系統(tǒng)構(gòu)成
隧道按照長(zhǎng)度分類，分別有短隧道（L<250m）、中隧道（250m
隧道監(jiān)控系統(tǒng)按照各個(gè)子系統(tǒng)可分為：照明系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、交通誘導(dǎo)系統(tǒng)、CCTV系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、消防控制系統(tǒng)、緊急電話系統(tǒng)及廣播系統(tǒng)等。按照設(shè)備的類型可分為：檢測(cè)設(shè)備、控制設(shè)備、顯示設(shè)備和通信設(shè)備。檢測(cè)設(shè)備如：火災(zāi)報(bào)警探頭、車(chē)輛檢測(cè)器、COVI、能見(jiàn)度檢測(cè)儀及風(fēng)速風(fēng)向儀等；控制設(shè)備如：交通區(qū)域控制器、照明區(qū)域控制器及通風(fēng)區(qū)域控制器等；顯示設(shè)備如：計(jì)算機(jī)工作站、大屏幕監(jiān)視器及聲光報(bào)警器等；通信設(shè)備如：交換機(jī)、集線器、串口信號(hào)傳輸設(shè)備及光端機(jī)等。
隧道監(jiān)控的難易程度不僅與隧道的長(zhǎng)度有關(guān)，而且與隧道的交通車(chē)流量有關(guān)。依據(jù)對(duì)隧道監(jiān)控和管理的要求，又將隧道分為A、B、C、D四個(gè)等級(jí)，其中對(duì)監(jiān)控要求高，B級(jí)次之，其余類推。當(dāng)前在工程界一致認(rèn)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(zhǎng)隧道的分布式現(xiàn)場(chǎng)總線控制模式。前者布線復(fù)雜，造價(jià)較高，由中控室對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施進(jìn)行控制與管理；后者施工方便，不但造價(jià)較低，而且可靠性較高。適用于長(zhǎng)隧道的分布式現(xiàn)場(chǎng)總線控制模式又可分為全分布式現(xiàn)場(chǎng)總線控制和集中式現(xiàn)場(chǎng)總線控制。全分布式現(xiàn)場(chǎng)總線控制模式，中控室對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施不直接進(jìn)行控制，由現(xiàn)場(chǎng)各種設(shè)施的控制器進(jìn)行控制。分布式現(xiàn)場(chǎng)總線控制模式從網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成來(lái)看，一般分3個(gè)層次：上層為計(jì)算機(jī)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(cè)設(shè)備和控制及誘導(dǎo)設(shè)備組成的設(shè)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(jī)地結(jié)合起來(lái)，通過(guò)算法分析，實(shí)現(xiàn)智能化控制。區(qū)域控制器就是其實(shí)現(xiàn)的核心。各區(qū)域控制器負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)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(yīng)設(shè)備。在本地控制中心與區(qū)域控制器通信中斷的情況下，區(qū)域控制器仍然具備獨(dú)立控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的能力。因此區(qū)域控制器應(yīng)高效且高度可靠。作為區(qū)域控制器的核心控制部分，PLC應(yīng)用多，其穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性以及對(duì)環(huán)境很強(qiáng)的適應(yīng)能力，非常適用于隧道的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。
本地控制中心一般由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控工作站(控制計(jì)算機(jī))、監(jiān)控系統(tǒng)軟件、主區(qū)域控制器及相應(yīng)的附屬設(shè)施構(gòu)成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)隧道監(jiān)控系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)軟件運(yùn)行于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控工作站上，并不斷與PLC控制器交換數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)地把所有設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)以圖表、顏色、閃爍及數(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(gè)動(dòng)作，也由監(jiān)控系統(tǒng)軟件將相關(guān)的命令、參數(shù)寫(xiě)入PLC，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的手動(dòng)控制。
除現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備，整個(gè)系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)則是保證系統(tǒng)能否高效運(yùn)行的關(guān)鍵。長(zhǎng)隧道、特長(zhǎng)隧道以及隧道群的出現(xiàn)已經(jīng)越來(lái)越多，單洞內(nèi)的區(qū)域控制器就越來(lái)越多，這就意味著網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點(diǎn)在不斷增加。通信網(wǎng)絡(luò)不僅要具有較高的通信速率以保證大量數(shù)據(jù)的有效傳輸，還必須具有容錯(cuò)的能力以提高通信的可靠性，即網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)故障時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)自恢復(fù)，同時(shí)，構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備必須滿足工業(yè)級(jí)要求，以適應(yīng)隧道內(nèi)苛刻的工作環(huán)境。系統(tǒng)還需要具有很好的可擴(kuò)展性，使得設(shè)備更新與增加、功能改善與變化，都能應(yīng)用于原有系統(tǒng)。
