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隧道自动化监控系统

随着交通道路的不断发展，作为其中一个重要环节的隧道，其数量也在不断增加。由于我国复杂的地理环境以及隧道本身的特点，隧道监控系统在隧道的运营、管理以及事故处理中发挥着极其重要的作用。因此，建设可靠、稳定、先进、经济以及可扩展的合理的隧道监控系统成为工程界和公路营运管理部门共同关心的话题。微电子、通信及计算机技术的发展大大提高了公路交通的信息化和智能化程度，与3C技术相结合的PLC以其卓越的可靠性、抗干扰性和灵活的控制方式成为隧道监控系统的核心控制器，PLC与开放的网络通信系统一起，共同推动着隧道监控系统向智能化程度的发展。
系统构成
隧道按照长度分类，分别有短隧道（L<250m）、中隧道（250m<L<1000m）、长隧道（1000m<L<3000m）和特长隧道（L>3000m）。隧道的长度越长，需要考虑的监控设施就越多。从目前国际上对隧道的设计标准来看，长隧道和特长隧道需要监控系统以保证隧道内行车的安全和畅通。
隧道监控系统按照各个子系统可分为：照明系统、通风系统、交通诱导系统、CCTV系统、火灾报警系统、消防控制系统、紧急电话系统及广播系统等。按照设备的类型可分为：检测设备、控制设备、显示设备和通信设备。检测设备如：火灾报警探头、车辆检测器、COVI、能见度检测仪及风速风向仪等；控制设备如：交通区域控制器、照明区域控制器及通风区域控制器等；显示设备如：计算机工作站、大屏幕监视器及声光报警器等；通信设备如：交换机、集线器、串口信号传输设备及光端机等。
隧道监控的难易程度不仅与隧道的长度有关，而且与隧道的交通车流量有关。依据对隧道监控和管理的要求，又将隧道分为A、B、C、D四个等级，其中A级对监控要求高，B级次之，其余类推。当前在工程界一致认同的隧道监控模式主要分为两种，一种是适用于短隧道的集散式控制模式，一种是适用于长隧道的分布式现场总线控制模式。前者布线复杂，造价较高，由中控室对现场设施进行控制与管理；后者施工方便，不但造价较低，而且可靠性较高。适用于长隧道的分布式现场总线控制模式又可分为全分布式现场总线控制和集中式现场总线控制。全分布式现场总线控制模式，中控室对现场设施不直接进行控制，由现场各种设施的控制器进行控制。分布式现场总线控制模式从网络构成来看，一般分3个层次：上层为中央计算机系统，即本地控制中心，中间是由各区域控制器组成的控制层，下层为各种检测设备和控制及诱导设备组成的设备层。
隧道控制的核心思想就是将所有纵向及横向的系统有机地结合起来，通过算法分析，实现智能化控制。区域控制器就是其实现的核心。各区域控制器负责采集现场检测设备的信息，处理后传给本地控制中心，而本地控制中心的控制命令则发给区域控制器，再由区域控制器直接控制相应设备。在本地控制中心与区域控制器通信中断的情况下，区域控制器仍然具备独立控制现场设备的能力。因此区域控制器应高效且高度可靠。作为区域控制器的核心控制部分，PLC应用多，其稳定性、实时性以及对环境很强的适应能力，非常适用于隧道的现场环境。
本地控制中心一般由现场监控工作站(控制计算机)、监控系统软件、主区域控制器及相应的附属设施构成，用于实现对整个隧道监控系统的统一监控。监控系统软件运行于现场监控工作站上，并不断与PLC控制器交换数据，实时地把所有设备的当前状态以图表、颜色、闪烁及数值等方式显示在操作界面上；而操作人员在操作界面的每个动作，也由监控系统软件将相关的命令、参数写入PLC，实现设备的手动控制。
除现场控制设备，整个系统的通信网络则是保证系统能否高效运行的关键。长隧道、特长隧道以及隧道群的出现已经越来越多，单洞内的区域控制器就越来越多，这就意味着网络的结点在不断增加。通信网络不仅要具有较高的通信速率以保证大量数据的有效传输，还必须具有容错的能力以提高通信的可靠性，即网络上出现故障时能够实现自恢复，同时，构成通信网络的设备必须满足工业级要求，以适应隧道内苛刻的工作环境。系统还需要具有很好的可扩展性，使得设备更新与增加、功能改善与变化，都能应用于原有系统。
