公路隧道遠程監控的研究與設計

李婕莉，張國有（太原科技大學計算機科學與技術學院，太原030024）

公路隧道遠程監控的研究與設計

李婕莉，張國有
（太原科技大學計算機科學與技術學院，太原030024）

作為高速公路的咽喉地段，隧道內日常交通的穩定運行是保證高速公路正常運轉的重中之重，所以研究一套完善的隧道監控系統尤為重要。系統按照監控分中心、隧道管理站和隧道現場三級控制模式設計，其中隧道管理站是整個監控平臺的核心。為保證數據傳輸速度系統采用實時數據庫處理數據，為保證系統安全對用戶設置不同角色和操作權限，實現實時、高效、準確的監控隧道的目的。

監控系統；數據庫；用戶管理

0　引言

近年來，隨著我國經濟發展速度的加快和現代化進程的推進，公路隧道的項目建設也迅速發展起來，道路交通建設取得明顯成果。我國是個多山地、丘陵的國家，特殊的地質條件使我國必然建設很多隧道。由于隧道中環境密閉，容易發生交通事故，所以加強隧道中的安全運營管理顯得極為重要。為了使隧道中交通環境更加方便、安全和高效，為了及時應對隧道內的突發事故，有效地保障隧道內行車安全越來越多地受到政府交通部門的重視。然而，現今大多數公路隧道車輛監控都是通過人工觀看視頻，而完全依靠監控人員觀看視頻監控不僅會增加政府財政支出，而且由于監控人員有限的精力和注意力，很容易出現疏漏。為了能夠對隧道內發生的異常情況及時做出反應并進行分析處理，設計一個完善的公路隧道監控系統尤為重要，本文就我們完工的某公路隧道監控平臺的設計和實現方案進行詳細說明。

1　系統總體架構

1.1系統組成

隧道監控平臺的管理模式是對平臺的軟件和設備配置進行集中管控。隧道采用片區監控中心、隧道管理站和隧道現場三級控制模式。一般情況下，隧道的日常運營管理和處理事件由隧道管理站負責，隧道管理站可以向區域控制器下達控制指令驅動終端控制設備（如設備狀態控制、設備閾值設置、設備操作方式和系統控制預案等等）。監控總中心擁有最高的控制權限，它可以協調控制各片區監控中心。片區監控中心可通過隧道管理站實現對隧道的管理，它擁有比隧道管理站更高的權限。各管理站一般都無人職守,若有緊急情況管理人員可以到管理站人工控制隧道設備。如圖1所示為隧道監控系統控制模式圖：

圖1　隧道監控控制模式圖

1.2PLC組網與通信

系統組網方式采用工業以太網組成控制層環網，再將交換機與PLC鏈接，設備之間的通信使用遠程的I/O通信。以某隧道為例，隧道左右洞通過以太網交換機光纖組成以太自愈環網，圖2所示為其結構圖：

圖2　隧道PLC環網圖

2　隧道監控平臺軟件設計

2.1數據庫模塊

數據庫是隧道監控平臺的核心，是監控系統和現場設備聯系的紐帶。監控系統運行時，隧道設備采集到的數據要上傳到隧道管理站，同時中心計算機發布的控制指令也要實時傳到隧道現場，這些都要以數據庫為中心。

數據庫模塊可以存儲隧道監控平臺和相關設備數據，對于系統中大量數據應運用分月建表的方式，需要獲取歷史數據時可以直接從統計表中獲取而不需要再次統計，為統計處理數據節省大量時間。

在系統中添加、修改、刪除和查詢設備都需要操作數據庫，在對數據進行定義、初始化、建立數據詞典并成功連接數據庫后，即可通過代碼實現對數據庫的相應操作。系統數據操作流程圖如下圖3所示，客戶端發出請求到服務器，通過登錄驗證，從服務器取出數據和文件。

圖3　系統數據操作流程圖

2.2系統監控

系統監控包括交通、照明、通風、消防、報警及事故處理和隧道緊急電話及廣播六大子系統。各子系統通過PLC與設備之間進行通信，系統通過文字、表格和數據曲線等形式展現所出采集的設備自檢數據、實時運行數據和系統報警信息等。