隧道監(jiān)控的環(huán)境相對(duì)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(jīng)常會(huì)遇到潮濕甚至漏水的侵?jǐn)_，而一些高原隧道面臨嚴(yán)寒和低空氣密度，特別是長(zhǎng)大隧道中的汽車(chē)煙塵很容易附著在密封不好的控制箱中的設(shè)備上，這些煙塵具有一定的導(dǎo)電性，從而造成本地控制器等設(shè)備的早期故障或損壞。從國(guó)內(nèi)隧道監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，對(duì)隧道監(jiān)控環(huán)境的認(rèn)識(shí)，在一些項(xiàng)目中，重視成度還不夠，一些隧道控制箱遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到IP65以上的防護(hù)等級(jí)，這樣的監(jiān)控系統(tǒng)是很不安全的。
解決方案
監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)和PLC是隧道監(jiān)控系統(tǒng)的核心組成部分，它們的性能對(duì)隧道監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)起到?jīng)Q定性的作用。根據(jù)隧道本身的特點(diǎn)和監(jiān)控需求選擇合適的PLC及通信網(wǎng)絡(luò)是保證隧道監(jiān)控系統(tǒng)性能的重要因素。
1.通信網(wǎng)絡(luò)
在隧道監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上，國(guó)內(nèi)在管理體制上主要采用三級(jí)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(duì)隧道的外場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行直接控制，因此工程界按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的劃分把監(jiān)控系統(tǒng)劃分為信息層、控制層和設(shè)備層。
層為信息層，主要負(fù)責(zé)大量信息及不同廠家不同設(shè)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(luò)，世界各大PLC生產(chǎn)廠商均支持工業(yè)以太網(wǎng)，并且他們?cè)谠蠺CP/IP的基礎(chǔ)上，相繼開(kāi)發(fā)出實(shí)時(shí)性更高的工業(yè)以太網(wǎng)，如Omron和Rockwell支持的Ethernet/IP，Schneider支持的Modbus-TCP/IP以及Siemens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(gè)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(chǎng)總線組成隧道區(qū)域控制器網(wǎng)絡(luò)，其特點(diǎn)是由于采用了標(biāo)準(zhǔn)總線組網(wǎng)，既能滿足實(shí)時(shí)通信的要求，又具有開(kāi)放協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)接口，能在總線上方便地掛接各種外場(chǎng)設(shè)備，有利于監(jiān)控系統(tǒng)的擴(kuò)展。目前，現(xiàn)場(chǎng)總線有40多種，在公路監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線主要有Controller Link、LonWorks、Inetrtbus、Profibus、CAN和Modbus+。它們的共同特點(diǎn)是高速、高可靠，適合PLC與計(jì)算機(jī)、PLC與PLC及其他設(shè)備之間的大量數(shù)據(jù)的高速通信。為使系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，控制層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(zhì)，具體組網(wǎng)將在后面做出實(shí)例說(shuō)明。
第三層為設(shè)備層，這一層用于PLC與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、遠(yuǎn)程I/O端子及現(xiàn)場(chǎng)儀表之間的通信，包括DeviceNet、Modbus以及Profibus/DP等，其中DeviceNet已經(jīng)成為工業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)總線而得到了廣泛的應(yīng)用，而Profibus/DP雖然沒(méi)有成為標(biāo)準(zhǔn)，但是其應(yīng)用也相當(dāng)廣泛。
