高速公路隧道安全管控系統(tǒng)

張 俊

（山西交通控股集團(tuán)有限公司 大同南高速公路分公司，山西 渾源 037400）

高速公路隧道的行車環(huán)境較基本路段的行駛風(fēng)險(xiǎn)要高，駕駛員注意力不集中、容易疲憊等原因，極易導(dǎo)致交通事故，而且隧道內(nèi)救援困難，現(xiàn)場管控不及時(shí)，控制系統(tǒng)不能立刻投入，引發(fā)二次事故的風(fēng)險(xiǎn)非常大，極易造成經(jīng)濟(jì)損失以及負(fù)面社會(huì)影響[1]。因此，構(gòu)建及時(shí)高效的隧道安全管控系統(tǒng)勢在必行。

1 研究目的

為了提升高速公路隧道的安全運(yùn)營系數(shù)，預(yù)防隧道內(nèi)突發(fā)事故，以及對事故的應(yīng)急能力，該系統(tǒng)需要具備以下功能。

a）隧道出入口照明的智能化管控，消除行駛過程中隧道“白洞”“黑洞”效應(yīng)，在隧道出入口處提供安全舒適的照明效果，減輕駕駛員的視覺疲勞，降低交通事故發(fā)生概率。

b）保持隧道空氣能見度在正常范圍內(nèi)，通風(fēng)系統(tǒng)正常運(yùn)行。

c）隧道內(nèi)如有事故，立刻啟動(dòng)報(bào)警子系統(tǒng)，以及應(yīng)急預(yù)案子系統(tǒng)，確保生命安全的前提下，將事故控制在最小的范圍內(nèi)[2]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隧道安全管控系統(tǒng)由就地和遠(yuǎn)程雙層系統(tǒng)組成，就地系統(tǒng)由信息采集子系統(tǒng)、照明子系統(tǒng)、通風(fēng)子系統(tǒng)、報(bào)警子系統(tǒng)、應(yīng)急預(yù)案子系統(tǒng)組成，采用西門子S7-300PLC作為現(xiàn)場PLC控制器，ET200M分布式I/O是就地控制系統(tǒng)的輸入輸出模塊。遠(yuǎn)程控制采用西門子S7-400H冗余控制器，硬件冗余增加了系統(tǒng)的可靠性，提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸能力和系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

2.1 控制方案組成要素

系統(tǒng)總體控制方案由11部分組成：遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、現(xiàn)場PLC控制器、ET200M分布式I/O模塊、信息采集子系統(tǒng)、照明子系統(tǒng)、通風(fēng)子系統(tǒng)、報(bào)警子系統(tǒng)、應(yīng)急預(yù)案子系統(tǒng)、現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)場應(yīng)急手動(dòng)控制。系統(tǒng)總體控制方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體控制方案圖

2.2 系統(tǒng)組成要素功能

系統(tǒng)總體控制方案中，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制整個(gè)系統(tǒng)的啟停，可以監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。西門子冗余系統(tǒng)是雙PLC硬件系統(tǒng)，兩個(gè)PLC都在運(yùn)行狀態(tài)，主PLC故障時(shí)，從PLC無擾切換負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，對系統(tǒng)沒有影響，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性。現(xiàn)場PLC依據(jù)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，通過程序控制整個(gè)現(xiàn)場的照明、通風(fēng)、安全應(yīng)急管控，以達(dá)到安全高效的隧道通行能力。應(yīng)急手動(dòng)控制作為應(yīng)急狀態(tài)下的純手動(dòng)操作，也是整個(gè)系統(tǒng)的最后一道防線，確保在任何狀態(tài)下隧道安全監(jiān)控系統(tǒng)的無條件投入[3]。

3 系統(tǒng)硬件集成

系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由西門子冗余系統(tǒng)、PC機(jī)以及相關(guān)軟件組成；現(xiàn)場控制器使用西門子S7-300 PLC；分布式I/O使用西門子ET200M模塊；遠(yuǎn)程和現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)由PC機(jī)以及相關(guān)軟件組成；信息采集子系統(tǒng)、照明子系統(tǒng)、通風(fēng)子系統(tǒng)、報(bào)警子系統(tǒng)、應(yīng)急預(yù)案子系統(tǒng)，以及現(xiàn)場PLC控制器共同構(gòu)成現(xiàn)場控制系統(tǒng)。現(xiàn)場應(yīng)急手動(dòng)控制采用手動(dòng)開關(guān)裝置[4]。系統(tǒng)硬件集成圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件集成

