左黎高速公路特长隧道群监控系统设计与实现

李朝霞

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

山西省地理环境比较复杂，高速公路建设中隧道数量多且长度较长，长期以来一直以普通隧道的监控模式对其进行监控，作业效果受到极大制约[1]。因此，针对特长隧道的特点进行必要的改进和完善，从而开发更为适用的特长隧道监控系统，已成为工程单位和高速公路营运管理单位共同关心的问题。

1 项目概况

左权至黎城高速公路起点位于左权县殷家庄，与在建的和顺至榆社高速公路左权枢纽相连，终点与黎城至长治高速公路拓宽改造工程黎城北枢纽相接。全线采用四车道高速公路标准，设计时速80 km/h，路基宽度24.5 m。

左黎高速公路包含隧道10座：黄家会隧道、沐池隧道、柏管寺隧道、小寨隧道、故驿隧道、桐峪隧道、黄崖洞隧道、茶壶山隧道、横岭隧道、尧帝山隧道。按照公路隧道设计细则规定的隧道长度划分规则，左黎高速共涉及特长隧道两座，长隧道3座，中长隧道3座，短隧道两座。10座隧道组成特长隧道群，机电设备包括风机、照明、交通信号灯、车道指示标志、卷帘门、微波车检、光强检测器等，消防系统、紧急电话系统均有大量的设备参与控制。

可以看到，左黎高速隧道数量多、长度长且监控设备众多，对监控系统的数据处理能力、控制实时性和可靠性提出了更高的要求。因此，必须针对左黎特长隧道群的特点研发更为适用的特长隧道监控系统。

2 系统设计

2.1 开发平台选择

对于隧道监控系统，由于受工期的制约，只有当设备安装调试完成后才能进行全面的系统开发与测试，这时往往距离通车时间也比较近，同时由于隧道监控一般需要与大量的硬件设备进行交互，要从底层开发出一个性能稳定的系统难度很大，开发出的程序也需要较长的测试周期。这就需要从监控系统的易开发性及系统稳定性等方面综合考虑选择开发平台。

组态软件是数据采集与过程控制的专用软件，是监控层级的开发平台，可以为用户提供灵活的组态方式，快速构建监控系统[2]。组态软件支持各种工控设备和常见的通信协议，提供使用脚本语言进行二次开发的功能，是一个能使用户快速建立自己的人机界面的软件工具。这样程序员就会将主要的注意力集中在系统功能实现和界面设计上，而不是软件功能开发上。就目前隧道监控系统的开发情况来看，使用组态软件进行上位机系统设计的占大多数。这里我们选用亚控KingSCADA组态软件作为开发平台。

2.2 通讯模式

隧道内共设本地控制器80余套，其中每座隧道设主控本地控制器一套。本地控制器作为监控中心与隧道外场设备的联系纽带，通过光纤形成一个光纤环路，向下以一对多的方式与隧道内分散的机电设备相连，向上通过主控本地控制器与隧道管理站、监控分中心的监控系统相连。因此，监控系统通过光纤与本地控制器进行通讯，从而完成与底层设备的通讯。

2.3 三屏拼接显示方式

隧道监控系统通常采用隧道间切换的模式显示监控画面，考虑到在10座隧道间切换动作过于繁琐，且无法同时掌握10条隧道的总况，本次创新性地采用了三屏合一的显示方式，即“一台主机+三拼接屏”的显示方式，使10座隧道的情况可同时显示。前期对三屏拼接方案的可实现性和实现效果进行了验证，硬件上通过使用多屏显卡，软件上通过驱动、设置软件等实现，分辨率可达到7680×1080，对运行速度、画面显示效果等进行了测试，结果显示画面显示完整、速度未见减慢，对于左黎高速多隧道的监控界面显示较为适用。

2.4 界面设计

高速公路隧道监控系统的职责是实时监测隧道内的交通状况、机电设备运行状态、洞内一氧化碳浓度、能见度等环境参数，并对隧道运行进行有效的智能化管理，监控系统的应用可使高速公路隧道的运营管理水平更加科学。

