李朝霞

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

山西省地理環(huán)境比較復(fù)雜，高速公路建設(shè)中隧道數(shù)量多且長(zhǎng)度較長(zhǎng)，長(zhǎng)期以來一直以普通隧道的監(jiān)控模式對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控，作業(yè)效果受到極大制約[1]。因此，針對(duì)特長(zhǎng)隧道的特點(diǎn)進(jìn)行必要的改進(jìn)和完善，從而開發(fā)更為適用的特長(zhǎng)隧道監(jiān)控系統(tǒng)，已成為工程單位和高速公路營(yíng)運(yùn)管理單位共同關(guān)心的問題。

1 項(xiàng)目概況

左權(quán)至黎城高速公路起點(diǎn)位于左權(quán)縣殷家莊，與在建的和順至榆社高速公路左權(quán)樞紐相連，終點(diǎn)與黎城至長(zhǎng)治高速公路拓寬改造工程黎城北樞紐相接。全線采用四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h，路基寬度24.5 m。

左黎高速公路包含隧道10座：黃家會(huì)隧道、沐池隧道、柏管寺隧道、小寨隧道、故驛隧道、桐峪隧道、黃崖洞隧道、茶壺山隧道、橫嶺隧道、堯帝山隧道。按照公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則規(guī)定的隧道長(zhǎng)度劃分規(guī)則，左黎高速共涉及特長(zhǎng)隧道兩座，長(zhǎng)隧道3座，中長(zhǎng)隧道3座，短隧道兩座。10座隧道組成特長(zhǎng)隧道群，機(jī)電設(shè)備包括風(fēng)機(jī)、照明、交通信號(hào)燈、車道指示標(biāo)志、卷簾門、微波車檢、光強(qiáng)檢測(cè)器等，消防系統(tǒng)、緊急電話系統(tǒng)均有大量的設(shè)備參與控制。

可以看到，左黎高速隧道數(shù)量多、長(zhǎng)度長(zhǎng)且監(jiān)控設(shè)備眾多，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力、控制實(shí)時(shí)性和可靠性提出了更高的要求。因此，必須針對(duì)左黎特長(zhǎng)隧道群的特點(diǎn)研發(fā)更為適用的特長(zhǎng)隧道監(jiān)控系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 開發(fā)平臺(tái)選擇

對(duì)于隧道監(jiān)控系統(tǒng)，由于受工期的制約，只有當(dāng)設(shè)備安裝調(diào)試完成后才能進(jìn)行全面的系統(tǒng)開發(fā)與測(cè)試，這時(shí)往往距離通車時(shí)間也比較近，同時(shí)由于隧道監(jiān)控一般需要與大量的硬件設(shè)備進(jìn)行交互，要從底層開發(fā)出一個(gè)性能穩(wěn)定的系統(tǒng)難度很大，開發(fā)出的程序也需要較長(zhǎng)的測(cè)試周期。這就需要從監(jiān)控系統(tǒng)的易開發(fā)性及系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面綜合考慮選擇開發(fā)平臺(tái)。

組態(tài)軟件是數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，是監(jiān)控層級(jí)的開發(fā)平臺(tái)，可以為用戶提供靈活的組態(tài)方式，快速構(gòu)建監(jiān)控系統(tǒng)[2]。組態(tài)軟件支持各種工控設(shè)備和常見的通信協(xié)議，提供使用腳本語言進(jìn)行二次開發(fā)的功能，是一個(gè)能使用戶快速建立自己的人機(jī)界面的軟件工具。這樣程序員就會(huì)將主要的注意力集中在系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)和界面設(shè)計(jì)上，而不是軟件功能開發(fā)上。就目前隧道監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)情況來看，使用組態(tài)軟件進(jìn)行上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的占大多數(shù)。這里我們選用亞控KingSCADA組態(tài)軟件作為開發(fā)平臺(tái)。

2.2 通訊模式

隧道內(nèi)共設(shè)本地控制器80余套，其中每座隧道設(shè)主控本地控制器一套。本地控制器作為監(jiān)控中心與隧道外場(chǎng)設(shè)備的聯(lián)系紐帶，通過光纖形成一個(gè)光纖環(huán)路，向下以一對(duì)多的方式與隧道內(nèi)分散的機(jī)電設(shè)備相連，向上通過主控本地控制器與隧道管理站、監(jiān)控分中心的監(jiān)控系統(tǒng)相連。因此，監(jiān)控系統(tǒng)通過光纖與本地控制器進(jìn)行通訊，從而完成與底層設(shè)備的通訊。

