基于互聯(lián)網(wǎng)的隧道行車安全監(jiān)測(cè)響應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭志強(qiáng)

(山西省高速公路集團(tuán)太原有限公司，山西 太原 030031)

1 研究背景

隨著我國(guó)公路建設(shè)逐漸向山區(qū)轉(zhuǎn)移，而公路隧道作為咽喉地帶，當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生交通事故時(shí)，車速降低引起CO等大量有毒氣體積聚，降低隧道能見度，影響駕駛者行車安全。車輛擁堵會(huì)排放大量有毒尾氣加劇環(huán)境污染。目前國(guó)外研究較早發(fā)展也較快。主要有日本OMRON公司在20世紀(jì)70年代中期推出CONTROLLER LINK環(huán)網(wǎng)控制技術(shù)[1]，具有自主控制功能；德國(guó)PHOENIX Contact公司在20世紀(jì)80年代推出INTERBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，把網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和自主控制相結(jié)合；美國(guó)的Echelon公司在20世紀(jì)90年代中期推出用于自動(dòng)控制領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)LONWORK分布式公路隧道監(jiān)控(TMCS)系統(tǒng)技術(shù)，具有真正的分布性、開放性、互操作性與適應(yīng)性。

相較于國(guó)外先進(jìn)檢測(cè)控制技術(shù)的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)在隧道監(jiān)控系統(tǒng)的研究開發(fā)顯得相對(duì)落后。深圳梧桐山隧道和上海延安東路隧道在我國(guó)引入外國(guó)技術(shù)較早實(shí)現(xiàn)了隧道監(jiān)控[2-3]；隨后成渝高速的縉云山隧道和中梁山隧道等高等級(jí)隧道，通過自主研發(fā)與國(guó)外引進(jìn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了對(duì)隧道內(nèi)環(huán)境的系統(tǒng)監(jiān)控[4]。肖粵秀等[5]提出一種增設(shè)射流風(fēng)機(jī)和軸流風(fēng)機(jī)的通風(fēng)系統(tǒng)改進(jìn)方案，改善了隧道內(nèi)工作面風(fēng)速偏低等問題，提高了洞內(nèi)空氣的質(zhì)量。宋白樺等[6]提出一種基于高速公路隧道照明LED改造方案進(jìn)行智能調(diào)光控制，分析隧道節(jié)能的特點(diǎn)，推動(dòng)節(jié)能控制在工程中的實(shí)施。李得俊等[7]根據(jù)國(guó)內(nèi)長(zhǎng)大公路隧道的運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)、監(jiān)控需求等，提出一種包括通風(fēng)管理及控制、照明管理、交通檢測(cè)及誘導(dǎo)、閉路電視監(jiān)視管理等子系統(tǒng)的隧道監(jiān)控系統(tǒng)。丁毅等[8]提出一種基于PLC與組態(tài)軟件的城市隧道監(jiān)控系統(tǒng)集成方案。彭飛[9]在上海延安東路隧道中為了掌握隧道動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，利用自動(dòng)化傳感器及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，使隧道安全可靠地發(fā)揮其交通功能。

但隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析與信息管理系統(tǒng)還存在諸多問題：傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能不夠全面，僅是一個(gè)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)或簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；停留在科研開發(fā)階段，適合于工程技術(shù)人員使用的少，數(shù)據(jù)分析處理的方法比較落后，軟件自動(dòng)化、智能化程度較低，真正在解決隧道安全行車問題和信息反饋時(shí)實(shí)用性還不夠。對(duì)此，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)對(duì)隧道行車安全監(jiān)測(cè)響應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)就顯得十分必要。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)思路

隧道內(nèi)環(huán)境狀況監(jiān)控內(nèi)容主要有：氣體環(huán)境(CO濃度、煙霧濃度)、溫度、濕度、光照強(qiáng)度、風(fēng)速、噪音等，根據(jù)傳感器采集數(shù)據(jù)信息，依據(jù)隧道內(nèi)自然環(huán)境特點(diǎn)對(duì)隧道內(nèi)的安全情況進(jìn)行預(yù)警。

1)一級(jí)預(yù)警。當(dāng)濃度超過一定濃度，區(qū)域控制設(shè)備響應(yīng)，增加相關(guān)區(qū)域數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)頻率，增大風(fēng)機(jī)功率以快速排出有害氣體，并相應(yīng)觸發(fā)判斷機(jī)制。持續(xù)監(jiān)測(cè)相關(guān)隧道后續(xù)氣體濃度，若一段時(shí)間后濃度始終高于預(yù)警值，則自動(dòng)提高預(yù)警等級(jí)與二級(jí)預(yù)警享有相同優(yōu)先級(jí)。

