隧道监控系统

隧道监控系统（精选12篇）

隧道监控系统 篇1

摘要：阐述了昆明供电局电力电缆运行维护现状, 介绍了电缆隧道集中监控系统的构成和实施技术, 通过该系统的实施;使得电缆的管理由传统管理模式转变为现代科技管理模式。

关键词：电缆,电缆隧道,集中监控系统,管理

1 前 言

昆明地区共有220kV电缆线路4回19.46 km, 110kV电缆线路46回105.8 km, 35kV线路17回14.3 km, 负责城区各变电站之间的电源联络;电缆隧道34km, 61%的高压电缆敷设在电缆隧道内。随着城市快速发展, 电力基础设施投入逐年增加, 电缆及电缆隧道的长度在不断增加, 其传统运行模式面临着越来越大的压力。

1) 电缆等附属设施被盗严重, 严重影响电缆安全运行。

2) 其他施工单位私自对隧道开孔, 对运行电缆也带来安全隐患。

3) 电力负荷急剧增加导致电缆过载、过热, 隧道内积水、产生有害气体等会影响到电缆安全运行。

4) 电缆管理、控制手段薄弱, 无法实时了解电缆隧道内电缆及附属设施的运行情况。

目前国内参数采集终端设备的精确性已经能如实反映电缆及环境运行状态。

2009年12月, 昆明供电局在南北隧道、西坝隧道、南三环、海硬隧道共17km建成电缆及隧道在线监控系统, 采用科技手段解决周期巡视中存在的问题, 有效提高了电缆运行环境的安全性。

2 系统介绍

电缆隧道集中监控系统由中心控制层 (输电分局监控室) 、区域监控层 (分控主机, 设在电缆隧道附近变电站内) 及监控终端层 (各监控终端, 设在各电缆隧道内) 三层结构组成。

2.1 中心控制层

中心控制层是整个电缆隧道集中监控系统的上层核心部分, 以REAL-TIME电力监控系统为基础, 通过模块化扩展, 可构建多个应用子系统和并实现多种监控功能实时远程监测电缆运行参数及电缆隧道内环境变化, 实现各监控子系统 (含防盗电子井盖、高压电缆线路运行电流、护层电流、瞬间故障电流、电缆接头温度、电缆本体温度、隧道综合环境、隧道应急通信、隧道智能视频监控子系统等) 之间的联动功能。

2.2 区域监控层

2.2.1 分控主机

分控主机安装在变电站内, 是介于中心控制层和隧道监控终端设备之间, 通过通信电缆与隧道内的各类采集器连接, 每个分控主机可带48个回路, 每个回路最远可达10km。同时分控主机还负责对前端采集器进行远程供电、控制和自动监测, 从而实现实时监控。

各变电站的区域分控主机通过已经建成的自动化通信系统, 使用TCP/IP实现与电缆集中监控中心的连接, 形成覆盖整个监控网的监控系统, 网络与外界隔离, 没有黑客攻击和病毒感染的危险。

2.2.2 系统供电和数据传输

采集终端设备一般安装在电力隧道或者管沟内, 距离变电站达十几公里远, 各种现场采集单元分布十分分散, 如用普通的低压交流供电方式, 长距离供电会使供电质量下降, 影响系统的可靠性。且部分管沟段甚至没有低压电源, 无法实现对现场设备的供电。

鉴于这一情况, 在电缆隧道集中监控系统中采用一种远程供电和通讯共缆传输技术。采用低压远程供电 (10km以上) 和载波通讯通过一对双绞线传输;一对双绞线可挂接多个监控终端, 通过主机配置通讯和终端供电的时间比来保证系统的稳定性。

针对信号传输中带来的谐波、传导、辐射、串扰等干扰问题, 采取端口输出设有共、差模滤波器的方式来消除能量反射, 驻波。同时采用脉冲分时复用技术和独特的脉宽检波算法, 有效滤除高压电缆运行过程中产生的各种电磁干扰, 以保证通讯良好, 从而很好地适应电力隧道、沟道内的复杂电磁干扰环境。

分布在电力隧道内的现场采集单元采用低功耗设计, 对于充电、发送、接收、控制等各功能电路实行控制分时上电, 待机时关断的电源管理方法, 有效地降低了系统功耗。

2.3 监控终端层

监控终端层含电缆隧道集中监控系统最基础的控制终端、采集终端及通信链路, 实现对风机、水泵、井盖等的开闭管理和对电缆运行、隧道环境等参数的采集。

3 监控子系统介绍

3.1 井盖集中监控子系统

对隧道检查井、防盗门加装电子锁以及控制器, 具有应急钥匙 (工具) 开启、状态 (开启或关闭) 监测、电控开启、非法进入报警及自锁闭功能。可以及时、有效的制止电力隧道偷盗事件发生, 规范电力隧道内电缆通道的资源管理, 防止各种线路的私拉乱放, 保证隧道电缆的安全稳定运行。

电控人井内盖由人井专用电子锁+定制专用内井盖+智能控制模块组成。智能控制模块通过通信线与监控主机通信, 实现对井盖的监控, 可实现井盖全集中管理, 在授权登记下由监控管理中心远程统一开启, 开启事由记录可查, 安全性强, 杜绝管理漏洞。

多种组网方式 (PSTN/TCP IP/DCN) 适应不同需要, 告警方式灵活可选, 可实现PDA, 短信通知, 语音通知等多种告警模式。在紧急情况下, 可以用应急钥匙现场开启井盖, 保证紧急抢修的需要, 应急钥匙采用定制磁性密码钥匙, 具备40万种密码组合, 普通用户无法复制, 安全性高。

井盖安装位置进行GPS数据采集, 并在电缆走向图上显示, 形成非法开启地图告警提醒功能, 视觉直观显示告警位置, 及时有效制止偷盗事件。

3.2 电缆参数监测子系统

对电力电缆运行过程中的重要参数进行在线实时监测, 参数包括:护层接地电流、电缆接头温度、电缆接头局部放电、瞬间放电等参数和信号, 通过在电缆本体及接头位置安装采集器, 实时监测电缆运行状态, 防止电缆长期过载发热降低电缆绝缘性能, 局部放电信号的测量可以反映多种局部绝缘劣化的发展状况, 可作为一个重要指标来检测一些危及电缆整体绝缘的有害缺陷, 有效实时掌握电缆运行情况, 电缆采集终端安装位置如图1。

3.3 隧道智能视频监控子系统

智能视频监控子系统将采集到的视频信号首先送到光端机, 利用通信光纤光端机把视频信号传输到变电站视频编码器, 再把模拟信号转化成为可以达到DVD画质的D1格式数字信号, 完成本地存储的同时, 把视频信号通过网络传输到监控中心, 显示在监控中心的电脑屏幕上。

视频监控系统除了具备数字化视频监控系统自身的视频采集、存储、报警、联动等基本功能外, 还具备图像分析处理能力, 将这种智能化的视频监控系统在电力隧道的出入口和重点部位上进行配置, 利用系统的周界警戒和图像处理软件, 可以及时发现跨越用户预设的、无形警戒边界的目标, 在图像上发出报警信号并自动记录到存储设备。它吸取了“人盯画面”和传感器报警的综合优点, 对可疑目标的智能报警和自动记录。

3.4 隧道环境综合监控子系统

对电力隧道内的有害气体、空气含氧量、水位等环境参量进行监测, 并根据监测结果联动控制隧道内相应的风机、水泵等前端设备, 为电缆的良好运行环境及维护工作人员安全提供全面保障。

