综合监控系统在高速公路长大隧道的应用

综合监控系统在高速公路长大隧道的应用

尤三伟 孙玉红

　　(中铁一局集团 电务工程有限公司 陕西 西安 710054)

摘要：介绍了雪峰山隧道工程概况，叙述了其监控系统结构、网络组成和可编程控制器，详细描述了其电视监控系统、交通控制系统、通风控制系统、照明控制系统、火灾自动报警系统、紧急电话及有线广播系统等工作原理及流程。

关键词：综合监控系统；高速公路；长大隧道；应用

1雪峰山隧道工程概况

雪峰山隧道是国家高速公路网上海至瑞丽高速公路邵阳至怀化段的特大型隧道工程，全长6.95公里，为上下分离式4车道隧道，其中左线隧道长6946米，右线隧道长6956米。洞内设计车速80㎞／h，是上海通往云南、贵州的咽喉要道。

雪峰山隧道设有完善的监控系统、通风系统、照明系统、供配电系统、消防救援系统，雪峰山隧道在邵阳至怀化高速公路的江口收费站内合并设有雪峰山隧道监控管理所。

雪峰山隧道监控系统包括：隧道监控管理所中心控制系统、隧道现场控制系统、电视图像监视系统、交通监控系统、隧道通风监控系统、隧道照明监控系统、隧道火灾检测报警系统、有线广播系统、紧急电话系统、视频车辆检测系统、电力监控系统等。

2系统整体架构

2.1网络拓扑结构

雪峰山隧道监控系统在隧道监控所设置一套计算机控制管理系统，在隧道变电所内各设置一套现场控制工作站。隧道监控所通过广域网分别与之相连。隧道的监测、控制和设备的控制由变电所内的综合控制柜和隧道现场的现场控制柜（PLC）实现，现场工作站和综合控制柜以及现场控制柜（PLC）通过局域网相连。其系统的拓扑结构如图1所示：

图1雪峰山隧道监控系统的拓扑结构图

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2.2隧道监控网络组成

隧道当地监控系统主要负责收集各机电设备状态、安全指标、环境监测参数等数据或下发监控所发出的控制指令，通过综合控制柜把综合控制柜、PLC以及各控制模块、通讯模块的数据收集并上发到监控所服务器、监控工作站以及现场监控计算机，同样，也可把经过远程路由的监控所、当地计算机控制指令通过各控制、通讯模块下发到各机电设备。雪峰山隧道监控系统采用罗克韦尔自动化公司A-B品牌的PLC现场控制器，采用1756-ENBT以太网通信模块通过双冗余工业以太网光纤环路实现互通。如图2所示。

图2雪峰山隧道PLC网路拓扑图

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2.3本地控制器

本地控制器是整个监控系统的核心，是监控系统的基层部分，也是隧道人工控制系统，是隧道监控系统的现场控制部分，同时也是最核心的部分，是整个监控系统的关键所在。

隧道本地控制系统主要包括通风子系统、照明子系统、交通子系统、监控子系统、火灾报警子系统等。其中各子系统又包括各种设备的开关量输入、输出；各种环境检测仪器的数字模拟量输入。除此之外，可变情报板和线圈型车检器也是通过隧道本地控制系统中的串口通信模块实现与上位机软件数据交换。

雪峰山隧道本地控制器主要由数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、串口通信模块和以太网模块构成。如图3所示：

图3雪峰山隧道PLC构成图

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3系统工作原理

雪峰山隧道的监控设备主要包括：车辆检测器、风速/风向检测器、CO/VI检测器、光强检测器、摄像机、视频检测、火灾报警、隧道广播等等。它们将采集隧道内车辆信息、风速、一氧化碳、能见度信息、光强度信息、隧道风机状态信息、火灾情况、车辆事故情况等等，并通过信息发布系统发出相应信息，引导车辆行驶，如图4所示。

图4 雪峰山隧道监控系统功能示意图

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3.1电视监控系统

隧道电视监控系统由16路视频检测器、摄像机、数据光端机、交通监控计算机、监视器、DLP大屏幕投影、硬盘录像机组成。

在隧道的左右线共设置了68台防水护罩定焦黑白摄像机，16台事故监测摄像机，在隧道左右线的出入口各设置1台电动聚焦云台式彩色摄像机。

隧道电视监控系统对隧道出、入口及隧道内的交通流量、车流密度及道路使用状况进行监视，可及时、直观地得到隧道现场情况的画面，帮助辨认交通、火灾事故的类型及其严重程度，还能够对视频图像进行录像、打印，以便分析及取证。

该系统能够和火灾报警系统联动，接受来自隧道各种报警设备发出的报警信息，对摄像进行联动控制，自动显示报警区段及相邻区段的图像，并自动录像，自动将时间、摄像机号码（对应相应的隧道区段）记录在录像带上。如果几种报警设备同时报警，则以火灾报警区定为优先显示。

3.2 交通控制系统

隧道交通控制设备包括线圈型车辆检测器、车道指示标志、交通信号灯,隧道交通诱导设备包括可变限速标志和可变情报板。

隧道入口的车辆检测器对出入隧道车辆的车速、车流量进行检测，把搜集到的信息通过RS485接口汇接到PLC设备串口通讯板中，经过隧道多模光纤冗余环网接至隧道监控所管理计算机，经过对收集到的信息进行确认、加工处理，监控所根据隧道运行情况来控制信号灯和车道指示器的状态，根据车辆、车速情况调整限速标志及情报板内容,同时指令通过通信系统传送到PLC,由PLC对车道指示灯、隧道横洞指示灯等交通控制设备和交通信号灯、可变情报板等诱导设备的状态进行控制。