3.1 西門子冗余系統(tǒng)

隧道的安全管控，是高速公路正常運(yùn)營的必要條件。為提高安全管控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，遠(yuǎn)程控制器采用西門子冗余系統(tǒng)S7-400H，該系統(tǒng)具有高度可靠性和快速實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的功能，能夠在高速公路隧道控制系統(tǒng)的復(fù)雜環(huán)境下正常運(yùn)轉(zhuǎn)，冗余系統(tǒng)S7-400H主要單元都是雙備份，包括完全一致的雙機(jī)架、雙電源、兩個(gè)獨(dú)立的中央控制器CPU模塊、雙信號處理器模塊。西門子冗余系統(tǒng)S7-400H，在運(yùn)行冗余系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，無故障的子單元獨(dú)立完成整個(gè)過程的控制任務(wù)。故障排除后，雙單元繼續(xù)保持運(yùn)行狀態(tài)，互為備用。

3.2 就地控制系統(tǒng)

就地控制系統(tǒng)采用西門子S7-300PLC控制器、ET-200M輸入輸出模塊，接收現(xiàn)場檢測參數(shù)，通過程序?qū)ΜF(xiàn)場設(shè)備實(shí)現(xiàn)控制。例如照明燈具的點(diǎn)亮，通風(fēng)設(shè)備的啟停，自動(dòng)撥打救援電話和值班電話，聲光報(bào)警燈，隧道入口行車指示燈等。就地控制系統(tǒng)將現(xiàn)場信息上傳給遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)對其進(jìn)行監(jiān)視與控制。

4 現(xiàn)場子系統(tǒng)集成

4.1 信息采集子系統(tǒng)

信息采集子系統(tǒng)包含隧道入口檢測信息，隧道中檢測信息，隧道出口檢測信息。采集的信息主要有車輛信息，車輛超溫檢測，自然光照度，空氣能見度，煙霧和溫度檢測器。這些信息通過現(xiàn)場控制器參與系統(tǒng)控制，監(jiān)控信息顯示，以及啟動(dòng)報(bào)警等。

4.2 照明子系統(tǒng)

照明設(shè)備是隧道正常運(yùn)行的基本保障，分為正常照明和事故照明。正常照明根據(jù)就地系統(tǒng)的控制程序，針對自然光照度、車流量、夜間等條件進(jìn)行高效節(jié)能運(yùn)行。事故照明根據(jù)應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行控制。

4.3 通風(fēng)子系統(tǒng)

通風(fēng)設(shè)備保持隧道空氣質(zhì)量在正常范圍內(nèi)，是車輛安全通行的保障。通風(fēng)設(shè)備根據(jù)現(xiàn)場控制器進(jìn)行常規(guī)運(yùn)行和事故應(yīng)急兩種運(yùn)行模式。

4.4 報(bào)警子系統(tǒng)

報(bào)警子系統(tǒng)包括車輛超溫報(bào)警、車輛超速報(bào)警、擁堵報(bào)警、車輛交通事故報(bào)警、隧道內(nèi)煙霧濃度和溫度報(bào)警、火災(zāi)報(bào)警。報(bào)警以聲光、顯示屏、監(jiān)控畫面等顯示形式，并根據(jù)報(bào)警級別以高音喇叭警示、欄桿機(jī)等方式，阻止事故的進(jìn)一步蔓延[5-6]。

4.5 應(yīng)急預(yù)案子系統(tǒng)

應(yīng)急預(yù)案子系統(tǒng)包含自動(dòng)撥打救援電話，自動(dòng)撥打值班電話，隧道入口信息提示，聲光報(bào)警燈，隧道入口行車指示燈，限速標(biāo)志牌，緊急高音喇叭警示，全景攝像機(jī)，隧道上游門架式情報(bào)板，隧道入口欄桿機(jī)，爆閃燈，洞口信號燈等。隧道上游門架式情報(bào)板，放置在隧道上游3 km處，由監(jiān)控中心發(fā)布前方路況信息和交通管控狀態(tài)。

