山西省道平長線隧道多終端監控系統的研發與應用

楊明輝，王曉龍

（山西省交通信息通信有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

眾所周知，我國公路分為5個等級：高速公路、一級公路、二級公路、三級公路、四級公路。其中，高速公路、一級公路雙向車道有中央分隔帶，分道行駛；二級公路以下沒有中央分隔帶，更容易引發交通事故，特別是山區、隧道多、交通流量大的地區。

近年來，隨著我國經濟的快速發展，為完善全國路網結構、提高運行效率、進一步提升國道省干線綜合服務水平，實現高效、安全、綠色運輸的重要工程建設，我國公路的升級改造建設進入了新的階段；隧道是公路的咽喉地帶，它的安全運營直接關系到人民群眾的生命財產安全，特別是低級別公路隧道監控系統的建設、運營、管理及預案處理更是重中之重[1-9]。應急聯動預案系統可以當緊急事件發生時系統調用預先設置的應急預案，保證公路的行車安全，提高通行效率[10-14]。

筆者結合山西省道平長線的實際情況，進行了隧道監控的總體設計，通過移動互聯網（4G）或者Wifi網絡通信技術的監控手段，開展了多終端隧道監控系統及應急預案的研究。

1 項目概況

山西省道平長線位于山西省長治市境內，平長線含兩條隧道：贏仗嶺隧道位于平長公路K6+600—K7+550段，長950 m，設計速度40 km/h，荷載等級公路Ⅰ級。為單洞雙車道，隧道寬9.5 m，凈寬7.5 m，該隧道位于直線式路段，路線縱坡3.06%。老頂山隧道位于平長公路K23+285—K24+045段，長760 m，設計速度60 km/h，荷載等級公路Ⅰ級。為單洞雙車道，隧道寬9.5 m，凈寬7.5 m，該隧道位于直線式路段，路線縱坡3.06%。

路段設置監控中心一處，主要監控的設備如下：贏仗嶺隧道含隧道IP對講、廣播系統1項；洞外光強檢測器1套；洞內光強檢測器1套；COVI檢測器1套；風速風向檢測器1套；彩色球形攝像機2臺；固定彩色攝像機13臺；可變信息標志2套；交通信號燈2套。老頂山隧道含隧道IP對講、廣播系統1項；洞外光強檢測器1套；洞內光強檢測器1套；COVI檢測器1套；風速風向檢測器1套；彩色球形攝像機2臺；固定彩色攝像機11臺；可變信息標志2套；交通信號燈2套。

整個項目位于山西省太行山上，項目地理位置環境復雜，交通量大，大型車比例高，路段上隧道為單洞雙車道雙向同行，衛生條件極差，隧道內的環境污染不僅增加了機電設備的故障率，而且嚴重影響了隧道內的行車舒適性和安全性，造成了極大的交通安全隱患，極易發生交通事故。

2 總體設計

2.1 系統功能及構成

圖1 監控系統結構圖

如圖1所示，監控系統采用三級控制結構，即苗莊監控中心——本地控制器——現場設備。

圖2 監控系統功能構成圖

如圖2所示，整個監控系統包含交通監控子系統、CCTV子系統、電話廣播子系統、照明監控子系統、應急聯動子系統，根據項目要求通過現代化的信息技術全天候實時準確的交通流量和交通運行監視，隨時隨地及時發現各種異常情況并采取應急措施，按照應急預案及時準確地對隧道機電設備進行控制并實現聯動控制，保證道路高速、安全、經濟地運營管理。

2.2 系統視頻監控網絡結構

圖3 視頻監控系統網絡結構圖

如圖3所示，路段監控視頻、洞內監控視頻、洞口監控視頻接入隧道交換機，隧道交換機通過通信系統與監控中心聯網，上傳視頻供路段監控中心集中調看。上傳到路段分中心后，采用按需調用的方式，通過視頻管理平臺輸出到高清監視器、拼接大屏、主監視器顯示。通過視頻客戶端軟件可以調用各隧道和路段硬盤錄像機內存儲的錄像。通過控制鍵盤或者視頻工作站可以調用預設的大屏拼接預案以及任意切換路段視頻顯示，以及云臺鏡頭控制。

2.3 系統控制結構

圖4 監控系統控制框架圖

從圖4所示，整個系統需要本地增加控制器的設備只有交通信號燈，綜合成本、可靠性等多方面考慮，采用本地增加IO控制器來實現；風速風向檢測器、COVI檢測器、洞內光強檢測器、洞外光強檢測器增加串口服務器轉換為以太網口來實現；情報板、攝像機、電話廣播連接到各個隧道交換機，隧道交換機與監控中心交換機通過通信系統連接，監控中心計算機通過監控中心交換機連接，并對各設備的數據進行處理、顯示，并對各設備發出控制命令。

