公路智能隧道监控系统设计方案
一、系统概述
随着我国经济的快速发展，公路及公路隧道的建设项目与日俱增，隧道安全运营问题显得越来越突出，除隧道本身的土建施工质量外，隧道的监视与控制管理成为公路隧道安全正常运行的重要课题。从60年代开始，国外就相继开始研究先进的隧道控制系统，欧洲、美国、日本等西方发达国家先后开发了相应的隧道控制系统，随着计算机技术、图像处理技术、通讯技术、控制技术的发展，以太网技术和总线技术突破了原有的技术瓶颈，使隧道的监视与控制系统高速信息共享成为可能。
本文针对隧道运营中的通风，照明、火灾、环境、供电、事故监视、车道引导、交通信息采集等功能的需求，设计了一种基于Ethernet和总线技术的先进控制系统。
系统釆用西门子PLC可编程控制器作为控制中心，Profibus总线完成控制信息级与控制中心的通讯，控制中心与外界的通讯用以太网完成，用视频检测技术完成对隧道的交通信息及安全监视与控制，系统功能完备，集成度高，系统包括可变情报板、照明、通风、闭路电视、火灾 检测与报警、电话紧急呼救、中央管理与控制、环境监测、交通信息检测与诱导、供电消防防雷及接地等十个子系统，并集中在大屏幕系统中显示操作画面，可以完成：
●CO、SO、NO、等的监测、可见度及风速测量、通风系统控制
●供电、火警、紧急电话的控制、水泵控制
●事故视频监测及报警指示、隧道和车道的关／开、限速指示
●高度控制、照明系统控制、车道引导、SOS(语音提示)
●交通数据测量(计数，车道占有率、车辆分类、车速测量等)
二、系统组成及系统结构设计
系统设计采用双环光缆冗余结构的工业以太网结构为主干通讯控制网络，速率lO-lOOMb／s，控制部分釆用Profibus总线网络与各子站通信，速率最大12Mb／s，管理部分釆用以太网连接大屏幕、公路MIS、GIS、GPS、收费系统及各监视操作站，，速率10-100Mb／s，实现信息的共享：模块化结构，WINCC友好中文人机界面，方便的人机对话模式，是世界各国普遍采用和认可的领先的设计方式。
三、系统的功能设计
1、指挥中心
采用2个冗余的服务器结构，双机热备，保证数据的真实性与完整性，对所有的系统数据进行实时生成、管理、分配及综合凋度；利用Profibus控制总线与子站通讯，利用冗余的光纤环网与中央控制器通讯；利用以太网与公路的主控系统或MIS、GIS、GPS、收费系统等通讯；同时利用以太网将系统的运行状态送入LCD大屏幕进行显示，大屏幕控制器采用分时画面分割功能轮换显示视频检测器传入的隧道运行的交通监控图像信息和交通数据（车速、车流量、占有率等），发现交通事故以声、光两种方式报警，同时回放事故录像，对停车系统、电话系统、呼救系统、消防火警系统作出相应的联锁响应；电力监测；CO、S02、N02等污染物的监测；可见度、能见度及风速、风量测量；地下水位、通风系统控制；水泵控制；照明的控制；报警控制；车刀的开启控制；视频检测及呼救电话控制；电话通信；报警及报表的打印等。
系统提供西门子WINCC组态及监控软件包，可以实现系统的监控组态、控制组态、操作组态、画面组态等功能。实现任意图形、曲线、报表的生成；动态画面组态支持系统内的各种数据，包括实时监测数据、历史数据、人工录入等，可以打印输出。
WINCC系统监控软件是世界上最开放、应用最广泛的优秀软件之一、系统基于WINDOWS NT平台，有良好的兼容性、准确性和可靠性。本身也不存在2000年问题。支持各种软件标准如：DDE、OLE、ACTIVEX、ODBC、TCP／IP、OPC等，作为共享基础，并提供了进行二次开发的工具和手段，以便生成完全满足要求的监控系统。WINCC充分釆用客户/服务器的体系结构，使得监控系统能够提供数据在网络上的集成和共享，提高性能减低成本。除完成包括实时／历史趋势、报警、画面编辑、报表、关系数据库直接组态登录的基本功能外，还有多项选择功能。
