隧道機電系統聯動方案探討

任彬彬+龍光

摘 要：針對隧道機電系統聯動控制特點，分析系統要點，提出合理的長隧道聯動控制系統網絡構成及控制模式，并介紹了實際設計案例。

關鍵詞：隧道機電；聯動控制

1 概述

隧道通過監測、控制及誘導設備（交通檢測與控制、環境檢測和控制、照明控制、火災報警、視頻監控、有線廣播及緊急電話等技術手段），綜合對隧道路段進行整體監控。隧道機電系統作為隧道狀況采集探測系統，是早期獲取隧道內交通運行環境狀況、緊急預警、改善行車環境的主要手段，是隧道安全運營的重要保障。

隧道特別是長隧道因單洞距離長，機電設備種類、數量較多，設置高成本的設備可以提高隧道的安全程度，但這只是前提條件。合理完善的數據傳輸、決策、控制系統才能較好的發揮所設置設備的功能，以達到在安全事故初期較好的處理事故、及時救援的目的。

2 控制管理系統網絡構架

隧道內設置有大量的機電設備，需合理的對這些機電設備進行傳輸控制。在隧道管理體制方面，目前我國及我省主要采用三級管理模式，即路段監控中心、隧道管理站和隧道本地，系統網絡結構可分為信息傳輸層、核心控制層和設備接入層。

信息傳輸層主要實現設備間的信息傳輸，工業以太網Ethernet為目前較常用的一種信息網絡。隧道監控領域利用以太網作為隧道管理站、路段監控中心的數據傳輸，其中包含了設備采集數據、系統分析數據、及存儲的歷史數據。

核心控制層主要是利用現場構建的總線形成隧道本地控制網絡，由于采用了標準的總線組網，既滿足了機電系統實時通信的需求，又因具有較為開放的標準協議接口，能夠較為方便的在總線網絡上外接各種機電設備，有利于隧道機電系統的擴展，適用于本地控制器與隧道控制室的計算機設備、本地控制器與本地控制器及本地控制器與現場設備的數據通信。一般控制網絡結構采用了雙纖光纖組成的環形網絡，提高了系統的可靠性。

設備接入層主要用于本地控制器與現場機電設備、控制器輸入輸出端子、采集設備之間的通信，采用各種總線通信協議實現，確保了數據傳輸的及時有效。

目前監控中心計算機局域網多采用成熟的以太網技術，以以太網交換機為中心的星形拓撲結構。但以太網由于采用CSMA/CD介質訪問控制方式，本質上是非實時的，可能導致信息傳輸的滯后。隧道機電系統控制的重點是在隧道發生緊急事故時候實現隧道安全。緊急事故時易造成信息處理不及時而造成較大的事故。針對以太網的這個問題，且長隧道大量監控數據的實時傳輸需求，可采用現場區域控制器+以太網交換機的方式，將網絡分為若干網段，以太網交換機具有數據存儲、轉發功能，使各端口數據得到緩沖，不發生沖突。

為了保證各監控設備數據傳輸的可靠性和實時性，隧道的控制網絡結構可采用環形結構。環形冗余結構帶有線路冗余，具有很高的生存性，當線路上有一個斷點時，整個網絡仍可正常通訊，常見于工業網絡。同時長隧道可按區段組環，每個區段設置1處主PLC，配置觸摸屏，在特殊情況下能夠實現更高效、可靠的現場控制。

3 系統控制模式的選擇

隧道的控制需要將系統內各子系統進行有效的結合，通過智能分析，整合為統一的機電系統，隧道控制方式可以分為自動控制與手動控制，正常情況下通過隧道管理站的計算機對隧道交通信息進行數據采集、分析、信息發布及實時控制。隧道本地控制器（PLC）向下以一對多的方式與外場設備相連，實時采集交通數據，并配備相應的各種接口模塊與各監控設備進行通信。緊急情況下可實現現地人工手動控制。