（1）交通監控子系統

交通監控子系統實時收集車輛檢測線圈、CO/VI檢測器和火災報警器等設備采集的數據，經過判斷和處理后，通過隧道車道通行燈、交通信號燈和可變情報板標語控制隧道交通流，提高隧道運營效率。系統將采集到的信息與預先在本地控制器上設置閾值進行比較，若有異常情況如CO濃度超過閾值或者發生火災、交通事故，系統可以自動控制程序也可以提示建議處理方案后經過人工確認再執行。

（2）照明監控子系統

照明監控子系統分四級控制，包括白天、黃昏、夜間和深夜。照明控制系統將照度檢測器采集的實時照度與預先設置的閾值比較后自動開啟對應級別的照明,控制洞內外照度使之不會相差太大,避免駕駛員出入隧道時視覺上帶來不適，保證行車安全。照度檢測器主要檢測洞內照度,并對應照明等級判斷照明燈具是否完好,若照度沒有達到照明等級要求的照度時,系統會自動彈出窗口提醒監控人員照明設備損壞,管理人員經過核實后可通知工作人員檢查設備。同時,管理人員可以依據具體情況人工啟動或關閉照明設備。

（3）通風監控子系統

通風監控系統根據采集的信息如一氧化碳濃度、可見度、交通擁堵情況等自動開啟、關閉相應的風機。如果收集的數據超出閾值達到報警級別,系統根據報警級別開啟對應的風機，并根據CO濃度、能見度檢測值和風速風向決定開啟風機的大小和數量。各級閾值和風機開啟的數量、時間間隔可根據具體情況在監控系統進行設定。發生火災時，通風系統自動啟動火災區內的風機，同時考慮到煙霧會進入相鄰隧道，所以應啟動相鄰隧道洞口處風機加快排煙。除此之外,隧道監控人員可根據具體情況在監控平臺、隧道管理站、可編程控制柜選擇需要控制的風機,并控制其開啟、關閉、正轉、反轉、停止等。

（4）消防監控子系統

消防監控系統根據液位儀檢測消防系統高低位水池水位、中間水位信號的信息，如果液位儀檢測到水位過高或過低，立刻向隧道管理站發出報警。系統經過分析判斷后，可以通過自動啟停消防泵實現對消防泵啟停的全自動控制；監控人員也可以根據水池水位數據進行判斷后，在監控管理站遠程遙控消防泵的啟停。

（5）報警及事故處理子系統

報警包括設備報警、事故報警、閾值報警、火災報警和其他報警等，當發生異常情況時監控系統自動確認發生故障的設備或事故地點，同時伴隨報警聲。監控系統停留在報警頁面直到操作員進行事故確認方可停止。操作員對報警確認后可通過手工處理，也可執行系統預案或者自定義預案進行處理。

當隧道內發生火災時，火災自動報警系統會將報警信號上傳至隧道監控站火災報警計算機。中心計算機通過分析后形成控制方案，系統聯動CCTV將監視畫面切換到最靠近事故點的攝像機畫面，管理人員通過顯示屏實現實時監控報警的隧道。系統聯動隧道管理站內交通監控系統、通風控制系統、照明控制系統，并通過可變情報板及隧道廣播發布警告信息及交通誘導信息；通過車道通行燈和交通信號燈等設備控制隧道內交通流；通過通風系統的控制方案控制隧道內的風機設備風向、開啟數量，減少隧道內CO濃度等；通過聯動照明控制系統強制開啟事故隧道內所有照明回路，對隧道火災進行及時有效的控制，確保道路使用者的安全，并將損失降低到最小。

（6）隧道緊急電話及廣播子系統

隧道洞內外均設置緊急電話及廣播系統，隧道管理站內有隧道緊急電話及有線廣播控制計算機、主機及其他外設等，用于收集管轄路段內隧道事故報警信息及向發生事故的隧道廣播，給駕駛員提供警告、緊急調度信息，平時也可以利用此系統向司機傳遞交通實時信息等。