值得指出的是，近年來(lái)以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)用使得人們把目光投向了現(xiàn)場(chǎng)總線上來(lái)，工業(yè)以太網(wǎng)是否將取代現(xiàn)場(chǎng)總線仍然是一個(gè)爭(zhēng)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(biāo)上仍然無(wú)法具有現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。從本質(zhì)上來(lái)講，以太網(wǎng)的載波幀聽(tīng)沖突監(jiān)測(cè)CSMA/CD的訪問(wèn)方式，實(shí)時(shí)性并沒(méi)有現(xiàn)場(chǎng)總線采用的令牌總線和令牌環(huán)的訪問(wèn)方式高，不論人們采用何種方式，如協(xié)議封裝、分時(shí)訪問(wèn)控制等，都只能改善以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性，得不到本質(zhì)的改變。隧道控制的一個(gè)核心思想是必須保證隧道的安全尤其是突發(fā)事件時(shí)隧道的安全，如果突發(fā)事件的發(fā)生造成數(shù)據(jù)訪問(wèn)產(chǎn)生碰撞，使得信息不能及時(shí)得到處理而導(dǎo)致重大事故，后果將不堪設(shè)想。在當(dāng)前技術(shù)還未成熟之前，現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用于控制層，是一個(gè)積極和穩(wěn)妥的選擇。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，今后其取代現(xiàn)場(chǎng)總線而用于控制層也是很有可能的。
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(shè)置多臺(tái)SCADA工作站（工控機(jī)）。分別用于交通監(jiān)控、消防報(bào)警、圖形控制、通風(fēng)照明控制、視頻監(jiān)控等，完成隧道內(nèi)各種設(shè)備的狀態(tài)顯示、自動(dòng)控制、半自動(dòng)控制、打印報(bào)警、分析報(bào)表等工作。同時(shí)，監(jiān)控分中心還將設(shè)置多臺(tái)服務(wù)器，為其他計(jì)算機(jī)提供支援和與監(jiān)控總中心進(jìn)行通信。
圖2 Omron CS1系列
3.PLC的選擇
隧道監(jiān)控對(duì)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(diǎn)：首先本身必須穩(wěn)定可靠，并具有預(yù)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(hù)能力；其次，區(qū)域控制器可以獨(dú)立承擔(dān)控制分區(qū)的基本控制任務(wù)，即使監(jiān)控站或者監(jiān)控中心因故障停止運(yùn)行，相鄰區(qū)域的控制器也能交換交通量信息；再次，當(dāng)某區(qū)域的交通量出現(xiàn)變化時(shí)，可按預(yù)定方案和程序采取相應(yīng)的算法，對(duì)相關(guān)區(qū)域的流量做出相應(yīng)的調(diào)整。因此，其必須至少有如下功能模塊，數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)處理功能（實(shí)現(xiàn)集中和獨(dú)立工作方式，尤其是在獨(dú)立控制時(shí)能與相鄰控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換）；通信功能、容錯(cuò)功能、自動(dòng)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(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的性能要求和自然條件以及運(yùn)營(yíng)周期對(duì)設(shè)備的要求進(jìn)行選擇，尤其在氣候和惡劣環(huán)境狀況條件下長(zhǎng)、特長(zhǎng)隧道的時(shí)候，需要選擇性能更好的雙機(jī)熱備冗余的PLC。如Schneider的Quantum系列、Rockwell的ControlLogix、Omron的CS1D系列以及Siemens的S7-400系列。
在一般的環(huán)境狀態(tài)以及中、長(zhǎng)隧道中，多采用標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)型作為現(xiàn)場(chǎng)控制器，如Schneider的Quantum140系列、Rockwell的ControlLogix、Omron的CS1系列及Siemens的S7-400系列等；它們都支持工業(yè)以太網(wǎng)和多種現(xiàn)場(chǎng)總線，控制方式采用遠(yuǎn)程帶CPU的智能分布式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)開(kāi)放性和兼容性強(qiáng)，豐富的I/O及高功能模塊，滿足隧道監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)信號(hào)處理的要求。
應(yīng)用案例
下面以山西晉城至陽(yáng)城高速公路隧道為例，具體說(shuō)明隧道監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。
晉城至陽(yáng)城段高速公路，設(shè)計(jì)范圍36.029km。其中高速公路長(zhǎng)27.47km，封閉二級(jí)公路長(zhǎng)8.5598km。道路起點(diǎn)接長(zhǎng)晉高速公路，終點(diǎn)與陽(yáng)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(jī)電監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行說(shuō)明。
整個(gè)隧道機(jī)電監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)由設(shè)在遠(yuǎn)端的監(jiān)控通信中心和隧道內(nèi)(包括牛王山隧道變電所)的本地控制器以及相關(guān)的通信線路組成。監(jiān)控中心內(nèi)設(shè)有交通狀況模擬顯示大屏幕、工作站、監(jiān)控計(jì)算機(jī)群、打印機(jī)、服務(wù)器和CCTV視頻墻等設(shè)備，供操作人員監(jiān)視和指揮隧道內(nèi)和道路的運(yùn)營(yíng)情況。