隧道機電硬件通訊結構及系統集成方案采用全以太網通訊架構，可采用上位軟件通過定制的驅動接口程序對隧道外場機電設備進行訪問，PLC硬件的邏輯編寫與調試也可在中控室直接下載或上傳，視頻監控由視頻平臺的通訊接口與上位軟件通訊，緊急電話與消防系統可用API、ODBC等數據訪問方式獲取數據。整合后的軟件系統可由客戶端操控的就是所有的隧道監控子系統，形成統一的應用軟件平臺對隧道進行實時控制。

4 設計案例

岳西至武漢高速公路安徽段地處皖西大別山區，是溝通安徽、湖北兩省的重要省際區域干線，也是連接中部地區和東部地區的重要高速公路大通道，隧道數量較多，橋隧占路線總長近60%，其中明堂山隧道全長約7.5km，為我省目前最長公路隧道。

根據安徽省目前實行的公路建設模式，岳武高速隧道監控設施管理模式如下：高速集團公司信息中心-高界路段監控中心-隧道管理站-監控外場設施。考慮本項目內隧道路段較多，且路段監控中心距離連續、長隧道路段較遠，在岳西收費站內設置隧道管理站，負責本項目內隧道路段的交通管理，對本路段的交通監控數據及其他各種參數進行匯總，向路段監控中心上傳監控數據及圖像，并接受路段監控中心的管理。

此項目隧道監控設備的種類多而復雜，為了保證各監控設備數據傳輸的可靠性和實時性，本次設計隧道的控制網絡結構方案采用環形結構。環形冗余結構帶有線路冗余，具有很高的生存性，當線路上有一個斷點時，整個網絡仍可正常通訊，常見于工業網絡。

隧道內各監控設備的監控數據首先由布置在隧道內和隧道變電所的本地控制器（PLC）進行實時采集和控制，同時經設置在各隧道變電所內的工業以太網交換機組成環形自愈環網將數據傳送到隧道管理站管理。控制方式可以分為自動控制與手動控制，正常情況下通過隧道管理站的計算機對隧道交通信息進行數據采集、分析、信息發布及實時控制。隧道本地控制器（PLC）向下以一對多的方式與外場設備相連，實時采集交通數據，并配備相應的各種接口模塊與各監控設備進行通信。

5 結語

我國隧道目前存在只監不控、監強控弱的現象，采集的監控系統數據也得不到較好的利用；對隧道進行較好的管理控制，一方面要兼顧系統的穩定、可靠與可控，同時也要對不同主體條件的隧道及交通狀況配置不同規模和冗余等級的機電系統，并設置合理的系統集成方案，構建系統網絡結構，保證系統的可靠、安全、經濟，最大程度的發揮系統應用的作用，實現靈活機動的現場控制。

參考文獻：

[1]李祖偉，等.單體特長公路隧道聯動控制技術方案研究[A].公路隧道運營管理與安全國際學術會議論文集[C]，重慶：中國公路協會，2006.

摘 要：針對隧道機電系統聯動控制特點，分析系統要點，提出合理的長隧道聯動控制系統網絡構成及控制模式，并介紹了實際設計案例。

關鍵詞：隧道機電；聯動控制

1 概述

隧道通過監測、控制及誘導設備（交通檢測與控制、環境檢測和控制、照明控制、火災報警、視頻監控、有線廣播及緊急電話等技術手段），綜合對隧道路段進行整體監控。隧道機電系統作為隧道狀況采集探測系統，是早期獲取隧道內交通運行環境狀況、緊急預警、改善行車環境的主要手段，是隧道安全運營的重要保障。

隧道特別是長隧道因單洞距離長，機電設備種類、數量較多，設置高成本的設備可以提高隧道的安全程度，但這只是前提條件。合理完善的數據傳輸、決策、控制系統才能較好的發揮所設置設備的功能，以達到在安全事故初期較好的處理事故、及時救援的目的。

2 控制管理系統網絡構架

隧道內設置有大量的機電設備，需合理的對這些機電設備進行傳輸控制。在隧道管理體制方面，目前我國及我省主要采用三級管理模式，即路段監控中心、隧道管理站和隧道本地，系統網絡結構可分為信息傳輸層、核心控制層和設備接入層。