2.3 三屏拼接顯示方式

隧道監(jiān)控系統(tǒng)通常采用隧道間切換的模式顯示監(jiān)控畫面，考慮到在10座隧道間切換動(dòng)作過于繁瑣，且無法同時(shí)掌握10條隧道的總況，本次創(chuàng)新性地采用了三屏合一的顯示方式，即“一臺(tái)主機(jī)+三拼接屏”的顯示方式，使10座隧道的情況可同時(shí)顯示。前期對(duì)三屏拼接方案的可實(shí)現(xiàn)性和實(shí)現(xiàn)效果進(jìn)行了驗(yàn)證，硬件上通過使用多屏顯卡，軟件上通過驅(qū)動(dòng)、設(shè)置軟件等實(shí)現(xiàn)，分辨率可達(dá)到7680×1080，對(duì)運(yùn)行速度、畫面顯示效果等進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示畫面顯示完整、速度未見減慢，對(duì)于左黎高速多隧道的監(jiān)控界面顯示較為適用。

2.4 界面設(shè)計(jì)

高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)的職責(zé)是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)的交通狀況、機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、洞內(nèi)一氧化碳濃度、能見度等環(huán)境參數(shù)，并對(duì)隧道運(yùn)行進(jìn)行有效的智能化管理，監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用可使高速公路隧道的運(yùn)營(yíng)管理水平更加科學(xué)。

考慮到監(jiān)控系統(tǒng)的操作人員是隧道管理員和監(jiān)控員，而非計(jì)算機(jī)專業(yè)人員，所以系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)上盡可能做到清晰直觀、功能實(shí)用、操作便捷。

監(jiān)控系統(tǒng)的畫面內(nèi)容可分為3部分：

a）第一部分是隧道背景畫面、設(shè)備圖形標(biāo)志、設(shè)備編號(hào)或樁號(hào)信息和文字提示等。本隧道群監(jiān)控系統(tǒng)涉及10座隧道，因此界面設(shè)計(jì)時(shí)首先按照隧道長(zhǎng)度比例計(jì)算將各自隧道背景圖素排列在底層，并標(biāo)明人行/車行橫洞以及行車方向。頂端顯示系統(tǒng)名稱、當(dāng)前登錄人員、時(shí)間以及各子系統(tǒng)切換按鈕。

b）第二部分是設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示。實(shí)現(xiàn)方法是在靜態(tài)的設(shè)備圖素上鏈接相應(yīng)數(shù)據(jù)，周期性地進(jìn)行動(dòng)態(tài)刷新。界面實(shí)時(shí)顯示隧道內(nèi)交通信號(hào)燈、車道指示標(biāo)志、照明燈具、風(fēng)機(jī)、情報(bào)板、火災(zāi)報(bào)警設(shè)備等機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及車流量、車道占有率、平均車速、CO濃度、能見度、隧道內(nèi)外光強(qiáng)、風(fēng)速風(fēng)向等詳細(xì)數(shù)據(jù)信息。同時(shí)使用不同顏色來分別顯示設(shè)備不同的報(bào)警狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障或報(bào)警時(shí)，相應(yīng)位置的設(shè)備圖素可直觀地顯示并發(fā)出報(bào)警聲。

c）第三部分是控制按鈕及彈出的控制窗口。控制按鈕用于執(zhí)行按鈕下的控制腳本，用戶可使用控制窗口對(duì)設(shè)備下發(fā)操作命令。

2.5 功能實(shí)現(xiàn)

隧道監(jiān)控系統(tǒng)的功能可概括為：實(shí)時(shí)檢測(cè)、監(jiān)視異常狀況、采取措施、排除故障。隧道群監(jiān)控系統(tǒng)功能主要包括交通監(jiān)控、照明監(jiān)控、通風(fēng)監(jiān)控、消防監(jiān)控、視頻監(jiān)控等子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)邏輯構(gòu)成上相對(duì)獨(dú)立，而在聯(lián)動(dòng)模式下又可成為一體，既避免由于某一子系統(tǒng)出故障而影響其他系統(tǒng)的運(yùn)行，又可保證整個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)運(yùn)行。

2.5.1 交通監(jiān)控

交通監(jiān)控子系統(tǒng)顯示車道指示標(biāo)志、交通信號(hào)燈、可變情報(bào)板、可變限速標(biāo)志和車檢器的實(shí)時(shí)信息。用戶可以單擊所需控制的設(shè)備，在彈出的對(duì)話框中對(duì)設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)控制，也可以對(duì)各個(gè)車道或者左右洞交通誘導(dǎo)設(shè)備進(jìn)行群控。