2)二級(jí)預(yù)警。氣體含量超過一級(jí)濃度預(yù)警，啟動(dòng)GSM基站向相關(guān)交管部門發(fā)出信號(hào)，判斷是否需要進(jìn)一步提高預(yù)警等級(jí)、是否發(fā)生火災(zāi)(火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)包括隧道內(nèi)溫度檢測(cè)、明火檢測(cè)，隧道內(nèi)手動(dòng)預(yù)警裝置也會(huì)觸發(fā)火災(zāi)警報(bào))。若定為二級(jí)預(yù)警，開啟隧道相關(guān)提示設(shè)備(如可變信號(hào)牌、隧道內(nèi)語音提示、險(xiǎn)情指示燈)，并實(shí)時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)情況持續(xù)發(fā)送交管中心。

3)三級(jí)預(yù)警及火災(zāi)響應(yīng)。若交管中心判斷隧道內(nèi)有害氣體濃度已達(dá)到三級(jí)響應(yīng)或發(fā)生火災(zāi)險(xiǎn)情，啟動(dòng)最高響應(yīng)：開啟隧道內(nèi)水霧噴淋系統(tǒng)；開啟道路兩旁的應(yīng)急出口供隧道內(nèi)人員緊急疏散；在隧道兩端封閉車道，禁止車輛駛?cè)?；將事故信息及時(shí)反饋至120指揮中心及消防中心作出火災(zāi)事故應(yīng)急響應(yīng)；發(fā)布信息至隧道沿線附近車輛的車載導(dǎo)航系統(tǒng)，告知駕駛員前方險(xiǎn)情。

2.2 功能分析

2.2.1 基礎(chǔ)設(shè)備層。

由隧道內(nèi)相關(guān)設(shè)備組成，分為預(yù)警設(shè)備、交通誘導(dǎo)設(shè)備、環(huán)境調(diào)控設(shè)備三部分。

1)預(yù)警設(shè)備用于對(duì)隧道內(nèi)環(huán)境情況進(jìn)行數(shù)據(jù)收集與反饋。緊急電話與按鈕、雙波長(zhǎng)明火檢測(cè)對(duì)隧道內(nèi)發(fā)生的火情進(jìn)行監(jiān)控并向上級(jí)發(fā)出預(yù)警。COVI傳感器對(duì)隧道內(nèi)的氣體環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)儀將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋至隧道區(qū)域控制設(shè)備。非預(yù)警響應(yīng)狀態(tài)下，由隧道出入口處地感線圈監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)交通量，根據(jù)交通量控制風(fēng)機(jī)工作功率。

2)交通誘導(dǎo)設(shè)備用于對(duì)預(yù)警設(shè)備測(cè)得的異常狀況作出自動(dòng)預(yù)警。隧道中的可變情報(bào)板、交通信號(hào)燈、可變信息標(biāo)志等提示駕駛員隧道氣體濃度發(fā)生異常。當(dāng)交管中心發(fā)出最高級(jí)響應(yīng)需要關(guān)閉隧道時(shí)，隧道兩端會(huì)響應(yīng)而關(guān)閉隧道。

3)環(huán)境調(diào)控設(shè)備包括隧道排氣系統(tǒng)、照明系統(tǒng)。傳感器測(cè)定濃度超過閾值后PLC做出快速反應(yīng)，將隧道相關(guān)區(qū)段的風(fēng)機(jī)調(diào)整為高功率狀態(tài)增加稀釋有害氣體的能力；當(dāng)隧道內(nèi)能見度降低，照明系統(tǒng)提高亮度避免駕駛員因隧道內(nèi)亮度不足引起交通安全事故；當(dāng)發(fā)生火災(zāi)響應(yīng)，開啟區(qū)域水霧噴淋裝置防止火勢(shì)進(jìn)一步蔓延，打開緊急逃生通道防止因交通堵塞，駕駛員無法及時(shí)逃出危險(xiǎn)區(qū)域。

2.2.2 處理控制層

隧道內(nèi)置數(shù)據(jù)處理單元，通過PLC(可編程邏輯控制器)處理傳感器收集的數(shù)據(jù)，識(shí)別事故預(yù)警等級(jí)：低預(yù)警等級(jí)下環(huán)境調(diào)控設(shè)備自行處理；高預(yù)警等級(jí)，將預(yù)警信號(hào)報(bào)告交管中心，等待其對(duì)隧道內(nèi)狀況做出指示后，處理控制層響應(yīng)。

