隧道交通智能逃生引導系統設計

姚 丹，朱映雪，吳 燕，何坤城，吳雪琪

(西安理工大學，陜西 西安 710048)

0 引言

近年來，我國高速公路建設迅猛發展，隧道修建總長度以及單洞長度越來越長[1]。考慮到隧道環境的特殊性，如果發生塌陷、火災、交通事故等重大事故，對災后救援、人員疏散來說是個極大的挑戰。目前，高速公路隧道工程建設趨于標準化和規范化，因此，進一步深入探究高速公路安全管理方法和經驗大有裨益[2]。

本文在分析常用逃生方案優缺點的基礎上，提出了一套公路隧道人員逃生的解決方案，設計了一套智能逃生系統，當高速公路隧道內發生重大事故時，通過軟件服務器端遠程控制逃生設備，幫助逃生人員辨明逃生出口，指引逃生方向，引導撤離。

1 隧道交通智能逃生引導系統的總體設計

系統模擬了隧道內部40個橫洞，其總體架構如圖1所示。隧道內部的40個橫洞分別分布著40個主控模塊，主控分左幅及右幅兩部分，分別包括誘導標控制[3]、語音播報及信息板等分模塊。在隧道管理處裝有服務器管理軟件負責管理(詢問當前狀態、控制當前狀態)隧道內的40個主控模塊。

圖1 系統總體結構圖

系統主要包括數據庫、服務器及主控模塊3個部分。數據庫負責存儲和管理數據，記錄各個模塊的運行狀態。系統通過服務器管理界面完成對橫洞主控模塊的模式控制及定時監測，并將運行狀態存入數據庫，便于隧道管理處的管理人員統計分析，及時維護設備，同時主控模塊對服務器端發送反饋指令，并顯示在服務器管理界面上。也可直接通過主控模塊上的應急按鈕來控制各分模塊。

2 系統硬件設計

本系統旨在實現當隧道內發生緊急情況時，能夠引導人員及車輛快速離開危險區域，實現整個隧道智能化管控。

如圖2所示，系統的硬件部分主要包括：信息顯示屏、語音設備、誘導設備、應急按鈕、主控設備等。終端主控設備功能：響應服務器控制或詢問指令；控制現場設備的運行狀態；將現場設備運行狀態信息返回服務器。

圖2 終端主控模塊框圖

主控設備選用型號為STM32F103的32位ARM微控制器[4]，響應服務器端的指令，實現信息處理和對各子部件的控制，并向服務器端發送反饋指令；誘導設備能夠顯示箭頭指向，引導人員及車輛前往安全區域；信息顯示設備在實際中主要安裝在隧道的出口、入口及橫洞處，當隧道有緊急事件發生時及時將相關信息顯示在屏上，以提醒即將進入隧道的車輛減速慢行、禁止進入或引導隧道內車輛安全撤離；當有緊急情況發生時，遇事人員可按下應急按鈕自主實現對隧道的初步管理，同時在服務器端也會有一個反饋信息以提醒工作人員及時處理險情。

3 系統軟件設計

每一個隧道現場的任意橫洞內都會安裝一個主控模塊，在隧道管理處會裝有服務器軟件，用以查詢并控制當前任意隧道內的40個主控模塊中任意模塊的狀態。系統運行時，主控模塊定時向服務器軟件傳送管理數據，服務器軟件隨時保存主控模塊傳來的數據，并在每一次主控模塊工作狀態發生改變時做詳細的記錄，包括：時間、模塊名稱、模塊動作、是否有故障，并對工作狀態和故障進行匯總統計。

3.1 系統主操作

為使管理人員操作簡單方便，通過點擊界面上的按鈕即可進行遠程控制主控模塊，該過程是通過局域網實現的。

服務器端將消息發送至主控模塊，主控模塊將接收到的信息進行解析后控制相應分模塊，并反饋服務器端主控切換狀態成功。系統主操作流程圖如圖3所示。

圖3 系統主操作流程圖

服務器軟件與主控模塊指令格式說明如表1所示。

表1 服務器軟件與主控模塊指令格式說明

例如指令為0xE8 0xE9 0x00 0x01 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x92 0xF9時，即為服務器軟件給ID為0x01的主控模塊發送所分模塊為常規模式。

