1、引言
隨著交通道路的不斷發(fā)展，作為其一個重要環(huán)節(jié)的隧道，其數(shù)量也在不斷增加。由于我國復雜的地理條件以及隧道本身的特點，隧道監(jiān)控系統(tǒng)在隧道的運營和管理以及事故處理中發(fā)揮著極其重要的作用。因此，建設可靠、穩(wěn)定、先進、經濟以及可擴展的合理的隧道監(jiān)控系統(tǒng)成為工程界和公路營運管理部門共同關心的問題。微電子、通信、計算機技術的發(fā)展大大提高了公路交通的信息化和智能化程度，與3c技術相結合的plc以其卓越的可靠性、抗干擾性以及靈活的控制方式成為隧道監(jiān)控系統(tǒng)的核心控制器，其與開放的網(wǎng)絡通信系統(tǒng)一起，共同推動著隧道監(jiān)控系統(tǒng)的智能化程度的發(fā)展。
2、系統(tǒng)構成
隧道對按照其長度分類，分別為短隧道（l<250m）、中隧道（250m3000m）。隧道的長度越長，需要考慮的監(jiān)控設施就越多。從目前國際上對隧道的設計標準來看，長隧道和特長隧道需要監(jiān)控系統(tǒng)以保證隧道內行車的安全和通暢。
隧道監(jiān)控系統(tǒng)按照各個子系統(tǒng)分可分為：照明系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、交通誘導系統(tǒng)、cctv系統(tǒng)、火災報警系統(tǒng)、消防控制系統(tǒng)、緊急電話系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)等。按照設備的類型分可分為：檢測設備、控制設備、顯示設備和通訊設備。檢測設備如：火災報警探頭、車輛檢測器、covi、能見度檢測儀、風速風向儀等；控制設備如交通區(qū)域控制器、照明區(qū)域控制器、通風區(qū)域控制器等；顯示設備如：計算機工作站、大屏幕監(jiān)視器、聲光報警器等；通訊設備如：交換機、集線器、串口信號傳輸設備、光端機等。
隧道監(jiān)控的難易程度不僅與隧道的長度有關而且與隧道的交通車流量有關，從對隧道監(jiān)控和管理的要求，又將隧道分為a,b,c,d四個等級，其中a級對監(jiān)控要求最高，b級次之，其余類推。當前在工程界一致認同的隧道監(jiān)控模式主要分為兩種，一種是適用于短隧道的集散式控制模式，一種是適用于長隧道的分布式現(xiàn)場總線控制模式。前者布線復雜，造價較高，由中控室對現(xiàn)場設施進行控制與管理，后者施工方便，不但造價較低，而且可靠性較高，其又可分為全分布式現(xiàn)場總線控制和集中式現(xiàn)場總線控制。全分布式現(xiàn)場總線控制模式，中控室對現(xiàn)場設施不直接進行控制，由現(xiàn)場各種設施的控制器進行控制。分布式現(xiàn)場總線控制模式從網(wǎng)絡構成來看，一般分3個層次：上層為中央計算機系統(tǒng)，即本地控制中心，中間是由各區(qū)域控制器組成的控制層，下層為各種檢測設備和控制及誘導設備組成的設備層。
隧道控制的核心思想就是將所有縱向及橫向的系統(tǒng)有機地結合起來，通過算法分析，最終實現(xiàn)智能化控制。區(qū)域控制器就是其實現(xiàn)的核心。各區(qū)域控制器負責采集現(xiàn)場檢測設備的信息，處理后傳給本地控制中心，而本地控制中心的控制命令則發(fā)給區(qū)域控制器，再由區(qū)域控制器直接控制相應設備。在本地控制中心與區(qū)域控制器通訊中斷的情況下，區(qū)域控制器仍然具備獨立控制現(xiàn)場設備的能力。因此區(qū)域控制器應高效且高度可靠。作為區(qū)域控制器的核心控制部分，plc應用最多，它的穩(wěn)定性、實時性以及對環(huán)境很強的適應能力，非常適用于隧道的現(xiàn)場環(huán)境。
本地控制中心一般由現(xiàn)場監(jiān)控工作站（控制計算機）、監(jiān)控系統(tǒng)軟件、主區(qū)域控制器及相應的附屬設施構成，用于實現(xiàn)對整個隧道監(jiān)控系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)軟件運行于現(xiàn)場監(jiān)控工作站上，并不斷與plc控制器交換數(shù)據(jù)，實時地把所有設備的當前狀態(tài)以圖表、顏色、閃爍、數(shù)值等方式顯示在操作界面上；而操作人員在操作界面的每個動作，也由監(jiān)控系統(tǒng)軟件將相關的命令、參數(shù)寫入plc，實現(xiàn)設備的手動控制。
