邱國(guó)蘇

（廈門興南洋信息技術(shù)有限公司，福建 廈門 361008）

0 引 言

高速公路隧道的建設(shè)，縮短了交通路程，為人們的出行提供了便利。但是，高速公路隧道屬于公路特殊路段，為保證交通的正常出行，需要具備供配電、照明、通風(fēng)、監(jiān)控、通信以及收費(fèi)等多個(gè)設(shè)施，增加了大量的管理工作和運(yùn)營(yíng)成本。因此，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道的高效和節(jié)能管理，隧道電力監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。電力監(jiān)控系統(tǒng)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，牽涉到許多專業(yè)的配合。為了協(xié)調(diào)好各方面工作，達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，需要深入研究電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)。

1 高速公路隧道負(fù)載分析

高速公路隧道是高速公路施工、建設(shè)以及管理的重點(diǎn)控制對(duì)象。為保證公路的正常運(yùn)營(yíng)，需要滿足其負(fù)載需求。負(fù)載需求主要包括3個(gè)方面。第一，照明負(fù)載。照明系統(tǒng)主要是避免駕駛者進(jìn)入和離開隧道時(shí)產(chǎn)生黑洞和白洞效應(yīng)。由于洞口兩端的亮度較高，因此進(jìn)口處應(yīng)隨著隧道的深入逐漸降低隧道內(nèi)照度，而出口端應(yīng)逐步提高照度。常用燈為L(zhǎng)ED燈，具有發(fā)光率高和功率低的特點(diǎn)。第二，通風(fēng)負(fù)載。通風(fēng)系統(tǒng)是確保隧道通行環(huán)境設(shè)置的負(fù)載，多采用30 kW的射流風(fēng)機(jī)或100 kW以上的軸流風(fēng)機(jī)。第三，監(jiān)控、通信以及收費(fèi)負(fù)載。監(jiān)控系統(tǒng)主要包括閉路電視、視頻監(jiān)控、火災(zāi)報(bào)警、各類檢測(cè)器、交通指示以及信號(hào)燈等，是隧道管理必不可少的系統(tǒng)。通信系統(tǒng)則是連接各個(gè)系統(tǒng)與管理單位的系統(tǒng)，主要設(shè)備為緊急電話、光纖以及通信模塊等。收費(fèi)系統(tǒng)主要包括收費(fèi)車道設(shè)備、車道監(jiān)控以及監(jiān)視墻等組成。由于監(jiān)控、通信以及收費(fèi)系統(tǒng)屬于弱電電系統(tǒng)，且24 h不能間斷，因此要采用不間斷電源供電[1]。

2 隧道電力監(jiān)控需求分析

2.1 電力監(jiān)控通用功能需求分析

對(duì)于監(jiān)控硬件設(shè)備來說，電力監(jiān)控應(yīng)具備負(fù)載回路和狀態(tài)遙信，實(shí)現(xiàn)電力參數(shù)可遙測(cè)、運(yùn)行狀態(tài)可遙控以及監(jiān)控設(shè)備參數(shù)設(shè)置可遙調(diào)等控制功能，以便于全方位運(yùn)行電力監(jiān)控系統(tǒng)。

在實(shí)現(xiàn)硬件功能控制的基礎(chǔ)上，監(jiān)控后臺(tái)軟件要具備圖形化功能、數(shù)據(jù)管理功能、報(bào)表功能以及實(shí)時(shí)監(jiān)控和報(bào)警等。圖形化功能的作用是便于了解監(jiān)控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)信息，并能對(duì)可控對(duì)象實(shí)施控制。數(shù)據(jù)管理功能包括記錄和查詢等。報(bào)表功能可以根據(jù)用戶需求生成相關(guān)報(bào)表，并可自動(dòng)打印存檔。