WINCC上位机监控软件釆用当今世界先进技术、系统的配置和画面组态方便、系统结构灵活和开放，运行WINDOWSNT95／98平台，通过策略和画面组态在上位机上实现对工业控制系统的监视和控制，具有动态画面、事件触发、报警、趋势、报表输出，历史数据存储等功能，能体现良好的通用性、灵活性、开放性、可靠性和性能价格比，有中文操作模式。
能够进行中文画面组态。
2、操作站
监视系统运行；隧道当前状态显示；综合或分类信号切换；信息显示、存贮；数据保存、记录；用户管理；交通控制；照明控制；紧急电话控制；高度控制；视频监视；火灾报警等。操作站画面显示包括：电源分布及使用参数显示／照明系统显示／通风系统显示／监控系统显示／泵站显示／交通信息显示／交通视频图像显示／报警画面／呼救画面／专业设备的运行状态／隧道的总貌图等。
按权限进行相应的操作、修改等。
3、管理站
按照操作权限，根据隧道运行情况，及时调整隧道运行参数和控制参数，对系统的资源、通讯和设备进行设定、修改等。
4、可变情报板
指挥中心可以根据当时的情况编辑和发送交通信息、运营指令、路况资料、报警信息等多幅信息循环播放显示，同时在大屏幕上进行循环显示。
5、照明车高系统
利用检测仪器，监测洞口及洞内的可见度(雾)及能见度，根据不同的情况打开或关闭不同的照明灯和雾灯及其数量，保证车辆通行的正常照明，并在操作站及大屏幕上显示照明灯的状态。
对进入隧道的车辆的车高进行红外线测量，发现其高度超出隧道的设置许可，配合停车收费系统及车牌识别系统，启动语音系统电话系统，视频检测系统，对车辆的禁止驶入进行语音报警提示，用停车系统对违章驶入的车辆进行有效的控制。
6、通风系统
通风是保证行车安全的重要一点，系统采用环境污染检测仪测量隧道的CO、S02等污染物的含量，采用风速测量仪表测量风速，压力变速器测量隧道的压力，并将所有4-20MA信号送人控制站，根据优化的隧道运行参数，决定自动风机的开或关，车道的开或关。
7、紧急电话及呼救系统
对火灾、交通事故，采用热线方式，直通计算机主机，并进行声光报警，警察接到报警后立即响应；同时视频检测器24小时监测隧道的运行情况，指挥中心对隧道的发生事故通过图像及时记录与回放，也可以在几分钟内了解情况，及时通过电话和语音进行报警和提示，及时处理。
8、视频检测系统
包括交通数据的采集、电视监控两部分，全天候监视隧道的运行状态，自动记录交通事故及事故自动回放，根据该系统的检测和监视情况自动或手动发布交通信息、决定车道的开、关，信号灯的红与绿，自动计算车道的拥挤度，自动打开或关闭车道。
9、火灾报警系统
包括SOS等，备有火灾等事故自动和手动报警器，当报警时执行关闭隧道、打开风机和照明、启动消防水泵等动作。
10、信号灯控制系统
由控制站通过接收其他系统的指令决定系统的信号灯的开关及时间的长短，运行的状态。
11、车位引导系统
采用超声波车位传感器，对车位进行检测，并将信号传人控制站，控制站对LCD指示牌发出指令，对车辆的行车路线进行引导。并在操作站显示。
12、水位水泵控制
利用液位仪表对水道的积水进行检测发现水位超出隧道运行条件，自动启动排水泵进行排水。
另外，当视频系统和火灾报警发现某区域火灾时，系统自动启动该区域隧道每30-50米一个的定位消防泵，打开万向高压水头，进行救火。
13、电力监测
系统釆用电力综合监测仪，对电力的分布、设备的用电情况(电压、电流、功耗等)、系统总能耗等进行监测，控制电源的开、关等。
14、相关功能的连锁控制。
四、系统主要设备