3.3 通风控制系统

隧道通风控制系统由安装在隧道内的8套VI/CO和TW检测器、PLC模拟量输入模块、通风控制计算机、地图板等构成，VI/CO和TW检测器检测隧道内信息，CO正常运营时允许的浓度一般在150-250ppm，交通阻滞(隧道内各车道均以怠速行驶，平均车速为lOkm/h时可为300ppm，经历时间不超过20分钟；隧道内烟雾允许浓度为7.0*0.001 1/m；隧道内风速正常运营时推荐为lOm/s )，储存在本地的存储单元内，并以串行码输出到就近的PLC,通过光缆和以太网送到监控所,监控所根据这些参数和其他交通信息判定所开启的风机是否合适。如不合适则对风机的启/停及转速进行调整,进行合适的增加、减少,修正风机控制规则表,同时将风机控制指令发送到PLC, PLC对风机进行直接控制，并且，在大屏幕中显示洞内环境信息。

3.4 照明控制系统

隧道照明控制系统由安装在隧道口的两套光亮检测器、PLC模拟量输入模块、照明控制计算机、地图板等构成。光亮检测器测得反映照度的4~20mA形式电信号,送到就近的PLC,由该PLC控制相应的基本照明和加强照明开关,使洞内照度与洞外照度达到比较平缓的过渡。照明控制可以采用定时控制方式。每个控制点具有回检信号和报警信号,PLC通过现场总线将照明系统的现场检测结果返回到中央控制计算机,进行信息汇总、协调,并显示在隧道大屏幕和地图板上。

3.5火灾自动报警系统

3.5.1双波长火焰探测报警系统

雪峰山隧道在左、右线共设置278台双波长火焰探测器并与放置在隧道变电所的两台火灾报警控制器主机连接。

该系统主要由双波长火灾探测器、火灾检测控制主机及图文显示控制操作终端构成。图文显示控制操作终端以连续温度变化图表显示整条光纤的环境温度，能获取探测的温度和位置信息，可实现以下主要功能：

利用火的特定波长，及火焰闪烁频率判定火灾，不受隧道内风速影响，响应速度快，它安装在隧道侧壁易维护，并且是一种抗高污损的火焰探测器，能屏蔽行驶的车辆的头灯和尾灯。该工程设定每40～50米设置一台双波长火焰探测器。通过检测温度和位置数据，系统能在监视器上产生一条实时温度分布图。通过设置温度报警范围，探测温度超过设定温度，火灾报警控制器发出报警信号。

监控室可根据双波长火灾探测器的报警位置，自动切换附近摄像机画面显示在控制台视频监视器，并自动录像。

3.5.2手动报警系统

在隧道内，每30米设置1个具有独立地址编码和线路隔离功能，内置微型处理器(CPU)，有发光二极管指示开关状态的手动报警按钮。

在火灾情况下人工按动报警按钮，即可将信号传到监控室，发出声、光报警信号，显示出报警的部位，同时经过闭路电视监视系统自动将报警部位处的摄像机监视画面显示在相应的工作站显示器和大屏幕投影屏上，值班员经确认后进行发布，并提供控制方案。启动照明、通风、广播等消防系统，发布交通诱导信息。

在火灾情况下，人工按动报警按钮，即可将信号传到监控室，发出声、光报警信号，显示出报警的部位，同时经过闭路电视监视系统自动将报警部位处的摄像机监视画面显示在相应的工作站显示器和大屏幕投影屏上，值班员经确认后进行发布，并提供控制方案。启动照明、通风、广播等消防系统，发布交通诱导信息。

3.6紧急电话及有线广播系统

隧道外设置4套紧急电话，隧道内左右线共设置紧急电话68部，当隧道发生火灾或其它交通异常情况时，驾驶员可通过紧急电话向监控室报警，监控室及时显示隧道分机呼叫发生时间、分机地址、左右隧道方向等信息。

隧道内左右线有线广播共有4个（30W）和278个（15 W），当隧道发生火灾或其它交通异常情况时，在监控室可通过闭路电视的监控发现事故点，利用隧道广播系统进行事故广播。

4结束语

雪峰山隧道采用了冗余光纤环网+以太网＋PLC构成的隧道信息发布系统方案，使得整个系统的有用信息得到完全共享，便于系统集成和相关设备日常检修。PLC具有可编程、组合灵活、适应范围广、可用于隧道恶劣环境等特点，同时冗余光纤环网所带来的高可靠性，增加系统的抗干扰能力。这种监控方式较好地发挥了计算机和PLC的各自优势，充分利用了计算机在信息管理和处理上的强大能力及PLC在现场控制中的灵活性。

参考文献

[1] 钟卫兵.可编程控制器在广东西部沿海高速公路珠海段隧道监控系统中的应用钟[J].公路.2006.8(8)：352－355.

[2] 胡剑波,褚健. PLC在隧道自动化中的应用[J]. 工业仪表与自动化装置. 2000,2：35-37.

[3] 张良. PLC在高速公路隧道监控系统中的应用[J]. 微计算机信息. 2004,20（2）：40-42.

[4] 张贤波,刘兴启,樊占东. SIEMENS　PLC 在公路隧道控制工程中的应用[J].本溪冶金高等专科学校学报. 2004, 6(3)：25-26.