5 控制系統(tǒng)組態(tài)

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)以西門子冗余S7-400H系列PLC為主，就地控制系統(tǒng)以西門子S7-300系列PLC為主，都屬于西門子控制器的S7系列，在使用過程中，西門子有統(tǒng)一的軟件PCS7支持，在該軟件下根據(jù)隧道安全管控系統(tǒng)的硬件，首先進(jìn)行硬件組態(tài)并保存下載，下載無誤后，根據(jù)控制策略進(jìn)行軟件組態(tài)，以及程序的編寫與調(diào)試。整個(gè)系統(tǒng)的組態(tài)包含遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)組態(tài)和就地控制系統(tǒng)組態(tài)。

5.1 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)組態(tài)

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)組態(tài)包括西門子硬件系統(tǒng)組態(tài)、通信網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、工作站組態(tài)。隧道安全管控系統(tǒng)的硬件組態(tài)，是將西門子冗余PLC硬件系統(tǒng)在PCS7軟件系統(tǒng)里生成一個(gè)與冗余PLC硬件完全相同的系統(tǒng)，包括硬件的所有參數(shù)與物理性能。同時(shí)組態(tài)軟件與硬件的通信網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)使用工業(yè)以太網(wǎng)，配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)硬件與PC機(jī)之間的通信。

工作站組態(tài)包含編寫程序語言組態(tài)和遠(yuǎn)程監(jiān)控畫面組態(tài)。程序語言使用連續(xù)功能圖（continuous function chart,CFC），遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)使用CFC語言編程，對就地控制系統(tǒng)實(shí)施遠(yuǎn)程管控。同時(shí)，建立變量與遠(yuǎn)程監(jiān)控畫面的連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)對現(xiàn)場控制系統(tǒng)的參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視和遠(yuǎn)程啟停控制[7]。

5.2 就地控制系統(tǒng)組態(tài)

就地控制系統(tǒng)使用西門子S7-300PLC控制器，輸入輸出使用西門子ET-200M模塊，現(xiàn)場設(shè)備包括信息采集子系統(tǒng)，照明子系統(tǒng)，通風(fēng)子系統(tǒng)，報(bào)警子系統(tǒng)，應(yīng)急預(yù)案子系統(tǒng)。就地控制系統(tǒng)使用西門子Step7軟件進(jìn)行組態(tài)與編程，在硬件組態(tài)中，針對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行數(shù)字量和模擬量的輸入輸出地址分配，為編寫程序作準(zhǔn)備，硬件組態(tài)正確下載后，根據(jù)控制策略編寫程序。

5.3 監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)

遠(yuǎn)程與就地控制系統(tǒng)的監(jiān)控畫面都使用SIMATIC WinCC軟件，形成統(tǒng)一的監(jiān)控系統(tǒng)。就地監(jiān)控畫面實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，報(bào)警信息，安全預(yù)警提示信息，并可以創(chuàng)建多個(gè)畫面之間的切換，對重點(diǎn)監(jiān)視設(shè)備建立獨(dú)立的畫面。遠(yuǎn)程監(jiān)控畫面可以顯示就地的所有控制信息，現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并可以遠(yuǎn)程啟停現(xiàn)場的任何設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場的遠(yuǎn)程監(jiān)管[8-9]。

6 系統(tǒng)控制策略

為積極響應(yīng)交通運(yùn)輸部2019年3月發(fā)布的《公路隧道提質(zhì)升級行動(dòng)技術(shù)指南》，提升隧道安全高效的運(yùn)營指標(biāo)，本文提出了以照明、通風(fēng)、交通安全應(yīng)急預(yù)案實(shí)施為控制方向的隧道安全管控系統(tǒng)，以提質(zhì)升級高速公路隧道總體管控措施。