除現(xiàn)場控制設備，整個系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡則是保證系統(tǒng)能否高效運行的關鍵。長隧道、特長隧道以及隧道群的出現(xiàn)已經越來越多，單洞內的區(qū)域控制器就越來越多，這就意味著網(wǎng)絡的結點在不斷增加。通訊網(wǎng)絡不僅要具有較高的通訊速率以保證大量數(shù)據(jù)的有效傳輸，還必須具有容錯的能力以提高通訊的可靠性，即網(wǎng)絡上出現(xiàn)故障時能夠實現(xiàn)自恢復，同時，構成通訊網(wǎng)絡的設備必須滿足工業(yè)級要求，以適應隧道內苛刻的工作環(huán)境。系統(tǒng)還需要具有很好的可擴展性，使得設備更新與增加、功能改善與變化，都能最大限度地應用原有系統(tǒng)。
隧道監(jiān)控的環(huán)境相對比較特殊，隧道所處的山野防雷非常重要，隧道中的控制箱經常會遇到潮濕甚至漏水的侵擾，而一些高原隧道面臨嚴寒和低空氣密度，特別是長大隧道中的汽車煙塵很容易附著在密封不好的控制箱中設備上，這些煙塵具有一定的導電性，從而造成本地控制器等設備的早期故障或損壞。從國內隧道監(jiān)控系統(tǒng)的實際應用情況來看，對隧道監(jiān)控環(huán)境的認識，在一些項目中，重視成度還不夠，一些隧道控制箱遠沒有達到ip65以上的防護等級，這樣的監(jiān)控系統(tǒng)是不安全的。
3、解決方案
監(jiān)控系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡和plc是隧道監(jiān)控系統(tǒng)的核心組成部分，他們的性能對隧道監(jiān)控系統(tǒng)會起到決定性的作用。根據(jù)隧道本身的特點和監(jiān)控需求選擇合適的plc及通訊網(wǎng)絡是保證隧道監(jiān)控系統(tǒng)性能的重要因素。
3.1通信網(wǎng)絡
在隧道監(jiān)控系統(tǒng)的結構上，國內在管理體制上主要采用三級管理，即監(jiān)控總中心、區(qū)域監(jiān)控分中心和監(jiān)控站。由于監(jiān)控站不直接對隧道的外場設備進行直接控制，因此工程界按照系統(tǒng)結構的劃分把監(jiān)控系統(tǒng)劃分為信息層、控制層和設備層。
第一層為信息層，主要負責大量信息及不同廠家不同設備之間的信息傳輸，工業(yè)以太網(wǎng)ethernet為目前較常用的一種信息網(wǎng)絡，世界各大plc生產廠商均支持工業(yè)以太網(wǎng)，并且他們在原有tcp/ip的基礎上，相繼開發(fā)出實時性更高的工業(yè)以太網(wǎng)，如歐姆龍和羅克維爾支持的ethernet/ip，施奈德支持的modbus-tcp/ip以及西門子支持的profinet等。由于ethernet的信息量大，因此在隧道監(jiān)控上以太網(wǎng)主要用于各個隧道管理所與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸，包括各種交通流量信息，各
傳感器數(shù)據(jù)等大量歷史數(shù)據(jù)信息。
第二層為控制層，主要采用現(xiàn)場總線組成隧道區(qū)域控制器網(wǎng)絡，其特點是由于采用了標準總線組網(wǎng)，既能滿足實時通信的要求，又具有開放協(xié)議的標準接口，能在總線上方便的掛接各種外場設備，有利于監(jiān)控系統(tǒng)的擴展。目前，現(xiàn)場總線有40多種，在公路監(jiān)控系統(tǒng)中應用的現(xiàn)場總線主要有controller link、lonworks、inetrtbus、profibus、can和modbus+。他們的共同特點是高速、高可靠，適合plc與計算機、plc與plc及
其它設備之間的大量數(shù)據(jù)的高速通訊。為使系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，控制層的網(wǎng)絡結構多采用環(huán)網(wǎng)的方式組成，包括線纜型和光纖作為傳輸介質，具體組網(wǎng)將在后面作出實例說明。
第三層為設備層，這一層用于plc與現(xiàn)場設備、遠程i/o端子及現(xiàn)場儀表之間的通訊，它們有devicenet、modbus以及profibus/dp等，其中devicenet已經成為工業(yè)界的標準總線而得到了廣泛的應用，而profibus/dp雖然沒有成為標準，但是它的應該也相當廣泛。
值得指出的是，近年來以太網(wǎng)的廣泛應用使得人們把目光投向了現(xiàn)場總線上來，工業(yè)以太網(wǎng)是否最終將取代現(xiàn)場總線仍然是一個爭論的話題。然而，不論是ethernet/ip還是modbus-tcp/ip，以太網(wǎng)在一些重要的性能指標上仍然無法具有現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)勢。從
