基于PLC的公路隧道通風(fēng)與照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫 健

（江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000）

0 引言

隨著我國(guó)對(duì)公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入增加，交通基礎(chǔ)設(shè)施有了質(zhì)的飛躍，在通往山區(qū)丘陵地區(qū)的高速公路中，出現(xiàn)了許多公路隧道。我國(guó)國(guó)土有近7 成屬于山地丘陵地區(qū)，高速公路的建設(shè)不可避免地將面臨眾多隧道路段的建設(shè)。大隧道、隧道群和橋隧聯(lián)合的路段建設(shè)，也對(duì)我國(guó)隧道主體建設(shè)水平和環(huán)境系統(tǒng)監(jiān)控水平提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)[1]。由于高速公路隧道交通的特殊性，隧道安全問(wèn)題包括照明、通風(fēng)、消防等監(jiān)控系統(tǒng)的指標(biāo)性能也逐漸受到重視。當(dāng)前，許多長(zhǎng)隧道都按照要求配置了隧道機(jī)電監(jiān)控系統(tǒng)，用以保障隧道內(nèi)的行車安全。但是大多數(shù)隧道機(jī)電監(jiān)控軟硬件由于技術(shù)不成熟或者年代久遠(yuǎn)，無(wú)法充分發(fā)揮作用，同時(shí)需要大量的人力和電力來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)，使相關(guān)管理部門壓力較大。隧道內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)和照明系統(tǒng)不能充分滿足行車安全的需求，這造成了很大的安全隱患[2]。因此，隧道內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)的有效性、節(jié)能環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性運(yùn)營(yíng)成了當(dāng)前交管部門及其他多方管理者關(guān)注的重要議題，也是當(dāng)前隧道監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的方向。采用現(xiàn)代化的技術(shù)，通過(guò)穩(wěn)定性強(qiáng)、具有可擴(kuò)展性的隧道環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)通風(fēng)消防、供電照明，有效地降低事故發(fā)生率，確保隧道內(nèi)行車安全。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能分析

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體上要具備如下5 條功能性要求：1）保障隧道內(nèi)行車安全，發(fā)揮交通效率。2）系統(tǒng)可靠性，局部設(shè)備的故障不會(huì)造成系統(tǒng)全面癱瘓，采取必要的措施。3）通過(guò)搜集交通、環(huán)境等信息，對(duì)交通流進(jìn)行可行誘導(dǎo)和控制。4）具備投資低廉，運(yùn)營(yíng)及維護(hù)成本較小，性能比高的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)，減輕多方的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。5）系統(tǒng)操作便捷，且未來(lái)具備可擴(kuò)展性，便于日后的功能升級(jí)。通過(guò)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)整體的作用進(jìn)行分析，進(jìn)一步了解隧道內(nèi)的通風(fēng)與照明系統(tǒng)應(yīng)該滿足的具體功能。

1.1 隧道自動(dòng)控制系統(tǒng)組成

對(duì)于高速公路中的隧道系統(tǒng)，由于受隧道特殊的通車環(huán)境影響，大部分需要構(gòu)建隧道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以確保隧道內(nèi)通車的安全暢順[3]。該系統(tǒng)主要包括控制上位機(jī)等構(gòu)件，如圖1 所示。系統(tǒng)核心部分都在上位機(jī)，隧道管理人員通過(guò)該設(shè)備能夠有效監(jiān)測(cè)到隧道內(nèi)車輛運(yùn)行狀況。由上位機(jī)發(fā)出信號(hào)，對(duì)其他設(shè)備進(jìn)行管控，主要包括監(jiān)測(cè)設(shè)備以及照明通風(fēng)等設(shè)備。

圖1 隧道自動(dòng)控制系統(tǒng)

自動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括以下4 種功能。

1.1.1 操作功能

能夠接收隧道各子系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行分析、處理、顯示、查詢等。對(duì)隧道現(xiàn)場(chǎng)的各類設(shè)備下達(dá)指令，進(jìn)行各類設(shè)備的有效控制。將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，并連入數(shù)據(jù)庫(kù)和外網(wǎng)，方便管理者查詢，實(shí)時(shí)查看隧道內(nèi)的詳細(xì)信息。不同授權(quán)的管理者可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)隧道現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備下達(dá)控制指令。具備故障預(yù)警機(jī)制，檢測(cè)子系統(tǒng)和設(shè)備的正常運(yùn)行。