2.2 個(gè)性化負(fù)載電力監(jiān)控需求

電力監(jiān)控系統(tǒng)既要滿足通用需求，還要實(shí)現(xiàn)負(fù)載的專業(yè)性要求。首先，照明系統(tǒng)不僅需要有常規(guī)性負(fù)載回路，還要滿足特殊性要求。例如，應(yīng)急照明回路是常亮狀態(tài)，因此可只監(jiān)不控，即不需要具備遙控設(shè)置。此外，隧道外的亮度受天氣的影響，因此不同時(shí)段應(yīng)采用不用的照明控制方案。為便于管理，應(yīng)采用命令組模式設(shè)置預(yù)置方案，并提供自動(dòng)控制、人工確認(rèn)以及手動(dòng)控制3種模式。其次，通風(fēng)系統(tǒng)負(fù)載大，沖擊電流強(qiáng)，因此需采用變頻器和軟啟動(dòng)器等方式降低啟動(dòng)電流，以防止沖擊電流引起電網(wǎng)跳閘。變頻器和軟啟動(dòng)器可安裝于低壓柜內(nèi)，通過母排直接供電至風(fēng)機(jī)。最后，監(jiān)控、通信以及收費(fèi)系統(tǒng)統(tǒng)要求24 h不間斷供電，電力監(jiān)控不實(shí)現(xiàn)“遙控”控制[2]。

2.3 電力監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制

電力監(jiān)控系統(tǒng)既要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自身的功能控制，又要與隧道監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制，才能保證隧道內(nèi)各系統(tǒng)能夠進(jìn)行統(tǒng)一有序的控制，保證隧道的有序化管理。例如，隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)問題時(shí)，火警系統(tǒng)和環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)等會(huì)將信息傳送至隧道管理中心，中心監(jiān)控軟件進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)視頻會(huì)顯示圖像，管理人員可以進(jìn)行火情確認(rèn)，然后聯(lián)系相關(guān)部門進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)處理、自身進(jìn)行隧道口交通信號(hào)燈變成禁行狀態(tài)、打開隧道內(nèi)防火卷簾門以及交通逃生指揮等遠(yuǎn)程管理。這種聯(lián)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)了高效的救援[3]。

3 實(shí)例分析

3.1 工程概況

如圖1所示，廈門至安溪城際快速路（云埔～田厝段）是國(guó)家高速公路網(wǎng)規(guī)劃沈海線福建段復(fù)線的組成部分，是福建省“三縱四橫”高速公路網(wǎng)布局中“三縱”的重要組成部分，也是泉州和廈門兩市公路主骨架的重要組成部分。項(xiàng)目的建設(shè)有利于完善國(guó)家高速公路和福建省高速公路網(wǎng)，有利于路網(wǎng)交通量的合理分流，對(duì)提高福建省高速公路網(wǎng)的整體功能具有重要作用。為了實(shí)現(xiàn)隧道的高效管理，結(jié)合工程實(shí)際，設(shè)計(jì)了中央控制系統(tǒng)、閉路電視系統(tǒng)、緊急電話系統(tǒng)、交通控制系統(tǒng)以及通風(fēng)控制系統(tǒng)等多項(xiàng)監(jiān)控系統(tǒng)。

3.2 電力監(jiān)控系統(tǒng)研究

3.2.1 電力監(jiān)控系統(tǒng)的組成

電力監(jiān)控系統(tǒng)主要由電力測(cè)控儀表、通信傳輸系統(tǒng)、管理單位監(jiān)控中心以及后臺(tái)軟件4部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為3層：第1層是監(jiān)控管理層，主要監(jiān)控計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等軟、硬件設(shè)備；第2層是通信中間層，主要包括主干光纖通信網(wǎng)和交換機(jī)等設(shè)備，為監(jiān)控系統(tǒng)提供通信傳輸和數(shù)據(jù)上傳等功能；第3層是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層，主要指各個(gè)變電所中所設(shè)置的變壓器、無功補(bǔ)償柜和雙電源切換開關(guān)等現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控裝置[4]。

3.2.2 功能的實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層DCS集散控制中的分散控制部分，主要監(jiān)控電力回路的工作狀態(tài)，同時(shí)在各個(gè)控制站點(diǎn)設(shè)置管理主機(jī)，負(fù)責(zé)對(duì)信息進(jìn)行匯總和分發(fā)。現(xiàn)場(chǎng)通信管理主機(jī)與測(cè)控設(shè)備的連接有兩種方式：一種是單個(gè)設(shè)備設(shè)置獨(dú)立連接管理主機(jī)，具有通信速度快和控制效率高的特點(diǎn)，不足之處在于要求管理主機(jī)具備多個(gè)接口，對(duì)電力監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)的規(guī)模有限制；另一種是設(shè)備串接后連接至通信管理主機(jī)，具有擴(kuò)大電力監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)規(guī)模的特點(diǎn)，不足之處在于對(duì)儀表數(shù)據(jù)解析較慢，數(shù)據(jù)和信號(hào)失真較為嚴(yán)重。