本質上來講，以太網(wǎng)的載波幀聽沖突監(jiān)測csma/cd的訪問方式，實時性并沒有現(xiàn)場總線采用的令牌總線和令牌環(huán)的訪問方式高，不論人們采用何種方式，如協(xié)議封裝、分時訪問控制等，都只能改善以太網(wǎng)的實時性，起不到本質的改變，隧道控制的一個核心思想是必須保證隧道的安全尤其是突發(fā)事件時候隧道的安全，如果突發(fā)事件的發(fā)生造成數(shù)據(jù)訪問發(fā)生碰撞，使得信息不能及時得到處理而導致重大事故，后果將不堪設想。在當前技術還未完全成熟之前，現(xiàn)場總線應用于控制層，是一個積極和穩(wěn)妥的選擇。隨著以太網(wǎng)技術的不斷發(fā)展，今后其取代現(xiàn)場總線而用于控制層也是很有可能的。
3.2監(jiān)控分中心及上位監(jiān)控軟件
監(jiān)控分中心一般將設置多臺scada工作站（工控機）。分別用于交通監(jiān)控、消防報警、圖形控制、通風照明控制、視頻監(jiān)控等，完成隧道內各種設備的狀態(tài)顯示、自動控制、半自動控制、打印報警、分析報表等工作。同時，監(jiān)控分中心還將設置了多臺服務器，為其它計算機提供支援和與監(jiān)控總中心進行通信。
3.3 plc的選擇
隧道監(jiān)控對plc的性能提出了更高的要求，作為隧道監(jiān)控的核心控制器，其必須具備以下幾大功能特點：首先本身必須穩(wěn)定可靠，并具有預先處理數(shù)據(jù)和集中傳輸數(shù)據(jù)的能力，具有較高的故障保護能力；其次，區(qū)域控制器可以獨立承擔控制分區(qū)的基本控制任務，即使監(jiān)控站或者監(jiān)控中心因故障停止運行，相鄰區(qū)域的控制器也能交換交通量信息；再次，當某區(qū)域的交通量出現(xiàn)變化時，可按預定方案和程序采取相應的算法，對相關區(qū)域的流量做出相應的調整。因此，它必須至少有如下功能模塊，數(shù)據(jù)采集存儲處理功能（實現(xiàn)集中和獨立工作方式，尤其是在獨立控制時能與相鄰控制器實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換）；通信功能、容錯功能、自動診斷功能和本地操作功能（即能帶觸摸屏）。
必須綜合考慮整個監(jiān)控系統(tǒng)的性能要求和自然條件以及運營周期對設備的要求進行選擇，尤其在極端氣候和惡劣環(huán)境狀況條件下以及長、特長隧道的時候，需要選擇性能更好的雙機熱備冗余的plc。如schneider的quantum系列、rockwell的controllogix、omron的cs1d系列、siemens的s7-417系列。
在一般的環(huán)境狀態(tài)以及中長隧道的時候，多采用標準的機型作為現(xiàn)場控制器，如schneider的quantum140系列、rockwell的controllogix、omron的cs1系列、siemens的s7-400系列等；他們都支持工業(yè)以太網(wǎng)和多種現(xiàn)場總線，控制方式采用遠程帶cpu的智能分布式結構，系統(tǒng)開放性和兼容性強，豐富的i/o及高功能模塊，完全滿足隧道監(jiān)控系統(tǒng)對信號處理的要求。
4、應用案例
下面以山西晉城至陽城高速公路隧道為例，具體說明隧道監(jiān)控系統(tǒng)的實際應用。
案例：牛王山隧道監(jiān)控
晉城至陽城段高速公路，設計范圍36.029公里。其中高速公路長27.47公里，封閉二級公路長8.5598公里。道路起點接長晉高速公路，終點與陽城市區(qū)道路相接。本路全線有隧道4座，包括五佛山隧道（514m），牛王山隧道（1880m、1860m），天壇山隧道（1008m），管道嶺隧道（1300m）。本監(jiān)控方案主要就牛王山隧道機電監(jiān)控系統(tǒng)的進行說明。
整個隧道機電監(jiān)控網(wǎng)絡由設在遠端的監(jiān)控通信中心和隧道內（包括牛王山隧道變電所）的本地控制器以及相關的通信線路組成.監(jiān)控中心內設有交通狀況模擬顯示大屏幕,工作站,監(jiān)控計算機群,打印機,服務器,cctv視頻墻等設備, 供操作人員監(jiān)視和指揮隧道內和道路的運營情況。
