隧道交通智能逃生引导系统设计

姚 丹，朱映雪，吴 燕，何坤城，吴雪琪

(西安理工大学，陕西 西安 710048)

0 引言

近年来，我国高速公路建设迅猛发展，隧道修建总长度以及单洞长度越来越长[1]。考虑到隧道环境的特殊性，如果发生塌陷、火灾、交通事故等重大事故，对灾后救援、人员疏散来说是个极大的挑战。目前，高速公路隧道工程建设趋于标准化和规范化，因此，进一步深入探究高速公路安全管理方法和经验大有裨益[2]。

本文在分析常用逃生方案优缺点的基础上，提出了一套公路隧道人员逃生的解决方案，设计了一套智能逃生系统，当高速公路隧道内发生重大事故时，通过软件服务器端远程控制逃生设备，帮助逃生人员辨明逃生出口，指引逃生方向，引导撤离。

1 隧道交通智能逃生引导系统的总体设计

系统模拟了隧道内部40个横洞，其总体架构如图1所示。隧道内部的40个横洞分别分布着40个主控模块，主控分左幅及右幅两部分，分别包括诱导标控制[3]、语音播报及信息板等分模块。在隧道管理处装有服务器管理软件负责管理(询问当前状态、控制当前状态)隧道内的40个主控模块。

图1 系统总体结构图

系统主要包括数据库、服务器及主控模块3个部分。数据库负责存储和管理数据，记录各个模块的运行状态。系统通过服务器管理界面完成对横洞主控模块的模式控制及定时监测，并将运行状态存入数据库，便于隧道管理处的管理人员统计分析，及时维护设备，同时主控模块对服务器端发送反馈指令，并显示在服务器管理界面上。也可直接通过主控模块上的应急按钮来控制各分模块。

2 系统硬件设计

本系统旨在实现当隧道内发生紧急情况时，能够引导人员及车辆快速离开危险区域，实现整个隧道智能化管控。

如图2所示，系统的硬件部分主要包括：信息显示屏、语音设备、诱导设备、应急按钮、主控设备等。终端主控设备功能：响应服务器控制或询问指令；控制现场设备的运行状态；将现场设备运行状态信息返回服务器。

图2 终端主控模块框图

主控设备选用型号为STM32F103的32位ARM微控制器[4]，响应服务器端的指令，实现信息处理和对各子部件的控制，并向服务器端发送反馈指令；诱导设备能够显示箭头指向，引导人员及车辆前往安全区域；信息显示设备在实际中主要安装在隧道的出口、入口及横洞处，当隧道有紧急事件发生时及时将相关信息显示在屏上，以提醒即将进入隧道的车辆减速慢行、禁止进入或引导隧道内车辆安全撤离；当有紧急情况发生时，遇事人员可按下应急按钮自主实现对隧道的初步管理，同时在服务器端也会有一个反馈信息以提醒工作人员及时处理险情。

3 系统软件设计

每一个隧道现场的任意横洞内都会安装一个主控模块，在隧道管理处会装有服务器软件，用以查询并控制当前任意隧道内的40个主控模块中任意模块的状态。系统运行时，主控模块定时向服务器软件传送管理数据，服务器软件随时保存主控模块传来的数据，并在每一次主控模块工作状态发生改变时做详细的记录，包括：时间、模块名称、模块动作、是否有故障，并对工作状态和故障进行汇总统计。

3.1 系统主操作

为使管理人员操作简单方便，通过点击界面上的按钮即可进行远程控制主控模块，该过程是通过局域网实现的。

服务器端将消息发送至主控模块，主控模块将接收到的信息进行解析后控制相应分模块，并反馈服务器端主控切换状态成功。系统主操作流程图如图3所示。

图3 系统主操作流程图

服务器软件与主控模块指令格式说明如表1所示。

表1 服务器软件与主控模块指令格式说明

例如指令为0xE8 0xE9 0x00 0x01 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x92 0xF9时，即为服务器软件给ID为0x01的主控模块发送所分模块为常规模式。

3.2 服务器端软件设计

管理人员通过服务器端主界面对主控模块进行远程控制，也可在子界面上完成信息界面配置、历史数据查询及导出等操作。服务器端主程序框图如图4所示。

图4 服务器端主程序框图

程序初始化时服务器端首先读取配置文件主控模块IP，根据配置文件中主控模块的数量生成主控模块类的数量并填充配置表。之后服务器端按时间分配询问主控模块或根据实时表反馈情况给主控模块发送切换工作状态命令，同时抛出线程接收各主控模块传回的数据，检验传回数据是否存在异常，若不存在异常，分析数据后更新实时表，并判断是否有故障信息或发生诱导模式；若有，则更新数据库记录表。服务器10 s内所有40个主控模块可完成一次应答，奇数秒更改网络标志。

3.3 主控模块软件设计

主控模块安装在隧道内，与隧道管理处的服务器软件部分构成一个整体。因为隧道内有多个主控，每个主控模块要实现多个功能，因此需通过多线程[5]进行控制。

待主控模块与服务器建立连接，等待并执行服务器端的控制指令后，向服务器端回复一条当前状态指令。其程序框图如图5所示。

图5 主控模块程序框图

4 测试与应用

4.1 功能测试

通过对系统软硬件各个功能进行测试，结果表明系统可正常运行，各个功能完全符合预期。

系统性能指标如表2所示。

表2 系统性能指标

4.2 应用案例

西汉高速全长258.65 km，全线设管理处1个，管理所4处。其中秦岭隧道群内分布着186个横洞门，隧道内每150 m设有一个监控摄像头和有线广播扬声器，监控隧道内部情况，指导紧急情况下人员逃生。每500 m设有一个车行横洞、一个紧急停车区和一个人行横洞，横洞是双向隧道连接洞，紧急状态下，人车可通过横洞转移。

图6所示为服务器端主界面，设置可管理40个主控模块，其中01～38号主控用于横洞内设备管理，AA号与BB号主控用于隧道外显示屏控制。通过点击界面上的按钮可以分别对某个主控模块进行操作，也可以一次性对全体主控模块进行操作。根据该实际情况，可在秦岭隧道群的3条特长隧道内分别配置3套系统，在管理所配置服务器端，管理人员通过局域网即可远程控制主控模块，在紧急情况下引导车辆、人员逃离现场。

图6 服务器主界面

5 结论

本文着眼于智能化设计隧道逃生系统，从功能需求和设计理念出发，详细地介绍了智能逃生引导系统的基本工作原理，并给出了系统框图和软件流程图，讲

述了系统各个功能特点。系统主要可应用于隧道通道中交通事故、火灾事故、有害气体泄露、坍塌事故等发生时的人员及时逃生和车辆快速疏散，具有方便、高效、易于操作等优势，可以减小救援难度及节约人力成本，推动系统相关产业链的发展。

[1] 张臻. 公路隧道逃生方案研究[D]. 西安：长安大学, 2009.

[2] 张景欢, 郭大雨. 高速公路隧道安全管理研究[J]. 冶金丛刊, 2016(7)：132.

[3] 刘大鹏. 高速公路线形诱导标志设置研究[D].昆明：昆明理工大学, 2006.

[4] 黄智伟, 王兵, 朱卫华. STM32F 32位ARM微控制器应用设计与实践(第2版)[M]. 北京：北京航空航天大学出版社, 2014.

[5] 伍光胜, 宋信忠, 郑明辉. 多线程技术及其应用的研究[J]. 计算机应用研究, 2001, 18(1):33-36.