圖1 隧道連接示意圖

結(jié)合以上分析，該項(xiàng)工程采用了綜合模式，即對(duì)一個(gè)柜體內(nèi)的儀表并接進(jìn)入通信管理主機(jī)，對(duì)變壓器和UPS等設(shè)備采用單個(gè)設(shè)備直接連接主機(jī)。該模式既不限制現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)規(guī)模，又降低了對(duì)設(shè)備的通信和數(shù)據(jù)采集等方面的影響。

3.3 電力監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

3.3.1 照明系統(tǒng)

隧道照明是為了把必要的視覺信息傳遞給司機(jī)，防止視覺信息不足而出現(xiàn)交通事故。該項(xiàng)工程在保障安全性的基礎(chǔ)上考慮了節(jié)能環(huán)保要求。例如，車行橫洞內(nèi)照明燈正常時(shí)處于熄滅狀態(tài)，以節(jié)約能源；當(dāng)發(fā)生火災(zāi)或檢修隧道時(shí)，可由中央控制室遠(yuǎn)程控制開啟或本地手動(dòng)控制開啟照明燈。它與車行橫洞門處于互聯(lián)狀態(tài)，狀態(tài)信息和控制命令經(jīng)由本地控制器傳到中央控制室。再如，LED光源采取產(chǎn)品隧道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)掛測(cè)試方案來驗(yàn)證LED隧道燈的各項(xiàng)指標(biāo)和性能，通過多個(gè)廠家LED隧道燈的實(shí)掛和測(cè)試，最終滿足該隧道的LED隧道照明的技術(shù)要求。

3.3.2 通風(fēng)控制系統(tǒng)

通風(fēng)控制系統(tǒng)主要包括通風(fēng)控制子系統(tǒng)、交通控制子系統(tǒng)、照明控制子系統(tǒng)以及CCTV子系統(tǒng)等通風(fēng)輔助系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)相輔相成，互相配合使用，最大限度地發(fā)揮各子系統(tǒng)的功能。第一，在正常情況下，定期巡檢每一檢測(cè)點(diǎn)處的CO值、VI值以及TW值，并能根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算其變化率和平均值。根據(jù)TW值判斷隧道內(nèi)風(fēng)流的方向，并計(jì)算隧道CO濃度的分布規(guī)律。以CO/VI檢測(cè)值作為控制的主要參數(shù)，結(jié)合交通流量，通過通風(fēng)控制模型對(duì)風(fēng)機(jī)實(shí)施控制。第二，在監(jiān)控工作站界面上能顯示每一檢測(cè)點(diǎn)的CO值、VI值和某條隧道CO值、VI值以及TW值的平均值。第三，單向行車時(shí)以測(cè)得CO值作為主要控制參數(shù)，同時(shí)檢查VI值是否超標(biāo)。第四，雙向行車時(shí)以限制交通流為主，監(jiān)視CO值、VI值以保證車流量不超過預(yù)定值。第五，隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，一般通風(fēng)排煙的方向?yàn)轫樞熊嚪较?。?dāng)起火點(diǎn)靠近入口時(shí)，風(fēng)向應(yīng)轉(zhuǎn)向入口。

3.3.3 監(jiān)控、通信系統(tǒng)

為了更好地掌握交通狀況，采集交通信息，設(shè)置了閉路電視系統(tǒng)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控管理光傳輸交換平臺(tái)、增強(qiáng)型光交換設(shè)備、視頻圖像服務(wù)器、磁盤陣列、十六路本地解碼設(shè)備、外場(chǎng)攝像機(jī)、遠(yuǎn)端視頻接入設(shè)備、26寸液晶監(jiān)視器、20寸主液晶顯示器、多媒體管理工作站、電視墻上方LED顯視屏以及傳輸通道組成。