牛王山隧道監(jiān)控系統(tǒng)中，包括8套本地控制器，其中一套主控本地控制器置于牛王山隧道變電所內，其余的本地控制器分散布置在牛王山隧道上下行的各個位置，所有本地控制器通過100mbps速率的以太網(wǎng)形成光纖冗余環(huán)網(wǎng)。光纖環(huán)網(wǎng)使得環(huán)路上任意兩個區(qū)域控制器間通信有兩條物理鏈路，這樣即使某處光纖出現(xiàn)斷裂故障,系統(tǒng)仍可以自動尋找到反方向的通信鏈路繼續(xù)維持通信，既增加了通信可靠性，又提供了在線不停機檢修通信的功能。牛王山隧道變電所內的主控本地控制器也通過100mbps速率的光纖以太網(wǎng)與監(jiān)控通信中心相連，保證了監(jiān)控數(shù)據(jù)和指令的實時海量數(shù)據(jù)傳輸。
各plc對照明、通風、本地控制系統(tǒng)信息進行采集，同時按所設定的程序以及上位機的指令進行相應的動作。采集的信息經光纖以太環(huán)網(wǎng)傳至控制室中央計算機上，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。另外，在主控制器上還配有液晶觸摸屏，用來對給設備操作和顯示其反饋信息及檢查所轄各設備的狀態(tài)，同時它可以取代手持式編程器對plc進行編程；而且，在隧道監(jiān)控中心的服務器上匯集了隧道各個設備實時信息，所以本地控制器不僅要能快速交換實時數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)采集，并能接受和執(zhí)行上位機的指令，通過服務器可對現(xiàn)場任一設備（照明、通風、本地控制器）發(fā)布操作命令。在牛王山隧道變電所選用了omron的cs1d系列（見圖1）plc作為本地控制器，cs1d系列plc具有雙cpu模塊，雙電源模塊，支持熱插拔，極大的提高了主控制器的可靠性，使得整個系統(tǒng)可以實現(xiàn)不停機檢修功能。
在隧道內的7臺本地控制器筆者選用omron的cs1系列（見圖2）plc，它具有高速信息交換能力和良好控制功能，cs1系列plc作為隧道內的區(qū)域控制器。在每臺plc上安裝有rs-485/rs422或rs-232通訊端口，以便與多參數(shù)智能變送器、限速控制器、可變情報板顯示控制器等儀表控制設備相連，串行通信的數(shù)據(jù)協(xié)議是隨著制造商和設備而變的。協(xié)議的差別，使得不同廠商生產的設備間的通信非常困難，即使它們的電氣標準相同，omron通過易于建立的用于匹配所連接的設備的協(xié)議的協(xié)議宏功能解決了這個問題，協(xié)議宏使得開發(fā)方不需要編寫專門的通信程序與第三方設備進行通信，原則上omron plc能和任何帶rs-232c，rs-422或rs-485接口的設備進行通信。在本控制系統(tǒng)中用于控制照明、通風、電力、交通等設備的各個區(qū)域控制器均采用獨立的控制程序?？刂剖覂膳_中央計算機則通過ethernet與上級控制中心聯(lián)系。
5、改進與發(fā)展
當時我國隧道監(jiān)控系統(tǒng)的設計和實施正處于一個成長的時期，系統(tǒng)的需求、設計、結構以及系統(tǒng)的控制仍然存在不完善的地方，同時技術的發(fā)展也給監(jiān)控系統(tǒng)的改進創(chuàng)造了條件和基礎，也使建設合理的隧道監(jiān)控系統(tǒng)成為可能。
從系統(tǒng)的需求來看，一方面要兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠與可控，也要反映系統(tǒng)的先進、經濟與可擴展，同時也要使操作便捷與維護方便；另一方面，針對不同的交通條件和功能要求確定系統(tǒng)的規(guī)模和冗余度的大小，確定系統(tǒng)的合理集成方式、系統(tǒng)網(wǎng)絡的構成與拓撲結構形式以力求系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、先進性與經濟性的有機結合；從系統(tǒng)的設計來看，除考慮系統(tǒng)的規(guī)模和設計方法外，也要考慮新技術的應用，使整個系統(tǒng)既先進又實用；從系統(tǒng)的控制來看，當前我國公路監(jiān)控普遍存在著只監(jiān)不控，或監(jiān)強控弱的現(xiàn)象，交通信息、環(huán)境信息得不到很好利用，對于隧道控制，要針對不同現(xiàn)象，采用不同的控制方法。
今后我國的隧道監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展是，在原有基礎上，按照監(jiān)測與控制適當分離、最大限度的集中監(jiān)測、靈活機動的現(xiàn)場控制的總體思想，逐步改進，使得隧道監(jiān)控系統(tǒng)的建設更趨合理。