3.2 服務器端軟件設計

管理人員通過服務器端主界面對主控模塊進行遠程控制，也可在子界面上完成信息界面配置、歷史數據查詢及導出等操作。服務器端主程序框圖如圖4所示。

圖4 服務器端主程序框圖

程序初始化時服務器端首先讀取配置文件主控模塊IP，根據配置文件中主控模塊的數量生成主控模塊類的數量并填充配置表。之后服務器端按時間分配詢問主控模塊或根據實時表反饋情況給主控模塊發送切換工作狀態命令，同時拋出線程接收各主控模塊傳回的數據，檢驗傳回數據是否存在異常，若不存在異常，分析數據后更新實時表，并判斷是否有故障信息或發生誘導模式；若有，則更新數據庫記錄表。服務器10 s內所有40個主控模塊可完成一次應答，奇數秒更改網絡標志。

3.3 主控模塊軟件設計

主控模塊安裝在隧道內，與隧道管理處的服務器軟件部分構成一個整體。因為隧道內有多個主控，每個主控模塊要實現多個功能，因此需通過多線程[5]進行控制。

待主控模塊與服務器建立連接，等待并執行服務器端的控制指令后，向服務器端回復一條當前狀態指令。其程序框圖如圖5所示。

圖5 主控模塊程序框圖

4 測試與應用

4.1 功能測試

通過對系統軟硬件各個功能進行測試，結果表明系統可正常運行，各個功能完全符合預期。

系統性能指標如表2所示。

表2 系統性能指標

4.2 應用案例

西漢高速全長258.65 km，全線設管理處1個，管理所4處。其中秦嶺隧道群內分布著186個橫洞門，隧道內每150 m設有一個監控攝像頭和有線廣播揚聲器，監控隧道內部情況，指導緊急情況下人員逃生。每500 m設有一個車行橫洞、一個緊急停車區和一個人行橫洞，橫洞是雙向隧道連接洞，緊急狀態下，人車可通過橫洞轉移。

圖6所示為服務器端主界面，設置可管理40個主控模塊，其中01～38號主控用于橫洞內設備管理，AA號與BB號主控用于隧道外顯示屏控制。通過點擊界面上的按鈕可以分別對某個主控模塊進行操作，也可以一次性對全體主控模塊進行操作。根據該實際情況，可在秦嶺隧道群的3條特長隧道內分別配置3套系統，在管理所配置服務器端，管理人員通過局域網即可遠程控制主控模塊，在緊急情況下引導車輛、人員逃離現場。

圖6 服務器主界面

5 結論

本文著眼于智能化設計隧道逃生系統，從功能需求和設計理念出發，詳細地介紹了智能逃生引導系統的基本工作原理，并給出了系統框圖和軟件流程圖，講

述了系統各個功能特點。系統主要可應用于隧道通道中交通事故、火災事故、有害氣體泄露、坍塌事故等發生時的人員及時逃生和車輛快速疏散，具有方便、高效、易于操作等優勢，可以減小救援難度及節約人力成本，推動系統相關產業鏈的發展。

[1] 張臻. 公路隧道逃生方案研究[D]. 西安：長安大學, 2009.

[2] 張景歡, 郭大雨. 高速公路隧道安全管理研究[J]. 冶金叢刊, 2016(7)：132.

[3] 劉大鵬. 高速公路線形誘導標志設置研究[D].昆明：昆明理工大學, 2006.

[4] 黃智偉, 王兵, 朱衛華. STM32F 32位ARM微控制器應用設計與實踐(第2版)[M]. 北京：北京航空航天大學出版社, 2014.

[5] 伍光勝, 宋信忠, 鄭明輝. 多線程技術及其應用的研究[J]. 計算機應用研究, 2001, 18(1):33-36.