隧道安全管控系統(tǒng)以安全運(yùn)營為出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，控制策略分為隧道正常運(yùn)營模式和事故狀態(tài)模式。正常運(yùn)營模式主要控制照明、通風(fēng)、隧道提示信息；其中，照明控制將節(jié)能策略寫入程序，分為白天和夜晚，并充分利用自然光，以節(jié)省能源。事故狀態(tài)下，控制系統(tǒng)的報(bào)警子系統(tǒng)和應(yīng)急預(yù)案子系統(tǒng)同時(shí)啟動(dòng)，自動(dòng)撥打應(yīng)急電話，通風(fēng)和照明子系統(tǒng)也運(yùn)行事故模式下相應(yīng)的控制程序，在最短的時(shí)間內(nèi)控制事故，并在指示牌發(fā)布事故信息，控制車輛進(jìn)入隧道。在應(yīng)急工作人員還未趕赴現(xiàn)場的時(shí)候，通過遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)對現(xiàn)場車流實(shí)現(xiàn)初步有效管控，并對上游交通流進(jìn)行層級減速，提高應(yīng)急處置人員到達(dá)現(xiàn)場后的處置效率[10]。

6.1 控制過程

以隧道安全管控作為主要控制目的，以保障隧道正常運(yùn)營為控制目標(biāo)，依據(jù)信息采集子系統(tǒng)數(shù)據(jù)將控制方式分為正常通行模式和事故狀態(tài)模式，二者可進(jìn)行無擾切換。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)置在某高速公路總控制室，就地控制系統(tǒng)布置在隧道控制室，就地控制系統(tǒng)完成現(xiàn)場的所有控制任務(wù)，并將控制過程及現(xiàn)場數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程總控制室，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)可以監(jiān)視現(xiàn)場所有的工作過程，并有權(quán)限向現(xiàn)場發(fā)出控制指令，該控制指令將被優(yōu)先執(zhí)行，對現(xiàn)場起到遠(yuǎn)程監(jiān)管的作用。

6.2 控制程序流程圖

隧道安全管控系統(tǒng)控制方式以自動(dòng)方式為主，同時(shí)輔以現(xiàn)場手動(dòng)控制，以備緊急情況下使用，完善系統(tǒng)的應(yīng)急控制功能。在自動(dòng)方式下，控制系統(tǒng)根據(jù)信息采集子系統(tǒng)數(shù)據(jù)判斷當(dāng)前隧道是否為正常運(yùn)行模式，并調(diào)用正常運(yùn)行子程序。如果當(dāng)前隧道處于事故狀態(tài)，將即刻啟動(dòng)對應(yīng)子程序，啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案控制流程。控制程序由主程序OB1、OB10塊和4個(gè)子程序功能FC組成。主程序OB1在每一次循環(huán)執(zhí)行程序時(shí)，都被執(zhí)行一次，OB1可以調(diào)用除自己外的其他任何程序塊。

在執(zhí)行隧道安全管控系統(tǒng)程序時(shí)，首先判斷隧道是否為正常通行模式，是則執(zhí)行正常通行對應(yīng)的子程序FC4；否則，調(diào)用事故專用程序OB10，并進(jìn)一步判斷事故級別，調(diào)用一級相應(yīng)FC1子程序，二級相應(yīng)FC2子程序，三級相應(yīng)FC3子程序。隧道安全管控系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。

圖3 隧道安全管控系統(tǒng)程序流程圖

7 結(jié)語

針對高速公路隧道運(yùn)行安全現(xiàn)狀，提出遠(yuǎn)程和就地的雙層安全管控系統(tǒng)，通過現(xiàn)場實(shí)時(shí)檢測數(shù)據(jù)，判斷事故級別并調(diào)用相應(yīng)控制子程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)撥打救援電話，自動(dòng)撥打值班電話，隧道入口信息提示，聲光報(bào)警燈，隧道入口行車指示燈，限速標(biāo)志牌，緊急高音喇叭警示，全景攝像機(jī)，隧道上游門架式情報(bào)板，隧道入口欄桿機(jī)，爆閃燈，洞口信號燈等緊急動(dòng)作，達(dá)到現(xiàn)場管控目的，避免二次事故的發(fā)生，降低事故造成的損失和救援壓力。