公路隧道远程监控的研究与设计

李婕莉，张国有（太原科技大学计算机科学与技术学院，太原030024）

公路隧道远程监控的研究与设计

李婕莉，张国有
（太原科技大学计算机科学与技术学院，太原030024）

作为高速公路的咽喉地段，隧道内日常交通的稳定运行是保证高速公路正常运转的重中之重，所以研究一套完善的隧道监控系统尤为重要。系统按照监控分中心、隧道管理站和隧道现场三级控制模式设计，其中隧道管理站是整个监控平台的核心。为保证数据传输速度系统采用实时数据库处理数据，为保证系统安全对用户设置不同角色和操作权限，实现实时、高效、准确的监控隧道的目的。

监控系统；数据库；用户管理

0　引言

近年来，随着我国经济发展速度的加快和现代化进程的推进，公路隧道的项目建设也迅速发展起来，道路交通建设取得明显成果。我国是个多山地、丘陵的国家，特殊的地质条件使我国必然建设很多隧道。由于隧道中环境密闭，容易发生交通事故，所以加强隧道中的安全运营管理显得极为重要。为了使隧道中交通环境更加方便、安全和高效，为了及时应对隧道内的突发事故，有效地保障隧道内行车安全越来越多地受到政府交通部门的重视。然而，现今大多数公路隧道车辆监控都是通过人工观看视频，而完全依靠监控人员观看视频监控不仅会增加政府财政支出，而且由于监控人员有限的精力和注意力，很容易出现疏漏。为了能够对隧道内发生的异常情况及时做出反应并进行分析处理，设计一个完善的公路隧道监控系统尤为重要，本文就我们完工的某公路隧道监控平台的设计和实现方案进行详细说明。

1　系统总体架构

1.1系统组成

隧道监控平台的管理模式是对平台的软件和设备配置进行集中管控。隧道采用片区监控中心、隧道管理站和隧道现场三级控制模式。一般情况下，隧道的日常运营管理和处理事件由隧道管理站负责，隧道管理站可以向区域控制器下达控制指令驱动终端控制设备（如设备状态控制、设备阈值设置、设备操作方式和系统控制预案等等）。监控总中心拥有最高的控制权限，它可以协调控制各片区监控中心。片区监控中心可通过隧道管理站实现对隧道的管理，它拥有比隧道管理站更高的权限。各管理站一般都无人职守,若有紧急情况管理人员可以到管理站人工控制隧道设备。如图1所示为隧道监控系统控制模式图：

图1　隧道监控控制模式图

1.2PLC组网与通信

系统组网方式采用工业以太网组成控制层环网，再将交换机与PLC链接，设备之间的通信使用远程的I/O通信。以某隧道为例，隧道左右洞通过以太网交换机光纤组成以太自愈环网，图2所示为其结构图：

图2　隧道PLC环网图

2　隧道监控平台软件设计

2.1数据库模块

数据库是隧道监控平台的核心，是监控系统和现场设备联系的纽带。监控系统运行时，隧道设备采集到的数据要上传到隧道管理站，同时中心计算机发布的控制指令也要实时传到隧道现场，这些都要以数据库为中心。

数据库模块可以存储隧道监控平台和相关设备数据，对于系统中大量数据应运用分月建表的方式，需要获取历史数据时可以直接从统计表中获取而不需要再次统计，为统计处理数据节省大量时间。

在系统中添加、修改、删除和查询设备都需要操作数据库，在对数据进行定义、初始化、建立数据词典并成功连接数据库后，即可通过代码实现对数据库的相应操作。系统数据操作流程图如下图3所示，客户端发出请求到服务器，通过登录验证，从服务器取出数据和文件。

图3　系统数据操作流程图

2.2系统监控

系统监控包括交通、照明、通风、消防、报警及事故处理和隧道紧急电话及广播六大子系统。各子系统通过PLC与设备之间进行通信，系统通过文字、表格和数据曲线等形式展现所出采集的设备自检数据、实时运行数据和系统报警信息等。

