基于易控组态软件的高速隧道监控系统

1引言

不同于铁路隧道，高速公路隧道需要安全的交通诱导、人性化的照明、通风设施，更需要一整套合理、周密的紧急事件救助方案。公路隧道在整个路段属于特殊构造段，因为隧道空间小，密闭性强，一旦发生火灾、事故、交通拥堵，隧道内的环境会发生急剧恶化，直接影响到司乘人员的健康和生命安全，因此，对隧道监控系统提出了更高的要求。

2工程背景

广西桂林至梧州公路马江至梧州段是国家规划西部开发阿荣旗至北海公路中南宁—梧州—桂林支线的重要组成路段，是广西公路网主骨架的重要组成部分。全线设有武岭互通、倒水互通、梧州互通、苍梧互通以及平浪等5处互通立交，设有茶子脚隧道、朝塘隧道、河尾冲隧道、方埇隧道、叶板埇隧道、大柚埇隧道以及飞田等7处隧道。

本路开通5年后茶子脚隧道监控等级为a级、朝塘监控等级为c级，其余隧道均为b级。按照隧道划分标准，其中茶子脚隧道为特长隧道，朝塘隧道为短隧道，其他隧道为中隧道。方埇隧道、叶板埇隧道、大柚隧道构成隧道群。

隧道监控系统采用易控(inspec)2009上位组态软件开发，分为《马梧隧道茶子脚监控系统》和《马梧隧道苏屋监控系统》两套上位集成监控系统，分别对马梧隧道中的茶子脚隧道以及苏屋隧道进行上位集成监控。

该项目上位监控系统由北京九思易自动化软件有限公司设计开发。

3系统设计

广西马梧隧道监控系统采用分层多级控制，控制界别包括局监控总中心-平浪监控分中心-隧道管理所-本地控制器。其中局监控总中心不在本次设计范围内。系统架构图如图1所示。



图1 系统架构图

现场采集数据经外场设备采集至本地控制器，然后经由工业以太网传送至隧道管理所，再由隧道管理所经以太网传送至平浪监控分中心，最终传送至局监控总中心。在隧道入口变电所、隧道管理所和平浪监控分中心分别具有对其所管辖范围内设备的本地监测和控制功能。

隧道监控系统由九个子系统构成：交通监控子系统、闭路电视监视子系统、火灾自动报警子系统、隧道通风控制子系统、隧道照明控制子系统、电力监控子系统、紧急电话子系统、指令电话子系统、有线广播子系统。其中交通监控、闭路电视监视、火灾自动报警、紧急电话、指令电话、有线广播子系统为独立的子系统，通风控制、电力监控、隧道照明控制在逻辑上相对独立，在系统构成上则合成一体。九个子系统之间既避免由于某个子系统出故障而影响其它子系统的运行，又可保证整个系统的联动运行；当隧道监控室设备出现故障时，通过本地控制器可完成现场控制，每座隧道的所有本地控制器相连，其中有一个本地主控制器，可控制整个隧道的正常运行。

3.1 系统总体框架

本监控系统采用c/s网络架构模型，由数据服务器、客户端工作站构成，通过光纤环网进行数据交互。服务器工程实时采集隧道外场所有设备数据信息，自行进行数据分析和存储，并为客户端工程提供所有实时数据和历史数据；客户端工程提供人机交互界面，操作员通过客户端工程向服务器工程发送请求监视和控制隧道内的所有设备。监控系统总体框架示意图如图2所示。



图2监控系统总体框架示意图

系统中，包含数据服务器、视频服务器、工作站以及其他各独立子系统(消防子系统、电话子系统、cctv子系统、网络子系统、电力子系统等)，实现对隧道内所有外场设备的实时数据采集和命令下发。

3.2 系统运行模型

本系统具体运行模型如图3所示。


图3 系统运行模型

4各集成监控子系统

4.1 交通子系统

交通监控子系统主要由交通检测与交通信号控制两部分组成。

在茶子脚隧道、方埇隧道-叶板埇隧道-大柚埇隧道群、飞田隧道出入口设置车辆检测器，主要用于交通流量、平均车速、占有率等交通参数的检测，并判断隧道内的堵塞情况，也是通风和隧道照明控制子系统的基本数据。检测参数包括交通流量、平均车速、占有率、车头时距。