2.2.3 數(shù)據(jù)傳輸層

在此建立通信基站，借助互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。傳感器收集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過PLC處理后，如果濃度超出預(yù)警條件則發(fā)出報(bào)警信號(hào)，Internet單片機(jī)收到報(bào)警信號(hào)后，通過3G無線網(wǎng)絡(luò)將報(bào)警信號(hào)、傳感器數(shù)據(jù)連同視頻圖像信息發(fā)送到交管中心，由交管中心判斷是否升級(jí)為二級(jí)預(yù)警。如果預(yù)警等級(jí)升級(jí)為二級(jí)，預(yù)警信息經(jīng)過無線網(wǎng)絡(luò)傳到單片機(jī)，在經(jīng)過PLC處理后，控制隧道內(nèi)電子屏提示、語音提示、險(xiǎn)情指示燈等響應(yīng)。隧道二級(jí)預(yù)警時(shí)若火情手動(dòng)報(bào)警被觸發(fā)，PLC自動(dòng)提升預(yù)警級(jí)別為三級(jí)，三級(jí)預(yù)警信號(hào)再次經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)傳到交管中心，等待響應(yīng)。

2.2.4 管理部門響應(yīng)層

交管中心接收到隧道相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)視頻圖像資料分析是否采用三級(jí)預(yù)案、是否發(fā)生火災(zāi)。將隧道內(nèi)情況投放至監(jiān)控大屏幕并通報(bào)相關(guān)單位(消防和醫(yī)療)進(jìn)行緊急動(dòng)員處理。若確認(rèn)發(fā)生火災(zāi)，反饋至隧道噴淋裝置、阻斷隧道進(jìn)口處車輛，防止發(fā)生擁堵及一系列次生交通事故。

2.2.5 用戶層

用戶層的隧道安全信息發(fā)送功能依托于中心導(dǎo)航系統(tǒng)。當(dāng)交管中心接到三級(jí)報(bào)警信號(hào)時(shí)，將報(bào)警信號(hào)及火災(zāi)地點(diǎn)等信息通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至車載信息系統(tǒng)服務(wù)中心，并發(fā)出控制請(qǐng)求。車載信息系統(tǒng)服務(wù)中心接到信息后通過GPS導(dǎo)航系統(tǒng)確定以火災(zāi)地點(diǎn)為中心一定范圍內(nèi)的車輛，將反饋控制信息發(fā)送至相應(yīng)的車載終端。車載終端接收到控制信息后，告知駕駛員隧道火災(zāi)位置與汽車間的距離、前方隧道禁止通行等信息。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括以下內(nèi)容：①傳感器、地感線圈、風(fēng)機(jī)等裝備布設(shè)個(gè)數(shù)與位置的選擇；②三個(gè)級(jí)別的預(yù)警濃度閾值設(shè)定；③管理中心與駕駛員對(duì)接，利用互聯(lián)網(wǎng)車載導(dǎo)航系統(tǒng)的交通誘導(dǎo)策略。

2.4 電路設(shè)計(jì)

自動(dòng)報(bào)警控制電路中，內(nèi)部電路核心構(gòu)件為單片機(jī)，在單片機(jī)的前向通道有傳感器信號(hào)采集電路。該信號(hào)采集電路包含信號(hào)采樣電路、信號(hào)放大電路、信號(hào)比較電路。單片機(jī)的后向通道分別包含三極管T2、繼電器KM1和三極管T3、繼電器KM2的兩路控制電路。其中繼電器KMl的常開觸點(diǎn)KM1-l和繼電器KM2的常閉觸點(diǎn)，KM2-l串接于預(yù)警系統(tǒng)1的供電回路，繼電器KM1的常閉觸點(diǎn)KM1-2和繼電器KM2的常閉觸點(diǎn)KM2-1串接于預(yù)警系統(tǒng)2的供電回路。

內(nèi)部電路包含一個(gè)單片機(jī)IC3，在單片機(jī)的前向通道有傳感器信號(hào)采集電路。該信號(hào)采集電路由傳感器、射極電阻R1、輸出電阻R2構(gòu)成信號(hào)采樣電路。輸入端與信號(hào)采樣電路的輸出端相連，由集成運(yùn)放芯片IC1、電阻R3構(gòu)成信號(hào)放大電路；輸入端與信號(hào)放大電路的輸出端相連，由集成運(yùn)放芯片IC2、電阻R4構(gòu)成信號(hào)比較電路。信號(hào)比較電路的輸出端與單片機(jī)相連，在單片機(jī)的后向通道包括由三極管T2、三極管T2的基極電阻R5和R6、串接于三極管T2基電極的繼電器KM1和三極管T3、三極管T3的基極電阻R7和R8、串接于三極管T3基電極的繼電器KM2構(gòu)成兩路控制電路。其中繼電器KM1的常開觸點(diǎn)KM1-1和繼電器KM2的常閉觸點(diǎn)KM2-1串接于預(yù)警系統(tǒng)1的供電回路，繼電器KM1的常閉觸點(diǎn)KM1-2和繼電器KM2的常閉觸點(diǎn)KM2-1串接于預(yù)警系統(tǒng)2的供電回路。

