上海长江隧桥综合信息管理系统应用软件设计

刘天鹏, 肖又发, 李 翔

(上海交技发展股份有限公司,上海200135)

0 引 言

上海长江隧桥是G40沪陕高速公路的重要组成部分(地理位置见图1),全线长约25.5 km,采用“南隧北桥”方案,它不仅是中国最大的越江通道,也是目前世界上最大的隧桥结合工程。隧道长约9 km,上层双向6车道,设计时速80 km/h,下层为安全通道、电缆通道以及轨道交通预留空间;大桥长约16.5 km,其中跨江段长约10 km,双向6车道,设计时速100 km/h。

上海长江隧桥综合信息管理系统以提高运营决策、监管、服务和应急保障能力为目标,以信息资源的整合与利用为重点,致力于提高隧桥交通管理和服务水平。现对综合信息管理系统应用软件的总体框架设计和具体功能进行介绍。

1 系统组成及管理需求

1.1 系统组成

长江隧桥综合信息管理系统主要由设备监控系统、交通监控系统和行车环境监控系统组成(详见图2)。

1.2 系统特征

长江隧桥综合信息管理系统在全面、准确实现监控功能的同时,也针对项目自身特征和管理需求进行个性化定制。长江隧桥项目特征如表1所示。

图1 上海长江隧桥工程项目地理位置图

图2 系统组成示意图

表1 系统特征

1.3 系统管理需求

系统采用2级管理、3级控制。

2级管理为长兴岛监控中心和浦东管理站。监控中心是综合监控系统的控制机构,负责全线道路的交通协调和运营管理。监控中心设置中央计算机管理系统,统一协调管理交通控制、通风及照明控制、火灾报警集中控制、闭路电视控制、紧急电话控制、有线广播控制及电力监测等。浦东管理站主要负责隧道浦东入口端路政、超限车辆和交通事件救援等日常管理,在特殊情况下,浦东管理站在监控中心的授权指挥下根据系统配置可以行使监控中心职能。

3级控制为“路段监控中心(监控中心和浦东管理站)—区域控制—外场设备”。控制现场的控制优先级最高。在正常情况下,以监控中心监控为主。

2 系统设计

2.1 物理架构设计

2.1.1 网络架构

长江隧桥综合信息管理系统的网络是一个由分布在各个业务站点中的局域网和现场工业以太环网,包括监控中心局域网、潘园收费站局域网、陈海收费站局域网、浦东管理站局域网、各隧道变电所局域网、隧道现场工业以太环网及大桥现场工业以太环网,通过通信系统本地主干通信网络联接而构成的IP传输网络(见图3)。

图3 系统网络架构图

2.1.2 中央计算机管理系统架构

监控中心设置中央计算机管理系统,统一协调管理交通控制、通风及照明控制、火灾报警集中控制、闭路电视控制、紧急电话控制、有线广播控制及电力监测等。基于局域网(采用TCP/IP通信协议)实现多工作站网上资源共享、网络协调运作功能,基于Client/Server体系建立统一的信息数据库。浦东管理站接受监控中心的业务管理及指挥调度,通过通信综合传输网获取数据,主要实现对隧道浦东端的视频监视、报警信息接收和设备维护管理。在特殊情况下,浦东管理站在监控中心的授权指挥下根据系统配置可以行使监控中心功能(见图4)。

图4 监控中心及浦东管理站计算机系统架构图

中央计算机管理系统采用工作站→应用服务→数据库服务组成的3层体系结构。配置数据库服务器、应用服务器、工作站和网络设备,构成中央计算机管理系统的硬件实体。

服务器采用高性能的容错服务器,提供高可靠性处理能力和远程管理的非集中式业务。服务器操作系统采用Microsoft Windows Server 2003简体中文版,工作站操作系统采用Microsoft Windows XP Professional简体中文版,数据库管理软件采用Microsoft SQL Server 2008简体中文版,组态软件采用iFix 4.5简体中文版,开发工具采用Microsoft Visual Studio.NET 2008简体中文版。

2.2 逻辑架构设计

长江隧桥综合信息管理系统应用软件充分遵循“实时、可靠、开放、可扩展”的原则,采用基于SOA的3层软件架构,如图5所示。

图5 应用软件架构图

应用操作层提供界面让用户实时监视系统运行状况,同时提供外场设备控制、运营管理和应急处置的功能。

应用服务层由服务总线和挂接在总线上的各种服务组成。服务总线汇总系统数据,并根据需求分发数据到各个服务。挂接在总线上的服务完成与各种外场设备、外部接口的通信。

数据服务层储存系统数据并进行加工、统计。

基于SOA的3层软件架构,其优点在于:

1.实时性。通过应用服务层的各个服务(外场设备服务、外部接口服务)采集到的各种数据统一汇总到服务总线上,由服务总线对数据进行分析处理后实时更新到应用操作层的各客户端软件中,同时总线把处理后的数据输入到数据服务层的数据库中进行存储。这样做不但保证了整个系统数据的一致性,使得子系统之间的紧密性更强,而且避免了子系统之间由于数据交互而造成的数据处理延时,大大提高了系统的实时性。总线在数据接收和分发过程中采用多线程技术提高系统数据的实时性。

2.可靠性。数据服务层和应用服务层软件在长兴岛监控中心和浦东管理站各部署1份,并实现两地之间的相互冗余,局部故障不会影响整个系统的运行,保证了系统的可靠性。

正常运行时,监控中心和浦东管理站的数据服务层和应用服务层软件1份处于激活状态,1份处于休眠状态。当处于激活状态的软件出现故障,系统自动把休眠状态的软件切换为激活状态,并向应用操作层发送提示信息,保证故障时系统的平稳过渡。监控中心和浦东管理站的数据服务层数据通过数据传输中间件实现相互之间的数据冗余备份。这样,当发生故障进行切换时,能保证应用服务层数据的完整性和实时性。

3.开放性。系统在服务总线下挂接各种外部接口服务,接口服务根据外部接口(健康监测系统、大桥阴极保护系统、养护管理MIS系统、收费系统以及公安交警、消防、上海市高速公路联网监控系统)的数据需求,分别从服务总线上获取数据和控制命令,同时把系统数据和控制命令传输到各外部系统中。

对于综合信息管理系统和各外部系统的数据交互,只需要在服务总线下挂接相应的接口服务即可,不需要对综合信息管理系统本身的架构或代码进行修改。这种模块组合方式能完全满足系统开放性设计的要求,实现“一次采集,多处共享”,提高系统资源的利用率。

4.可扩展性。系统的3层软件架构,其整体设计是面向服务的。它将应用程序的不同功能单元(服务)通过服务之间定义良好的接口和契约联系起来,业务服务汇集在应用服务层的服务总线上,由服务总线对服务进行组织,并提供给应用操作层的客户端。

这种设计方式具有很强的灵活性和可扩展性。当某些服务的内部结构和实现发生变化时,只需要对特定的服务进行修改,然后重新挂接入系统即可,而不需要对整个应用程序进行修改。当有新的系统需要接入时,首先检查新系统需要的功能服务在应用服务层中是否已经存在,如果已经存在则通过简单配置即可接入系统,否则重新开发新的服务并挂接到应用服务层中,而这些更改都不会影响到现存的系统架构,也不需要对现存的应用程序进行大的修改。

可扩展性保证了后续A14崇启高速公路和下层轨道交通监控系统的接入,满足上海长江隧桥工程信息发展的需求。

3 功能设计与实现

长江隧桥综合信息管理系统应用软件由4个子系统组成:综合监控系统、综合管理系统、专家系统、演练培训系统。

3.1 综合监控系统

综合监控软件对交通监控系统(交通流检测子系统、可变信息发布子系统、视频监控子系统、交通信号控制子系统、视频事件检测子系统、收费监控子系统、车辆超限子系统)、设备监控系统(电力监控子系统、照明子系统、给排水子系统、有线广播子系统、紧急电话子系统)、行车环境监控系统(通风子系统、环境监测子系统、气象监测子系统、消防子系统、应急逃生子系统)等进行24 h不间断可靠监控,根据采集到的各系统工作情况,控制各系统联合运作,对各种情况提供有效监控,对各系统数据信息进行统一有效管理。系统功能如图6所示。

图6 综合监控系统功能

3.1.1 信息采集

综合监控软件采集以下信息:

●通过线圈车检器采集交通数据;

●交通信号灯、车道通行灯等交通信号状态;

●通过视频检测器检测交通事件信息;

●收费流量信息;

●电力仪表、变电站、变压器、直流屏、UPS、EPS等电力数据;

●隧道加强照明、隧道LED照明、大桥路灯、大桥雾灯、景观照明等照明状态;

●废水泵、存水泵、雨水泵、泡沫泵、消防水喷雾泵、消火栓泵等给排水数据;

●紧急电话状态;

●射流风机、排风排烟风机、设备用房通风设备等状态;

●隧道高压细水雾降温系统、大桥除湿机等环境监测设备状态;

●通过自动气象仪采集气象数据;

●消防系统报警信息;

●逃生盖板、卷帘门、疏散标志等应急逃生设备状态;

●超高超载等超限信息;

●设备工作状态。

3.1.2 信息处理

通过对采集到的信息进行处理,可以判断:

●交通状况;

●隧道内的空气质量状况;

●大桥段或隧道内的能见度状况;

●气象情况;

●事件种类、严重程度、影响范围;

●车辆超限情况;

●设备故障类型和故障原因。

3.1.3 事件处理

系统能及时发现并通过预案处理以下事件:

●1级重大事件,包括火灾、隧道空气污染严重超标、重大交通事故;

●2级较大事件,包括交通阻塞、紧急电话报警、逃生盖板打开、车辆超限、严重恶劣天气;