2.5.2 通風(fēng)監(jiān)控

通風(fēng)監(jiān)控子系統(tǒng)可動(dòng)態(tài)顯示監(jiān)控區(qū)段內(nèi)通風(fēng)設(shè)備的工作狀態(tài)和CO/VI檢測(cè)儀、風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)儀等設(shè)備采集的實(shí)時(shí)信息。用戶可以單擊所需控制的風(fēng)機(jī)圖標(biāo)，在彈出的對(duì)話框中對(duì)相應(yīng)設(shè)備下發(fā)控制命令，風(fēng)機(jī)停止命令下發(fā)后的20 s內(nèi)無法對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)操作。通風(fēng)自動(dòng)控制模式下，若系統(tǒng)檢測(cè)到某隧道CO/VI值超過閾值，則會(huì)彈出報(bào)警界面，并伴有報(bào)警聲音。若經(jīng)判斷，確定為有效報(bào)警，則會(huì)彈出是否開啟或關(guān)閉周邊風(fēng)機(jī)的提示，供用戶選擇。若經(jīng)判斷，確定為無效報(bào)警，則點(diǎn)擊“誤報(bào)”按鈕或不操作即可。

2.5.3 照明監(jiān)控

照明監(jiān)控子系統(tǒng)可動(dòng)態(tài)顯示監(jiān)控區(qū)段內(nèi)照明設(shè)備的工作狀態(tài)及洞內(nèi)外亮度值，點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的照明圖標(biāo)可對(duì)其下發(fā)控制命令。照明控制模式分為手動(dòng)控制模式、時(shí)序控制模式、智能控制模式等，用戶可根據(jù)實(shí)際情況切換。

2.5.4 消防監(jiān)控

消防監(jiān)控子系統(tǒng)可動(dòng)態(tài)顯示監(jiān)控區(qū)段內(nèi)卷簾門、消防水泵、水位等消防設(shè)備的工作狀態(tài)，接收火災(zāi)報(bào)警信號(hào)，并在火災(zāi)報(bào)警的位置發(fā)出警報(bào)，同時(shí)經(jīng)過閉路電視監(jiān)視子系統(tǒng)自動(dòng)將報(bào)警地點(diǎn)處的攝像機(jī)監(jiān)視畫面切換在相應(yīng)的工作站顯示器和大屏幕投影屏上，同時(shí)提供控制方案，待值班員經(jīng)其他手段確認(rèn)后完成后續(xù)操作。

2.5.5 視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控子系統(tǒng)可將對(duì)應(yīng)位置處的攝像機(jī)圖像切換至大屏幕上，也可以對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行拉近/拉遠(yuǎn)視野和上、下、左、右移動(dòng)控制。將鼠標(biāo)懸停在遙控球機(jī)上時(shí)，會(huì)有攝像機(jī)編號(hào)的提示文本。

2.5.6 數(shù)據(jù)查詢

數(shù)據(jù)查詢子系統(tǒng)能統(tǒng)計(jì)查詢監(jiān)控系統(tǒng)存儲(chǔ)的所有歷史數(shù)據(jù)，并能生成、保存、導(dǎo)出和打印各種報(bào)表。報(bào)表類型主要包括日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表等內(nèi)容。

2.6 應(yīng)急聯(lián)動(dòng)

由于項(xiàng)目涉及多個(gè)長(zhǎng)大隧道，為此設(shè)計(jì)了盡可能完善的應(yīng)急聯(lián)動(dòng)功能。應(yīng)急聯(lián)動(dòng)功能是為了保證高速公路行車安全，在突發(fā)緊急事件（如火災(zāi)、交通事故、隧道堵塞等）時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用預(yù)先設(shè)置的應(yīng)急預(yù)案，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)所有子系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，以達(dá)到及時(shí)、高效處理突發(fā)事件，保證高速隧道通暢運(yùn)行的目的[3]。

以火災(zāi)聯(lián)動(dòng)預(yù)案為例，其設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 火災(zāi)聯(lián)動(dòng)預(yù)案流程圖

系統(tǒng)的應(yīng)急聯(lián)動(dòng)功能增強(qiáng)了隧道對(duì)于突發(fā)緊急事件的應(yīng)急處理能力，為保證隧道及整個(gè)高速公路的行車安全奠定基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

針對(duì)左黎高速項(xiàng)目設(shè)計(jì)的特長(zhǎng)監(jiān)控群監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了通過先進(jìn)的監(jiān)控和管理手段對(duì)整個(gè)管理區(qū)段的協(xié)調(diào)控制，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理突發(fā)事件，防止二次事故的發(fā)生，確保隧道保持最佳運(yùn)行狀態(tài)。目前系統(tǒng)在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了既定目標(biāo)。