高速公路隧道监控子系统控制策略设计

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摘要：为进一步提升高速公路隧道的安全行驶，为驾驶员提供安全、舒适的驾驶环境，在研究高速公路隧道监控系统需求的基础上，完成了高速公路隧道监控系统总体结构框图的设计，并对高速公路隧道内交通诱导控制子系统、通风控制子系统以及照明控制子系统的功能、结构以及控制策略进行设计，为后续进一步完善高速公路隧道监控系统奠定基础。

关键词：高速公路；隧道监控；交通诱导；通风控制；照明控制

引言

随着我国国民经济的快速发展，人们生活水平的日益提升，汽车的拥有量已经突破一个阶段，对城市道路和高速公路的容量和安全性提出了更高的要求。高速公路及隧道作为人们出行的必不可少的交通环境。对于高速公路的隧道而言，鉴于相对封闭、地形危险且交通流量大，是交通事故频发的位置。因此，为了进一步改善高速公路上隧道内的交通环境，避免交通事故的发展以及提高事故处理的效率，隧道监控系统必不可少[1]。本文将对高速公路上的隧道监控系统及其控制策略进行设计。

1高速公路隧道监控系统的需求分析

隧道输出高速公路的特殊路段，当驾驶员驾车驶入隧道时由于光线、地形以及空气质量的变化，容易导致司机出现操作失误的情况而导致交通事故的发生。具体表现为：驾驶员驾车驶入隧道时由于隧道内外光线强度的变化，驾驶员会出现短时时间的视觉模糊，称为“黑洞效应”；隧道为一个相对封闭的空间，其中集聚着大量的CO和NO等，而且隧道越长浓度会越来越高，会导致驾驶员出现恶心、呼吸困难的情况。鉴于上述情况，为了减缓由于光线变化而导致驾驶员视线模糊的情况，降低隧道内CO、NO等有害气体的浓度，有必要建立监控系统对影响驾驶员操作的因素进行调节控制；此外，基于隧道监控系统还能够对事故进行快速定位，提高事故处理的效率[2]。因此，为保证高速隧道监控系统能够发挥其应有的作用，其各项子系统设计时需遵循如下原则：1）隧道监控系统设计必须本着改善高速公路运营安全为基础，为驾驶员提供安全、舒适的驾驶环境；2）在合理预算的范围之内，尽可能地选用高科技产品和先进技术，保证监控系统的可靠性；3）要求监控系统能够实现实时通信，并保证数据传输过程中的准确性。根据高速公路隧道监控系统的功能要求，需为其配置交通诱导子系统、通风控制子系统、照明控制子系统、火灾报警联动控制子系统等关键系统，并根据不同子系统的功能要求为其配置对应的控制策略。高速公路隧道监控系统的总体结构如下页图1所示。如下页图1所示，隧道监控系统通过现场的监视器、固定摄像头和云平台摄像机对隧道的各项参数进行监测，并将所采集的数据基于通信协议传输至上位机（电力监控、火灾报警、交通监控、通风和图像处理计算机等）后对其进行分析处理。

2隧道监控子系统及控制策略的设计

本节将主要对高速公路隧道监控子系统中的交通诱导控制子系统、通风控制子系统、照明控制子系统进行设计。

2.1交通诱导控制子系统的设计

交通诱导子系统的主要功能是对隧道中发生的火灾、事故以及正在施工的路段进行交通诱导和控制，包括对隧道内交通指示灯的控制和限速的调整，尽可能少的避免事故的发生。对于隧道箭筒诱导系统而言，要求其具备交通的基本控制功能、交通应急处理功能、分区段控制功能、对隧道内流量、车速、占有率监测的功能等[3]。

2.1.1隧道车流量监测子系统本方案采用环形线圈车检器对隧道内的车流量进行监测，该设备具有高精度、操作灵活方便的优势。具体监测原理如图2所示。如图2所示，根据隧道内车道的实际数量配置对应数量的环形线圈车检器，线圈每通过一辆汽车均会记录，并根据需求可记录固定时间段、一天或者更长时间段的车流量，并将测量结果上传至上位机。

2.1.2隧道车速监测子系统对于车速监测，本方案选择两个环形线圈车检器对隧道内通行车辆的速度进行监测，其监测原理如图3所示。如图3所示，固定车道中两个环形线圈车检器之间的间距（S）为固定值，只需记录车辆通过线圈1和线圈2时的时间差（T），即可换算得出被测车辆的车速V=S/T。

2.2通风控制子系统的设计

为保证高速公路隧道中空气的流通，本方案选用大型射流风机对隧道进行通风并将CO、NO控制在合理范围之内。通风控制子系统能够根据对现场CO浓度监测控制对应数量的通风机运行。此外，隧道能见度和其他交通信息也是控制其中通风机启动数量、风向和通风时间的主要依据。通风控制系统具备自动控制和人工干预控制两种控制模式。一般正常工作状态，采用联网自动控制对通风系统进行控制；当联网自动控制系统存在故障时采用现场自动控制系统；在事故状态或者特殊情况下采用远程人工控制模式；在设备检修或其他特殊情况下采用现场人工控制[4]。通风控制系统对应的控制流程如下页图4所示。如下页图4所示，通风控制系统的控制依据为对隧道内CO等参数进行采集，当上述参数超标时，根据超标的情况控制相应数量的通风机启动；期间，若通风机存在故障时应启动器对应的备用通风机。此外，通风控制系统还需对通风机运行参数进行实时监测和显示。

2.3照明控制子系统的设计

照明控制子系统的主要功能是对隧道内照明设施或者光线强度等参数监测的基础上，控制隧道内照明系统以确保隧道内的行车安全和道路畅通。结合照明控制子系统的任务需为其配置照明设备状态实时显示和报警功能、照明设备控制功能、自动执行照明预案和数据显示功能。照明控制子系统采用时序自动控制策略对隧道内照明系统进行控制，具体控制略为：根据季节的变化和不同的时间段以及隧道内实时能见度启动不同数量的照明回路，以保证隧道内车辆安全行驶[5]。此外，当出现由于天线和交通事故引发的突发状况时，需人工对照明进行控制，对应的控制流程如图5所示。

3结语

目前，我国在高速公路的工程建设方面的技术已经相对成熟，隧道为高速公路中不可避免的咽喉地段，鉴于其空间相对封闭，为保证隧道内车辆的安全行驶需为其配置有效、可行的监控系统对隧道内的环境参数、能见度、车辆速度、车辆流量等进行监测，并根据对应规范得出相应的控制策略，以确保隧道内光线、CO浓度等在合理范围之内；并对隧道内的违法行为进行监控。

参考文献

[1]王志伟，杨超.高速公路隧道监控系统的现状与发展[J].现代隧道技术，2009，46（6）：8-16.

[2]尹锋，赵等层，祝勇.高速公路隧道监控系统的设计[J].公路工程，2010（3）：85-91.

[3]蔡晓霞，赵丹兵，钱新标.基于iFIX高速公路隧道监控系统的设计与实现[J].电子技术应用，2011，37（12）：22-24.

[4]鲍学俊.基于Profinet总线协议在云南高速公路隧道监控系统中的应用[J].公路交通科技（应用技术版），2014（9）：193-196.

[5]王新增.新奥法在岭南高速公路隧道施工中的应用[J].筑路机械与施工机械化，2007（10）：48-50.

作者：赵霞飞 单位：山西欣奥特自动化工程有限公司