基于信息化管理的高速公路隧道监控系统设计与应用

胡建科 卢娟

摘要：文章分析高速公路隧道监控系统发展现状，从用户登录、交通监控、视频监控、照明监控等方面阐述了高速公路隧道监测系统的组成，并结合某高速公路隧道监控系统运营管理实践，对交通监控和照明监控进行调查分析，收集数据绘制曲线分析后得出隧道内车流量曲线，计算得出自动模式下隧道照明系统可节约能源51%左右，说明监测系统满足公路隧道管理的要求。

关键词：高速公路;信息化管理;隧洞监控系统;视频监控;交通监控;照明监控

0 引言

近年来，随着国内外技术交流的不断加深，各行业直接的技术交流与融合也不断加强。随着计算机技术和大规模集成电路技术的发展，很多新技术、新设备被应用到公路隧道机电管理中。本研究将计算机技术与先进的设备管理方法相结合，采用信息化管理的思路，设计一套符合现代公路隧道要求的监控系统。

早在20世纪90年代，国外发达国家公路隧道监控系统的研究已取得了一定的成果，特别是在数据采集和设备管理方面均处于领先的地位。相比之下，国内一些大型企业还只能依靠进口，无论是在技术上还是在管理上都比较落后。近年来，由于我国公路交通事业的发展，国家对技术创新的鼓励引导，很多企业开发出了一些适应我国公路隧道管理的监控系统。然而，很多企业尚处于硬件设备的生产阶段，还没有设计出一套全面、通用的监控系统管理软件。高速公路监控系统由大量的设备组成，而经过多年的发展，国内很多企业现今可以生产出国际领先的设备。基于信息化管理的理念，运用互联网技术、计算机技术，建立一套科学合理、适应国内公路隧道管理的信息化监控系统，是当今亟待解决的问题。

1 隧道监控系统设计与实现

1.1 用户登录

软件设计了一套先进的基于用户的安全管理系统，各用户被赋予不同的权限，可以通过用户名和密码进行登录，并根据不同角色被赋予不同的权限。系统具有加密功能，可以为系统提供进一步的安全保障。系统设置管理员，可以对用户进行管理操作。用户可以自己设定和修改密码，也可以在自己的分配权限范围内查看信息、修改设置、上传数据。

1.2 隧道管理

用户登录管理系统后，可以在主界面查看背景画面、图形标志，并可以对设备运行的数据进行实时查看，包括隧道内车流量、通风、照明、消防、视频、交通信号灯状态、CO2浓度、隧道内外光强、车道占有率等信息。如果设备出现故障，系统可将故障设备的具体位置显示出来，并将报警状态通过不同颜色显示出来。另外，用户可以操作控制按钮，切换监控画面。

1.3 交通监控子系统设计

交通监控子系统可以采集交通流信息及交通信号灯、限速标志等信息，并在用户操作界面上以动画的形式显示出来。具体交通监控子系统界面如图1所示。同时，用户可以操作交通监控子系统，对子系统所控制的设备进行管理。

1.4 通风监控子系统设计

隧道在运营过程中会积聚大量的尾气和烟尘，由于隧道内属于一个相对封闭的空间，单靠车辆行驶所产生的活塞作用不能完全排除这些有害气体，因此通风监控子系统的设计是十分必要的。为加强通风，在隧道内安装风机，通风监控子系统可以对隧道内风机的运行状态、CO2浓度、风速等数据进行实时监测，并将监测值传递到本地控制器，最终在系统主界面显示出来。子系统可以根据实时监测数据，调整风机的运行台数、时间和风向，保证隧道通风效果。隧道通风监控子系统界面如图2所示。

1.5 照明控制子系统设计

为防止驾驶员进入隧道时出现“黑框现象”和眩光，应根据隧道内外的光照强度对洞内光线进行调节。照明监控子系统可以对洞内照明设备的亮度进行调节，防止出现交通事故，也可以節约能源。该子系统采用现场总线控制方式，计算机系统通过区域控制单元对隧道内的照明设备进行控制与管理。照明监控子系统界面如图3所示。其操作界面可显示照明设备的工作状态、光强等监测值，通过PLC上传到中心控制系统，并根据隧道运营需要调整光强和照明设备。

1.6 消防监控子系统设计

当隧道内发生火灾时，消防监控子系统通过监测，可实现声光报警、语音广播等功能，通过管理中心进行灭火和救援。消防控制子系统操作界面如图4所示，可显示隧道内消防设备的工作状态，发出报警信号，显示发生火灾的具体位置和故障设备的位置。同时，可将火灾现场的画面传输到管理中心，供操作人员查看，以便下一步救援工作的开展。