1.1.2 信息綜合顯示功能

能夠在監(jiān)控室內(nèi)顯示隧道內(nèi)行車狀況的重要信息，包括檢測(cè)設(shè)備采集的檢測(cè)數(shù)值；照明設(shè)備和風(fēng)機(jī)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)顯示；主要機(jī)電設(shè)備故障的顯示；隧道內(nèi)行車情況顯示，如車流量、平均行車速度等；車道控制標(biāo)志、可變限速標(biāo)志、交通信號(hào)燈、狀態(tài)顯示等綜合信息的顯示。

1.1.3 各子系統(tǒng)集成的功能

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)綜合布線系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)功能等集成到統(tǒng)一的系統(tǒng)之中，使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信息能夠在各個(gè)子系統(tǒng)中充分傳輸和共享共用，通過(guò)數(shù)據(jù)的傳輸、處理，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道行車現(xiàn)狀的高效實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。

1.1.4 隧道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的管理

對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠進(jìn)行管理，包括能夠記錄主要設(shè)備的運(yùn)行情況，運(yùn)行信息的傳輸、處理和存儲(chǔ)的安全性，根據(jù)需要對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行有效查詢，制作和輸出相關(guān)圖表和報(bào)表等。

1.2 隧道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能分析

隧道是半封閉環(huán)境，根據(jù)《高速公路隧道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模式》的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)峪園隧道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為3 個(gè)子系統(tǒng)，中心監(jiān)控子系統(tǒng)、通風(fēng)控制子系統(tǒng)和照明控制子系統(tǒng)。各個(gè)子系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)如圖2 所示。

隧道內(nèi)車輛能夠安全順暢的運(yùn)行，主要由幾方面的環(huán)境因素決定，因此，為了隧道內(nèi)行車安全和確保正常運(yùn)轉(zhuǎn)，重點(diǎn)對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1.2.1 照明監(jiān)測(cè)

隧道內(nèi)的自然光線不足，因此需要照明系統(tǒng)為駕駛員提供足夠明亮的視野環(huán)境，為了確保照明系統(tǒng)正常運(yùn)行，需要通過(guò)照明數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，來(lái)保證設(shè)備在穩(wěn)定工作。公路隧道照明可以改善隧道內(nèi)路面狀況，改善隧道內(nèi)視覺(jué)效果，同時(shí)能夠減輕駕駛員疲勞，有利于提高隧道通行能力，保證交通順暢。隧道照明是從入口階段逐漸過(guò)渡過(guò)去，容易造成一定的視覺(jué)差距，存在事故隱患。為了保證公路隧道的正常行駛，盡量避免交通事故，通過(guò)照明數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)來(lái)保證隧道內(nèi)的照明設(shè)備均衡充足，以確保隧道行車安全。

1.2.2 有毒氣體監(jiān)測(cè)

公路隧道內(nèi)的有毒氣體主要包括甲烷（CH4，瓦斯）和一些揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC），這些氣體燃燒一旦發(fā)生爆炸，將會(huì)帶來(lái)極大的危害。隧道兩邊的隧道口相對(duì)較小，和隧道整條空間相比，隧道進(jìn)出口直徑偏小，一些有害氣體不能有效的排除，會(huì)對(duì)駕駛員帶來(lái)危險(xiǎn)從而危害身心健康。如果隧道內(nèi)有害氣體過(guò)濃，容易造成安全事故，會(huì)嚴(yán)重影響駕駛員的人身安全。然而，隧道內(nèi)如果想及時(shí)排放有毒氣體，需要在隧道內(nèi)安裝實(shí)時(shí)檢測(cè)有害氣體監(jiān)控系統(tǒng)，才能夠確保隧道內(nèi)的行車安全[4]。

1.2.3 風(fēng)速監(jiān)測(cè)

隧道內(nèi)的環(huán)境比較特殊，屬于狹長(zhǎng)的氛圍，尤其是隧道兩邊的入口，由于風(fēng)速過(guò)大，是影響車輛行駛安全的重要因素。為了確定隧道內(nèi)的平均風(fēng)速需要合理布置風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)，減少隧道內(nèi)行車安全隱患。

1.2.4 能見(jiàn)度監(jiān)測(cè)