3.4.1 有害气体传感器

隧道内的有害气体主要是一氧化碳、甲烷和硫化氢, 有害气体传感器的测量精度要求较高, 对人体有害的微量存在时就需要探测出并报警。传感器的变送器为PPM级微功耗有毒气体变送器系列产品之一, 可检测0～500×10-6一氧化碳、甲烷、硫化氢气体浓度, 结果显示于LCD液晶窗口, 同时输出对应的 (0～1) V信号, 当被测气体浓度达到报警点时, 显示器给出报警提示。并联动相应隧道区段内风机动作。

3.4.2 空气含氧量传感器

空气含氧量传感器通过探测隧道空气内的氧气浓度, 当浓度下降到危险区间时自动报警, 联动隧道内通风设施开启或告知人员疏散, 避免事故发生。

3.4.3 水位传感器

在电缆隧道内集水井及水位低点处安装水位传感器, 避免由于水泵损坏或水位上涨危急电力设备级辅助设施安全。

3.5 隧道有线应急指挥通信子系统

通过在电缆隧道内每隔200米、水泵、风机、电缆中间接头位置处设置呼叫对讲终端及便携电话插头盒, 实现电缆隧道内工作人员能够使用应急通信终端与监控室人工坐席 (值班人员) 语音通话;电缆隧道内人员使用不同应急通信终端, 可以相互呼叫并语音通话功能。

3.6 分布式测温集中监控系统

通过在隧道内沿线敷设分布式测温光纤对电缆隧道运行环境温度进行实时在线监控, 当隧道温度超过设置的告警值时系统将告警, 并在电缆通道走向上闪烁提醒运行人员温度超限位置, 为异常核实及抢修提供有效信息。

4 系统功能

4.1 参数实时监测

系统运用自身资源接收和处理采集单元传送的监测数据, 通过监控软件实时显示各个监测点的数据和曲线, 也可以定义系统参数, 并对各监测点设定报警参数, 并保存至数据库, 供用户浏览使用。

在监控中心可实现对高压电缆接头温度、电缆接头护层接地电流、瞬间故障电流信号、局放信号等参数监测、实现超限锁定及报警等功能。

4.1.1 参数历史记录和趋势记录

系统内所有监控点的历史参数都自动保存在服务器内。用户可以随时调看历史记录供分析研究。

4.1.2 链路检测功能

系统随时对下位机及线路中的设备进行巡检, 自动诊断链路状态, 出现故障立即发出报警信号, 保障监控中心与现场设备处于正常通信状态。

4.2 报警管理

报警管理包括监察、缓冲、储存并将报警信号送至指定的操作站上, 显示所有报警监控点的有关详细资料, 包括发生的时间及日期。根据报警分级, 更有效地及时处理严重报警。报警发生后根据用户的事前安排, 自动导向至指定的操作站上, 若原来的操作站发生故障, 报警自动导向至其它指定的后备装置上。在严重性级别最高的报警或特定的报警发生后, 这些报警可以通过电话系统自动传到其它地方, 使报警得到适当及时的处理。整个传送程序是自动进行的, 不需操作员的介入。

5 结束语

1) 目前电力电缆及隧道的运行管理还处于计划检修阶段, 一般采用定期巡视的方法对电缆的运行状况进行检查。从经济和技术角度来说, 计划检修都有很大的局限性:例如定期试验和检修造成了很大的直接和间接经济浪费, 许多绝缘缺陷和潜在的故障无法及时发现, 通过在线监测系统可及时了解电缆运行状态, 为线路检修提供有力数据。

2) 有效防止电缆隧道偷盗事件的发生, 实现设备运行状态的实时监测, 获得精确环境参数。

3) 电缆隧道集中监控系统的建设使电缆及隧道的多种状态一目了然, 提高了电缆网在线监测的整体水平, 为供电增加了保障系数, 也为电缆网的建设和发展进行了有益尝试。

4) 电缆隧道集中监控系统的建设使电缆及隧道形成一体化的电缆网监控平台, 实现“自动化监控、智能化管理”, 将传统粗放的电缆运行管理模式转变为“专业化、精细化、规范化”的新模式。

参考文献

[1]周全仁, 张海主编.现代电网自动控制系统及其应用[M].北京:中国电力出版社, 2004.

[2]丁道齐.现代电网安全稳定运行的三大支柱[M].南京:江苏科学技术出版社, 1994.

[3]黄益庄.变电站综合自动化技术[M].中国电力出版社, 2000:37-83.

[4]孙圣和, 王延云, 徐影.光纤测量与传感技术[M].哈尔滨工业大学出版社2000:1～10.

[5]赵宏波.现代通信技术概论[M].北京邮电大学出版社, 2003.

隧道监控系统 篇2

隧道是高速公路及城市公路的重要组成部分，按长度分类，隧道可分为短隧道(L<250m)、中隧道(250m

隧道监控系统主要包括监测设备、报警设备和控制及诱导设备3大类。一般的，CCTV系统、广播系统、报警系统(火灾检测、报警按钮、紧急电话)是自成系统的，除此之外,其它设备都通过区域控制器及其通讯网络来实现监控。一般的，每条隧道的监控分为3个层次，上层为本地控制中心，中间为区域控制器，下层为各种检测设备(车辆检测器、能见度检测器、CO浓度检测器、风速风向检测器、亮度检测器、超高车辆检测器等)和控制及诱导设备(车道控制器标志、交通灯、可变情报板、可变限速标志等)。在这3个层次中，区域控制器是隧道监控系统的核心，它负责采集现场设备的信息，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。因此区域控制器应是高度可靠的。目前多使用PLC(Programmable Logic Controller,可编程逻辑控制器)作为区域控制器的核心控制部分，PLC设计用于对稳定性、实时性有极高要求的工业现场控制领域，对于环境有很强的适应能力，故而可以很好的用于隧道监控现场。隧道监控系统中的另外一个重要组成部分就是通讯网络。随着距离超过1000m的隧道越来越多，单个隧道内区域控制器的数量越来越多，同时，为了保证隧道的通风、照明及交通诱导设备的正确运行，各区域控制器之间的相关性也越来越强，因此，监控系统对通讯网络提出了更高的要求，通讯网络不仅要具有较高的通讯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讯的可靠性，即网络上出现故障时能够实现自恢复，同时，构成通讯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。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主控制柜交换数据，实时地把所有设备的当前状态以颜色、闪烁、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。隧道监控系统的主区域控制器的性能要优于普通区域控制器，因为当现场监控工作站故障而无法完成正常的监控功能时，主区域控制器要能够自主的进行交通、照明、通风等控制功能。

PLC和通讯网络是隧道监控系统的核心组成部分，PLC的选择和监控系统通讯网络的性能对隧道监控系统的性能起到决定性的作用。根据隧道本身的特点和监控需求选择合适的PLC及通讯网络是保证隧道监控系统性能的重要因素。

对西门子隧道监控系统解决方案来说，S7-300系列PLC是区域控制器的首选，其稳定的性能、强大的通讯能力以及适中的价位可以为用户提供高性价比解决方案。在通讯网络方面，西门子为用户提供了丰富的选择，无论是基于现场总线技术构建的PROFIBUS通讯网络还是基于以太网技术构建的工业以太网通讯网络，都可以很好的满足隧道监控系统对通讯网络的性能及可靠性方面的要求。

下面分别介绍一下基于PROFIBUS技术的现场总线解决方案和基于以太网技术的工业以太网解决方案：

PROFIBUS冗余环网

PROFIBUS是目前国际上通用的现场总线标准之一，以其独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规，已成为最重要的现场总线标准。PROFIBUS符合国际标准IEC 61158和中国标准JB/T10308.3-2001，在各个工业领域中都有十分广泛的应用。