交通信号控制主要是用于协助疏导交通、给司机提供信息，以保证道路安全畅通，提高路网整体通行能力,通过在接线道路区、引道区、隧道及其出入口区的信号指示，达到分流、启闭车道、胁迫车辆改道等作用。

本系统由交通监控计算机、隧道工业以太网交换机、隧道本地控制器、外场设备以及传输通道等组成。本地控制器系统通过检测交通及隧道环境参数收集、存储和管理外场设备数据，监视外场设备工作状态，报告给监控室，并且接受监控室命令对外场设备进行控制；另外它还具有本地自动控制的功能，在维修或测试等需要时可由隧道内的本地主控制器作为中心进行控制。

交通信息除传送至隧道管理所外，还将通过网络传送至平浪监控分中心，并接受来自监控中心的控制指令。

交通子系统可实时监控交通信号灯、车道指示器、车辆检测器、可变情报板等外场设备。可监视或控制交通信号灯红灯、黄灯、绿灯、转向灯四种状态；车道指示器正面绿箭反面绿箭、正面绿箭反面红叉、正面红叉反面绿箭、正面红叉反面红叉四种状态(根据现场车道设计，系统中已禁止使用正面绿箭反面绿箭此状态，禁止出现双面通行的交通误导)；可实时获取任意车辆检测器的各项交通数据(车流量、平均车速、占有率等等)，同时可自行根据各项数据计算出此路段的交通拥堵情况，并在监控画面中以红(拥堵)、淡红(缓慢)、无色(正常)三种状态反馈给监控人员；可实时动画模拟现场所有情报板所发布的文字、图片等信息，同时可下发指令给情报板控制器，下发任意文字、图片信息进行交通信息诱导。

交通子系统亦结合预案系统，当隧道出现任意事故时，调动各外场设备进行联动控制，保障隧道交通正常运行。

4.2 消防子系统

消防子系统为独立子系统。设计采用光纤光栅感温探测系统，光纤光栅传感是通过对光纤内部写入的光栅反射或者折射光谱的检测实现对火灾的检测。本子系统由隧道管理所火灾报警工作站、隧道火灾报警控制器、隧道内手动报警按钮、光纤光栅火灾探测器、光纤光栅感温火灾探测信号处理器以及传输通道等组成，可及时、准确的反映出隧道内火灾发生的地点。

消防子系统，在隧道出现火灾事故时，及时结合预案管理系统，由管理所监控人员人工执行火灾预案，控制隧道内的射流风机的启停、各卷帘门相应的开启或关闭，同时，结合现场情况，及时关闭事故路段入口的交通信号灯，相应的更改本路段上的所有车道指示器，结合可变情报板，诱导隧道内事故路段或其他路段的所有车辆安全驶离事发路段，保证现场所有车辆的行车安全。本子系统同时控制照明系统，将隧道内所有照明设备开启到最大范围和强度的照明，并控制cctv系统捕获火灾事发地三路视频信号以及本隧道入口处的一路视频信号自动切换至监控主机中，供管理所内监控人员及时处理现场事故。

4.3 电话子系统

紧急电话在长隧道出入口和隧道内每200米设置一套，用于司机在紧急情况时进行呼救求援；指令电话设在隧道口变电所以及隧道管理所内，利用程控交换机的热线和会议电话功能实现本路的指令电话系统，指令电话子系统主要用于隧道内防灾、电力以及交通管理方面的集中服务通信。本子系统可实时检测隧道内任意一部电话的呼叫状态，如有电话呼叫求救时，管理所的监控画面上将自动切换出电话呼叫位置，并用相应的动画闪烁来描述报警类型，同时，系统会控制cctv系统，将报警点处的三路实时视频信号以及当前隧道入口处的一路视频信号自动切换至监控主机中，供管理所内监控人员及时了解现场的情况。

4.4 通风子系统

由于隧道内汽车排放的废气、行驶时带起路面上的烟气和粉尘不易扩散，对人体非常有害，也影响行车安全，因此隧道内保持良好的空气是行车安全的必要条件。通风控制子系统可以根据检测到的环境数据、交通量信息控制风机的运行台数、风向、运行时间，并且能实现节能运行和保持风机较佳寿命的控制运行，并在发生火灾时根据不同地点，进行相应的火灾排烟处理，以保证隧道的安全及运行环境的舒适性。