（1）交通监控子系统

交通监控子系统实时收集车辆检测线圈、CO/VI检测器和火灾报警器等设备采集的数据，经过判断和处理后，通过隧道车道通行灯、交通信号灯和可变情报板标语控制隧道交通流，提高隧道运营效率。系统将采集到的信息与预先在本地控制器上设置阈值进行比较，若有异常情况如CO浓度超过阈值或者发生火灾、交通事故，系统可以自动控制程序也可以提示建议处理方案后经过人工确认再执行。

（2）照明监控子系统

照明监控子系统分四级控制，包括白天、黄昏、夜间和深夜。照明控制系统将照度检测器采集的实时照度与预先设置的阈值比较后自动开启对应级别的照明,控制洞内外照度使之不会相差太大,避免驾驶员出入隧道时视觉上带来不适，保证行车安全。照度检测器主要检测洞内照度,并对应照明等级判断照明灯具是否完好,若照度没有达到照明等级要求的照度时,系统会自动弹出窗口提醒监控人员照明设备损坏,管理人员经过核实后可通知工作人员检查设备。同时,管理人员可以依据具体情况人工启动或关闭照明设备。

（3）通风监控子系统

通风监控系统根据采集的信息如一氧化碳浓度、可见度、交通拥堵情况等自动开启、关闭相应的风机。如果收集的数据超出阈值达到报警级别,系统根据报警级别开启对应的风机，并根据CO浓度、能见度检测值和风速风向决定开启风机的大小和数量。各级阈值和风机开启的数量、时间间隔可根据具体情况在监控系统进行设定。发生火灾时，通风系统自动启动火灾区内的风机，同时考虑到烟雾会进入相邻隧道，所以应启动相邻隧道洞口处风机加快排烟。除此之外,隧道监控人员可根据具体情况在监控平台、隧道管理站、可编程控制柜选择需要控制的风机,并控制其开启、关闭、正转、反转、停止等。

（4）消防监控子系统

消防监控系统根据液位仪检测消防系统高低位水池水位、中间水位信号的信息，如果液位仪检测到水位过高或过低，立刻向隧道管理站发出报警。系统经过分析判断后，可以通过自动启停消防泵实现对消防泵启停的全自动控制；监控人员也可以根据水池水位数据进行判断后，在监控管理站远程遥控消防泵的启停。

（5）报警及事故处理子系统

报警包括设备报警、事故报警、阈值报警、火灾报警和其他报警等，当发生异常情况时监控系统自动确认发生故障的设备或事故地点，同时伴随报警声。监控系统停留在报警页面直到操作员进行事故确认方可停止。操作员对报警确认后可通过手工处理，也可执行系统预案或者自定义预案进行处理。

当隧道内发生火灾时，火灾自动报警系统会将报警信号上传至隧道监控站火灾报警计算机。中心计算机通过分析后形成控制方案，系统联动CCTV将监视画面切换到最靠近事故点的摄像机画面，管理人员通过显示屏实现实时监控报警的隧道。系统联动隧道管理站内交通监控系统、通风控制系统、照明控制系统，并通过可变情报板及隧道广播发布警告信息及交通诱导信息；通过车道通行灯和交通信号灯等设备控制隧道内交通流；通过通风系统的控制方案控制隧道内的风机设备风向、开启数量，减少隧道内CO浓度等；通过联动照明控制系统强制开启事故隧道内所有照明回路，对隧道火灾进行及时有效的控制，确保道路使用者的安全，并将损失降低到最小。

（6）隧道紧急电话及广播子系统

隧道洞内外均设置紧急电话及广播系统，隧道管理站内有隧道紧急电话及有线广播控制计算机、主机及其他外设等，用于收集管辖路段内隧道事故报警信息及向发生事故的隧道广播，给驾驶员提供警告、紧急调度信息，平时也可以利用此系统向司机传递交通实时信息等。

2.3系统管理

为了方便系统管理，保证系统安全，按照用户角色管理、设备管理、阈值管理、预案管理、手工事件管理、报表管理、日志管理和数据备份等模块进行管理。

（1）用户角色管理

系统赋予不同的用户不同的管理权限。此系统将用户角色分为系统管理员、报表管理员、系统操作员、普通操作员和监视员五种角色。其中系统管理员和报表管理员为系统管理用户，具有用户账号和角色的分配与审批权限；系统操作员、普通操作员和监视员为监控用户，系统操作员具有各个子系统的操作权限，普通操作员只有一个子系统的操作权限，监视员只能查看系统设备的实时运行信息。

