左黎高速公路特長隧道群監(jiān)控系統設計與實現

李朝霞

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

山西省地理環(huán)境比較復雜，高速公路建設中隧道數量多且長度較長，長期以來一直以普通隧道的監(jiān)控模式對其進行監(jiān)控，作業(yè)效果受到極大制約[1]。因此，針對特長隧道的特點進行必要的改進和完善，從而開發(fā)更為適用的特長隧道監(jiān)控系統，已成為工程單位和高速公路營運管理單位共同關心的問題。

1 項目概況

左權至黎城高速公路起點位于左權縣殷家莊，與在建的和順至榆社高速公路左權樞紐相連，終點與黎城至長治高速公路拓寬改造工程黎城北樞紐相接。全線采用四車道高速公路標準，設計時速80 km/h，路基寬度24.5 m。

左黎高速公路包含隧道10座：黃家會隧道、沐池隧道、柏管寺隧道、小寨隧道、故驛隧道、桐峪隧道、黃崖洞隧道、茶壺山隧道、橫嶺隧道、堯帝山隧道。按照公路隧道設計細則規(guī)定的隧道長度劃分規(guī)則，左黎高速共涉及特長隧道兩座，長隧道3座，中長隧道3座，短隧道兩座。10座隧道組成特長隧道群，機電設備包括風機、照明、交通信號燈、車道指示標志、卷簾門、微波車檢、光強檢測器等，消防系統、緊急電話系統均有大量的設備參與控制。

可以看到，左黎高速隧道數量多、長度長且監(jiān)控設備眾多，對監(jiān)控系統的數據處理能力、控制實時性和可靠性提出了更高的要求。因此，必須針對左黎特長隧道群的特點研發(fā)更為適用的特長隧道監(jiān)控系統。

2 系統設計

2.1 開發(fā)平臺選擇

對于隧道監(jiān)控系統，由于受工期的制約，只有當設備安裝調試完成后才能進行全面的系統開發(fā)與測試，這時往往距離通車時間也比較近，同時由于隧道監(jiān)控一般需要與大量的硬件設備進行交互，要從底層開發(fā)出一個性能穩(wěn)定的系統難度很大，開發(fā)出的程序也需要較長的測試周期。這就需要從監(jiān)控系統的易開發(fā)性及系統穩(wěn)定性等方面綜合考慮選擇開發(fā)平臺。

組態(tài)軟件是數據采集與過程控制的專用軟件，是監(jiān)控層級的開發(fā)平臺，可以為用戶提供靈活的組態(tài)方式，快速構建監(jiān)控系統[2]。組態(tài)軟件支持各種工控設備和常見的通信協議，提供使用腳本語言進行二次開發(fā)的功能，是一個能使用戶快速建立自己的人機界面的軟件工具。這樣程序員就會將主要的注意力集中在系統功能實現和界面設計上，而不是軟件功能開發(fā)上。就目前隧道監(jiān)控系統的開發(fā)情況來看，使用組態(tài)軟件進行上位機系統設計的占大多數。這里我們選用亞控KingSCADA組態(tài)軟件作為開發(fā)平臺。

2.2 通訊模式

隧道內共設本地控制器80余套，其中每座隧道設主控本地控制器一套。本地控制器作為監(jiān)控中心與隧道外場設備的聯系紐帶，通過光纖形成一個光纖環(huán)路，向下以一對多的方式與隧道內分散的機電設備相連，向上通過主控本地控制器與隧道管理站、監(jiān)控分中心的監(jiān)控系統相連。因此，監(jiān)控系統通過光纖與本地控制器進行通訊，從而完成與底層設備的通訊。

2.3 三屏拼接顯示方式

隧道監(jiān)控系統通常采用隧道間切換的模式顯示監(jiān)控畫面，考慮到在10座隧道間切換動作過于繁瑣，且無法同時掌握10條隧道的總況，本次創(chuàng)新性地采用了三屏合一的顯示方式，即“一臺主機+三拼接屏”的顯示方式，使10座隧道的情況可同時顯示。前期對三屏拼接方案的可實現性和實現效果進行了驗證，硬件上通過使用多屏顯卡，軟件上通過驅動、設置軟件等實現，分辨率可達到7680×1080，對運行速度、畫面顯示效果等進行了測試，結果顯示畫面顯示完整、速度未見減慢，對于左黎高速多隧道的監(jiān)控界面顯示較為適用。

2.4 界面設計

高速公路隧道監(jiān)控系統的職責是實時監(jiān)測隧道內的交通狀況、機電設備運行狀態(tài)、洞內一氧化碳濃度、能見度等環(huán)境參數，并對隧道運行進行有效的智能化管理，監(jiān)控系統的應用可使高速公路隧道的運營管理水平更加科學。