由于消防系统为一独立系统并且具有一定的优先性，当发生火灾时，隧道通风系统将由消防系统予以控制。

4.5 照明子系统

由于隧道内、外的亮度差别较大，因此司机在进出隧道时会产生种种特殊的视觉问题，因此如何使驾驶员适应隧道内外的亮度差，以保证行车安全，节约用电，是隧道照明控制子系统的重要目的。

在茶子脚隧道入口洞内/外设置光强检测器共4套，其检测数据作为对隧道的照明回路实施控制的依据，对于出口段的照明可参照入口进行控制，不再设置光强检测器。除朝塘隧道外，茶子脚隧道、河尾冲隧道等六个隧道均设置照明回路设施，包括每个单洞设置4路加强灯、2路全日灯、1路洞口路灯等。

照明子系统提供根据光强检测值来控制照明和通过时间/季节变换来控制照明，以保证省电、有效的控制照明系统。

4.6 电力子系统

电力监控子系统，通过变电站内的各个电力设备监控单元对电力设备进行数据的采集和监控，以保证各个电力设备可靠稳定运行(除ups设备监控集成于本系统中，其余电力设备监控均由电力监控工作站独立完成，不在本次设计范围之内)。

本系统实现对茶子脚隧道中的2套ups设备以及苏屋隧道群中的6套ups设备的各项数据进行实时监控，在隧道管理所中的监控画面中，可实时查看任意ups设备的运行状态。包括输入/输出电压、输入频率、电池电压、环境温度、ups类型、ups故障等等设备具体信息。

4.7 cctv子系统

本子系统是由隧道管理所视频以太网交换机、网络视频服务器、监控主机等设备组成。任意一路图像均可在监控主机上实时显示，隧道管理所可对隧道外场遥控摄像机进行控制，并对隧道视频图像进行循环编码存储，当有事件时，有触发信号保存事件前后的录像。

闭路电视系统为独立系统，采用独立的视频网络传送视频图像数据。在平浪监控分中心和隧道管理所内，工作站可以通过视频编码器获取实时视频图像信号，并使用监控系统工作站中的模拟云台控制台对矩阵cpu卡下发命令来控制带云台摄像头的上/下/左/右、放大/缩小、变焦等操作。本子系统可同时切换一路、两路、四路三种模式视频信号，保证可随意查看隧道各个摄像头的视频信号。

4.8 网络子系统

本子系统可实时监测茶子脚隧道管理所局域网中19部网络光交换机和苏屋隧道管理所局域网中的17部网络光交换机的通信状态以及报警状态，实时监测各个光交换机的电端口、光端口的通信状态，以及主电源输入、从电源输入、自愈环状态的通信状态。

4.9 事件录入子系统

本子系统可在系统中结合实际需要，辅助操作员录入各种类型的事故信息，并配合报表、曲线查询统计出各种类型的事故信息。

系统在事故发生后可记录事故的发生时间、事故类型、发生点起始桩号、事故描述、事故解除时间等等信息，并存入数据服务器的数据库中，以便以后事故的历史记录查询。同时，用户可由事件录入子系统来触发预案管理子系统，当隧道内发生紧急交通事故时，由监控员通过视频图像确认现场事故后，通过事件录入子系统确认紧急事故，激活预案管理子系统，预案子系统会根据事故点的位置和类型提供给操作员可使用的紧急预案，由操作员确认预案可操作性后选择下发并执行，以在最快的时间内有效处理隧道内的紧急事故。

4.10 案管理子系统

预案管理子系统为本监控系统的一套辅助子系统，分为预案管理器和预案执行器两大模块。

预案管理器，为外部应用程序，可放置局域网内的任意工作站上，由隧道管理所系统管理员进行监控系统预案的编制、编辑和删除操作。管理员可根据监控系统中提供的报警点，针对每一个独立的报警点，制定一系列紧急事故处理预案；在预案中，管理员可编制各种执行步骤和执行动作，具体到指定预案中按指定顺序对监控系统中的指定数据库变量进行预控制值的设定，便于预案执行器的相关预案动作的执行。

