PLC下的公路隧道通风与照明系统设计

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摘要：近几年来，我国基础设施的建设规模不断增大，以公路为主的交通基础设施也有了很大发展，由于我国山地丘陵地区众多，因此在公路建设中的隧道路段建设水平和环境系统监控水平也有了很大进步。目前，我国隧道主体建设在全球范围内处于较高水平，但是隧道内通风、供电、消防等监控系统的设计与管控相对发达，国家还有较大的提升空间。为了充分发挥系统调度、优化和协调功能，减少运营成本，以张家界峪园隧道为例，分析了隧道环境监测的控制核心、隧道检测器、照度监测仪、隧道风速风向检测器等监测系统，为了保证隧道行车安全，准确地安装监测系统十分关键，对隧道照明监控等系统的检测方式提出了一些意见和看法，以供参考。

关键词：隧道；通风；照明；系统设计

引言

随着我国对公路基础设施建设的投入增加，交通基础设施有了质的飞跃，在通往山区丘陵地区的高速公路中，出现了许多公路隧道。我国国土有近7成属于山地丘陵地区，高速公路的建设不可避免地将面临众多隧道路段的建设。大隧道、隧道群和桥隧联合的路段建设，也对我国隧道主体建设水平和环境系统监控水平提出了严峻的考验[1]。由于高速公路隧道交通的特殊性，隧道安全问题包括照明、通风、消防等监控系统的指标性能也逐渐受到重视。当前，许多长隧道都按照要求配置了隧道机电监控系统，用以保障隧道内的行车安全。但是大多数隧道机电监控软硬件由于技术不成熟或者年代久远，无法充分发挥作用，同时需要大量的人力和电力来运转，使相关管理部门压力较大。隧道内的通风系统和照明系统不能充分满足行车安全的需求，这造成了很大的安全隐患[2]。因此，隧道内监控系统的有效性、节能环保性、经济性和稳定性运营成了当前交管部门及其他多方管理者关注的重要议题，也是当前隧道监控系统发展的方向。采用现代化的技术，通过稳定性强、具有可扩展性的隧道环境监控系统，来实现通风消防、供电照明，有效地降低事故发生率，确保隧道内行车安全。

1监测系统功能分析

监测系统总体上要具备如下5条功能性要求：1）保障隧道内行车安全，发挥交通效率。2）系统可靠性，局部设备的故障不会造成系统全面瘫痪，采取必要的措施。3）通过搜集交通、环境等信息，对交通流进行可行诱导和控制。4）具备投资低廉，运营及维护成本较小，性能比高的经济性优势，减轻多方的经济负担。5）系统操作便捷，且未来具备可扩展性，便于日后的功能升级。通过对监控系统整体的作用进行分析，进一步了解隧道内的通风与照明系统应该满足的具体功能。

1.1隧道自动控制系统组成

对于高速公路中的隧道系统，由于受隧道特殊的通车环境影响，大部分需要构建隧道监测系统，以确保隧道内通车的安全畅顺[3]。该系统主要包括控制上位机等构件，如图1所示。系统核心部分都在上位机，隧道管理人员通过该设备能够有效监测到隧道内车辆运行状况。由上位机发出信号，对其他设备进行管控，主要包括监测设备以及照明通风等设备。

1.1.1操作功能能够接收隧道各子系统采集的数据，对其进行分析、处理、显示、查询等。对隧道现场的各类设备下达指令，进行各类设备的有效控制。将现场数据进行集成，并连入数据库和外网，方便管理者查询，实时查看隧道内的详细信息。不同授权的管理者可以通过网络对隧道现场设备下达控制指令。具备故障预警机制，检测子系统和设备的正常运行。

1.1.2信息综合显示功能能够在监控室内显示隧道内行车状况的重要信息，包括检测设备采集的检测数值；照明设备和风机设备的运行状态显示；主要机电设备故障的显示；隧道内行车情况显示，如车流量、平均行车速度等；车道控制标志、可变限速标志、交通信号灯、状态显示等综合信息的显示。

1.1.3各子系统集成的功能监测系统通过综合布线系统、网络技术，将硬件设备和软件系统功能等集成到统一的系统之中，使监测系统的信息能够在各个子系统中充分传输和共享共用，通过数据的传输、处理，来实现对隧道行车现状的高效实时监控和管理。

1.1.4隧道监测系统的管理对监测系统能够进行管理，包括能够记录主要设备的运行情况，运行信息的传输、处理和存储的安全性，根据需要对历史数据进行有效查询，制作和输出相关图表和报表等。