对于隧道监控系统通信网络来说，PROFIBUS可以很好的满足其苛刻的要求。

如下图所示，监控系统的通信网络选择PROFIBUS冗余光纤环网，该光纤环网具有故障自恢复功能，即环网上任何一点出现故障都不会影响网络的正常通信；本地控制器选择S7-300系列PLC来实现现场数字量、模拟量和串行通信设备(如大型情报看板)的输入、输出及控制，S7-300 PLC通过OLM(光纤链接模块)连接到PROFIBUS光纤环网中；主监控室的本地控制器选择S7-400 PLC，也通过OLM连接到PROFI-BUS光纤环网中，在监控室中使用触摸屏进行现场控制和监视，S7-400 PLC负责整个隧道监控系统的控制和协调,并将监控系统的信息上传至监控分中心,供操作人员实现集中的监控。

工业以太网冗余环网

作为当今LAN(局域网)领域中首屈一指的网络，以太网的市场占有率高达80%，广泛的应用于办公网络世界。

工业以太网是基于IEEE802.3(Ethernet)的强大的区域和单元网络，其技术上于普通以太网完全兼容，同时考虑到工业现场的严酷工作环境和极高的可靠性要求，工业以太网对普通以太网做了相应的完善，以适应工业应用的需要。

关于高海拔隧道照明系统的研究 篇3

摘 要：根据传统文献和研究给出的隧道照明系统，和高海拔地区的光照度差别很大，按照传统理论，很容易损坏灯具，本文在毕威高速隧道照明中提出的新方法，有效的解決了高原高海拔地区的隧道照明中因为控制方法的不恰当引起的灯具损坏和光环境不适应感。

关键词：高海拔；隧道照明；光照度

中图分类号： U416 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）18-85-2

1 概述

在高速公路上进行高速行驶的过程中，由于人眼构造的原因，突发的进入亮度发生突变的地方（譬如隧道），会产生系列的视觉问题，高速公路隧道照明视觉现象会有以下特点：

①“黑洞”效应：白天，当汽车行驶进入亮度不是很高的隧道入口时，因为隧道内外亮度差异很大，使人产生一种进入深渊的感觉。为了避免这种“黑洞”感，加强隧道洞口处的亮度，使得洞内外的亮度差异比较小。

②“白洞”效应：白天，当汽车行驶进入亮度不是很高的隧道除口时，因为洞外亮度很高，使得在视觉里感觉洞外形成一个白色洞穴，这会使得司乘人员有着强烈的眩光感，使得司乘人员无法辨别车前方的状况，容易发生交通事故。

由上可知，提高隧道出口过渡段的照明亮度也是必要的，且出口过渡段应在40m以上，照度不得低于500Lx。在晚上行驶中，因为和白天情况恰恰相反，隧道出口处正好形成“黑洞”感，司乘人员无法辨别洞外道路前方的情况。为此，适当的降低出口处的过渡段的照明亮度且应该比隧道内基本段照明亮度要低一些，以使司乘人员的眼睛得到缓解。这就要求在控制过程中，每当黑夜来临时，关掉一部分隧道出口的照明，达到降低亮度的目的。

另外，当隧道内发生火灾时，根据消防管理规定，照明系统必须全部开启，以有利于消防人员和救援人员处理现场情况；当隧道内发生交通事故时，事故发生地点的照明必须达到最好，为驾驶人员和救护人员提供良好的照明环境，避免扩大事故；因火灾、事故或其他原因使用人行或车行横洞时，横洞灯具自动亮起。

分段时序控制方式是根据季节的不同和一天中不同的时段来改变照明回路 运行状态的方式，并对隧道内发生事故或火灾的情况也做出了相应的应对措施，虽然对一天内不同照明回路的工作状况作了更细致的分工，但由于不能考虑到不同的天气状况带来的影响，不能对隧道内外的光强值进行准确的判断和分析，因此这种控制方式算法简单，在使用中缺乏准确性和精确性。如果它和人工手动控制这种方案相结合，可以达到理想的控制效果。虽然分段时序控制有一些不足，它仍然是当今使用最广泛的一种控制方式。

2 智能照明调光控制算法

算法原理：根据洞内外的亮度建立响应的洞内需求曲线，通过对需求曲线处理对相应的灯具采取控制手段，使得隧道内的整个照明区域平稳光滑，同时快速响应跟踪照明需求曲线，在取得节能的同时取得良好的照明效果，同时响应第二套备用方案，在隧道内外照度传感器损坏时，启动分段时序控制方案。

传统的隧道照明为实现照明的舒适性，按晴天、云天、阴天、重阴天加强照明和过渡段基本照明、过渡段基本应急照明六种模式控制，但是在高海拔地区的隧道，其洞外的光照度极强，和平原地区的差别非常大，特别在贵州毕节地区，天空的照度变化非常大，其变化速度非常快，会突然出现照度从晴天变成阴天，要马上转为晴天的情况。

在毕威高速的旱莲花隧道，我们根据当地光照度和晴天、云天、阴天、重阴天加强照明和过渡段基本照明、过渡段基本应急照明进行对比，贵州屋脊的毕威高速的晴天、阴天、云天、重阴天和我们许多地方的差别很大。并且在实际的观察中，我们发现由于地处高原，风云变化迅速，频率很高的切换灯具的开关对灯具的损坏非常大，很容易引起灯具的电源烧毁。

因此我们迫切的要求解决灯具损坏的方法，并提出一种延迟灯具使用寿命的方法。

根据资料，我们将天气情况按照照度区间进行划分，如表1。

但是 在毕威高速旱莲花隧道实际测试中，我们用照度仪对20分钟情况进行采样，一分钟一次，得到如下数据，如表2。

从以上数据可以看出，贵阳毕节的地区的天气变化迅速，照度变化很快，并且照度跨度非常大，根据上述情况，我们在编制程序的过程中，并非一味的加强洞内外照度的照度的一致性，而是增加照度预期的判断，通过数据的预处理，取得良好效果。程序流程图如下：

在毕威高速通车两年内，照明效果非常好，灯具损耗率比较低，有利的保证了业主和施工单位的利益。

参 考 文 献

[1] 赵忠杰.公路隧道机电工程[M].北京：人民交通出版社，2007：52-92.

[2] 王文熙，郭奋勇.隧道照明节能分析与系统设计方案[J].中国交通信息产业，2003，23（10）.

[3] 重庆交通科研设计院.JTG D70-2004 公路隧道设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

隧道监控系统中的故障诊断 篇4

如今,现代科学技术在隧道监控系统中的设备上应用的越来越广泛,现代设备的结构越来越复杂,功能越来越齐全,自动化程度也越来越高。由于许多无法避免的因素影响,会导致设备出现各种故障,从而降低或失去预定的功能,甚至会造成严重的以至灾难性的事故。若将设备故障诊断技术应用于隧道监控系统中的设备维修和管理,就能够将整条隧道的维护成本以及设备故障所带来的一系列损失降到最低,创造巨大的经济效益和社会效益。 因此,在隧道内设备正式投入运行后,应对其做出合理的维护计划,并可将其联入隧道监控系统,以协助运维人员的现场维护。

合理的设备维护方式应该是具有预知性的,而并非在设备发生故障后进行维修。因此就需要故障诊断系统接入隧道监控系统。通过就其设备所在现场环境情况、运行方式等各种信号的采集与分析,并结合其运营单位运维人员的经验以及施工单位的施工经验,设备发生故障的预测以及处理进行管理,以提高设备运行的效率。

1可靠性为中心的维修( RCM) 分析方法

如图1所示,以可靠性为中心的维修( RCM) 是目前国际上通用的用以确定设( 装) 备预防性维修需求、 优化维修制度的一种系统工程方法。它的基本思路是: 对系统进行功能与故障分析,明确系统内各故障后果; 用规范化的逻辑决断程序, 确定各故障后果的预防性对策; 通过现场故障数据统计、专家评估、定量化建模等手段在保证安全性和完好性的前提下,以最小的维修停机损失和最小的维修资源消耗为目标,优化系统的维修策略［1］。