预案执行器，为本监控系统的内部嵌入组件，根据预案的相应的条件判断，来触发预案执行器。当隧道内发生紧急事故时，本监控系统可自动检测出事故发生地点、事故类型等信息，同时在监控画面的相应事故点以动画闪烁方式向操作员告警，如果事故点并不在当前监控画面中，则系统自动切换当前事故点画面为当前画面，将事故点最为明显的反馈给操作员；与此同时，系统触发预案执行器，根据系统预先制定好的预案，列举出当前此事故点可用的有效预案反馈给操作员，操作员浏览各种预案以及预案中的相关步骤和执行动作后，选择一种预案进行下发执行；操作员可进行人工单步预案执行，亦可交给本系统进行全预案自动执行。

本系统中的预案子系统为重要部分，当隧道事故时，它将调动所集成的所有子系统进行联动控制，包括控制交通信号灯的红黄绿掉头灯、车道指示器的正/反面的绿箭/红叉、射流风机的正/反转启停、情报板的文字/图片的命令下发、交通/火灾/电话事故报警单元的动画报警、照明的控制、监控画面的自动切换、事故点的自动定位、cctv子系统各个摄像头视频信号的自动切换等等。

5系统特色

5.1 大画面漫游

如图4监控主界面布局所示，在下部“漫游引导区”中，为隧道整体缩略图，用户可点击其上任意位置，“显示区域”的主监控界面即会自动定位至相应监控区域，方便了用户对于大画面定位的需求，同时，用户还可以使用鼠标在“显示区域”的主监控区域中手工拖动画面，以浏览整个隧道内的任意位置。



图4监控主界面布局图

“漫游引导区”中包含有道路交通状况插件，其通过外场设备的车辆检测器实时采集的交通流量、平均速度、密度等数据，根据用户自定义的拥堵、拥挤阈值，时刻判断出相应路段的道路状况是否拥堵，在漫游区中，通过淡红色来表示道路拥挤缓慢状态，通过红色来表示道路拥堵状态，便于监控人员方便明了的监控隧道内的交通状况，如图5所示。



图5隧道内的交通状监控图

5.2 情报板操作控制

可变情报板属于独立开发的控件，直接嵌入工程中，可根据现场设备实际文本、动画显示效果，在上位监控工作站中实时模拟反馈给监控人员，包括显示文本/图片的内容、颜色等，以及立显、左移、右移等入屏方式的动画模拟效果。可变情报板插件不仅可实时反馈下位设备的内容以及动画外，可提供用户进行实时下发信息的编辑工作。

用户可新建或编辑播放列表，针对列表中的每一个播放项目，编辑要显示的文本或动画，并提供入屏方式、出屏方式、停留时间、速度等信息的配置。此次马梧高速中选用的可变信息标志，其控制器中可自行存储0到99号100个播放列表，上位可直接下发播放列表号，即可更换情报板中的信息显示内容，同时开放通讯协议，用户可直接通过协议编辑控制器中所存储的播放列表内容，更为灵活的控制可变情报板标志，使其最大程度上的发挥了在道路诱导功能上的优势。

5.3 视频监控

一条完整的道路必不可少的就是cctv监控子系统。梧高速中茶子脚隧道为特长隧道，长3.3公里，共设置了56个摄像头，其中2个入口处分别设置了云台摄像头；苏屋隧道群共设置了41个摄像头，其中8个附带云台控制功能，用户可通过上位操作云台，转动监控摄像头，实现360°角度监控，同时可完成放大缩小、变焦等功能。茶子脚隧道因长度因素，在设计时，采用了4路视频线路，每条线路并不按顺序依次覆盖所有摄像头，而是交叉采集传输，即每路线路穿插、跳跃传输隧道上/下行隧道中的摄像头，以保证了某一路视频线路出现故障，并不会导致隧道某一片区域无视频信号，而仅仅只是整条隧道中跳跃式的出现视频信号故障。

监控系统可同时监控一路、二路、四路视频信号，可在监控窗口菜单中任意更改监控模式，同时，再选中当前监视窗口后，可更改摄像头编号，来实现视频信号的切换工作。如图6所示。



图6 视频监控图

5.4 电话报警

在马梧隧道监控系统中，也融入了紧急电话子系统，茶子脚隧道共设置34部紧急电话，隧道群共设置14部紧急电话。在上位集成监控系统中，紧急电话可实时检测各种类型报警。如图7所示。



