過所制定的控制模式提出決策建議及發布控制指令。

(4)事件處理。根據所發生事件的類型和嚴重程度,對火災及交通事件采取分類處理,提出相應的控制及設備運行提案。

(5)圖形、圖表顯示。中控室大屏幕顯示屏、閉路電視監視工作站及控制臺上的顯示器相結合,實時、動態、直觀地顯示交通、設備、電力、火災、隧道結構安全等的運行狀況、模擬圖及處理預案,并可對某一局部予以放大或對某些信息列表顯示。

(6)統計查詢及數據存檔。可顯示和打印交通、事故事件、緊急電話使用情況、發布命令、設備工作狀態、值班員值班記錄、交通量趨勢等各種圖表；能完成系統每日檢測的原始數據的備份及重要文件的存檔；可復制每日的數據或調出歷史數據進行各種統計和分析工作。

(7)信息共享。監控系統的所有圖像、數據信息可與上級及同級主控中心共享,主控中心連接公路網監控中心主干通信網,可以提供隧道相關的實時路況監視圖像及相關的交通數據信息,同時可以獲取相關路段的路網交通信息。

3.2 集成軟件平臺的組成

根據以上功能需求,集成軟件平臺可劃分為數據采集控制模塊、畫面顯示模塊、集中報警模塊、策略編輯模塊、綜合管理模塊和數據庫模塊。監控集成軟件平臺功能構成如圖2所示。

圖2 監控集成軟件平臺結構

4 監控集成軟件平臺設計要求

(1)模塊化要求

集成軟件平臺應按實現功能劃分子模塊,每個模塊的研發和改進都獨立于其他模塊的研發和改進,每個模塊所特有的信息處理過程都被包含在模塊的內部,通過通用的標準界面與系統或其他模塊相互連接。

(2)參數化

軟件應盡量使用參數化設置完成對各種設備的控制及檢測的功能及性能要求。

(3)可擴展性

功能性和性能：能夠提供更好的性能、更多的功能。

成本伸縮：系統擴展的代價必須是合理的。

可兼容性：用戶原有的程序在不作變動或只作少量的變動后仍可以使用,新增加的部分應能夠與系統的其余部分相兼容。

(4)可用性

當軟件某部分工作不正常時,應具有保障措施來保證系統的不間斷運作。

(5)可移植性

數據庫、通訊中間件和應用程序應可以在多種操作系統平臺上運行,具有良好的移植性。

(6)可重用性

軟件應可共用相同功能的子程序,如安全管理模塊和數據傳輸模塊等。

(7)可維護性

軟件系統應能適應錯誤的更正、環境的變動、需求變動的改進。

(8)冗余性

軟件方面,數據庫采用多種備份方案的冗余備份,保證系統的可靠性。

(9)開放性

系統軟件應遵循開放式系統結構的工業標準。程序調用應不需要特別硬件的支持。

5 監控集成軟件平臺體系架構

(1)C/S結構

3層C/S模式由客戶端、應用服務器、數據庫服務器組成,用戶界面層、應用邏輯層和數據庫管理層分別位于不同的平臺上。客戶端只需要安裝應用程序；應用程序服務器集中處理應用邏輯,接收客戶端應用程序的請求,將該請求轉換為數據庫請求后與數據庫服務器交互,再將結果傳送給客戶端應用程序。

3層C/S模式是實時系統最常用的結構,具有業務規則集中、執行效率高、良好的可擴展性、安全性高、容錯及負載平衡能力強的特點。3層C/S結構的主要問題包括客戶端用戶界面不標準,不易于Internet的使用及管理等。

(2)B/S結構

B/S模式是基于Web的新型網絡結構。客戶端只需安裝通用瀏覽器,將處理請求提交給Web服務器。Web服務器響應用戶的請求,若用戶請求中包括數據存取,Web服務器需與數據庫服務器協同完成該處理工作。B/S模式主要優點為：客戶端安裝簡便,界面通用統一,使開發、維護、升級、使用、培訓非常簡單；特別適合在網上發表信息。缺點是：交互能力及實時性比C/S結構要差。

(3)混合模式

由于3層C/S和B/S模式都有各自的優缺點,為了滿足隧道監控平臺復雜的業務功能和復雜的處理模式,采用把兩者相結合的混合模式作為系統的體系結構。對于數據采集、網絡通信、數據事件處理等監控管理平臺均采用C/S模式；對于數據報表處理、查詢、檢索和公告發布等服務,采用B/S模式來處理。混合模式克服了C/S和B/S模式各自的弊端,使系統的體系結構與處理邏輯相對應,提高了系統的伸縮性和靈活性。

6 監控集成軟件平臺應用

采用以上體系架構的監控集成軟件平臺在武漢、南京長江隧道監控系統工程中得到良好的應用。

武漢長江隧道監控系統集成了中央計算機系統、交通監控系統、設備監控系統、通信系統、火災自動報警(FAS)等系統,控制中心采用了上海寶信軟件股份有限公司的iCentroView集成軟件平臺,一體化實現了水泵風機等設備監控、環境參數檢測及監控、交通信號指示和交通誘導指示監控、CCTV閉路電視系統及監控、緊急電話系統及監控、無線通訊系統及監控、大屏幕投影監控、消防報警監控、網絡通信監控、UPS監控、供配電系統監控、隧道照明監控等等,有機的組合各種應用和聯動機制,通過多子系統功能聯動、統一調度以適應隧道的管理需要。

該軟件為專用監控軟件平臺,具備有限的組態功能,通過面向對象的模塊化開發方式,建立起健壯性和穩定性較強的軟件架構,程序代碼可繼承性較強,開發效率較高。但采用這種專用開發平臺,開發周期較長,對開發人員要求高,主要取決于集成商的開發和集成能力,缺乏標準的評估手段。

南京長江隧道監控系統除了集成常規的弱電系統外,還集成了收費系統及結構健康監測系統。控制中心集成軟件平臺是基于iFix組態軟件開發的,使用靈活的組態方式,提高了開發效率,開發時間短；人機界面友好；性能穩定；具有較高的可靠性。

以上兩個工程是兩種隧道監控軟件集成平臺的典型。由于隧道監控軟件平臺對于實時性、安全性和穩定性的要求較高,且很多工程都存在著開發時間短、調試時間緊的問題,需要從易開發、系統穩定性、代碼可重用等方面綜合考慮。建議采用組態與非組態結合的方式進行開發,與PLC關系緊密的硬件采用組態軟件來控制,綜合管理等功能采用非組態軟件來開發。這樣開發出的系統性能穩定,同時可以大大節約開發時間。

7 結論

隨著城市基礎建設的推進,城市道路中大型隧道的建設越來越多,其中部分城市初步形成了隧道群,隧道監控系統越來越復雜,對隧道的運營、維護管理要求越來越高,建立統一、標準化、跨平臺、跨系統的隧道監控集成軟件平臺是隧道監控系統建設的主要任務之一。

隧道監控集成軟件平臺應具有可靠、安全、易用、可擴展、互聯性高的系統架構；能充分整合各種監控信息、采用一體化HMI 監控管理、各子系統功能聯鎖控制,在一個統一的平臺上實現數據和信息的共享,以全面提高綜合調度的優勢。

在工程實施過程中,必須注意針對隧道監控系統數據結構的特點和系統對安全性的要求,加強對安全性的處理,以滿足隧道監控系統對可靠性和可維護性的要求。

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