2系统中设备的维修及预防性措施

以可靠性为中心的维修,实际上是将维修和预防性措施视作一个整体,其目标就是为了“解决问题”。对于一些结构简单、功能相对单一的元器件或者设备来说,其使用年限可以将设备原有的一般使用寿命和损耗情况结合起来进行考虑。但是,在实际运用中,一般使用的元器件或者设备都相对复杂。这些复杂的设备不能仅用功能寿命和损坏率来判断,还应与其工作环境、与其相对的辅助设备使用情况等各类因素有关。因此在隧道监控系统中,即便是同样的设备或者元器件,安装在不同的位置,其辅助设备安装的方式或者辅助设备本身的工况都会对其使用寿命和维修方案造成不同的影响［2］。

因此,实际使用中设备的维修及预防性措施必须根据设备实际的工况编制有针对性的预防性措施。因此,引入维修及预防性措施数据库。

( 1) 预防性维修

图2显示了潜在故障发生的一般过程:P-F曲线,它显示了故障开始劣化到故障,可被探测到的点( 潜在故障点P) ,如果未探测到也未纠正,则性能继续变坏,速度常变快,直到到达功能故障点F［3］。如果在P点和F点之间探测到潜在故障,那么有两种可能性: 一是防止功能性故障,有时可能在现有部件完全失效前进行维修,这取决于故障机理的性质。在这种情况里,我们既可以预防故障,又可以防止或降低故障后果。二是避免故障后果,在大多数情况下,探测一个潜在故障实际上无法防止部件发生故障,但仍可能避免或降低故障后果［4］。

( 2) 对象数据库

在隧道系统中,此数据库就是按照故障影响对其进行分类, 并详细列出每一种故障针对设备的功能、性能及其对应的维修方案及预防性措施,并实时更新和归类系统运行过程中实际发生的所有故障。

系统数据库的来源主要由两个方面。第一,根据设备本身各参数,并参照之前使用时发生过的故障情况,在系统投入之前,存入数据库。第二,根据实际使用情况实时更新数据库,并调整预防性措施的周期及方案［5］。

3监控系统预案库设计

根据RCM分析,完成故障模式及影响分析后,便进入了RCM逻辑决断过程。但是,由于隧道监控系统的复杂性和特殊性,为了确保可靠性维修的实现,其需要的不仅仅是一个故障分析的数据库,而且需要更为重要的数据库,即: 预案库。此数据库是针对不同的故障,根据以往经验、常规判断,以及实际运营过程中维修、预防等的实际经历,构成一个提供“解决问题”方法的数据库。

( 1) 设备监控

针对隧道内的各种设备,采集管理所需的各类数据,实现设备的远程状态集中监视、数据检测、报警等功能。通过传统的PLC、D / A、I / O模块对隧道现场的各类控制柜、末端元器件等进行遥信、遥测等功能。对于中央控制室及机房内设备实行自诊断、运行监控及错误报警功能。通过以上功能实现对隧道内所有监控设备的远程设备监控。

( 2) 使用检查

在设备使用前及使用过程中,对其外观、控制点和基本动作进行检查,并在使用过程中,对设备的运行情况及运行状态进行确认。

( 3) 日常保养

1定期对设备的除尘、清理,扫净监控设备显露的尘土,对摄像机、防护罩等部件要卸下彻底吹风除尘,之后用无水酒精棉将各个镜头擦干净,调整清晰度,防止由于机器运转、静电等因素将尘土吸入监控设备机体内,以确保机器正常运行。同时检查监控机房通风、散热、净尘、供电等设施。室外温度应在- 20 ℃ ~ + 60 ℃ ,相对湿度应在10% ~ 100% ; 室内温度应控制在+ 5 ℃ ~ + 35 ℃ ,相对湿度应控制在10% ~ 80% ,使机房监控设备有一个良好的运行环境。

2根据监控系统各部份设备的使用说明,定期检测其各项技术参数及监控系统传输线路质量,处理故障隐患,协助监控主管设定使用级别等各种数据,确保各部份设备各项功能良好,能够正常运行。

3对容易老化的监控设备部件定期进行全面检查,一旦发现老化现象应及时更换、维修,如视频头等。

4对易吸尘部份定期清理,如监视器暴露在空气中,由于屏幕的静电作用,会有许多灰尘被吸附在监视器表面,影响画面的清晰度,要定期擦拭监视器,校对监视器的颜色及亮度。

5对长时间工作的监控设备定期维护,如硬盘录像机长时间工作会产生较多的热量,一旦其电风扇有故障,会影响排热,造成硬盘录像机工作不正常。

6对监控系统及设备的运行情况进行监控,分析运行情况, 及时发现并排除故障。如: 网络设备、服务器系统、监控终端及各种终端外设。桌面系统的运行检查,网络及桌面系统的病毒防御。

7提供定期的信息服务,定期将上月抢修、维修、维护、保养记录表以电子文档的形式报送监控中心负责人。之后用无水酒精棉将各个镜头擦干净,调整清晰度,防止由于机器运转、静电等因素将尘土吸入监控设备机体内,确保机器正常运行。

( 4) 预防维修

根据“设备监控”、“使用检查”及“日常保养”报表,对存在不稳定风险的设备进行定期的预处理,对于可能产生故障的设备进行提前的维修和处理［6］。

( 5) 修复维修

在设备发生故障时,对设备进行及时维修及故障处理。为保证维修的效率和可靠性,必须事先建立主要设备配件及基本元器件库,对于设备维修中必要的元器件进行储备( 如各种必须的模块、开关、继电器、供电电源等) 。

( 6) 设备更换

在设备无法维修、不能维修或者从代价上不值得维修时,对设备进行直接更换处理。为保证维修的效率和可靠性,必须事先建立主要备品备件库,对于经常性、易损性及需要相当长采购周期的产品进行储备( 如摄像头、监视器、光缆、光端机、紧急电话、 扬声器、各类探头、信号灯等) 。

( 7) 改进维修

在对设备进行维修处理的过程中,如发现现有设备内相关元器件已经无法满足需求、类似更新的产品在实际使用上有远超于现有产品性能或能大幅提升系统效率、已被新产品更新( 包括原型号已经停产无法采购等因素) ,进行对应的设备改进维修。设备的改进维修必须注意新产品或新工艺对于原有系统的兼容性和使用的稳定性。

( 8) 预订报废

对于使用周期短、使用寿命短、在实际工况下无法保证长时间正常工作的设备,制定报废计划。直接根据计划对相应设备进行报废和更换。

( 9) 技术改造

由于监控系统在系统的先进性、功能性和系统兼容性上受新技术、新工艺、新方法的影响相对较大,为了保证系统内部功能的完善、对外接口的协调等。需对存在的功能上疏漏、不合理、有缺陷,对外接口形式落后、数据传输滞后的设备进行技术改造。由于技术改造涉及范围较广、影响较大,需要有专业性团队进行设计、改造; 如涉及面广,相关方案需通过上级部门批准。

4 RCM计划

由于隧道设备监控系统对于安全性和可靠性要求的特点,其不存在修复维修、预订报废、改造维修之间的选择,一旦发生无法修复维修的情况必须第一时间进行改造维修; 一旦到达预定报废的使用期限必须第一时间报废更换。由于同样原因,对于隧道设备监控系统而言,一切维修策略的出发点和终结点都是系统风险的最小化,所以同样无需考虑风险价值和风险预判等问题。其计划完全根据RCM影响分析和故障模式得出。但是,必须指出,随着故障点样本容量的扩大,其对于故障的风险/优先级也会随之发生变化( 简单而言,可能会在实际运营过程中出现故障风险系数低的故障点反而需要优先处理的情况) ,但是,由于其对于预案数据的数据采集及样本容量的增大是一个漫长而又多变的过程,就现今运行的隧道,并不会出现上述情况。故仅作为未来可能需要优化的一个潜在点提出,以备考据。

