郭志強

(山西省高速公路集團太原有限公司，山西 太原 030031)

1 研究背景

隨著我國公路建設逐漸向山區(qū)轉移，而公路隧道作為咽喉地帶，當隧道內發(fā)生交通事故時，車速降低引起CO等大量有毒氣體積聚，降低隧道能見度，影響駕駛者行車安全。車輛擁堵會排放大量有毒尾氣加劇環(huán)境污染。目前國外研究較早發(fā)展也較快。主要有日本OMRON公司在20世紀70年代中期推出CONTROLLER LINK環(huán)網控制技術[1]，具有自主控制功能；德國PHOENIX Contact公司在20世紀80年代推出INTERBUS現場總線技術，把網絡技術和自主控制相結合；美國的Echelon公司在20世紀90年代中期推出用于自動控制領域的網絡技術LONWORK分布式公路隧道監(jiān)控(TMCS)系統技術，具有真正的分布性、開放性、互操作性與適應性。

相較于國外先進檢測控制技術的應用，國內在隧道監(jiān)控系統的研究開發(fā)顯得相對落后。深圳梧桐山隧道和上海延安東路隧道在我國引入外國技術較早實現了隧道監(jiān)控[2-3]；隨后成渝高速的縉云山隧道和中梁山隧道等高等級隧道，通過自主研發(fā)與國外引進設備實現了對隧道內環(huán)境的系統監(jiān)控[4]。肖粵秀等[5]提出一種增設射流風機和軸流風機的通風系統改進方案，改善了隧道內工作面風速偏低等問題，提高了洞內空氣的質量。宋白樺等[6]提出一種基于高速公路隧道照明LED改造方案進行智能調光控制，分析隧道節(jié)能的特點，推動節(jié)能控制在工程中的實施。李得俊等[7]根據國內長大公路隧道的運營特點、監(jiān)控需求等，提出一種包括通風管理及控制、照明管理、交通檢測及誘導、閉路電視監(jiān)視管理等子系統的隧道監(jiān)控系統。丁毅等[8]提出一種基于PLC與組態(tài)軟件的城市隧道監(jiān)控系統集成方案。彭飛[9]在上海延安東路隧道中為了掌握隧道動態(tài)數據，利用自動化傳感器及互聯網技術進行實時監(jiān)控，使隧道安全可靠地發(fā)揮其交通功能。

但隧道監(jiān)測數據分析與信息管理系統還存在諸多問題：傳統的監(jiān)測系統功能不夠全面，僅是一個數據庫管理系統或簡單的數據處理系統；停留在科研開發(fā)階段，適合于工程技術人員使用的少，數據分析處理的方法比較落后，軟件自動化、智能化程度較低，真正在解決隧道安全行車問題和信息反饋時實用性還不夠。對此，結合互聯網對隧道行車安全監(jiān)測響應系統進行設計就顯得十分必要。

2 設計方案

2.1 設計思路

隧道內環(huán)境狀況監(jiān)控內容主要有：氣體環(huán)境(CO濃度、煙霧濃度)、溫度、濕度、光照強度、風速、噪音等，根據傳感器采集數據信息，依據隧道內自然環(huán)境特點對隧道內的安全情況進行預警。

1)一級預警。當濃度超過一定濃度，區(qū)域控制設備響應，增加相關區(qū)域數據監(jiān)測頻率，增大風機功率以快速排出有害氣體，并相應觸發(fā)判斷機制。持續(xù)監(jiān)測相關隧道后續(xù)氣體濃度，若一段時間后濃度始終高于預警值，則自動提高預警等級與二級預警享有相同優(yōu)先級。

2)二級預警。氣體含量超過一級濃度預警，啟動GSM基站向相關交管部門發(fā)出信號，判斷是否需要進一步提高預警等級、是否發(fā)生火災(火災預警系統包括隧道內溫度檢測、明火檢測，隧道內手動預警裝置也會觸發(fā)火災警報)。若定為二級預警，開啟隧道相關提示設備(如可變信號牌、隧道內語音提示、險情指示燈)，并實時將現場情況持續(xù)發(fā)送交管中心。

3)三級預警及火災響應。若交管中心判斷隧道內有害氣體濃度已達到三級響應或發(fā)生火災險情，啟動最高響應：開啟隧道內水霧噴淋系統；開啟道路兩旁的應急出口供隧道內人員緊急疏散；在隧道兩端封閉車道，禁止車輛駛入；將事故信息及時反饋至120指揮中心及消防中心作出火災事故應急響應；發(fā)布信息至隧道沿線附近車輛的車載導航系統，告知駕駛員前方險情。