在牛王山隧道監(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(nèi)，其余的本地控制器分散布置在牛王山隧道上下行的各個(gè)位置，所有本地控制器通過(guò)100Mb/s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(gè)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(dòng)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(jī)檢修通信的功能。牛王山隧道變電所內(nèi)的主控本地控制器也通過(guò)100Mb/s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?cái)?shù)據(jù)和指令的實(shí)時(shí)海量數(shù)據(jù)傳輸。
各PLC對(duì)照明、通風(fēng)、本地控制系統(tǒng)信息進(jìn)行采集，同時(shí)按所設(shè)定的程序以及上位機(jī)的指令進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。采集的信息經(jīng)光纖以太環(huán)網(wǎng)傳至控制室計(jì)算機(jī)上，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。另外，在主控制器上還配有液晶觸摸屏，用來(lái)對(duì)給設(shè)備操作和顯示其反饋信息及檢查所轄各設(shè)備的狀態(tài)，同時(shí)它可以取代手持式編程器對(duì)PLC進(jìn)行編程；而且，在隧道監(jiān)控中心的服務(wù)器上匯集了隧道各個(gè)設(shè)備實(shí)時(shí)信息，所以本地控制器不僅要能快速交換實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并能接受和執(zhí)行上位機(jī)的指令，通過(guò)服務(wù)器可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)任一設(shè)備（照明、通風(fēng)、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PLC作為本地控制器，如圖1所示。CS1D系列PLC具有雙CPU模塊，雙電源模塊，支持熱插拔，極大提高了主控制器的可靠性，使得整個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)不停機(jī)檢修功能。在隧道內(nèi)的7臺(tái)本地控制器我們選用Omron的CS1系列PLC，其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(nèi)的區(qū)域控制器。如圖2所示。在每臺(tái)PLC上安裝有RS-485/RS422或RS-232通信端口，以便與多參數(shù)智能變送器、限速控制器、可變情報(bào)板顯示控制器等儀表控制設(shè)備相連，串行通信的數(shù)據(jù)協(xié)議是隨著制造商和設(shè)備而變的。協(xié)議的差別，使得不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備間的通信非常困難，即使它們的電氣標(biāo)準(zhǔn)相同，Omron通過(guò)建立的易用于匹配所連接的設(shè)備的協(xié)議宏功能解決了這個(gè)問(wèn)題，協(xié)議宏使得開(kāi)發(fā)方不需要編寫(xiě)專門(mén)的通信程序與第三方設(shè)備進(jìn)行通信，原則上OmronPLC能和任何帶RS-232C，RS-422或RS-485接口的設(shè)備進(jìn)行通信。在本控制系統(tǒng)中用于控制照明、通風(fēng)、電力及交通等設(shè)備的各個(gè)區(qū)域控制器均采用獨(dú)立的控制程序。控制室兩臺(tái)計(jì)算機(jī)則通過(guò)Ethernet與上級(jí)控制中心聯(lián)系。
改進(jìn)與發(fā)展
當(dāng)前我國(guó)隧道監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施正處于一個(gè)成長(zhǎng)期，系統(tǒng)的需求、設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)的控制仍然存在不完善的地方，同時(shí)技術(shù)的發(fā)展也給監(jiān)控系統(tǒng)的改進(jìn)創(chuàng)造了條件和基礎(chǔ)，也使建設(shè)合理的隧道監(jiān)控系統(tǒng)成為可能。
從系統(tǒng)的需求來(lái)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、經(jīng)濟(jì)與可擴(kuò)展，同時(shí)也要使操作便捷與維護(hù)方便；另一方面，針對(duì)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(luò)的構(gòu)成與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式以力求系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、性與經(jīng)濟(jì)性的有機(jī)結(jié)合；從系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來(lái)看，除考慮系統(tǒng)的規(guī)模和設(shè)計(jì)方法外，也要考慮新技術(shù)的應(yīng)用，使整個(gè)系統(tǒng)既又實(shí)用；從系統(tǒng)的控制來(lái)看，當(dāng)前我國(guó)公路監(jiān)控普遍存在著只監(jiān)不控，或監(jiān)強(qiáng)控弱的現(xiàn)象，交通信息、環(huán)境信息得不到很好利用，對(duì)于隧道控制，要針對(duì)不同現(xiàn)象，采用不同的控制方法。
今后我國(guó)的隧道監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展是在原有基礎(chǔ)上，按照監(jiān)測(cè)與控制適當(dāng)分離，集中監(jiān)測(cè)，靈活機(jī)動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)控制的總體思想，逐步改進(jìn)，使得隧道監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)更趨合理。