1、PLC控制器及通讯模块，目前主要有西门子SIEMENS、罗克韦尔AB、施耐德SCHINDLER、通用电气GE等公司的PLC产品。
2、视频检测器，目前主要有西门子SIEMENS、费路通FLOWTRAFFIC等公司的产品。
3、污染检测器，目前主要有西门子SIEMENS、日电DKK、E+H等公司的产品。
4、LED信号灯及控制器，目前主要有西门子SIEMENS、京安、荷兰等。
5、车辆线圈检测器，产品比较普遍。
6、工业控制计算机，HP、IBM NEC、DELL等公司生产的高品质的工业PC机，另配3COM／D-LINK等公司的以太网卡。
7、背投式LCD大屏幕显示系统，目前有BARCO、JUPITER、CLARITY、 ELECTROSONIC、SONY、PHLIPS等公司生产的拼图控制器和屏幕。
8、能见度及可见度检测仪，比较普遍产品。
9、紧急呼救电话设备，主要厂商有西门子、ISS等。
10、报警器、水泵、风机、照明灯等，比较普遍。
11、中文监控软件，主要有WINCC、FIX、组态王等。
五、系统的应用
由于系统采用以太网和总线结构，是标准开放式、模块化的系统，所以系统大小可以任意的变化，第三方设备可以方便接入，系统的扩展比较灵活，在停车管理系统中增加收费功能即可实现不停车收费或自动收费，可广泛用于公路隧道的管理与控制，完成诸如视频检测、电视监控、照明、报警、紧急救援、车道引导、不停车收费、通风、环境检测、事故监视与记录等功能。
六、结束语
该系统的优越性体现在采用国际通用的以太网和PROFIBUS总线技术，使过去比较复杂的子系统与主系统之间的信息交换及通讯简单化，同时采用高可靠性的PLC及其检测设备，保证系统无故障运行时间显著增加，针对现场条件，制定完善控制方案和灵活的控制策略，类似结构的系统在国外和国内均有不同的应用。
随着我国经济的快速发展，公路及公路隧道的建设项目与日俱增，隧道安全运营问题显得越来越突出，除隧道本身的土建施工质量外，隧道的监视与控制管理成为公路隧道安全正常运行的重要课题。从60年代开始，国外就相继开始研究先进的隧道控制系统，欧洲、美国、日本等西方发达国家先后开发了相应的隧道控制系统，随着计算机技术、图像处理技术、通讯技术、控制技术的发展，以太网技术和总线技术突破了原有的技术瓶颈，使隧道的监视与控制系统高速信息共享成为可能。
本文针对隧道运营中的通风，照明、火灾、环境、供电、事故监视、车道引导、交通信息采集等功能的需求，设计了一种基于Ethernet和总线技术的先进控制系统。
系统釆用西门子PLC可编程控制器作为控制中心，Profibus总线完成控制信息级与控制中心的通讯，控制中心与外界的通讯用以太网完成，用视频检测技术完成对隧道的交通信息及安全监视与控制，系统功能完备，集成度高，系统包括可变情报板、照明、通风、闭路电视、火灾 检测与报警、电话紧急呼救、中央管理与控制、环境监测、交通信息检测与诱导、供电消防防雷及接地等十个子系统，并集中在大屏幕系统中显示操作画面，可以完成：
●CO、SO、NO、等的监测、可见度及风速测量、通风系统控制
●供电、火警、紧急电话的控制、水泵控制
●事故视频监测及报警指示、隧道和车道的关／开、限速指示
●高度控制、照明系统控制、车道引导、SOS(语音提示)
●交通数据测量(计数，车道占有率、车辆分类、车速测量等)
二、系统组成及系统结构设计
系统设计采用双环光缆冗余结构的工业以太网结构为主干通讯控制网络，速率lO-lOOMb／s，控制部分釆用Profibus总线网络与各子站通信，速率最大12Mb／s，管理部分釆用以太网连接大屏幕、公路MIS、GIS、GPS、收费系统及各监视操作站，，速率10-100Mb／s，实现信息的共享：模块化结构，WINCC友好中文人机界面，方便的人机对话模式，是世界各国普遍采用和认可的领先的设计方式。