1.2隧道监测系统功能分析

隧道是半封闭环境，根据《高速公路隧道监测系统模式》的标准，对峪园隧道监测系统设计为3个子系统，中心监控子系统、通风控制子系统和照明控制子系统。各个子系统的功能设计如图2所示。隧道内车辆能够安全顺畅的运行，主要由几方面的环境因素决定，因此，为了隧道内行车安全和确保正常运转，重点对以上数据进行监测。

1.2.1照明监测隧道内的自然光线不足，因此需要照明系统为驾驶员提供足够明亮的视野环境，为了确保照明系统正常运行，需要通过照明数据监测，来保证设备在稳定工作。公路隧道照明可以改善隧道内路面状况，改善隧道内视觉效果，同时能够减轻驾驶员疲劳，有利于提高隧道通行能力，保证交通顺畅。隧道照明是从入口阶段逐渐过渡过去，容易造成一定的视觉差距，存在事故隐患。为了保证公路隧道的正常行驶，尽量避免交通事故，通过照明数据监测来保证隧道内的照明设备均衡充足，以确保隧道行车安全。

1.2.2有毒气体监测公路隧道内的有毒气体主要包括甲烷（CH4，瓦斯）和一些挥发性有机化合物（VOC），这些气体燃烧一旦发生爆炸，将会带来极大的危害。隧道两边的隧道口相对较小，和隧道整条空间相比，隧道进出口直径偏小，一些有害气体不能有效的排除，会对驾驶员带来危险从而危害身心健康。如果隧道内有害气体过浓，容易造成安全事故，会严重影响驾驶员的人身安全。然而，隧道内如果想及时排放有毒气体，需要在隧道内安装实时检测有害气体监控系统，才能够确保隧道内的行车安全[4]。

1.2.3风速监测隧道内的环境比较特殊，属于狭长的氛围，尤其是隧道两边的入口，由于风速过大，是影响车辆行驶安全的重要因素。为了确定隧道内的平均风速需要合理布置风速监测点，减少隧道内行车安全隐患。

1.2.4能见度监测隧道是交通事故多发的地段，由于特殊的地理环境，隧道内弯道多、弯道急。灯光条件有限，极大影响行车安全。因此需要提高隧道内能见度，为乘客提供安全、平稳、健康的出行服务。高能见度确保驾驶车辆与前后车辆保持良好的安全距离，并有足够的时间应对意外。隧道本身受到暗光、半环境空间等原因的影响，使隧道内的能见度具有局限性。因此要安装隧道能见度监测系统，随时监测隧道内的光线质量，保障车辆顺利通行。

2基于plc隧道监测系统设计

峪园隧道监测系统由多个监控子系统构成，各子系统需要通过协调配合，来实现对整个隧道内行车状况的联动控制。因此，需要实现各子系统的功能集成。即通过结构化的综合布线系统，将设备、信息和功能等集成，使资源充分共享，体系系统功能高效集中[5]。这样能够建立整体体系，提高系统质量和效率，降低运营成本。同时，通过自动化系统工作模型，减少人为操作和主观因素空间，提升工作效率，整合子系统的功能，充分利用软硬件资源，有利于系统功能的扩充，提高了运营管理集成度，减少重复投资，最终使中心监测系统与维护管理系统融为一体，发挥作用。根据国家标准要求，以隧道运营安全为出发点，结合峪园隧道具体情况，对该隧道监测系统的设计遵循“安全、经济、适用”的设计原则[6]。根据峪园隧道的长度、交通量来设置系统监控等级，并以系统监控等级为基础，来安装系统硬件设施，进行控制系统的设计。

2.1项目概况

峪园公路由湖南省路桥公司和张家界国家森林公园管理处投资建设，采用国家山岭重丘二级公路标准来建设，耗资1.35亿元，其中的张家界峪园隧道是通往张家界国家森林公园的重要通道，全长2714m，双向2车道，隧道高9m，宽11m，设计时速为40km/h。

2.2系统信息采集设备

按照监测要求如下。

2.2.1隧道COVI检测器TC4-AQM检测器能够检测隧道内的能见度以及CO浓度，再上传给系统核心，根据上位机发出的信号进行通风等相关指令操作。检测器上的接口能够与其他设备衔接，对收集到的相关数据进行分析重组。

2.2.2隧道风速风向检测器隧道壁右侧安有风速检测器，和其他设备配合使用共同监测隧道内的风速风向，并获得相关数据，同时接口通过数据线可以直接与笔记本电脑连接，对相关数据进行核查筛选。探头内装有单元集成，输出的信号量再上传至上位机。

