公路隧道環(huán)境監(jiān)測及控制系統(tǒng)設計

郭大偉　鄭晅?李雪

摘 要：針對公路隧道通風數(shù)據(jù)采集量大、人工工作強度大的問題，設計開發(fā)了一套公路隧道環(huán)境監(jiān)測及控制系統(tǒng)。為了方便實時查看隧道內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)信息和控制操作變量，開發(fā)了遠程計算機操作軟件。通過登錄電腦客戶端，用戶可以隨時查看公路隧道內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，如空氣溫度、風速、濕度和氣壓等，并對環(huán)境參數(shù)進行操作控制。論文構建的環(huán)境監(jiān)測及控制系統(tǒng)將溫濕度等傳感器、數(shù)據(jù)傳輸技術、終端等相結(jié)合，采集公路隧道環(huán)境參數(shù)并對其進行控制，對公路隧道節(jié)能、智能運營具有重要的建設意義。

關鍵詞：監(jiān)控;數(shù)據(jù)采集;公路隧道運營;物聯(lián)網(wǎng);光端機;傳感器

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）03-00-03

0 引 言

隨著我國交通建設的不斷推進，長隧道以及特長隧道的數(shù)量不斷增多。隧道內(nèi)交通量增多，隧道污染物濃度也隨之逐年增加，傳統(tǒng)的隧道運營控制方式已難以滿足需求。為了節(jié)約運營成本就必須對隧道內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進行采集，實現(xiàn)隧道智能運營控制。此外，公路隧道環(huán)境參數(shù)的采集與處理事關隧道安全運營，在實現(xiàn)隧道智能交通運輸以及保障行車安全等方面發(fā)揮著重要作用。因此，設計合理有效的隧道環(huán)境參數(shù)采集方案，研發(fā)隧道環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)至關重要[1-5]。

當前，計算機技術已被廣泛應用于隧道工程領域，意在實現(xiàn)隧道建設以及運營的智能化。本系統(tǒng)將計算機與智能運營聯(lián)系起來，由設置在隧道各處的傳感器采集隧道內(nèi)外環(huán)境參數(shù)，并通過有線或無線網(wǎng)對所采集數(shù)據(jù)傳輸至服務器，由數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行存儲，方便進行數(shù)據(jù)處理以及調(diào)用[6-9]。在系統(tǒng)監(jiān)測過程中，傳感器采集的數(shù)據(jù)會不斷上傳至數(shù)據(jù)庫。隧道運營管理部門在查看數(shù)據(jù)時可以手動設置查看條件，根據(jù)參數(shù)設置對數(shù)據(jù)進行篩選，同時系統(tǒng)可以自動生成折線圖，方便直觀觀察，并且可以隨時通過電腦終端查看，無需長時間值守于隧道內(nèi)，實現(xiàn)了勞動力的解放。

本文基于物聯(lián)網(wǎng)設計構建了公路隧道環(huán)境監(jiān)測及控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的設計可以在近期進行科學研究并進行相關數(shù)據(jù)的收集，在遠期可作為隧道運營的監(jiān)控設施，方便進行隧道管理與通風系統(tǒng)內(nèi)風閥的控制。隧道運營管理部門可以實時對隧道環(huán)境參數(shù)進行查看，對隧道內(nèi)通風系統(tǒng)設施的運行狀態(tài)進行調(diào)節(jié)，并為隧道管理提供決策服務，節(jié)約能源。

1 系統(tǒng)設計

基于物聯(lián)網(wǎng)的公路隧道環(huán)境監(jiān)測及控制系統(tǒng)能夠方便用戶隨時了解隧道內(nèi)的環(huán)境參數(shù)信息，只需登錄電腦客戶端，系統(tǒng)就可以與服務器對應的數(shù)據(jù)庫連接。數(shù)據(jù)庫的管理系統(tǒng)可以根據(jù)操作者的需求對數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進行篩選，最終只顯示操作者需要的數(shù)據(jù)。通過電腦終端就可以實時了解隧道內(nèi)的各種環(huán)境參數(shù)，同時也可以設定時間間隔。此外，系統(tǒng)還可以查找隧道內(nèi)的歷史環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，自動生成歷史數(shù)據(jù)折線圖，方便隧道運營部門等操作者直觀查看。通過對隧道內(nèi)各種環(huán)境參數(shù)信息的監(jiān)測以及控制，可以對隧道內(nèi)的通風機電系統(tǒng)進行分狀態(tài)的智能控制，以實現(xiàn)隧道運營智能化、節(jié)能化[10]。