1)閉合電源總開關(guān)K，當(dāng)煙霧濃度很低時(shí)，傳感器接入的電路始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，其輸出電壓經(jīng)放大電路放大，足以達(dá)到比較電路的門坎電壓，比較電路的輸出信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)，在單片機(jī)軟件支持下，其后向通道的輸出線端11、12分別向兩路控制電路給出控制信號(hào)，使三極管T2、T3導(dǎo)通，繼電器KM1、KM2帶電，其串接與預(yù)警系統(tǒng)1、2供電回路的常閉觸點(diǎn)KM2-1、KM1-2都處于斷開狀態(tài)，預(yù)警系統(tǒng)1、2都不響應(yīng)。

2)當(dāng)煙霧濃度較高時(shí)傳感器接入的電路導(dǎo)通，單片機(jī)后向通道的輸出線端11輸出控制信號(hào)，三極管T2導(dǎo)通，繼電器KM1帶電，使串接于預(yù)警系統(tǒng)1的供電回路的常開觸點(diǎn)KM1-1閉合，串接于預(yù)警系統(tǒng)2的供電回路的常閉觸點(diǎn)KM1-2斷開，預(yù)警系統(tǒng)1單獨(dú)響應(yīng)，發(fā)出一級(jí)預(yù)警信號(hào)。

3)當(dāng)煙霧濃度很高時(shí)，傳感器接入的電路處于斷開狀態(tài)，最終使單片機(jī)后向通道的輸出線端11、12無控制信號(hào)輸出，三極管T2、T3都處于截止?fàn)顟B(tài)，繼電器KM1、KM2都不帶電，預(yù)警系統(tǒng)2的常閉觸點(diǎn)KM1-2、KM2-1閉合，預(yù)警系統(tǒng)2響應(yīng)，發(fā)出二級(jí)預(yù)警信號(hào)并報(bào)送交管中心。

3 系統(tǒng)功能分析

1)實(shí)時(shí)處理功能。通過微處理器將隧道內(nèi)CO濃度、能見度、風(fēng)向風(fēng)速等氣體環(huán)境作出評(píng)價(jià)并劃分等級(jí)。若隧道內(nèi)氣體濃度在可控水平則判定低等級(jí)，由系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)控手段自行處理。若有害氣體濃度長(zhǎng)時(shí)間高于閾值或出現(xiàn)超過相應(yīng)閾值則判定高等級(jí)。啟動(dòng)高等級(jí)預(yù)案將隧道內(nèi)視頻實(shí)時(shí)資料和統(tǒng)計(jì)隧道內(nèi)車流量等數(shù)據(jù)發(fā)送至交通控制中心，等待控制中心作出指示。這加快了隧道內(nèi)部對(duì)緊急情況的反應(yīng)處理速度，同時(shí)避免隧道監(jiān)控人員長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)隧道內(nèi)情況而造成的麻痹心理。

2)變頻控制功能。在隧道內(nèi)安裝地感線圈設(shè)備自動(dòng)獲取隧道內(nèi)車流量數(shù)據(jù)。根據(jù)車流量數(shù)據(jù)對(duì)射流風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況作出調(diào)整。在車流量較小的情況下，隧道內(nèi)置風(fēng)機(jī)采用低能耗模式運(yùn)行。當(dāng)交通流量高于一定閾值或檢測(cè)有害氣體濃度已高于允許的范圍，則針對(duì)濃度過高區(qū)域加大風(fēng)機(jī)排風(fēng)功率。以此避免在不同交通量情況下風(fēng)機(jī)均以相同功率運(yùn)行所造成的能源浪費(fèi)，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

3)無線信息發(fā)布功能。在控制中心確定事故隧道需要封閉處理時(shí)，利用互聯(lián)網(wǎng)的快速與便捷，將相關(guān)監(jiān)控隧道情況信息快速響應(yīng)發(fā)送至相關(guān)車輛內(nèi)置車載終端，達(dá)到交通誘導(dǎo)目的。

4 結(jié)束語

通過對(duì)隧道環(huán)境的調(diào)查分析，在分析功能的基礎(chǔ)上，結(jié)合管理需求設(shè)計(jì)出基于互聯(lián)網(wǎng)的隧道安全檢測(cè)結(jié)構(gòu)圖和電路設(shè)計(jì)圖。該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于隧道或地下通風(fēng)較為封閉的地段，有效解決由于通風(fēng)性差而影響人員安全等問題。同時(shí)龐大的隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為各級(jí)交管、設(shè)計(jì)施工單位在進(jìn)行交通管理、隧道設(shè)計(jì)等方面提供基本的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過與互聯(lián)網(wǎng)車載終端結(jié)合，實(shí)時(shí)發(fā)布隧道信息，符合智能交通發(fā)展方向，推廣前景廣闊。

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