隧道监控的环境相对比较特殊，隧道所处的山野防雷非常重要，隧道中的控制箱经常会遇到潮湿甚至漏水的侵扰，而一些高原隧道面临严寒和低空气密度，特别是长大隧道中的汽车烟尘很容易附着在密封不好的控制箱中的设备上，这些烟尘具有一定的导电性，从而造成本地控制器等设备的早期故障或损坏。从国内隧道监控系统的实际应用情况来看，对隧道监控环境的认识，在一些项目中，重视成度还不够，一些隧道控制箱远没有达到IP65以上的防护等级，这样的监控系统是很不安全的。
解决方案
监控系统通信网络和PLC是隧道监控系统的核心组成部分，它们的性能对隧道监控系统会起到决定性的作用。根据隧道本身的特点和监控需求选择合适的PLC及通信网络是保证隧道监控系统性能的重要因素。
1.通信网络
在隧道监控系统的结构上，国内在管理体制上主要采用三级管理，即监控总中心、区域监控分中心和监控站。由于监控站不直接对隧道的外场设备进行直接控制，因此工程界按照系统结构的划分把监控系统划分为信息层、控制层和设备层。
第一层为信息层，主要负责大量信息及不同厂家不同设备之间的信息传输，工业以太网Ethernet为目前较常用的一种信息网络，世界各大PLC生产厂商均支持工业以太网，并且他们在原有TCP/IP的基础上，相继开发出实时性更高的工业以太网，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，因此在隧道监控上以太网主要用于各个隧道管理所与监控中心的数据传输，包括各种交通流量信息，各传感器数据等大量历史数据信息。
第二层为控制层，主要采用现场总线组成隧道区域控制器网络，其特点是由于采用了标准总线组网，既能满足实时通信的要求，又具有开放协议的标准接口，能在总线上方便地挂接各种外场设备，有利于监控系统的扩展。目前，现场总线有40多种，在公路监控系统中应用的现场总线主要有Controller Link、LonWorks、Inetrtbus、Profibus、CAN和Modbus+。它们的共同特点是高速、高可靠，适合PLC与计算机、PLC与PLC及其他设备之间的大量数据的高速通信。为使系统的稳定可靠，控制层的网络结构多采用环网的方式组成，包括线缆型和光纤作为传输介质，具体组网将在后面做出实例说明。
第三层为设备层，这一层用于PLC与现场设备、远程I/O端子及现场仪表之间的通信，包括DeviceNet、Modbus以及Profibus/DP等，其中DeviceNet已经成为工业界的标准总线而得到了广泛的应用，而Profibus/DP虽然没有成为标准，但是其应用也相当广泛。
值得指出的是，近年来以太网的广泛应用使得人们把目光投向了现场总线上来，工业以太网是否将取代现场总线仍然是一个争论的话题。然而，不论是Ethernet/IP还是Modbus-TCP/IP，以太网在一些重要的性能指标上仍然无法具有现场总线的特点和优势。从本质上来讲，以太网的载波帧听冲突监测CSMA/CD的访问方式，实时性并没有现场总线采用的令牌总线和令牌环的访问方式高，不论人们采用何种方式，如协议封装、分时访问控制等，都只能改善以太网的实时性，得不到本质的改变。隧道控制的一个核心思想是必须保证隧道的安全尤其是突发事件时隧道的安全，如果突发事件的发生造成数据访问产生碰撞，使得信息不能及时得到处理而导致重大事故，后果将不堪设想。在当前技术还未完全成熟之前，现场总线应用于控制层，是一个积极和稳妥的选择。随着以太网技术的不断发展，今后其取代现场总线而用于控制层也是很有可能的。
2.监控分中心及上位监控软件
监控分中心一般将设置多台SCADA工作站（工控机）。分别用于交通监控、消防报警、图形控制、通风照明控制、视频监控等，完成隧道内各种设备的状态显示、自动控制、半自动控制、打印报警、分析报表等工作。同时，监控分中心还将设置多台服务器，为其他计算机提供支援和与监控总中心进行通信。
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