1.7 视频监控子系统设计

通过在隧道内布设监控摄像机，可以直观、实时地将现场交通流和事故发生地点显示出来，为救灾排险提供资料。视频监控子系统可以实现这一功能，其对隧道内多台摄像机进行控制，通过以太网与PLC连接，软件系统与计算机通讯，将隧道内的视频图像及时准确地传输到管理中心，为制定交通监控方案提供参考依据。摄像机拍摄到的视频图像传输到监控中心，显示在视频监视器上，操作人员通过图像分析隧道内的情况，对隧道进行管理。视频监控子系统操作界面如图5所示。

1.8 电话广播监控子系统设计

当车辆在隧道内发生交通事故或故障时，司机可以通过紧急电话系统联系管理中心，监控中心可以通过电话广播系统对事故现场进行远程指挥调度、疏导交通和组织救援等。另外，紧急电话还可以对隧道内的运行情况进行监听。

1.9 查询统计

隧道监控系统可以实现监测数据报表查询，对隧道监测的实时数据、历史数据进行查询、调用和输出生产报表。隧道监控系统可以进行趋势曲线绘制，以横轴为时间，纵轴为变量，绘制趋势曲线图，并具有预览、打印等功能。系统还可以进行报警事件查询，把超出正常警戒值的数据统计出来，可实现打印、显示、转发等操作。

2 公路隧道监控系统工程应用

2.1 依托工程简介

某高速公路设计隧道5座，各隧道均采用双洞、单向两车道设计，设计车速为80 km/h，设计交通量为37 954辆/d，预计年交通量增长速度为5%。隧道内部布设有大量机电设备，运行环境复杂，管理难度大。为监测隧道内机电设备运行状况，对隧道内车流量、洞内CO2浓度等指标进行监测，通过进行实地调查，开发高速公路隧道监控系统，并运用到隧道运营管理中。该监控系统可以24 h不间断收集隧道运行过程中的数据，具有防止发生交通事故，进行火灾预警等功能。

2.2 交通监控分析

表1列出了该高速公路某一路段3 d的交通监控信息，这3 d的天气情况类似。分析数据表明，这3 d交通量相差≤40 veh/d，每天所有车辆的平均车速基本相同，因此可认为这三天的车流量、车速情况基本一致。由于这三天的光照、日出和日落时间类似，洞外的光强基本一致，洞内的照明设施的节能情况也基本一致。

图6为2018-12-01隧道各个时段的车流量数据曲线图。经分析可知，一天中0：00-6：00和20：00-24：00两个时间段，隧道内车流量较少，均在140 veh/h以下，其他时间段车流量相对较大，其中最大值为1 733 veh/h。

2.3 照明监控分析

本隧道照明监控系统采用自动模式，按照“车进灯亮，车走灯暗”的原则进行管理。为验证节能效果，对隧道照明监控系统在隧道内的照明设备调暗时间、用电情况进行分析。隧道内照明设备的调暗时间如图7所示。

图7为2018-12-01隧道内各时段照明灯调暗时间变化情况，分析可知在0：00-6：00和20：00-24：00两个时间段，隧道内车流量较小，照明灯调暗时间也较长，其中调暗时间最大值为55 min，可有效节约能源。其余时间车流量较大，调暗时间也相对较短。统计表明，该隧道2018-12-01调暗时间共计605 min，一天共1 440 min，计算调暗时间所占比例为42%。

在自动模式下，隧道照明监控软件还需要根据隧道洞外亮度来计算隧道内的最佳照明亮度。监测过程中对洞外亮度進行检测。洞外亮度变化情况详见图8。

通过对隧道内照明设备和用电量的监测结果分析，采用自动模式与全亮模式相比，可以节约53%左右的电量，说明这种模式可有效减少电量消耗，节约能源。这主要是由于自动模式下遵循“车进灯亮，车走灯暗”的原则，有车进入隧道时亮度增加，没车时照明灯具调暗，隧道内照明亮度是通过洞外的亮度分析而确定的。

3 结语

公路隧道监控系统采用一体化的组态方式，对隧道内的交通流、通风、照明、消防、视频等设备的运行状态进行监测。本文基于某高速公路隧道监测管理实践，在信息化管理的基础上，通过对隧道交通和照明情况进行监测分析，得出了以下结论：

（1）基于信息化管理需求，对隧道监控系统的交通、通风、照明、消防、视频监控等子系统进行智能化设计，对隧道内实际情况进行智能化分析、报警和控制，保证隧道安全稳定运行。

（2）隧道监测系统对交通情况进行监控，收集数据绘制曲线，得出日交通量、隧道各个时段的车流量等数据，可为高速公路交通运营管理提供参考。

（3）对隧道内的照明情况进行检测，得出采用自动模式可节约隧道用电量51%左右，节能效果明显。

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作者简介：胡建科（1975—），工程师，从事专业高速公路机电管理工作;

卢 娟（1980—），工程师，从事专业高速公路机电管理工作。