信息傳輸層主要實現設備間的信息傳輸，工業以太網Ethernet為目前較常用的一種信息網絡。隧道監控領域利用以太網作為隧道管理站、路段監控中心的數據傳輸，其中包含了設備采集數據、系統分析數據、及存儲的歷史數據。

核心控制層主要是利用現場構建的總線形成隧道本地控制網絡，由于采用了標準的總線組網，既滿足了機電系統實時通信的需求，又因具有較為開放的標準協議接口，能夠較為方便的在總線網絡上外接各種機電設備，有利于隧道機電系統的擴展，適用于本地控制器與隧道控制室的計算機設備、本地控制器與本地控制器及本地控制器與現場設備的數據通信。一般控制網絡結構采用了雙纖光纖組成的環形網絡，提高了系統的可靠性。

設備接入層主要用于本地控制器與現場機電設備、控制器輸入輸出端子、采集設備之間的通信，采用各種總線通信協議實現，確保了數據傳輸的及時有效。

目前監控中心計算機局域網多采用成熟的以太網技術，以以太網交換機為中心的星形拓撲結構。但以太網由于采用CSMA/CD介質訪問控制方式，本質上是非實時的，可能導致信息傳輸的滯后。隧道機電系統控制的重點是在隧道發生緊急事故時候實現隧道安全。緊急事故時易造成信息處理不及時而造成較大的事故。針對以太網的這個問題，且長隧道大量監控數據的實時傳輸需求，可采用現場區域控制器+以太網交換機的方式，將網絡分為若干網段，以太網交換機具有數據存儲、轉發功能，使各端口數據得到緩沖，不發生沖突。

為了保證各監控設備數據傳輸的可靠性和實時性，隧道的控制網絡結構可采用環形結構。環形冗余結構帶有線路冗余，具有很高的生存性，當線路上有一個斷點時，整個網絡仍可正常通訊，常見于工業網絡。同時長隧道可按區段組環，每個區段設置1處主PLC，配置觸摸屏，在特殊情況下能夠實現更高效、可靠的現場控制。

3 系統控制模式的選擇

隧道的控制需要將系統內各子系統進行有效的結合，通過智能分析，整合為統一的機電系統，隧道控制方式可以分為自動控制與手動控制，正常情況下通過隧道管理站的計算機對隧道交通信息進行數據采集、分析、信息發布及實時控制。隧道本地控制器（PLC）向下以一對多的方式與外場設備相連，實時采集交通數據，并配備相應的各種接口模塊與各監控設備進行通信。緊急情況下可實現現地人工手動控制。

隧道機電硬件通訊結構及系統集成方案采用全以太網通訊架構，可采用上位軟件通過定制的驅動接口程序對隧道外場機電設備進行訪問，PLC硬件的邏輯編寫與調試也可在中控室直接下載或上傳，視頻監控由視頻平臺的通訊接口與上位軟件通訊，緊急電話與消防系統可用API、ODBC等數據訪問方式獲取數據。整合后的軟件系統可由客戶端操控的就是所有的隧道監控子系統，形成統一的應用軟件平臺對隧道進行實時控制。

4 設計案例

岳西至武漢高速公路安徽段地處皖西大別山區，是溝通安徽、湖北兩省的重要省際區域干線，也是連接中部地區和東部地區的重要高速公路大通道，隧道數量較多，橋隧占路線總長近60%，其中明堂山隧道全長約7.5km，為我省目前最長公路隧道。

根據安徽省目前實行的公路建設模式，岳武高速隧道監控設施管理模式如下：高速集團公司信息中心-高界路段監控中心-隧道管理站-監控外場設施。考慮本項目內隧道路段較多，且路段監控中心距離連續、長隧道路段較遠，在岳西收費站內設置隧道管理站，負責本項目內隧道路段的交通管理，對本路段的交通監控數據及其他各種參數進行匯總，向路段監控中心上傳監控數據及圖像，并接受路段監控中心的管理。

此項目隧道監控設備的種類多而復雜，為了保證各監控設備數據傳輸的可靠性和實時性，本次設計隧道的控制網絡結構方案采用環形結構。環形冗余結構帶有線路冗余，具有很高的生存性，當線路上有一個斷點時，整個網絡仍可正常通訊，常見于工業網絡。