隧道是交通事故多發(fā)的地段，由于特殊的地理環(huán)境，隧道內(nèi)彎道多、彎道急。燈光條件有限，極大影響行車安全。因此需要提高隧道內(nèi)能見(jiàn)度，為乘客提供安全、平穩(wěn)、健康的出行服務(wù)。高能見(jiàn)度確保駕駛車輛與前后車輛保持良好的安全距離，并有足夠的時(shí)間應(yīng)對(duì)意外。隧道本身受到暗光、半環(huán)境空間等原因的影響，使隧道內(nèi)的能見(jiàn)度具有局限性。因此要安裝隧道能見(jiàn)度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，隨時(shí)監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)的光線質(zhì)量，保障車輛順利通行。

2 基于PLC隧道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

峪園隧道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由多個(gè)監(jiān)控子系統(tǒng)構(gòu)成，各子系統(tǒng)需要通過(guò)協(xié)調(diào)配合，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)隧道內(nèi)行車狀況的聯(lián)動(dòng)控制。因此，需要實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)的功能集成。即通過(guò)結(jié)構(gòu)化的綜合布線系統(tǒng)，將設(shè)備、信息和功能等集成，使資源充分共享，體系系統(tǒng)功能高效集中[5]。這樣能夠建立整體體系，提高系統(tǒng)質(zhì)量和效率，降低運(yùn)營(yíng)成本。同時(shí)，通過(guò)自動(dòng)化系統(tǒng)工作模型，減少人為操作和主觀因素空間，提升工作效率，整合子系統(tǒng)的功能，充分利用軟硬件資源，有利于系統(tǒng)功能的擴(kuò)充，提高了運(yùn)營(yíng)管理集成度，減少重復(fù)投資，最終使中心監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與維護(hù)管理系統(tǒng)融為一體，發(fā)揮作用。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，以隧道運(yùn)營(yíng)安全為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合峪園隧道具體情況，對(duì)該隧道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)遵循 “安全、經(jīng)濟(jì)、適用”的設(shè)計(jì)原則[6]。根據(jù)峪園隧道的長(zhǎng)度、交通量來(lái)設(shè)置系統(tǒng)監(jiān)控等級(jí)，并以系統(tǒng)監(jiān)控等級(jí)為基礎(chǔ)，來(lái)安裝系統(tǒng)硬件設(shè)施，進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

圖2 峪園隧道監(jiān)控系統(tǒng)通風(fēng)與照明子系統(tǒng)功能框圖

2.1 項(xiàng)目概況

峪園公路由湖南省路橋公司和張家界國(guó)家森林公園管理處投資建設(shè)，采用國(guó)家山嶺重丘二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)來(lái)建設(shè)，耗資1.35 億元，其中的張家界峪園隧道是通往張家界國(guó)家森林公園的重要通道，全長(zhǎng)2 714 m，雙向2 車道，隧道高9 m，寬11 m，設(shè)計(jì)時(shí)速為40 km/h。

2.2 系統(tǒng)信息采集設(shè)備

按照監(jiān)測(cè)要求如下。

2.2.1 隧道COVI檢測(cè)器

TC4-AQM 檢測(cè)器能夠檢測(cè)隧道內(nèi)的能見(jiàn)度以及CO 濃度，再上傳給系統(tǒng)核心，根據(jù)上位機(jī)發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行通風(fēng)等相關(guān)指令操作。檢測(cè)器上的接口能夠與其他設(shè)備銜接，對(duì)收集到的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析重組。

2.2.2 隧道風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)器

隧道壁右側(cè)安有風(fēng)速檢測(cè)器，和其他設(shè)備配合使用共同監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)的風(fēng)速風(fēng)向，并獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)接口通過(guò)數(shù)據(jù)線可以直接與筆記本電腦連接，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行核查篩選。探頭內(nèi)裝有單元集成，輸出的信號(hào)量再上傳至上位機(jī)。

2.2.3 照度監(jiān)測(cè)儀

光照強(qiáng)度監(jiān)測(cè)儀能夠有效監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)的能見(jiàn)度，安裝在隧道口內(nèi)外，根據(jù)隧道的具體環(huán)境以及隧道長(zhǎng)度安裝一定數(shù)量的檢測(cè)儀器，能夠有效地監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)的照明度。

2.3 系統(tǒng)組態(tài)

2.3.1 程序控制策略設(shè)計(jì)