5结束语

RCM作为现代化的维修管理模式,已经在各个领域里证明了其相比传统维修处理方式的优化。其实用性、科学性、专业性、 高效性的特点也是未来维修管理模式的必然趋势。

隧道监控系统,作为现代化隧道运营、控制、管理的核心组成,同样已经逐渐成为了当今隧道设计的关注点。相比其他工业系统,隧道监控系统本身存在,系统多样、功能复杂、涉及知识及技术面广、产品及技术更新速度快等特点。由此导致隧道监控系统的维修管理,一直以来是隧道维护保养的一大难题和隐患。但是,由于管理人员及管理储备等诸多原因,导致对于如何制定一套隧道监控系统的维修管理模式,从未得到有效的解决。

本篇结合隧道实际的工况以及长年隧道施工及运营管理的经验,利用可靠性维修的理念,对隧道的维修管理提出了一套能符合实际操作及运营的模式。在有限的资源情况下,更为有利的对隧道进行管理、运营及维修。并同时将由于监控系统及其设备可能造成的风险降低到最低限度。

摘要：为了缓解日益严峻的交通问题,政府正致力于隧道高架的建设。若隧道内的设备经常发生故障事故,这不但不能够减缓交通情况,也许还会威胁到驾驶员的人身安全,造成严重的损失,因此保证设备的安全可靠运行,消除事故,是十分迫切的问题。同时,对于运维管理人员平时对于设备的维护管理,也提出了更高的要求。根据对于故障诊断的方法的研究,是以RCM维修管理模式确定所需的维修内容、维修类型、维修间隔期和维修级别,可以优化维修,并降低维修成本,使得隧道能够更为可靠地运行。

隧道监控系统 篇5

高速公路隧道监控系统的组成与作用

结合多条高速公路隧道监控系统建设实践,阐述了隧道监控系统的意义、作用及组成,并对未来隧道监控系统发展进行了展望.

作 者：曹力 CAO Li 作者单位：深圳高速公路股份有限公司,广东,深圳,518026刊 名：湖南交通科技英文刊名：HUNAN COMMUNICATION SCIENCE AND TECHNOLOGY年，卷(期)：200935(3)分类号：U45关键词：高速公路 隧道 监控系统

隧道监控系统 篇6

关键词 GPS；隧道；测量

中图分类号 P228.4 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)021-0155-01

目前，全球卫星定位系统正在发展与全面的建成，也给测绘与导航带来了一场新的技术性革命。GPS大量用于测绘、气象、水利、军事等多个方面，而在城市控制网的建立，改造以及大地的测量中已有较为广泛的运用。随着观测、数据的处理正日益完善，在隧道的测量控制当中，GPS已经得到了越来越广泛的运用。

1 GPS的工作原理及测量优点

将GPS测量技术与常规测量技术相比：①使用GPS的观测精度在一般的情况之下，相比常规测量都明显偏高；②使用GPS进行测量，不再需要进行测站间的相互通视，可以根据事情的具体情况来确定点位，从而让测量工作更加的方便、灵活；③随着GPS技术不断的进步、不断的完善，在使用GPS进行测量的时候，对于静态相对定位，每一站仅仅需要30min左右的时间就足够，而动态的相对定位则只需要几秒钟就能够完成；④随着科技的发展，GPS接收机已经拥有越来越高的智能化，对于从事观测的技术人员，只需要简易的操作，GPS接收机就能够自行的进行隧道的观测与结果记录；⑤GPS测量不受任何时间、地点、天气的约束，能够随时的进行观测；⑥GPS测量能够将测站点的三维坐标精确的测定出来，精度已经能够满足四等水准测量的要求。

2 GPS测量应用实例

2.1 工程概况

隧道工程的山上树木较多、地形相对复杂、无论是通视还是行走都不方便。为了此工程的前期设计以及后期的施工方便，首先需要建立出首级的控制网。在前期的设计当中，考虑到通视、行走、工期等各方面的原因影响着施工进度，另外，为了提高施工的测量精度，此工程决定采用GPS测量技术。

2.2 GPS测量的外业观测及实施

对于GPS控制点的布设原则如下。

1）为了让GPS的控制点的坐标与隧道的设计坐标能够统一，方便在施工期间计算放样的数据，在曲线隧道的每一个切线之上或者是在直线隧道的中心线之上，都应该布置两个用于测量的GPS控制点。

2）在每一个隧道的进洞口都应该布置上至少两个能够相互进行通视的控制点，如果出于对安全的考虑，则最好设置三个点，而各个洞的控制点则不要求能够进行通视。

3）为了减弱或者是消除因为垂线偏差而对测设方向所带来的影响，在每一个进洞口最好是在同一高程面之上设置一个控制点，在条件允许的情况下，各个洞口的控制点之间应尽量缩小其高差。

4）对于GPS控制点的布置，需要满足对于卫星信号良好的接受要求。

对于GPS控制点布设方案如下：

西安至南阳线路长度450 km，线路通过秦岭山脉东段和豫西山区。GPS定位测量是为初测导线提供起闭点。GPS网由13个大地四边形和2个三角形组成。待定点（GPS控制点）24点为12个点对，相邻点对间平均距离18 km。联测了六个国家控制点，选用其中五个点作已知点参与平差。

2.3 GPS观测时需要注意的事项

1）在使用GPS观测前，需要参考卫星的可见性预报，选择最佳的时段进行观测。

2）天线高在观测时段结束的前后，需要从三个方向分别进行六次的量取，其误差需要不大于2 mm，然后在计算出其平均值。

3）卫星高度截止角需要≥15°，其PDOP值要小于4，接受的卫星数则要大于5。

4）在使用GPS进行观测的时候，尽量不要在天线的周围使用移动电话或者是对讲机等通讯工具，从而避免信号干扰给观测带来的影响。

2.4 对于GPS测量的数据处理以及控制网平差与成果评价

对于GPS网的数据处理上主要分成网平差以及基线解算这两个阶段，采用的是随机软件来进行完成。经过了质量的检核、经基线的解算以及网平差之后，就可以得到GPS控制点的三维坐标，而对于各项指标的精度也符合最初的设计要求。

控制网平差时，利用随机软件包。在对于其设置当中，一般采用的是相近城建坐标系添加1985高程基准来进行平差的处理。输入起算点坐标，选择二维约束平差的方式。经过平差处理，得出南隧道洞外GPS控制网平面坐标成果。边长相对误差最大为1/85746，最小为1/1260569：点位中误差最大为±6 mm，最小为±2 mm，最弱点点位精度±6 mm，平均点位精度±3.7 mm。平差后，最弱边、最弱点的精度完全满足《全球定位系统（GPS）测量规范》GB/T18314-2001中规定的各项限差，且点位精度比较均匀。

3 在本次工程实践中应用GPS测量体会

1）使用GPS进行隧道测量需要具备一定的先决条件，对于传统的全站仪以及水准仪等不能够做到完全的替代，应当在能够确保卫星接受信号良好的情况下，合理的选择GPS技术，从而发挥出其特点。

2）在观测的时候，GPS数据会受到多个方面因素的影响，为了提高其测量数据的质量，则需要在初期建立出具有较高精度的首级控制网，而之后的传统测量提供详细、精确的测量数据。

3）使用GPS接收机进行观测，现在都已经实现了智能化与自动化，并且随着所花费的观测时间的不断减少，其作业强度也得到了降低。而GPS的观测质量主要是受到了卫星信号以及卫星的空间分布的影响。但是由于在选择各个观测点时，会受到地形条件的影响，从而会导致卫星观测的质量受到影响。所以，对于GPS的观测选点，必须严格要求，选择最佳的观测时段。