隧道內各監控設備的監控數據首先由布置在隧道內和隧道變電所的本地控制器（PLC）進行實時采集和控制，同時經設置在各隧道變電所內的工業以太網交換機組成環形自愈環網將數據傳送到隧道管理站管理。控制方式可以分為自動控制與手動控制，正常情況下通過隧道管理站的計算機對隧道交通信息進行數據采集、分析、信息發布及實時控制。隧道本地控制器（PLC）向下以一對多的方式與外場設備相連，實時采集交通數據，并配備相應的各種接口模塊與各監控設備進行通信。

5 結語

我國隧道目前存在只監不控、監強控弱的現象，采集的監控系統數據也得不到較好的利用；對隧道進行較好的管理控制，一方面要兼顧系統的穩定、可靠與可控，同時也要對不同主體條件的隧道及交通狀況配置不同規模和冗余等級的機電系統，并設置合理的系統集成方案，構建系統網絡結構，保證系統的可靠、安全、經濟，最大程度的發揮系統應用的作用，實現靈活機動的現場控制。

參考文獻：

[1]李祖偉，等.單體特長公路隧道聯動控制技術方案研究[A].公路隧道運營管理與安全國際學術會議論文集[C]，重慶：中國公路協會，2006.

摘 要：針對隧道機電系統聯動控制特點，分析系統要點，提出合理的長隧道聯動控制系統網絡構成及控制模式，并介紹了實際設計案例。

關鍵詞：隧道機電；聯動控制

1 概述

隧道通過監測、控制及誘導設備（交通檢測與控制、環境檢測和控制、照明控制、火災報警、視頻監控、有線廣播及緊急電話等技術手段），綜合對隧道路段進行整體監控。隧道機電系統作為隧道狀況采集探測系統，是早期獲取隧道內交通運行環境狀況、緊急預警、改善行車環境的主要手段，是隧道安全運營的重要保障。

隧道特別是長隧道因單洞距離長，機電設備種類、數量較多，設置高成本的設備可以提高隧道的安全程度，但這只是前提條件。合理完善的數據傳輸、決策、控制系統才能較好的發揮所設置設備的功能，以達到在安全事故初期較好的處理事故、及時救援的目的。

2 控制管理系統網絡構架

隧道內設置有大量的機電設備，需合理的對這些機電設備進行傳輸控制。在隧道管理體制方面，目前我國及我省主要采用三級管理模式，即路段監控中心、隧道管理站和隧道本地，系統網絡結構可分為信息傳輸層、核心控制層和設備接入層。

信息傳輸層主要實現設備間的信息傳輸，工業以太網Ethernet為目前較常用的一種信息網絡。隧道監控領域利用以太網作為隧道管理站、路段監控中心的數據傳輸，其中包含了設備采集數據、系統分析數據、及存儲的歷史數據。

核心控制層主要是利用現場構建的總線形成隧道本地控制網絡，由于采用了標準的總線組網，既滿足了機電系統實時通信的需求，又因具有較為開放的標準協議接口，能夠較為方便的在總線網絡上外接各種機電設備，有利于隧道機電系統的擴展，適用于本地控制器與隧道控制室的計算機設備、本地控制器與本地控制器及本地控制器與現場設備的數據通信。一般控制網絡結構采用了雙纖光纖組成的環形網絡，提高了系統的可靠性。

設備接入層主要用于本地控制器與現場機電設備、控制器輸入輸出端子、采集設備之間的通信，采用各種總線通信協議實現，確保了數據傳輸的及時有效。

目前監控中心計算機局域網多采用成熟的以太網技術，以以太網交換機為中心的星形拓撲結構。但以太網由于采用CSMA/CD介質訪問控制方式，本質上是非實時的，可能導致信息傳輸的滯后。隧道機電系統控制的重點是在隧道發生緊急事故時候實現隧道安全。緊急事故時易造成信息處理不及時而造成較大的事故。針對以太網的這個問題，且長隧道大量監控數據的實時傳輸需求，可采用現場區域控制器+以太網交換機的方式，將網絡分為若干網段，以太網交換機具有數據存儲、轉發功能，使各端口數據得到緩沖，不發生沖突。