三、系统的功能设计
1、指挥中心
采用2个冗余的服务器结构，双机热备，保证数据的真实性与完整性，对所有的系统数据进行实时生成、管理、分配及综合凋度；利用Profibus控制总线与子站通讯，利用冗余的光纤环网与中央控制器通讯；利用以太网与公路的主控系统或MIS、GIS、GPS、收费系统等通讯；同时利用以太网将系统的运行状态送入LCD大屏幕进行显示，大屏幕控制器采用分时画面分割功能轮换显示视频检测器传入的隧道运行的交通监控图像信息和交通数据（车速、车流量、占有率等），发现交通事故以声、光两种方式报警，同时回放事故录像，对停车系统、电话系统、呼救系统、消防火警系统作出相应的联锁响应；电力监测；CO、S02、N02等污染物的监测；可见度、能见度及风速、风量测量；地下水位、通风系统控制；水泵控制；照明的控制；报警控制；车刀的开启控制；视频检测及呼救电话控制；电话通信；报警及报表的打印等。
系统提供西门子WINCC组态及监控软件包，可以实现系统的监控组态、控制组态、操作组态、画面组态等功能。实现任意图形、曲线、报表的生成；动态画面组态支持系统内的各种数据，包括实时监测数据、历史数据、人工录入等，可以打印输出。
WINCC系统监控软件是世界上最开放、应用最广泛的优秀软件之一、系统基于WINDOWS NT平台，有良好的兼容性、准确性和可靠性。本身也不存在2000年问题。支持各种软件标准如：DDE、OLE、ACTIVEX、ODBC、TCP／IP、OPC等，作为共享基础，并提供了进行二次开发的工具和手段，以便生成完全满足要求的监控系统。WINCC充分釆用客户/服务器的体系结构，使得监控系统能够提供数据在网络上的集成和共享，提高性能减低成本。除完成包括实时／历史趋势、报警、画面编辑、报表、关系数据库直接组态登录的基本功能外，还有多项选择功能。
WINCC上位机监控软件釆用当今世界先进技术、系统的配置和画面组态方便、系统结构灵活和开放，运行WINDOWSNT95／98平台，通过策略和画面组态在上位机上实现对工业控制系统的监视和控制，具有动态画面、事件触发、报警、趋势、报表输出，历史数据存储等功能，能体现良好的通用性、灵活性、开放性、可靠性和性能价格比，有中文操作模式。
能够进行中文画面组态。
2、操作站
监视系统运行；隧道当前状态显示；综合或分类信号切换；信息显示、存贮；数据保存、记录；用户管理；交通控制；照明控制；紧急电话控制；高度控制；视频监视；火灾报警等。操作站画面显示包括：电源分布及使用参数显示／照明系统显示／通风系统显示／监控系统显示／泵站显示／交通信息显示／交通视频图像显示／报警画面／呼救画面／专业设备的运行状态／隧道的总貌图等。
按权限进行相应的操作、修改等。
3、管理站
按照操作权限，根据隧道运行情况，及时调整隧道运行参数和控制参数，对系统的资源、通讯和设备进行设定、修改等。
4、可变情报板
指挥中心可以根据当时的情况编辑和发送交通信息、运营指令、路况资料、报警信息等多幅信息循环播放显示，同时在大屏幕上进行循环显示。
5、照明车高系统
利用检测仪器，监测洞口及洞内的可见度(雾)及能见度，根据不同的情况打开或关闭不同的照明灯和雾灯及其数量，保证车辆通行的正常照明，并在操作站及大屏幕上显示照明灯的状态。
对进入隧道的车辆的车高进行红外线测量，发现其高度超出隧道的设置许可，配合停车收费系统及车牌识别系统，启动语音系统电话系统，视频检测系统，对车辆的禁止驶入进行语音报警提示，用停车系统对违章驶入的车辆进行有效的控制。
6、通风系统
