公路隧道环境监测及控制系统设计

郭大伟　郑晅?李雪

摘 要：针对公路隧道通风数据采集量大、人工工作强度大的问题，设计开发了一套公路隧道环境监测及控制系统。为了方便实时查看隧道内的环境数据信息和控制操作变量，开发了远程计算机操作软件。通过登录电脑客户端，用户可以随时查看公路隧道内的环境参数，如空气温度、风速、湿度和气压等，并对环境参数进行操作控制。论文构建的环境监测及控制系统将温湿度等传感器、数据传输技术、终端等相结合，采集公路隧道环境参数并对其进行控制，对公路隧道节能、智能运营具有重要的建设意义。

关键词：监控;数据采集;公路隧道运营;物联网;光端机;传感器

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）03-00-03

0 引 言

随着我国交通建设的不断推进，长隧道以及特长隧道的数量不断增多。隧道内交通量增多，隧道污染物浓度也随之逐年增加，传统的隧道运营控制方式已难以满足需求。为了节约运营成本就必须对隧道内的环境参数进行采集，实现隧道智能运营控制。此外，公路隧道环境参数的采集与处理事关隧道安全运营，在实现隧道智能交通运输以及保障行车安全等方面发挥着重要作用。因此，设计合理有效的隧道环境参数采集方案，研发隧道环境监控系统至关重要[1-5]。

当前，计算机技术已被广泛应用于隧道工程领域，意在实现隧道建设以及运营的智能化。本系统将计算机与智能运营联系起来，由设置在隧道各处的传感器采集隧道内外环境参数，并通过有线或无线网对所采集数据传输至服务器，由数据库对数据进行存储，方便进行数据处理以及调用[6-9]。在系统监测过程中，传感器采集的数据会不断上传至数据库。隧道运营管理部门在查看数据时可以手动设置查看条件，根据参数设置对数据进行筛选，同时系统可以自动生成折线图，方便直观观察，并且可以随时通过电脑终端查看，无需长时间值守于隧道内，实现了劳动力的解放。

本文基于物联网设计构建了公路隧道环境监测及控制系统。该系统的设计可以在近期进行科学研究并进行相关数据的收集，在远期可作为隧道运营的监控设施，方便进行隧道管理与通风系统内风阀的控制。隧道运营管理部门可以实时对隧道环境参数进行查看，对隧道内通风系统设施的运行状态进行调节，并为隧道管理提供决策服务，节约能源。

1 系统设计

基于物联网的公路隧道环境监测及控制系统能够方便用户随时了解隧道内的环境参数信息，只需登录电脑客户端，系统就可以与服务器对应的数据库连接。数据库的管理系统可以根据操作者的需求对数据库的数据进行筛选，最终只显示操作者需要的数据。通过电脑终端就可以实时了解隧道内的各种环境参数，同时也可以设定时间间隔。此外，系统还可以查找隧道内的历史环境参数数据，自动生成历史数据折线图，方便隧道运营部门等操作者直观查看。通过对隧道内各种环境参数信息的监测以及控制，可以对隧道内的通风机电系统进行分状态的智能控制，以实现隧道运营智能化、节能化[10]。

通过登录计算机客户端，用户即可进入系统。公路隧道环境监测及控制系统由上位机系统和分散在隧道各监测点的总线式数据集中采集系统组成。分散在隧道各监测点的总线式数据集中采集系统采用光缆传输方式，将总线式数据集中采集仪采集的风速变送器、风向变送器、气温变送器、压力变送器的数字信号通过光端机及交换机传送至隧道远程控制系统。为了减少变送器与光端机主线之间的接口数量，各变送器采用相同总线方式传输数据。系统结构如图1所示。

为满足整个监控系统的正常运行，数据库、光端机以及传感器之间可以采用主干网络和子网络、有线网络和无线网络相结合的方式。主干网络可由光纤传输等传输速度较快、可靠性较高的网络构成，保证信息向上或者向下传输;子网络可采用ZigBee等无线传感网络，用于光端机之间的信息交换，最后统一于有线网络，实现信息传送以及整个系统的信息存储、计算以及控制。基本传输运行机制如图2所示。

2 系统功能模块

本论文设计系统可以分成6个功能模块，分别为数据采集模块、数据传输模块、数据管理模块、数据处理模块、可视化模块以及智能控制模块。系统模块如图3所示。

基于物联网的公路隧道环境监控系统中每个模块的主要功能如下：

（1）数据采集模块：实现对隧道内环境包括风速、风压、温度以及湿度等相关数据进行采集;

（2）数据传输模块：将传感器采集的数据传输至数据库以及控制指令等信息的有效发送;

（3）数据管理模块：实现对采集数据的存储、调用等;

（4）数据处理模块：系统可以根据操作者的需求对数据库的数据进行筛选，显示所需数据，系统可以用折线图的方式显示历史数据与数据变化的历史规律，方便用户分析;

（5）可视化模块：系统通过主界面可以显示隧道内的环境参数，例如风速、风向、温度等，此外，系统在显示界面也可以实现传感器在隧道内放置位置的显示，方便用户根据传感器的位置对数据进行筛选;

（6）智能控制模块：系统可以实现远程控制以及对数据采集传感器状态的控制等。

3 系統运行

图4所示为公路隧道环境监测及控制系统实际应用效果展示界面。主界面主要包括3部分，分别为监测装置放置部分、数据展示部分以及用户操作部分。监测装置放置部位图在图4左侧，显示了各种数据采集传感器监测点在隧道主洞以及附属设施上的布置位置。数据展示部分在图4右侧上部，显示了各监测点上的数据采集情况，包括风速、风向、温度、湿度以及气压。

用户操作部分在图4右侧下部，主要包括数据筛选、图形展示以及控制功能。其中数据筛选功能和图形展示功能可以相互引用，主要区别是进行数据筛选时参数条件选择的不同。数据筛选功能主要根据监测点进行数据筛选，图形展示功能主要根据时间进行数据筛选，既可以先筛选数据再进行图形展示，也可以在图形展示功能中根据时间参数进行数据筛选。

4 结 语

本文设计了公路隧道环境数据监测及控制系统，通过传感器监测点实现环境数据的采集，再通过光纤将所采集数据传输至数据库服务器。数据采集模块对隧道环境参数进行实时信息采集，控制模块可以筛选监测点数据、显示历史数据以及对监测设备进行控制，后期可以实现对风机等通风机电设备的控制，实现公路隧道运营的智能化、信息化。该系统的建成可为隧道运营决策提供数据支撑服务，极大程度节约运营成本。同时，该系统研发与利用可为同类型工程运营质量提升提供参考，符合国家资源节约型社会建设的政策，对我国公路隧道节能智慧运营有一定借鉴意义。

参 考 文 献

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