考虑到监控系统的操作人员是隧道管理员和监控员，而非计算机专业人员，所以系统界面设计上尽可能做到清晰直观、功能实用、操作便捷。

监控系统的画面内容可分为3部分：

a）第一部分是隧道背景画面、设备图形标志、设备编号或桩号信息和文字提示等。本隧道群监控系统涉及10座隧道，因此界面设计时首先按照隧道长度比例计算将各自隧道背景图素排列在底层，并标明人行/车行横洞以及行车方向。顶端显示系统名称、当前登录人员、时间以及各子系统切换按钮。

b）第二部分是设备运行状态的实时显示。实现方法是在静态的设备图素上链接相应数据，周期性地进行动态刷新。界面实时显示隧道内交通信号灯、车道指示标志、照明灯具、风机、情报板、火灾报警设备等机电设备的运行状态及车流量、车道占有率、平均车速、CO浓度、能见度、隧道内外光强、风速风向等详细数据信息。同时使用不同颜色来分别显示设备不同的报警状态，当设备出现故障或报警时，相应位置的设备图素可直观地显示并发出报警声。

c）第三部分是控制按钮及弹出的控制窗口。控制按钮用于执行按钮下的控制脚本，用户可使用控制窗口对设备下发操作命令。

2.5 功能实现

隧道监控系统的功能可概括为：实时检测、监视异常状况、采取措施、排除故障。隧道群监控系统功能主要包括交通监控、照明监控、通风监控、消防监控、视频监控等子系统，各子系统逻辑构成上相对独立，而在联动模式下又可成为一体，既避免由于某一子系统出故障而影响其他系统的运行，又可保证整个系统的联动运行。

2.5.1 交通监控

交通监控子系统显示车道指示标志、交通信号灯、可变情报板、可变限速标志和车检器的实时信息。用户可以单击所需控制的设备，在弹出的对话框中对设备进行单独控制，也可以对各个车道或者左右洞交通诱导设备进行群控。

2.5.2 通风监控

通风监控子系统可动态显示监控区段内通风设备的工作状态和CO/VI检测仪、风速风向检测仪等设备采集的实时信息。用户可以单击所需控制的风机图标，在弹出的对话框中对相应设备下发控制命令，风机停止命令下发后的20 s内无法对风机进行启动操作。通风自动控制模式下，若系统检测到某隧道CO/VI值超过阈值，则会弹出报警界面，并伴有报警声音。若经判断，确定为有效报警，则会弹出是否开启或关闭周边风机的提示，供用户选择。若经判断，确定为无效报警，则点击“误报”按钮或不操作即可。

2.5.3 照明监控

照明监控子系统可动态显示监控区段内照明设备的工作状态及洞内外亮度值，点击对应的照明图标可对其下发控制命令。照明控制模式分为手动控制模式、时序控制模式、智能控制模式等，用户可根据实际情况切换。

2.5.4 消防监控

消防监控子系统可动态显示监控区段内卷帘门、消防水泵、水位等消防设备的工作状态，接收火灾报警信号，并在火灾报警的位置发出警报，同时经过闭路电视监视子系统自动将报警地点处的摄像机监视画面切换在相应的工作站显示器和大屏幕投影屏上，同时提供控制方案，待值班员经其他手段确认后完成后续操作。

2.5.5 视频监控

视频监控子系统可将对应位置处的摄像机图像切换至大屏幕上，也可以对摄像机进行拉近/拉远视野和上、下、左、右移动控制。将鼠标悬停在遥控球机上时，会有摄像机编号的提示文本。

2.5.6 数据查询

数据查询子系统能统计查询监控系统存储的所有历史数据，并能生成、保存、导出和打印各种报表。报表类型主要包括日报表、月报表、年报表等内容。

2.6 应急联动

由于项目涉及多个长大隧道，为此设计了尽可能完善的应急联动功能。应急联动功能是为了保证高速公路行车安全，在突发紧急事件（如火灾、交通事故、隧道堵塞等）时，系统自动调用预先设置的应急预案，对监控系统内所有子系统进行联动控制，以达到及时、高效处理突发事件，保证高速隧道通畅运行的目的[3]。

以火灾联动预案为例，其设计流程如图1所示。

图1 火灾联动预案流程图

系统的应急联动功能增强了隧道对于突发紧急事件的应急处理能力，为保证隧道及整个高速公路的行车安全奠定基础。

3 结语

针对左黎高速项目设计的特长监控群监控系统实现了通过先进的监控和管理手段对整个管理区段的协调控制，可及时发现和处理突发事件，防止二次事故的发生，确保隧道保持最佳运行状态。目前系统在项目现场运行稳定，实现了既定目标。