考慮到監(jiān)控系統的操作人員是隧道管理員和監(jiān)控員，而非計算機專業(yè)人員，所以系統界面設計上盡可能做到清晰直觀、功能實用、操作便捷。

監(jiān)控系統的畫面內容可分為3部分：

a）第一部分是隧道背景畫面、設備圖形標志、設備編號或樁號信息和文字提示等。本隧道群監(jiān)控系統涉及10座隧道，因此界面設計時首先按照隧道長度比例計算將各自隧道背景圖素排列在底層，并標明人行/車行橫洞以及行車方向。頂端顯示系統名稱、當前登錄人員、時間以及各子系統切換按鈕。

b）第二部分是設備運行狀態(tài)的實時顯示。實現方法是在靜態(tài)的設備圖素上鏈接相應數據，周期性地進行動態(tài)刷新。界面實時顯示隧道內交通信號燈、車道指示標志、照明燈具、風機、情報板、火災報警設備等機電設備的運行狀態(tài)及車流量、車道占有率、平均車速、CO濃度、能見度、隧道內外光強、風速風向等詳細數據信息。同時使用不同顏色來分別顯示設備不同的報警狀態(tài)，當設備出現故障或報警時，相應位置的設備圖素可直觀地顯示并發(fā)出報警聲。

c）第三部分是控制按鈕及彈出的控制窗口?？刂瓢粹o用于執(zhí)行按鈕下的控制腳本，用戶可使用控制窗口對設備下發(fā)操作命令。

2.5 功能實現

隧道監(jiān)控系統的功能可概括為：實時檢測、監(jiān)視異常狀況、采取措施、排除故障。隧道群監(jiān)控系統功能主要包括交通監(jiān)控、照明監(jiān)控、通風監(jiān)控、消防監(jiān)控、視頻監(jiān)控等子系統，各子系統邏輯構成上相對獨立，而在聯動模式下又可成為一體，既避免由于某一子系統出故障而影響其他系統的運行，又可保證整個系統的聯動運行。

2.5.1 交通監(jiān)控

交通監(jiān)控子系統顯示車道指示標志、交通信號燈、可變情報板、可變限速標志和車檢器的實時信息。用戶可以單擊所需控制的設備，在彈出的對話框中對設備進行單獨控制，也可以對各個車道或者左右洞交通誘導設備進行群控。

2.5.2 通風監(jiān)控

通風監(jiān)控子系統可動態(tài)顯示監(jiān)控區(qū)段內通風設備的工作狀態(tài)和CO/VI檢測儀、風速風向檢測儀等設備采集的實時信息。用戶可以單擊所需控制的風機圖標，在彈出的對話框中對相應設備下發(fā)控制命令，風機停止命令下發(fā)后的20 s內無法對風機進行啟動操作。通風自動控制模式下，若系統檢測到某隧道CO/VI值超過閾值，則會彈出報警界面，并伴有報警聲音。若經判斷，確定為有效報警，則會彈出是否開啟或關閉周邊風機的提示，供用戶選擇。若經判斷，確定為無效報警，則點擊“誤報”按鈕或不操作即可。

2.5.3 照明監(jiān)控

照明監(jiān)控子系統可動態(tài)顯示監(jiān)控區(qū)段內照明設備的工作狀態(tài)及洞內外亮度值，點擊對應的照明圖標可對其下發(fā)控制命令。照明控制模式分為手動控制模式、時序控制模式、智能控制模式等，用戶可根據實際情況切換。

2.5.4 消防監(jiān)控

消防監(jiān)控子系統可動態(tài)顯示監(jiān)控區(qū)段內卷簾門、消防水泵、水位等消防設備的工作狀態(tài)，接收火災報警信號，并在火災報警的位置發(fā)出警報，同時經過閉路電視監(jiān)視子系統自動將報警地點處的攝像機監(jiān)視畫面切換在相應的工作站顯示器和大屏幕投影屏上，同時提供控制方案，待值班員經其他手段確認后完成后續(xù)操作。

2.5.5 視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控子系統可將對應位置處的攝像機圖像切換至大屏幕上，也可以對攝像機進行拉近/拉遠視野和上、下、左、右移動控制。將鼠標懸停在遙控球機上時，會有攝像機編號的提示文本。

2.5.6 數據查詢

數據查詢子系統能統計查詢監(jiān)控系統存儲的所有歷史數據，并能生成、保存、導出和打印各種報表。報表類型主要包括日報表、月報表、年報表等內容。

2.6 應急聯動

由于項目涉及多個長大隧道，為此設計了盡可能完善的應急聯動功能。應急聯動功能是為了保證高速公路行車安全，在突發(fā)緊急事件（如火災、交通事故、隧道堵塞等）時，系統自動調用預先設置的應急預案，對監(jiān)控系統內所有子系統進行聯動控制，以達到及時、高效處理突發(fā)事件，保證高速隧道通暢運行的目的[3]。

以火災聯動預案為例，其設計流程如圖1所示。

圖1 火災聯動預案流程圖

系統的應急聯動功能增強了隧道對于突發(fā)緊急事件的應急處理能力，為保證隧道及整個高速公路的行車安全奠定基礎。

3 結語

針對左黎高速項目設計的特長監(jiān)控群監(jiān)控系統實現了通過先進的監(jiān)控和管理手段對整個管理區(qū)段的協調控制，可及時發(fā)現和處理突發(fā)事件，防止二次事故的發(fā)生，確保隧道保持最佳運行狀態(tài)。目前系統在項目現場運行穩(wěn)定，實現了既定目標。