2.4 設備接口及信息反饋

交通燈的開關量信號與IO控制器連接，IO控制器與交換機連接，IO控制器通過標準MODBUS協議與監控中心監控軟件進行通信，并接受監控軟件發出的命令。

風速風向檢測器、COVI檢測器、洞內光強檢測器、洞外光強檢測器，通過485接口與串口服務器連接，將485接口轉換成以太網口，串口服務器與交換機連接，上述設備根據自身的通信協議與監控中心監控軟件通信，監控軟件通過驅動接收各設備的信息，并將設備信息在軟件畫面上顯示。

情報板、電話廣播、攝像機連接到隧道交換機，并根據自身的通信協議與監控中心監控軟件通信，監控軟件通過驅動接收設備的信息、控制設備，并將設備信息在軟件畫面上顯示。

3 控制策略

3.1 正常情況

正常運行情況下，隧道口兩側的交通信號燈呈綠色；可變信息標志正常顯示，發布一些警示類、歡迎類信息；攝像機正常輪詢顯示。

3.2 應急情況

當隧道內發生交通事故、火災或擁堵時，經監控員確認后，監控軟件可以按照預制的控制方案對信號系統發布相應控制命令，并且切換顯示相應的攝像機圖像到主監視器上，信號燈成紅色，情報板發布禁止通行，電話廣播引導交通。

以老頂山隧道內，贏仗嶺到老頂山方向發生事故為例，交通預案的主要內容包括：

a）老頂山隧道平順側入口處交通信號燈顯示紅色，封閉隧道。

b）贏仗嶺隧道平順側入口處交通信號燈顯示黃色，減速慢行。

c）老頂山隧道平順側入口處可變情報板顯示“前方發生事故，隧道暫時封閉！”。

d）贏仗嶺隧道平順側入口處可變情報板顯示“前方隧道群發生事故，請繞行！”。

e）老頂山隧道長治側入口處交通信號燈顯示紅色，封閉隧道。

f）贏仗嶺隧道長治側入口處交通信號燈顯示綠色，正常通行。

g）老頂山隧道長治側入口處可變情報板顯示“前方發生事故，隧道暫時封閉！”。

圖5 聯動控制流程圖

h）贏仗嶺隧道長治側入口處可變情報板顯示“正常通行！”。

i）監控大屏自動切換到事故發生地畫面。

j）廣播系統開啟，協助交通誘導。

k）隧道雙洞照明燈具全部打開，提供充足照明。

l）監控畫面提醒監控人員救援呼叫/上級匯報。

3.3 報表系統

交通燈、情報板、電話廣播的控制狀態發生變化時，控制變量、狀態變量保存一次，形成報表。風速風向檢測器、COVI檢測器、洞內光強檢測器、洞外光強檢測器的數據每隔60 s保存一次，形成報表。

報表信息可根據時間、信號變量信息進行查詢，上報。

4 移動終端監控

4.1 設計原則

4.1.1 對多種客戶終端的支持

客戶端軟件需要考慮對多種平臺（Android、IOS等終端系統）的支持，最終實現隨時隨地、利用任何終端、任何網絡接入高速公路智能管理調度系統的目標。

4.1.2 實時流媒體傳輸技術

實時流式傳輸特別適用于現場監控，支持隨機訪問、實時傳送，用戶可快進或后退以觀看前面或后面的內容[1]。由于視頻監控對圖像的實時性要求比較高，通過網絡傳輸時，需要重點考慮利用先進的流媒體傳輸技術解決網絡帶寬不足或者延遲引起的卡頓、延時現象。

4.2 系統功能

a）用戶管理功能 包括用戶分類、設備權限管理、權限設定等。

b）錄像管理功能 包括呂梁計劃配置、添加、刪除、指定存儲類型與碼流類型等。

c）日志管理功能 包括操作記錄與查詢、行為審計等。

d）系統參數管理 包括校時參數、圖片保存、模糊查詢、記錄保存時間等。

e）實時監控功能 包括實時視頻預覽、視頻抓錄、多畫面分割預覽等。

4.3 終端監控畫面

終端監控部分畫面如圖6、圖7所示。

圖6 登陸畫面

圖7 監控畫面

5 結語

通過對省道平長線監控系統總體功能設計、網絡結構、控制結構的規劃及設計，各種設備控制方式及接口分析，突發應急情況預案研究，采用移動互聯網（4G）或者Wifi技術實現了多終端的隧道監控系統，并已成功應用，結果表明：該監控系統自動化程度高，靈活方便，安全可靠，提高了省干線管理的信息化、智能化水平，提升了國道省干線綜合服務水平及道路突發、應急事件處理效率。

a）管理人員、運營人員能夠實現隨時隨地調取路段所有實時監控視頻，更加靈活、方便、高效地提高突發、應急事件處理效率。

b）終端軟件實現視頻的單路播放、多路播放、視頻抓拍、錄像等功能，用于施工現場管理、應急事件處理等場景，提高處理問題效率。

c）管理后臺軟件提供全面的擴充功能，為跨區域乃至在省際范圍內實現高速公路管理信息化、智能化打好基礎。