通過登錄計算機客戶端，用戶即可進入系統(tǒng)。公路隧道環(huán)境監(jiān)測及控制系統(tǒng)由上位機系統(tǒng)和分散在隧道各監(jiān)測點的總線式數(shù)據(jù)集中采集系統(tǒng)組成。分散在隧道各監(jiān)測點的總線式數(shù)據(jù)集中采集系統(tǒng)采用光纜傳輸方式，將總線式數(shù)據(jù)集中采集儀采集的風速變送器、風向變送器、氣溫變送器、壓力變送器的數(shù)字信號通過光端機及交換機傳送至隧道遠程控制系統(tǒng)。為了減少變送器與光端機主線之間的接口數(shù)量，各變送器采用相同總線方式傳輸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示。

為滿足整個監(jiān)控系統(tǒng)的正常運行，數(shù)據(jù)庫、光端機以及傳感器之間可以采用主干網(wǎng)絡和子網(wǎng)絡、有線網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡相結(jié)合的方式。主干網(wǎng)絡可由光纖傳輸?shù)葌鬏斔俣容^快、可靠性較高的網(wǎng)絡構成，保證信息向上或者向下傳輸;子網(wǎng)絡可采用ZigBee等無線傳感網(wǎng)絡，用于光端機之間的信息交換，最后統(tǒng)一于有線網(wǎng)絡，實現(xiàn)信息傳送以及整個系統(tǒng)的信息存儲、計算以及控制?；緜鬏斶\行機制如圖2所示。

2 系統(tǒng)功能模塊

本論文設計系統(tǒng)可以分成6個功能模塊，分別為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、可視化模塊以及智能控制模塊。系統(tǒng)模塊如圖3所示。

基于物聯(lián)網(wǎng)的公路隧道環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中每個模塊的主要功能如下：

（1）數(shù)據(jù)采集模塊：實現(xiàn)對隧道內(nèi)環(huán)境包括風速、風壓、溫度以及濕度等相關數(shù)據(jù)進行采集;

（2）數(shù)據(jù)傳輸模塊：將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)庫以及控制指令等信息的有效發(fā)送;

（3）數(shù)據(jù)管理模塊：實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的存儲、調(diào)用等;

（4）數(shù)據(jù)處理模塊：系統(tǒng)可以根據(jù)操作者的需求對數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進行篩選，顯示所需數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以用折線圖的方式顯示歷史數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)變化的歷史規(guī)律，方便用戶分析;

（5）可視化模塊：系統(tǒng)通過主界面可以顯示隧道內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，例如風速、風向、溫度等，此外，系統(tǒng)在顯示界面也可以實現(xiàn)傳感器在隧道內(nèi)放置位置的顯示，方便用戶根據(jù)傳感器的位置對數(shù)據(jù)進行篩選;

（6）智能控制模塊：系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠程控制以及對數(shù)據(jù)采集傳感器狀態(tài)的控制等。

3 系統(tǒng)運行

圖4所示為公路隧道環(huán)境監(jiān)測及控制系統(tǒng)實際應用效果展示界面。主界面主要包括3部分，分別為監(jiān)測裝置放置部分、數(shù)據(jù)展示部分以及用戶操作部分。監(jiān)測裝置放置部位圖在圖4左側(cè)，顯示了各種數(shù)據(jù)采集傳感器監(jiān)測點在隧道主洞以及附屬設施上的布置位置。數(shù)據(jù)展示部分在圖4右側(cè)上部，顯示了各監(jiān)測點上的數(shù)據(jù)采集情況，包括風速、風向、溫度、濕度以及氣壓。

用戶操作部分在圖4右側(cè)下部，主要包括數(shù)據(jù)篩選、圖形展示以及控制功能。其中數(shù)據(jù)篩選功能和圖形展示功能可以相互引用，主要區(qū)別是進行數(shù)據(jù)篩選時參數(shù)條件選擇的不同。數(shù)據(jù)篩選功能主要根據(jù)監(jiān)測點進行數(shù)據(jù)篩選，圖形展示功能主要根據(jù)時間進行數(shù)據(jù)篩選，既可以先篩選數(shù)據(jù)再進行圖形展示，也可以在圖形展示功能中根據(jù)時間參數(shù)進行數(shù)據(jù)篩選。

4 結(jié) 語

本文設計了公路隧道環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測及控制系統(tǒng)，通過傳感器監(jiān)測點實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，再通過光纖將所采集數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)庫服務器。數(shù)據(jù)采集模塊對隧道環(huán)境參數(shù)進行實時信息采集，控制模塊可以篩選監(jiān)測點數(shù)據(jù)、顯示歷史數(shù)據(jù)以及對監(jiān)測設備進行控制，后期可以實現(xiàn)對風機等通風機電設備的控制，實現(xiàn)公路隧道運營的智能化、信息化。該系統(tǒng)的建成可為隧道運營決策提供數(shù)據(jù)支撐服務，極大程度節(jié)約運營成本。同時，該系統(tǒng)研發(fā)與利用可為同類型工程運營質(zhì)量提升提供參考，符合國家資源節(jié)約型社會建設的政策，對我國公路隧道節(jié)能智慧運營有一定借鑒意義。

參 考 文 獻

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