图7集成监控系统

当隧道内任意一部紧急电话呼叫报警时，监控系统接收到电话子系统报警信号，根据报警电话编号以及报警类型，通过文本、动画、视频等方式给予报警。当电话报警时，首先监控主画面会自动定位切换至电话报警相应位置，同时，相应编号的电话插件由正常状态切换为电话呼入状态，并以闪烁动画的方式给予报警；随后监控系统实时报警窗中出现此电话的报警文本内容，红色高亮显示在报警窗最上方；与此同时，监控系统根据报警电话的实际位置，联动cctv子系统，自动切换出四路视频图像(报警点附近三路视频图像和本隧道入口处一路视频图像)，自动弹出在系统最顶层，快速、准确的确定报警位置，反馈给操作员报警点现场路段的实时道路状况。

电话子系统联动cctv子系统，通过文本、动画、视频等方式，自动定位监控画面，以最为准确、高效的报警方式，协助操作员监控隧道内的所有报警。此种功能，不仅从画面动画上，还是事务逻辑处理能力上，都成为易控(inspec)组态软件实现隧道监控的一大特色功能。

5.5 事件录入

通过事件录入平台，在监控系统中，用户可随时记录现场所发生的任何事故信息，报警事件的发生时间、发生桩号、事件类型、事件描述说明等，同时，可对之前所记录的事件发生记录进行更新记录，例如事件的解除等。

5.6 联动控制与预案管理

不管是在交通行业中上位集成监控不仅要实现对于外场所有设备的单一监视、控制功能外，还需要能够随所有外场设备进行联动控制的功能，即自动化行业中的联动控制，这一功能随即也成为了监控行业中最为重要也最具特点的功能。

不管是由本地控制器(plc)实现联动控制，还是由上位集成监控系统来实现预案联动，都是对监控行业的一大考验。通风系统、照明系统、事故预案等等都或多或少的融入了联动功能。

该项目中，最为典型的几处小型联动控制预案就包含通风联动、照明联动等。隧道内，随时可能因为汽车尾气的排放或者沙尘的污染等，造成隧道内的co浓度过高、vi能见度的降低等，这些都成为交通上的无形杀手，本地控制器中的逻辑单元实现了通风联动功能，即通过监视co/vi的实时采集值，根据预设的阈值，判断是否应该开启隧道内的射流风机，抽出有害气体烟雾，送入隧道外新鲜空气，同时根据实时检测值和报警点在隧道内的实际位置，开启相应位置上的相应台数的风机，以保证在节约用电、环保的基础上最为有效的控制隧道内的co/vi值，保障隧道安全行车条件。

除通风联动外，照明联动也尤为重要。隧道内的照明设备是必不可少的，但也不可能永远使用照明设备让其常亮，这样会造成无车或少车流量的情况下的电力资源的浪费。故而设计在隧道入口处的洞内、洞外设置洞内/外光强检测器，以检测出洞内外的光强值，根据实时检测值和洞内外的差值，监控系统自动根据预设阈值开启或关闭相应路段的照明设施，以保证节约用电。照明系统除通过光强检测器来控制外，还提供手工本地控制和时钟控制。时钟控制则是照明设备自身附带时钟功能，预设时钟预案后，可根据一天内的不同时段、一年中的不同季节等等开启或关闭相应路段的照明设施。

手动控制，可是由监控人员在上位集成工作站中，通过组态界面，直接开启或关闭指定回路照明设备。

5.7 数据上传

马梧隧道监控系统，在本自身系统日常业务外，还需与上层管理中心平浪分中心进行数据上传业务。易控2009网络功能采用了wcf通信技术，在该监控系统中也提供了wcf数据接口，平浪分中心可通过此接口从茶子脚监控系统、苏屋监控系统中分别获取外场设备的实时数据。

同时，对于日常历史数据，茶子脚监控系统和苏屋监控系统具备数据上传功能，根据需要，两处隧道管理所，规定每天中午12点和晚上24点分两次将当天最新实时数据上传写入平浪分中心的数据库中，平浪分中心根据每天上传的数据进行数据分析，从而调整对高速路上的七处隧道进行管理。

6结束语

本系统采用易控2009分布式网络功能，同时开发了大量隧道监控专用功能，例如情报板操作控制、电话报警、联动控制、自由报表等。本监控系统在广西马梧高速公路茶子脚隧道和苏屋隧道群上长期稳定运行，是九思易公司自承接北京奥林匹克公园地下环形隧道监控系统工程后的又一大型成功隧道监控案例。