通风是保证行车安全的重要一点，系统采用环境污染检测仪测量隧道的CO、S02等污染物的含量，采用风速测量仪表测量风速，压力变速器测量隧道的压力，并将所有4-20MA信号送人控制站，根据优化的隧道运行参数，决定自动风机的开或关，车道的开或关。
7、紧急电话及呼救系统
对火灾、交通事故，采用热线方式，直通计算机主机，并进行声光报警，警察接到报警后立即响应；同时视频检测器24小时监测隧道的运行情况，指挥中心对隧道的发生事故通过图像及时记录与回放，也可以在几分钟内了解情况，及时通过电话和语音进行报警和提示，及时处理。
8、视频检测系统
包括交通数据的采集、电视监控两部分，全天候监视隧道的运行状态，自动记录交通事故及事故自动回放，根据该系统的检测和监视情况自动或手动发布交通信息、决定车道的开、关，信号灯的红与绿，自动计算车道的拥挤度，自动打开或关闭车道。
9、火灾报警系统
包括SOS等，备有火灾等事故自动和手动报警器，当报警时执行关闭隧道、打开风机和照明、启动消防水泵等动作。
10、信号灯控制系统
由控制站通过接收其他系统的指令决定系统的信号灯的开关及时间的长短，运行的状态。
11、车位引导系统
采用超声波车位传感器，对车位进行检测，并将信号传人控制站，控制站对LCD指示牌发出指令，对车辆的行车路线进行引导。并在操作站显示。
12、水位水泵控制
利用液位仪表对水道的积水进行检测发现水位超出隧道运行条件，自动启动排水泵进行排水。
另外，当视频系统和火灾报警发现某区域火灾时，系统自动启动该区域隧道每30-50米一个的定位消防泵，打开万向高压水头，进行救火。
13、电力监测
系统釆用电力综合监测仪，对电力的分布、设备的用电情况(电压、电流、功耗等)、系统总能耗等进行监测，控制电源的开、关等。
14、相关功能的连锁控制。
四、系统主要设备
1、PLC控制器及通讯模块，目前主要有西门子SIEMENS、罗克韦尔AB、施耐德SCHINDLER、通用电气GE等公司的PLC产品。
2、视频检测器，目前主要有西门子SIEMENS、费路通FLOWTRAFFIC等公司的产品。
3、污染检测器，目前主要有西门子SIEMENS、日电DKK、E+H等公司的产品。
4、LED信号灯及控制器，目前主要有西门子SIEMENS、京安、荷兰等。
5、车辆线圈检测器，产品比较普遍。
6、工业控制计算机，HP、IBM NEC、DELL等公司生产的高品质的工业PC机，另配3COM／D-LINK等公司的以太网卡。
7、背投式LCD大屏幕显示系统，目前有BARCO、JUPITER、CLARITY、 ELECTROSONIC、SONY、PHLIPS等公司生产的拼图控制器和屏幕。
8、能见度及可见度检测仪，比较普遍产品。
9、紧急呼救电话设备，主要厂商有西门子、ISS等。
10、报警器、水泵、风机、照明灯等，比较普遍。
11、中文监控软件，主要有WINCC、FIX、组态王等。
五、系统的应用
由于系统采用以太网和总线结构，是标准开放式、模块化的系统，所以系统大小可以任意的变化，第三方设备可以方便接入，系统的扩展比较灵活，在停车管理系统中增加收费功能即可实现不停车收费或自动收费，可广泛用于公路隧道的管理与控制，完成诸如视频检测、电视监控、照明、报警、紧急救援、车道引导、不停车收费、通风、环境检测、事故监视与记录等功能。
六、结束语
该系统的优越性体现在采用国际通用的以太网和PROFIBUS总线技术，使过去比较复杂的子系统与主系统之间的信息交换及通讯简单化，同时采用高可靠性的PLC及其检测设备，保证系统无故障运行时间显著增加，针对现场条件，制定完善控制方案和灵活的控制策略，类似结构的系统在国外和国内均有不同的应用。
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