●3级一般事件,包括设备故障或通信故障、养护作业、偶发事件、一般恶劣天气。

3.1.4 信息显示

●通过计算机屏幕以图文方式显示系统信息,发生异常时声音报警;

●通过大屏幕投影、监视器、计算机屏幕等显示实时视频;

●通过大型LED屏显示实时报警及系统主要运行数据。

3.1.5 设备控制

●通过可变情报板发布信息;

●通过广播发布信息;

●控制交通信号;

●控制照明设备;

●控制给排水设备;

●控制通风系统设备;

●视频切换及云台摄像机控制。

3.2 综合管理系统

综合管理软件完成系统参数管理和数据管理功能,其主要功能包括:

●报表管理系统——通过报表查询系统历史运行数据,包括报警、交通、设备操作、信息发布、各个子系统运行数据等;

●路政事件管理系统——记录、处理、分析路政事件;

●设备管理系统——设备信息查询、故障查询、设备维护与更换;

●人员管理系统——管理人员及权限信息。

3.3 专家系统

专家系统软件完成系统应急预案的编辑生成、管理、跟踪及评估功能,并实现对系统控制模式的设置操作,从而达到有效应对可能的突发事件,建立相应的预测预警、防范指挥、应急处置的体制和机制,最大限度降低损失,保障系统的安全运行。

以“掌握现状、找出规律、科学诱导、有效指挥”的指导思想为依据,根据长江隧桥的运营规律和特点,专家系统实现了预警、应急处置与指挥的功能,提高了管理人员的运营管理水平,为系统安全、畅通地运行提供了保障。

从长江隧桥的安全运营、道路通行能力、交通组织等多方面着手,系统将可能影响长江隧桥运营的事件按照“分类、分级、分区”的办法,共划分为16类系统联动预案,针对事件的类别、严重程度和发生地点,根据需要针对性地制定相关预案。16类系统联动预案包括:

●正常运营预案;

●紧急电话报警预案;

●逃生盖板报警预案;

●交通事件预案;

●火灾预案;

●恶劣天气预案;

●隧道空气污染严重超标预案;

●车辆超限预案;

●隧道淹水预案;

●隧桥结构体损坏预案;

●断电预案;

●隧桥机电管养预案;

●船舶撞桥卡桥预案;

●车辆人员坠落大海预案;

●交保交管预案;

●用户自定义预案。

3.3.1 编辑预案

随着客观条件的变化和运营经验的积累,系统中的预案也会发生变化。专家系统软件提供了预案编辑功能。预案编辑功能可以使监控人员根据运行的需求自己添加、编辑合适的预案,可以最大限度地满足运行管理中对预案的需求。

3.3.2 执行预案

系统实时接收并处理数据,如果发现异常则以图形、声音等方式报警提示用户。同时自动执行该报警关联的、在专家系统软件中被设置为自动执行的动作(通常是视频动作),并根据专家库提示用户当前建议采用的预案(包括设备动作、车辆/人员调度等)。用户可以选择按照建议的方式直接执行,或者在建议的方式基础上进行更改后再执行。

在预案执行过程中,用户可以对预案执行情况进行跟踪。跟踪的内容包括设备动作跟踪、车辆/人员的调度。

3.3.3 评估预案

预案执行完毕后,系统分析生成预案的事件信息及预案执行过程,得出预案评估报告。评估报告是预案具体内容的全面展示,是预案执行过程及结果的全面总结,是评估预案的合理性及系统运行稳定性的重要资料,是改进预案的重要依据。

3.4 演练培训系统

国内现有交通监控系统软件基本针对项目开发,能满足实际项目的监控要求,但缺少完全基于软件的仿真培训功能,在实际应用中要么不能完全满足用户的培训演练需求,要么需要增加硬件带来成本的增加。

长江隧桥演练培训系统由学生工作站和教师工作站组成,通过信号发生器软件对实际监控系统中全部设备的数据进行模拟,提供给用户与实际监控软件在功能、界面和操作流程方面完全相同的监控模拟软件,同时提供预案制定、修改和演练功能,使系统操作人员、管理人员和参观人员在不影响系统运行的情况下掌握监控软件的操作流程和应急预案的各项功能。同时针对系统运营管理的要点编制了多个课程,使用户可以简单快速地掌握要点。

4 结 语

上海长江隧桥综合信息管理系统应用软件充分遵循了“实时、可靠、开放、可扩展”的原则,自系统开通以后运行稳定,设备监控实时可靠,事故响应及时,既保证了系统安全运营,又提高了长江隧桥的交通管理和服务水平。

[1] 林怀恭,聂瑞华,罗辉琼,等.基于SOA架构的服务集成技术的研究[J].计算机技术与发展,2009,19(7):141-144,148.

[2] 夏红霞,丁毅,钟珞.基于PLC与组态软件的隧道监控系统集成[J].微计算机信息,2008,24(12-1):10-11.