2.2 功能分析

2.2.1 基礎設備層。

由隧道內相關設備組成，分為預警設備、交通誘導設備、環(huán)境調控設備三部分。

1)預警設備用于對隧道內環(huán)境情況進行數據收集與反饋。緊急電話與按鈕、雙波長明火檢測對隧道內發(fā)生的火情進行監(jiān)控并向上級發(fā)出預警。COVI傳感器對隧道內的氣體環(huán)境進行監(jiān)控，風速風向檢測儀將數據實時反饋至隧道區(qū)域控制設備。非預警響應狀態(tài)下，由隧道出入口處地感線圈監(jiān)測隧道內交通量，根據交通量控制風機工作功率。

2)交通誘導設備用于對預警設備測得的異常狀況作出自動預警。隧道中的可變情報板、交通信號燈、可變信息標志等提示駕駛員隧道氣體濃度發(fā)生異常。當交管中心發(fā)出最高級響應需要關閉隧道時，隧道兩端會響應而關閉隧道。

3)環(huán)境調控設備包括隧道排氣系統、照明系統。傳感器測定濃度超過閾值后PLC做出快速反應，將隧道相關區(qū)段的風機調整為高功率狀態(tài)增加稀釋有害氣體的能力；當隧道內能見度降低，照明系統提高亮度避免駕駛員因隧道內亮度不足引起交通安全事故；當發(fā)生火災響應，開啟區(qū)域水霧噴淋裝置防止火勢進一步蔓延，打開緊急逃生通道防止因交通堵塞，駕駛員無法及時逃出危險區(qū)域。

2.2.2 處理控制層

隧道內置數據處理單元，通過PLC(可編程邏輯控制器)處理傳感器收集的數據，識別事故預警等級：低預警等級下環(huán)境調控設備自行處理；高預警等級，將預警信號報告交管中心，等待其對隧道內狀況做出指示后，處理控制層響應。

2.2.3 數據傳輸層

在此建立通信基站，借助互聯網平臺實現數據傳輸。傳感器收集到的數據經過PLC處理后，如果濃度超出預警條件則發(fā)出報警信號，Internet單片機收到報警信號后，通過3G無線網絡將報警信號、傳感器數據連同視頻圖像信息發(fā)送到交管中心，由交管中心判斷是否升級為二級預警。如果預警等級升級為二級，預警信息經過無線網絡傳到單片機，在經過PLC處理后，控制隧道內電子屏提示、語音提示、險情指示燈等響應。隧道二級預警時若火情手動報警被觸發(fā)，PLC自動提升預警級別為三級，三級預警信號再次經無線網絡傳到交管中心，等待響應。

2.2.4 管理部門響應層

交管中心接收到隧道相關數據，結合現場的實時視頻圖像資料分析是否采用三級預案、是否發(fā)生火災。將隧道內情況投放至監(jiān)控大屏幕并通報相關單位(消防和醫(yī)療)進行緊急動員處理。若確認發(fā)生火災，反饋至隧道噴淋裝置、阻斷隧道進口處車輛，防止發(fā)生擁堵及一系列次生交通事故。

2.2.5 用戶層

用戶層的隧道安全信息發(fā)送功能依托于中心導航系統。當交管中心接到三級報警信號時，將報警信號及火災地點等信息通過無線網絡發(fā)送至車載信息系統服務中心，并發(fā)出控制請求。車載信息系統服務中心接到信息后通過GPS導航系統確定以火災地點為中心一定范圍內的車輛，將反饋控制信息發(fā)送至相應的車載終端。車載終端接收到控制信息后，告知駕駛員隧道火災位置與汽車間的距離、前方隧道禁止通行等信息。

2.3 系統設計

系統設計主要包括以下內容：①傳感器、地感線圈、風機等裝備布設個數與位置的選擇；②三個級別的預警濃度閾值設定；③管理中心與駕駛員對接，利用互聯網車載導航系統的交通誘導策略。

2.4 電路設計

自動報警控制電路中，內部電路核心構件為單片機，在單片機的前向通道有傳感器信號采集電路。該信號采集電路包含信號采樣電路、信號放大電路、信號比較電路。單片機的后向通道分別包含三極管T2、繼電器KM1和三極管T3、繼電器KM2的兩路控制電路。其中繼電器KMl的常開觸點KM1-l和繼電器KM2的常閉觸點，KM2-l串接于預警系統1的供電回路，繼電器KM1的常閉觸點KM1-2和繼電器KM2的常閉觸點KM2-1串接于預警系統2的供電回路。