2.2.3照度监测仪光照强度监测仪能够有效监测隧道内的能见度，安装在隧道口内外，根据隧道的具体环境以及隧道长度安装一定数量的检测仪器，能够有效地监测隧道内的照明度。

2.3系统组态

2.3.1程序控制策略设计按照高速公路的有关文件规定，结合峪园隧道的自身实际状况，提出“安全、可靠、经济”的程序控制设计目标。首先根据峪园隧道的交通量来确定程序监控的等级，提前布置好硬件设施；然后构建满足程序控制目标的子系统，实现程序监控的各项功能；最后是利用组态软件开发出良好的控制预案和控制界面[7]。系统功能主要是实时采集隧道路段上的环境信息和交通信息，及时地将信息上传给隧道系统核心，通过隧道管理人员对相关数据进行分析整理后对隧道交通状况做出正确指示，下达可行的控制指令，保证隧道内交通稳定运行，同时确保运行管理成本可控。程序控制策略包括以下3种子系统的设计。2.3.1.1通风控制程序隧道在机电施工时就已经布置好射流风机，作为隧道的通风动力设施，对隧道内的CO等有毒气体进行排除。CIVI检测器作为风向检测仪，也要接入PLC及峪园隧道管理站的现场控制器（PLC），对CO浓度和烟雾浓度进行实时采集及传输，由PLC通过控制程序，对采集数据做出判断，控制射流风机的运转，实现对风机运行的控制预案。2.3.1.2照明控制程序峪园隧道在主体建设过程中就已经布置了照明灯具，根据隧道长度分为5段照明。通过光亮检测仪检测隧道内外照明亮度，照明分级以及交通量等情况，将检测到的参数接入PLC，实现实时通信上位机，给PLC下达控制指令，对照明灯具开关进行控制。实现隧道内照明控制的智能化，保证隧道内的驾驶员在任何分段都能够适应环境，在最佳光照环境下通行。2.3.1.3交通控制程序峪园隧道通行采用双向双车道，需要在隧道两段的出入口设置交通信号灯、可变情报板和可变限速标志；在隧道内部设置环形线圈车辆检测器，连入隧道PLC，采集交通信息并传递给PLC，根据PLC的控制程序发送控制指令，实现实时控制的闭环控制程序。

2.3.2PLC选型目前，公路隧道的现场控制器都采用PLC来搜集现场设备采集的所用信息，进行预处理并传输给中心计算机，并接收控制指令来控制执行设备。峪园隧道选用S7-300系列模块化PLC，该硬件兼容性强，能够实现对车辆检测器、COVI检测器、亮度检测器等环境检测设备的控制、控制功能要求设计需要。

3结论

交通是国家基础建设重要的设施，在国民经济发展中占有十分重要的地位。在高速公路网建设中，隧道的出现有效解决了拥堵问题。用以帮助和缓解由于密度大而造成的建筑结构复杂的问题，对交通建设起着关键的作用，能够有效提高运输效率，缩短交通距离[8]。同时隧道环境监测受到普遍关注，对于隧道内的照明以及气体排放、能见度等关键因素，必须采取有力措施，确保隧道内车辆安全运行。以峪园公路峪园隧道为例，选用以三菱作为上位，按照高质量的结隧道检测器、照度监测仪，风速风向检测器，组成隧道通风机照明的系统设计与控制，满足了系统设计的安全性、可控性、稳定性和经济性要求，达到隧道内行车安全和运营节能的目的。

参考文献

[1]张文都.隧道环境的多参数无线监测系统设计[J].河南科技，2019（31）：111-112.

[2]郭大伟，郑晅，李雪.公路隧道环境监测及控制系统设计[J].物联网技术，2020，10（3）：28-30.

[3]陈一飞.三维全景隧道监控监测系统的设计与实现[D].郑州：中原工学院，2019.

[4]叶松，白云飞，李志伟，等.基于透射法的隧道能见度检测系统设计[J].光电工程，2019，46（10）：45-52.

[5]周华安，顾龙慧，周书，等.LoRa隧道照明网络设备测试系统研究与设计[J].湖南大学学报：自然科学版，2019（4）：91-96.

[6]郭大伟，郑晅，李雪.公路隧道环境监测及控制系统设计[J].物联网技术，2020（3）：34-36.

[7]张杨，王常青.从普通运营公路隧道向智慧隧道管理转变设计方法[J].中国公路，2020（4）：104-105.

[8]赵向南.公路智能隧道安全综合监控系统的设计与实现[J].山西电子技术，2020（4）：16-18.

作者：孙健 单位：江海职业技术学院