所有圖像經(jīng)視頻遠(yuǎn)端接入設(shè)備采用H.264格式壓縮，采用數(shù)字傳輸方式上傳到夏安監(jiān)控管理所。一路經(jīng)本地解碼設(shè)備解碼后由電視墻顯示，一路進(jìn)磁盤陣列存儲(chǔ)。同時(shí)，夏安監(jiān)控管理所通過通信系統(tǒng)上傳8路數(shù)字壓縮圖像至廈門區(qū)域管理分中心。

本項(xiàng)目外場(chǎng)攝像機(jī)圖像在監(jiān)控管理所電視墻的顯示方式采用收費(fèi)站上傳的8路圖像進(jìn)行一對(duì)一顯示，道路及隧道監(jiān)控圖像在電視墻顯示采用1:5輪詢顯示，共占用48臺(tái)顯示器。

該隧道還設(shè)置了緊急電話和廣播系統(tǒng)，采用綜合利用系統(tǒng)即隧道緊急電話系統(tǒng)與隧道有線廣播共用主機(jī)和軟件平臺(tái)。緊急電話和有線廣播系統(tǒng)應(yīng)用軟件安裝在緊急電話和有線廣播主機(jī)上。該主機(jī)通過以太網(wǎng)與通信系統(tǒng)主機(jī)相連，為其他子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求提供支持。本項(xiàng)目在蓮花隧道左右洞內(nèi)每200 m設(shè)置一部緊急電話，共50部，采用壁掛式結(jié)構(gòu)。在蓮花隧道洞口分別設(shè)置一部緊急電話，共4部，采用立柱式結(jié)構(gòu)。在鳳溪隧道左右洞內(nèi)每200 m設(shè)置一部緊急電話，共18部，采用壁掛式結(jié)構(gòu)。在鳳溪隧道洞口分別設(shè)置一部緊急電話，共4部，采用立柱式結(jié)構(gòu)。

3.3.4 收費(fèi)系統(tǒng)

南安（金淘）至廈門高速公路廈門段收費(fèi)系統(tǒng)將加入福建省聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)，并實(shí)施貨車計(jì)重收費(fèi)。收費(fèi)設(shè)施包括廈安監(jiān)控管理所、蓮花、鳳南、廈門北站匝道收費(fèi)站以及田厝主線收費(fèi)站。收費(fèi)系統(tǒng)采用封閉式收費(fèi)制式。南安（金淘）至廈門高速公路廈門段在蓮花、鳳南以及廈門北站互通設(shè)置匝道收費(fèi)站，在田厝互通設(shè)置田厝主線收費(fèi)站。土建收費(fèi)車道數(shù)為入口收費(fèi)車道16條，出口收費(fèi)車道27條，總計(jì)43條收費(fèi)車道，具體如表1所示。

表1 收費(fèi)車道數(shù)表

收費(fèi)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用開放式網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，由省收費(fèi)中心、監(jiān)控管理所局域網(wǎng)以及收費(fèi)站局域網(wǎng)組成樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。各收費(fèi)管理機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)局域網(wǎng)是一個(gè)以太網(wǎng)交換機(jī)為核心的星型結(jié)構(gòu)以太網(wǎng)。收費(fèi)站至監(jiān)控管理所和監(jiān)控管理所至省收費(fèi)中心之間，通過通信系統(tǒng)提供的10M/100M通信接口進(jìn)行連接，從而構(gòu)成福建省聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)廣域網(wǎng)。

4 結(jié) 論

在高速公路機(jī)電系統(tǒng)尤其是隧道機(jī)電系統(tǒng)中存在多個(gè)子系統(tǒng)，如火災(zāi)報(bào)警子系統(tǒng)、緊急電話子系統(tǒng)以及交通控制子系統(tǒng)等。隨著技術(shù)的發(fā)展，提高公路智能化管理尤為重要。因此，相關(guān)工作者應(yīng)加大電力監(jiān)控系統(tǒng)的研究力度，將電力監(jiān)控系統(tǒng)積極融入隧道監(jiān)控系統(tǒng)，充分發(fā)揮隧道電力監(jiān)控系統(tǒng)的四遙功能，從而為我國(guó)高速公路的良性發(fā)展提供科學(xué)保障。