為了保證各監控設備數據傳輸的可靠性和實時性，隧道的控制網絡結構可采用環形結構。環形冗余結構帶有線路冗余，具有很高的生存性，當線路上有一個斷點時，整個網絡仍可正常通訊，常見于工業網絡。同時長隧道可按區段組環，每個區段設置1處主PLC，配置觸摸屏，在特殊情況下能夠實現更高效、可靠的現場控制。

3 系統控制模式的選擇

隧道的控制需要將系統內各子系統進行有效的結合，通過智能分析，整合為統一的機電系統，隧道控制方式可以分為自動控制與手動控制，正常情況下通過隧道管理站的計算機對隧道交通信息進行數據采集、分析、信息發布及實時控制。隧道本地控制器（PLC）向下以一對多的方式與外場設備相連，實時采集交通數據，并配備相應的各種接口模塊與各監控設備進行通信。緊急情況下可實現現地人工手動控制。

隧道機電硬件通訊結構及系統集成方案采用全以太網通訊架構，可采用上位軟件通過定制的驅動接口程序對隧道外場機電設備進行訪問，PLC硬件的邏輯編寫與調試也可在中控室直接下載或上傳，視頻監控由視頻平臺的通訊接口與上位軟件通訊，緊急電話與消防系統可用API、ODBC等數據訪問方式獲取數據。整合后的軟件系統可由客戶端操控的就是所有的隧道監控子系統，形成統一的應用軟件平臺對隧道進行實時控制。

4 設計案例

岳西至武漢高速公路安徽段地處皖西大別山區，是溝通安徽、湖北兩省的重要省際區域干線，也是連接中部地區和東部地區的重要高速公路大通道，隧道數量較多，橋隧占路線總長近60%，其中明堂山隧道全長約7.5km，為我省目前最長公路隧道。

根據安徽省目前實行的公路建設模式，岳武高速隧道監控設施管理模式如下：高速集團公司信息中心-高界路段監控中心-隧道管理站-監控外場設施。考慮本項目內隧道路段較多，且路段監控中心距離連續、長隧道路段較遠，在岳西收費站內設置隧道管理站，負責本項目內隧道路段的交通管理，對本路段的交通監控數據及其他各種參數進行匯總，向路段監控中心上傳監控數據及圖像，并接受路段監控中心的管理。

此項目隧道監控設備的種類多而復雜，為了保證各監控設備數據傳輸的可靠性和實時性，本次設計隧道的控制網絡結構方案采用環形結構。環形冗余結構帶有線路冗余，具有很高的生存性，當線路上有一個斷點時，整個網絡仍可正常通訊，常見于工業網絡。

隧道內各監控設備的監控數據首先由布置在隧道內和隧道變電所的本地控制器（PLC）進行實時采集和控制，同時經設置在各隧道變電所內的工業以太網交換機組成環形自愈環網將數據傳送到隧道管理站管理。控制方式可以分為自動控制與手動控制，正常情況下通過隧道管理站的計算機對隧道交通信息進行數據采集、分析、信息發布及實時控制。隧道本地控制器（PLC）向下以一對多的方式與外場設備相連，實時采集交通數據，并配備相應的各種接口模塊與各監控設備進行通信。

5 結語

我國隧道目前存在只監不控、監強控弱的現象，采集的監控系統數據也得不到較好的利用；對隧道進行較好的管理控制，一方面要兼顧系統的穩定、可靠與可控，同時也要對不同主體條件的隧道及交通狀況配置不同規模和冗余等級的機電系統，并設置合理的系統集成方案，構建系統網絡結構，保證系統的可靠、安全、經濟，最大程度的發揮系統應用的作用，實現靈活機動的現場控制。

參考文獻：

[1]李祖偉，等.單體特長公路隧道聯動控制技術方案研究[A].公路隧道運營管理與安全國際學術會議論文集[C]，重慶：中國公路協會，2006.