2.3系統管理

為了方便系統管理，保證系統安全，按照用戶角色管理、設備管理、閾值管理、預案管理、手工事件管理、報表管理、日志管理和數據備份等模塊進行管理。

（1）用戶角色管理

系統賦予不同的用戶不同的管理權限。此系統將用戶角色分為系統管理員、報表管理員、系統操作員、普通操作員和監視員五種角色。其中系統管理員和報表管理員為系統管理用戶，具有用戶賬號和角色的分配與審批權限；系統操作員、普通操作員和監視員為監控用戶，系統操作員具有各個子系統的操作權限，普通操作員只有一個子系統的操作權限，監視員只能查看系統設備的實時運行信息。

（2）設備管理

設備管理功能：實現設備的基本信息、通信端口和參數等信息的增加、刪除、修改等操作；管理隧道內各子系統的主線設備、檢測設備、控制設備及設備通訊參數（包括PLC設備參數、情報板參數等）；對PLC和其他設備分組，必要時按照分組控制設備；可設置報警級別及報警聲音。

（3）閾值管理

閾值管理包括對隧道交通狀況（如車流量、車速等）、環境狀況（如CO濃度、可見度、光照度等）門限值的管理。對設備的控制門限值、報警門限值進行設值，用于預案控制和系統報警等功能的實現。系統可以單獨選擇某個設備，也可以選擇某一種類型的設備進行閾值設置。

（4）預案管理

預案管理用于實現預案信息管理，如增加、刪除、修改等操作，包括單系統預案、聯動預案和自定義預案。單系統預案包括：交通、照明、通風和消防等控制預案。聯動預案將各個單系統預案進行組合，進行聯動控制。自定義預案可根據隧道的上下行選擇不同的設備進行預案制定，可設置預案中各設備的延時啟動時間。

（5）手工事件管理

手工事件管理用于實現對手工事件的增加、修改、刪除、查詢、統計等。事件信息來源包括：隧道緊急電話、隧道養護人員、巡邏車、攝像機、交警等。手工事件錄入完成后將自動記錄到數據庫中，以便日后查詢、分析。

（6）報表管理

報表管理可實現對系統數據庫中所有原始數據按條件進行查詢、打印、導出結果，分為管理報表、數據報表和預案報表三大類。

（7）日志管理

日志管理包括用戶操作日志和系統運行日志，用于實現對日志的查詢、統計和打印等。用戶操作日志包括用戶的登錄信息、退出信息和下發控制指令等；系統運行日志包括設備故障、設備運行狀態及其改變時間、系統報警事件及處理方式和結果等。

（8）數據備份

數據備份包括：實時數據轉存、歷史數據轉存、數據庫自動備份和數據庫實時手動備份等。實時數據轉存：每日固定時間點轉存前一天的實時數據；歷史數據轉存：每日固定時間點轉存前一年的實時數據；數據自動備份：每月固定時間點自動備份數據庫，備份的.bak文件存儲在服務器指定的硬盤目錄下；數據庫實時手動備份：系統管理員可以通過后臺對數據庫進行實時手動備份。

3　結語

本文首先引入系統研究的目的和意義；其次對系統結構組成和組網進行說明；最后對系統的軟件設計說明，包括數據庫模塊、系統監控和系統管理。此系統實現了實時、高效、準確的監控隧道的目的，為隧道管理者提供了一套完善、可靠、穩定的設計方案，便于隧道的運營管理。

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Monitoring System;Database;User Management

Research and Design of Highway TunnelMonitoring System

LIJie-li，ZHANG Guo-you
（Departmentof Computer Science and Technology，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024）

As the throatarea of highway,the stable operation of the tunnel daily traffic is very important to ensure the normal operation of the highway.Therefore,a comprehensive research on the tunnel monitoring system is particularly important.Designs the system in accordance with three levels of controlmodes:monitoring and control center,the tunnel station and tunnel devices,and among of them the tunnel station is the core of the wholemonitoring station platform.The system uses real-time database to ensure the speed of data processing and transmitting,and it sets up different roles and operating authorities for the users to ensure system security.It implements the purpose of real-time,efficient and accuratemonitoring of the tunnel.

1007-1423（2015）15-0066-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.15.017

李婕莉（1989-），女，山西臨汾人，碩士研究生，研究方向為公路隧道遠程監控相關技術

張國有（1972-），男，山西忻州人，博士，副教授，研究方向為軟件建模

2015-03-26

2015-05-05