內部電路包含一個單片機IC3，在單片機的前向通道有傳感器信號采集電路。該信號采集電路由傳感器、射極電阻R1、輸出電阻R2構成信號采樣電路。輸入端與信號采樣電路的輸出端相連，由集成運放芯片IC1、電阻R3構成信號放大電路；輸入端與信號放大電路的輸出端相連，由集成運放芯片IC2、電阻R4構成信號比較電路。信號比較電路的輸出端與單片機相連，在單片機的后向通道包括由三極管T2、三極管T2的基極電阻R5和R6、串接于三極管T2基電極的繼電器KM1和三極管T3、三極管T3的基極電阻R7和R8、串接于三極管T3基電極的繼電器KM2構成兩路控制電路。其中繼電器KM1的常開觸點KM1-1和繼電器KM2的常閉觸點KM2-1串接于預警系統1的供電回路，繼電器KM1的常閉觸點KM1-2和繼電器KM2的常閉觸點KM2-1串接于預警系統2的供電回路。

1)閉合電源總開關K，當煙霧濃度很低時，傳感器接入的電路始終處于導通狀態(tài)，其輸出電壓經放大電路放大，足以達到比較電路的門坎電壓，比較電路的輸出信號進入單片機，在單片機軟件支持下，其后向通道的輸出線端11、12分別向兩路控制電路給出控制信號，使三極管T2、T3導通，繼電器KM1、KM2帶電，其串接與預警系統1、2供電回路的常閉觸點KM2-1、KM1-2都處于斷開狀態(tài)，預警系統1、2都不響應。

2)當煙霧濃度較高時傳感器接入的電路導通，單片機后向通道的輸出線端11輸出控制信號，三極管T2導通，繼電器KM1帶電，使串接于預警系統1的供電回路的常開觸點KM1-1閉合，串接于預警系統2的供電回路的常閉觸點KM1-2斷開，預警系統1單獨響應，發(fā)出一級預警信號。

3)當煙霧濃度很高時，傳感器接入的電路處于斷開狀態(tài)，最終使單片機后向通道的輸出線端11、12無控制信號輸出，三極管T2、T3都處于截止狀態(tài)，繼電器KM1、KM2都不帶電，預警系統2的常閉觸點KM1-2、KM2-1閉合，預警系統2響應，發(fā)出二級預警信號并報送交管中心。

3 系統功能分析

1)實時處理功能。通過微處理器將隧道內CO濃度、能見度、風向風速等氣體環(huán)境作出評價并劃分等級。若隧道內氣體濃度在可控水平則判定低等級，由系統自動調控手段自行處理。若有害氣體濃度長時間高于閾值或出現超過相應閾值則判定高等級。啟動高等級預案將隧道內視頻實時資料和統計隧道內車流量等數據發(fā)送至交通控制中心，等待控制中心作出指示。這加快了隧道內部對緊急情況的反應處理速度，同時避免隧道監(jiān)控人員長時間檢測隧道內情況而造成的麻痹心理。

2)變頻控制功能。在隧道內安裝地感線圈設備自動獲取隧道內車流量數據。根據車流量數據對射流風機的運行狀況作出調整。在車流量較小的情況下，隧道內置風機采用低能耗模式運行。當交通流量高于一定閾值或檢測有害氣體濃度已高于允許的范圍，則針對濃度過高區(qū)域加大風機排風功率。以此避免在不同交通量情況下風機均以相同功率運行所造成的能源浪費，達到節(jié)能減排的目的。

3)無線信息發(fā)布功能。在控制中心確定事故隧道需要封閉處理時，利用互聯網的快速與便捷，將相關監(jiān)控隧道情況信息快速響應發(fā)送至相關車輛內置車載終端，達到交通誘導目的。

4 結束語

通過對隧道環(huán)境的調查分析，在分析功能的基礎上，結合管理需求設計出基于互聯網的隧道安全檢測結構圖和電路設計圖。該系統可廣泛應用于隧道或地下通風較為封閉的地段，有效解決由于通風性差而影響人員安全等問題。同時龐大的隧道監(jiān)測數據為各級交管、設計施工單位在進行交通管理、隧道設計等方面提供基本的數據基礎。通過與互聯網車載終端結合，實時發(fā)布隧道信息，符合智能交通發(fā)展方向，推廣前景廣闊。

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