4）采用随机的软件来对于GPS的数据处理与传输，只要求在确保已知数据的精度与数量以及卫星信号的质量的情况下，就可以很简便的将符合精度要求的加密控制点的三维坐标求出来。但是考虑到起算点的点位精度对于其结果的质量会有一定的影响，所以起算点的点位精度必须得到保障，并联测足够多的水准高程点，才能真正的满足测量中对于精度的要求的准确性。检测的具体方法为：①认真的查阅、了解对于已知点的精度与等级等有关的资料；②通过高精度的测距仪器的使用来进行距离测量以及对于已知点边长的计算对比。

4 结束语

本文中通过实例对于GPS的使用以及该网精度的分析，我们能够看出此隧道的设计方案具有科学性、平差精度优异，无论是边长观测、同步环、异步环等方面都比规范中的对比更加优异，也希望通过本文的分析，得到各位业界人士的借鉴与点评。

参考文献

[1]花铜.GPS在控制测量中的应用[J].中小企业管理与科技(上旬刊),2011,05.

[2]瞿静庵,王景.GPS控制网在长大隧道控制测量中的应用[J].甘肃科技纵横,2010,02.

[3]陈秀稳.铁路长大隧道GPS洞外平面控制测量技术浅析[J].隧道建设,2009,05.

[4]赵铁怀.GPS技术在关角特长隧道控制测量中的应用[J].中国新技术新产品,2009,12.

电缆隧道通风系统设计 篇7

1.1 隧道热平衡分析

5.5m直径隧道温度预测

1) 隧道深度:最深情况23m, 该处为温度最高点, 最恶劣工况;2) 发热量:预计100年内负荷, 分为大模式负荷与小模式负荷两种情况。对于5.5m直径的隧道, 小模式负荷的天平均最高值为84W/m, 年平均值为29.9W/m;大模式负荷天平均的最高值为358W/m, 年平均值为150.8W/m。3) 计算结果:直径5.5m500kV隧道在大模式和小模式下运行的温度预测状况分别见图3-3和图3-4。

分析图3-3可知, 在较低预计负荷下, 隧道在运行100年内温度仍低于35℃。现在假如负荷为小数据, 500k V隧道仍无需进行强制冷却, 即可保证隧道的安全正常工作。隧道的升温情况为:最初的几年里隧道升温很迅速, 在2009到2024年期间的15年间, 隧道温度从平均的18℃升高到了27℃, 升高达9℃;而在后面的几年里隧道升温缓慢, 后面的15年里, 隧道温度仅仅从27℃升高到28℃, 这样升高了1℃。显然隧道在持续负荷的作用下, 一开始的15年里温度上升迅速, 而后上升速率降低, 变缓慢。

500k V隧道在预计的较小负荷下, 在设计寿命100年内不会超出35℃的最高温度。这时500k V隧道无需进行强制冷却, 即可实现正常、安全运行。

图3-4表示的就是高负荷下隧道的温度情况。显然, 隧道的温度已经很高, 在100年内将达到66℃, 而这个温度是隧道正常运行所不允许的, 故在高负荷下, 500k V隧道需要加装通风冷却措施进行冷却, 以保证其正常运行。

以上对500k V隧道在大负荷模式和小负荷模式两种情况进行了计算分析。

计算结果指出, 对于大模式负荷, 需要进行强制冷却措施, 以保证隧道在设计期限内安全、稳定运行。

1.2 通风系统设计

通风设计方案

1.2.1 热平衡计算

隧道热平衡计算公式见式1。

式中, Q0——电缆年发热量, 单位W/a;Q1——通风系统年排热量, 单位W/a;Q2——隧道周围土壤的年排热量, 单位W/a;Q3——隧道周围土壤的年蓄热量, 单位W/a;Q4——隧道周围土壤的年释热量, 单位W/a。

设计温度应小于等于40℃, 为维持隧道常年运行温度环境的相对稳定, 并且考虑四季温度的变化, 故假设一年为一个计算周期, 在假定隧道周围土壤的蓄热量和释热量相等的前提下, 上式变为:

按单位隧道长度的热量计算来分析隧道热平衡。

通风系统排热量

单位隧道长度通风系统排热量

式中, q1——单位隧道长度的通风系统排热量, 单位W/m;L——单位隧道长度的通风量, 单位m3/ (s·m) ;ρ——空气密度, 单位kg/m3;c——空气定压质量比热, 单位W/kg·℃;△t1——通风系统送排风温差, 单位℃

1.2.2 隧道周围土壤排热量

单位隧道长度土壤排热量

当h/dw≥2时, 上式可近似简化为:

式中, q2——单位隧道长度通过土壤的排热量, 单位W/m;△t2——隧道内空气与土壤表面之间的温差, 单位℃;∑R——从隧道内空气到土壤表面之间的总传热热阻, 单位m·℃/W;R1——从隧道内空气到隧道内壁之间的热阻, 单位m·℃/W;R2——隧道内壁热阻, 单位m·℃/W;R3——隧道周围土壤热阻, 单位m·℃/W;α——隧道内壁放热系数, 单位W/m2·℃;αt——土壤表面放热系数, 单位W/m2·℃;dn——隧道内径, 单位m;dw——隧道外径, 单位m;λb——隧道内壁导热系数, 单位W/m·℃;λb——土壤导热系数, 单位W/m·℃;H——隧道折算埋深, 单位m;h——隧道中心埋深, 单位m。

就一年的运行来说, 土壤排热约占电缆发热量的一半以上, 所以, 土壤本身的排热不能达到要求, 需通过外加通风系统来达到排除隧道内热量的目的。

1.2.3 通风量确定

需电力隧道通风量, 我们还需要考虑两个因素:1) 隧道周围土体介质蓄热。2) 通风系统年运行时间的合理分配。

根据历史经验, 电力隧道通风量一般取用6次/h的换气标准, 本项目研究的电力隧道通过隧道热平衡分析, 各通风区段的通风量按不小于3次/h换气次数计算, 计算结果见表3-4。

2 总结

本论文以500k V电力隧道项目为依托, 对500k V电力隧道的通风系统的设计方案开展了深入研究。将500k V隧道的几何条件、负荷预计、土壤物性等作为初始参数, 通过计算500k V隧道在设计时间100年之内的温度, 得出最后结论:建议500k V隧道采用强制通风的冷却方式。

参考文献

[1]高小庆.500kV电力隧道主要辅助系统设置研究.华东电力, 2009.

[2]董志周, 许建华, 王斌, 吴正松.长距离大断面电力电缆隧道通风设计探讨.华东电力, 2009.