（2）设备管理

设备管理功能：实现设备的基本信息、通信端口和参数等信息的增加、删除、修改等操作；管理隧道内各子系统的主线设备、检测设备、控制设备及设备通讯参数（包括PLC设备参数、情报板参数等）；对PLC和其他设备分组，必要时按照分组控制设备；可设置报警级别及报警声音。

（3）阈值管理

阈值管理包括对隧道交通状况（如车流量、车速等）、环境状况（如CO浓度、可见度、光照度等）门限值的管理。对设备的控制门限值、报警门限值进行设值，用于预案控制和系统报警等功能的实现。系统可以单独选择某个设备，也可以选择某一种类型的设备进行阈值设置。

（4）预案管理

预案管理用于实现预案信息管理，如增加、删除、修改等操作，包括单系统预案、联动预案和自定义预案。单系统预案包括：交通、照明、通风和消防等控制预案。联动预案将各个单系统预案进行组合，进行联动控制。自定义预案可根据隧道的上下行选择不同的设备进行预案制定，可设置预案中各设备的延时启动时间。

（5）手工事件管理

手工事件管理用于实现对手工事件的增加、修改、删除、查询、统计等。事件信息来源包括：隧道紧急电话、隧道养护人员、巡逻车、摄像机、交警等。手工事件录入完成后将自动记录到数据库中，以便日后查询、分析。

（6）报表管理

报表管理可实现对系统数据库中所有原始数据按条件进行查询、打印、导出结果，分为管理报表、数据报表和预案报表三大类。

（7）日志管理

日志管理包括用户操作日志和系统运行日志，用于实现对日志的查询、统计和打印等。用户操作日志包括用户的登录信息、退出信息和下发控制指令等；系统运行日志包括设备故障、设备运行状态及其改变时间、系统报警事件及处理方式和结果等。

（8）数据备份

数据备份包括：实时数据转存、历史数据转存、数据库自动备份和数据库实时手动备份等。实时数据转存：每日固定时间点转存前一天的实时数据；历史数据转存：每日固定时间点转存前一年的实时数据；数据自动备份：每月固定时间点自动备份数据库，备份的.bak文件存储在服务器指定的硬盘目录下；数据库实时手动备份：系统管理员可以通过后台对数据库进行实时手动备份。

3　结语

本文首先引入系统研究的目的和意义；其次对系统结构组成和组网进行说明；最后对系统的软件设计说明，包括数据库模块、系统监控和系统管理。此系统实现了实时、高效、准确的监控隧道的目的，为隧道管理者提供了一套完善、可靠、稳定的设计方案，便于隧道的运营管理。

[1]邓炜，陈雄，娄艳艳.山区高速公路隧道监控系统建设[J].中国交通信息化,2015,02:92～94

[2]李亮，杨蕊.隧道智能交通PLC控制系统的分析与设计[J].信息通信,2014,07:56

[3]张宁微.高速公路隧道监控系统设计[J].西南公路,2013,03:79-81+98

[4]陈吉阳.隧道监控系统软件设计与实现[J].机电信息,2012,06:114～115

Monitoring System;Database;User Management

Research and Design of Highway TunnelMonitoring System

LIJie-li，ZHANG Guo-you
（Departmentof Computer Science and Technology，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024）

As the throatarea of highway,the stable operation of the tunnel daily traffic is very important to ensure the normal operation of the highway.Therefore,a comprehensive research on the tunnel monitoring system is particularly important.Designs the system in accordance with three levels of controlmodes:monitoring and control center,the tunnel station and tunnel devices,and among of them the tunnel station is the core of the wholemonitoring station platform.The system uses real-time database to ensure the speed of data processing and transmitting,and it sets up different roles and operating authorities for the users to ensure system security.It implements the purpose of real-time,efficient and accuratemonitoring of the tunnel.

1007-1423（2015）15-0066-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.15.017

李婕莉（1989-），女，山西临汾人，硕士研究生，研究方向为公路隧道远程监控相关技术

张国有（1972-），男，山西忻州人，博士，副教授，研究方向为软件建模

2015-03-26

2015-05-05