按照高速公路的有關(guān)文件規(guī)定，結(jié)合峪園隧道的自身實(shí)際狀況，提出“安全、可靠、經(jīng)濟(jì)”的程序控制設(shè)計(jì)目標(biāo)。首先根據(jù)峪園隧道的交通量來(lái)確定程序監(jiān)控的等級(jí)，提前布置好硬件設(shè)施；然后構(gòu)建滿足程序控制目標(biāo)的子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)程序監(jiān)控的各項(xiàng)功能；最后是利用組態(tài)軟件開發(fā)出良好的控制預(yù)案和控制界面[7]。系統(tǒng)功能主要是實(shí)時(shí)采集隧道路段上的環(huán)境信息和交通信息，及時(shí)地將信息上傳給隧道系統(tǒng)核心，通過(guò)隧道管理人員對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理后對(duì)隧道交通狀況做出正確指示，下達(dá)可行的控制指令，保證隧道內(nèi)交通穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)確保運(yùn)行管理成本可控。程序控制策略包括以下3 種子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.3.1.1 通風(fēng)控制程序

隧道在機(jī)電施工時(shí)就已經(jīng)布置好射流風(fēng)機(jī)，作為隧道的通風(fēng)動(dòng)力設(shè)施，對(duì)隧道內(nèi)的CO 等有毒氣體進(jìn)行排除。CIVI 檢測(cè)器作為風(fēng)向檢測(cè)儀，也要接入PLC 及峪園隧道管理站的現(xiàn)場(chǎng)控制器（PLC），對(duì)CO 濃度和煙霧濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集及傳輸，由PLC 通過(guò)控制程序，對(duì)采集數(shù)據(jù)做出判斷，控制射流風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的控制預(yù)案。

2.3.1.2 照明控制程序

峪園隧道在主體建設(shè)過(guò)程中就已經(jīng)布置了照明燈具，根據(jù)隧道長(zhǎng)度分為5 段照明。通過(guò)光亮檢測(cè)儀檢測(cè)隧道內(nèi)外照明亮度，照明分級(jí)以及交通量等情況，將檢測(cè)到的參數(shù)接入PLC，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信上位機(jī)，給PLC 下達(dá)控制指令，對(duì)照明燈具開關(guān)進(jìn)行控制。實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)照明控制的智能化，保證隧道內(nèi)的駕駛員在任何分段都能夠適應(yīng)環(huán)境，在最佳光照環(huán)境下通行。

2.3.1.3 交通控制程序

峪園隧道通行采用雙向雙車道，需要在隧道兩段的出入口設(shè)置交通信號(hào)燈、可變情報(bào)板和可變限速標(biāo)志；在隧道內(nèi)部設(shè)置環(huán)形線圈車輛檢測(cè)器，連入隧道PLC，采集交通信息并傳遞給PLC，根據(jù)PLC 的控制程序發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制的閉環(huán)控制程序。

2.3.2 PLC選型

目前，公路隧道的現(xiàn)場(chǎng)控制器都采用PLC 來(lái)搜集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采集的所用信息，進(jìn)行預(yù)處理并傳輸給中心計(jì)算機(jī)，并接收控制指令來(lái)控制執(zhí)行設(shè)備。峪園隧道選用S7-300 系列模塊化PLC，該硬件兼容性強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)車輛檢測(cè)器、COVI 檢測(cè)器、亮度檢測(cè)器等環(huán)境檢測(cè)設(shè)備的控制、控制功能要求設(shè)計(jì)需要。

3 結(jié)論

交通是國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)重要的設(shè)施，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有十分重要的地位。在高速公路網(wǎng)建設(shè)中，隧道的出現(xiàn)有效解決了擁堵問(wèn)題。用以幫助和緩解由于密度大而造成的建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問(wèn)題，對(duì)交通建設(shè)起著關(guān)鍵的作用，能夠有效提高運(yùn)輸效率，縮短交通距離[8]。同時(shí)隧道環(huán)境監(jiān)測(cè)受到普遍關(guān)注，對(duì)于隧道內(nèi)的照明以及氣體排放、能見(jiàn)度等關(guān)鍵因素，必須采取有力措施，確保隧道內(nèi)車輛安全運(yùn)行。以峪園公路峪園隧道為例，選用以三菱作為上位，按照高質(zhì)量的結(jié)隧道檢測(cè)器、照度監(jiān)測(cè)儀，風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)器，組成隧道通風(fēng)機(jī)照明的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制，滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的安全性、可控性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性要求，達(dá)到隧道內(nèi)行車安全和運(yùn)營(yíng)節(jié)能的目的。