隧道综合监控系统集成技术的实现 篇8

随着城市交通建设发展的加快, 隧道作为城市道路系统的重要组成部分, 其综合监控系统随之迅速发展起来。隧道综合监控系统是一个典型的系统集成工程, 按功能可分为交通、通风、照明、火灾报警、紧急电话、闭路电视、电力监控等子系统[1], 其相关数据均集成进入控制中心的中央监控计算机系统。本文以云南昆明草海隧道、岗头山隧道工程为背景, 从软件和硬件两个方面分析, 讨论隧道综合监控系统的集成方法和系统互连接入。

1系统整体架构

隧道综合监控系统是一个在以太网基础上、基于客户/服务器 (C/S) 体系结构的全分布式系统, 由设在控制中心的中央计算机信息系统、被控子系统及通信网络三大部分组成, 系统整体架构详见图1。

通信服务器的设置主要针对各隧道独立配置, 共设置2台。通信服务器主要负责从底层的现场光纤环网上采集各个监控设备转输过来的数据信息, 以模块化软件为基础提供整个系统的实时数据库功能, 然后将处理好的数据通过监控中心的上层以太网送到数据库服务器中保存, 以保证高响应性和供统计分析时使用。

各个工作站实现实时监控和历史数据查询。当任何一个隧道的通讯链路发生故障时, 将不影响监控中心各工作站对其他隧道的监控;故障消除后, 监控中心恢复对该隧道各系统的管理监控功能。

通信网络采用先进的光纤以太交换环网, 配置工业级的以太网环网交换机, 极大地提高了系统的抗干扰能力并提高了系统的通讯速率和网路的带宽。同时采用VLAN技术, 根据系统的数据交互需求, 例如广播系统、紧急电话系统、PLC采集和控制系统等, 将网络划分为多个广播域, 限制网络上的广播, 将网络划分为多个VLAN可减少参与广播风暴的设备数量, 从而有效地控制广播风暴的发生, 不同VLAN内的报文在传输时相互隔离的, 可增强局域网的安全性。

2硬件系统集成

隧道综合监控系统将不同厂商的设备或子系统数据集成到统一的数据平台上, 在硬件系统集成方面主要需要解决作为下位机的各类设备、子系统的互连接入中央监控计算机问题, 下面介绍本系统进行硬件集成采用的三种接口形式。

2.1PLC系统接入

设备监控系统的通风、排水、电力监控系统的照明以及交通监控系统的交通信号控制等多个子系统通过区域控制器 (ACU) 及远程控制终端 (RTU) 系统接入控制中心, ACU及RTU系统的关键设备为可编程控制器 (PLC) 。

根据隧道群中各隧道的不同地域分布, 将其划分为多个独立的控制子系统, 每个子系统内分别配置PLC, 串口服务器及工业以太网交换机统一组网。PLC通过开关量输入/输出、模拟量输入、RS232/RS485通讯口等信号接入方式连接被控设备, 经PLC处理后存入各自的寄存器, 而通信服务器经由PLC获取各隧道被控设备的实时数据, 最终完成与控制中心的信息交换, 实现信号采集和远程控制。PLC作为现场控制的执行者, 执行有效的分散控制, 因此即使上位机系统发生故障, 也不会影响整个控制过程的正常进行, 大大提高了系统的可靠性。

2.2智能装置接入

被控系统设置有独立的智能装置, 完成本系统的数据采集和控制执行。例如隧道供配电系统的各变电所内高低压设备采用智能化设计, 在变电所实行无人值班, 在10 kV、0.4 kV开关柜中装有微机综合保护测量控制继电器, 集保护、测量、控制和通讯等多种功能为一体。隧道内安装多个车检器作为交通检测的测控设备, 检测出每一区间每一车道上的车流量, 平均车速, 车道占有率等交通参数。交通诱导系统的隧道内可变情报板和简易限速板支持显示内容和格式的编辑及发送。

这些智能装置通过以太网通信通道 (RJ45) 接入100 Mbps以太光纤网, 基于TCP/IP网络协议或采用工业应用的多串口服务器提供足够的串口, 与通信 (I/O) 服务器建立通讯, 形成信息交互, 从而实现控制中心实施对这些装置的管理, 以提高控制的及时性、精度及抗干扰能力。

2.3控制主机接入

众多自动化子系统, 包括广播系统、紧急电话系统、电视监视系统、视频检测系统和消防系统, 都是利用计算机通讯主机与自身系统中多种现场级设备信号线的I/O接入或联网通讯交互方式, 整合各级现场数据。同时这些通讯主机提供以太网通信通道RJ45接口和通讯接口软件, 基于TCP/IP网络协议接入通信 (I/O) 服务器, 使得控制中心能实现对各种现场设备的实时数据采集和控制命令的下发, 从而降低了控制中心的数据处理和传输负担。

3软件系统集成

隧道综合监控系统的软件构成是围绕着数据的处理和集成展开的, 将不同厂商的设备或子系统数据从现场设备最终传输到中央监控计算机系统中, 并在集成的用户界面上及时直观地显示。

整个软件系统基于美国GE公司的组态软件CIMPLICITY HMI开发。由于组态软件本身具有比较强大的数据处理功能和图形编辑功能, 所以可利用组态软件自身功能对整个系统完成了数据及图形界面上集成。下面介绍本系统利用组态软件进行软件集成的关键点。

3.1基于Modbus TCP/IP协议访问设备

Modbus TCP/IP 基本上是用简单的方式将Modbus帧嵌入TCP 帧中, 这是一种面向连接的传输方式。其实质仍是以太网的CSMA/CD 介质访问控制技术, 只是在应用层采用了确定性的客户/服务器式协议Modbus, 它适用于主节点和多个从节点的通信网络中[2,3]。CIMPLICITY HMI支持Modbus TCP/IP协议建立通讯连接。

如果硬件设备直接支持Modbus TCP/IP协议, 如PLC系统, 只需直接作为一个外部设备, 在组态软件配置中定义通讯的物理参数, 定义组态变量和下位机变量 (数据项) 的对应关系。在运行系统中, 组态软件和每个设备建立连接, 自动完成和设备之间的数据交换。

如果设备不支持该协议, 如视频检测系统, 广播系统, 则编制软件中间件提供Modbus网关功能, 软件中间件作为服务器, 定义相关的变量并和采集数据的硬件进行连接。然后充当客户端的组态软件应用程序, 将软件中间件 (服务器) 作为设备, 建立连接, 并且添加数据项目。在应用程序运行时, 将按照指定的采集频率对组态软件的数据进行采集。

3.2基于数据库接口访问设备

需提供文字功能的设备, 例如文字板和情报板, 往往通过开放特定数据库, 让用户获取和修改文字数据并进行处理, 最终达到用户控制情报板及文字板显示内容的目标。

CIMPLICITY HMI支持通过标准的ODBC接口登录到Microsoft SQL数据库, 将所需要的数据集成到组态软件的实时数据库里。在组态数据登录时, 用户只需简单地在 Windows操作系统中建立一个数据源, 设置远程连接对方数据库服务器的相关信息, 然后在CIMPLICITY HMI中进行相关脚本文件的编写, 调用相关的数据库函数和数据点操作函数, 在应用程序运行时利用事件触发功能执行脚本文件。

3.3基于串行通信协议访问设备

车检器和照明PLC与通信服务器通讯, 采用多串口服务器提供物理的485通讯口, 通过以太网接口融入隧道综合监控系统。CIMPLICITY HMI可通过串口方式与现场设备建立通讯连接, 在配置中定义串口通讯的物理参数。监控软件与现场设备的数据交换通过数据点的组态来实现。一个数据点可组态为只从现场设备中读取, 单向的数据传输方式;也可组态为既读又反写入现场设备, 实现数据双向交换。

3.4用户界面集成

CIMPLICITY HMI软件向用户提供了内置的、面向目标的友好的开发环境——图形编辑器 CimEdit, 使用户快速设计隧道内各种设备图元, 形象地描绘隧道中各个子系统。

隧道分为若干个子系统, 每个子系统都有其对应画面, 在设计软件人机界面, 应遵循一致性原则[4] , 使各系统的画面有相似的界面外观和布局、信息显示格式、及相似的人机操作方式。每个监控画面能够静态地显示隧道全貌, 同时运用动态数据链接, 在静态画面中动态地显示模拟量检测值, 用不同颜色来显示不同的设备开关量状态。同时各界面上的跳转按钮, 方便用户在各子系统的监控界面之间进行切换。

针对各类突发事件的预防与处置, 系统将需提供对应的各种预案, 往往涉及多个系统, 使各子系统的独自智能控制扩展为整个系统全局的智能控制, 完成整个系统的联动集成。软件功能的开发实现是基于CIMPLICITY HMI通过设定触发条件和动作, 编写相关后台脚本完成。用户在操作画面上可通过键盘/鼠标选择某一预案, 也可自行发出自认为正确的命令, 以控制事故的蔓延。

4结束语

隧道综合监控系统实现目标就是通过对系统的多个子系统进行集成, 将各子系统的状态能第一时间更直观的显示在操作员面前, 并将所有系统的数据统一存储, 备份与集成。本系统采用基于组态软件、PLC与工业以太网技术的集成方法, 从软件和硬件方面解决了各类设备、子系统之间的互连和互操作性的问题, 最终形成了一个多厂商、多协议、多接口和面向应用的整体性系统。目前该隧道群监控系统已投入运行, 运行平稳、可靠, 完全满足运营监控的需要。

参考文献

[1]王德虎.隧道监控系统典型解决方案[J].山西建筑, 2010, 36 (35) :367-368.

[2]郝晓弘;程晓辉;苏渊;Quantum系列PLC与上位机的以太网通信研究[J].电气自动化, 2005, (03) :40-41, 72.

[3]GB/T19582.3-2004, Modbus协议的工业自动化网络规范_第3部分Modbus协议在TCPIP上的实现指南[S].

隧道监控系统 篇9

1 TMCS硬件结构

TMCS硬件上采用计算机、测量模块、传感器三级结构。上位机以高可靠性的工业用计算机 (IPC) 为核心。下位机使用高精度的测量模块, 上下位机之间使用RS-485网络连接。由于测量模块耐高温、耐腐蚀, 加之体积小, 被分散安置在窑体上。因而末梢几十路温度、压力、湿度传感器的信号可以就近连接到测量模块。不仅使系统的布线大大减少, 而且由于信号线短, 使系统抗干扰能力大大提高。该结构是目前工业自动化领域主流结构, 布线简单、扩展性强。

2 TMCS软件功能

TMCS的上位机周期性扫描查询下位机的温度、压力等信号, 从而密切掌握了隧道窑内的燃烧状况。TMCS功能包括观察记录温度、压力、湿度和变频器输出值等工程量, 以表格、曲线方式显示工程量的趋势曲线、断面曲线、分布曲线。可以单点、用户自定义多点对照显示。可以按焙烧窑、干燥室分别打印各个窑炉的实时温度。TMCS辅助功能包括安全功能、数据导入导出功能、进车管理功能等等。隧道窑温控系统所应有的功能几乎全都涵盖其中。

3 应用效果

砖瓦生产过程温度分升温、保温、降温三个时段, 各个阶段的观察重点各不相同。

3.1 正常温度曲线

温度传感器遍布窑体, 有顶部测点、侧面测点、车底测点等。最重要的是设置在窑顶上从窑头到窑尾纵向一列的顶部温度测点, 由该列热电偶组成的曲线称分布曲线。

分布曲线的横坐标是车位, 纵坐标是温度, 每个车位均设置有温度上下限, 各线代表的温度见图1。燃烧控制的目标是将实测温度控制在上下限之间。该图反映的窑炉燃烧状况非常不错。分布曲线反映的是当时的瞬时的温度。生产要正常, 一定要在尽可能长的时间使温度保持稳定, 趋势曲线就能反映过去到目前时刻的温度变化趋势。

图2反映从2009年9月17日～20日15车位的温度趋势, 虽然有小的波动, 但总体变化平稳, 属正常温度。图2趋势曲线非常重要, 反映的信息很多。一个个小波浪叫进车波浪, 一个波浪就是一次进车。升温段、高温段、降温段的进车波浪各不相同。升温段小波浪呈爬坡状, 是因为前车位温度低, 当它被推到当前车位时, 会急速的将当前车位温度拉下来, 因而呈现先急速下降, 再缓慢上升的曲线。

由处于升温段的11车位趋势曲线 (图3) 不仅可见前述形状, 而且可清楚看出1∶40、3∶00、4∶10进车。高温段进车波浪不明显, 是由于车位间温差不大, 因而就没有明显的波浪。降温段波浪方向刚好与升温段相反, 前高后低呈下坡状。成因是由于前车温度高, 使当前车位拉高, 然后缓慢下降所致。趋势曲线反映温度的变化趋势, 对于温度调节具有非常重要的意义。中控室工作人只有很好地掌握了趋势曲线的使用技巧才能驾轻就熟控制窑温。以下是异常温度曲线。

3.2 高温点前移型温度曲线

图4是A窑13车位2011年5月7日～9日的数据, 曲线显示每进一车, 温度比上一车要高, 是典型的高温点前移型温度曲线, 其原因可能有以下几点: (1) 抽力大, 供风量太大; (2) 原料颗粒粗, 发热量高; (3) 码坯太密; (4) 改变生产砖坯型号 (砖坯孔洞大) ;用户要根据实际情况仔细分析查出病因并作出相应处置, 相应措施有: (1) 减少供风量, 调低变频器频率, 减小风机抽力; (2) 提高原料颗粒密度, 改变原料配比, 减少发热量; (3) 改变码坯方式; (4) 加快进车, 缩短进车间隔。

3.3 高温点后移型温度曲线

图5是交温点后移型温度曲线, 正好和前移型相反, 每一车温度显示低于上一车。同样, 要找出原因并采取相应的解决办法。相应的处置措施: (1) 要掌握观察点, 推荐高温段的前一个测点比如13车位; (2) 要掌握观察时间, 调节后应观察2～3次进车, 待温度稳定后再做打算, 直到温度趋势平稳、正常; (3) 掌握处理方法, 每次调节不能太大, 以2 Hz左右为好。

4 总结

毫无疑问, TMCS就像眼睛和尺子, 厂家有了它产品质量才有了保障。同时由于高科技的使用, 它也使几千年来烧窑师傅凭借肉眼观看火候, 判断窑温的经验得以精确量化和传承。即使是毫无工作经验的人也能驾轻就熟指导生产。这一点意义非凡, 它使厂家的生产摆脱了个人主观经验, 使生产经验客观精确、简单易行。

参考文献

隧道监控系统 篇10

1 城市隧道控制系统故障的类型

现代化建设中, 城市隧道电子控制系统的正常运行, 对于维持隧道的正常运转具有重要作用, 可以保证城市交通的正常秩序, 促进城市经济的持续发展。一般情况下, 城市隧道控制系统的故障可以分为两种类型:永久性故障和瞬时故障, 都会对城市交通造成一定影响。我国城市隧道控制系统的故障中, 永久性故障的处理方法较多, 技术比较成熟, 因此, 进行维修时难度不大, 而瞬时故障则是由系统自身和外界多种因素造成的, 导致系统功能受到限制, 不能对城市隧道交通进行及时有效的监控, 严重时还会带来巨大经济损失。在实际运行中, 瞬时故障的发生率要比永久性故障的发生率高很多, 受到系统性能、设备大小、运行速率和电压等的影响, 具有不固定性、不确定性和多样性等特点。

2 隧道控制系统故障分析和控制策略

在城市隧道电子控制系统中, 安全技术的不断运用, 对于降低故障发生率和有效控制系统故障具有重要影响, 一般情况下, 采用无线传感网络技术 (WSN) , 可以及时监测和反馈系统故障, 常用的是路由协议, 少数资料显示IEEE802.15.4通信协议也可以用于系统的安全监测, 使隧道电子控制系统故障率得到有效降低。瞬时故障并不是真正意义上的设备故障, 而是在整体集成环境中的链路锁死或是运行阻碍, 因此在实际的工作中单一的设备排查并不能解决问题, 本文研究的是以可靠性为中心的维修和预防策略, 国际上称作为RCM, 可以对系统功能和故障进行及时分析, 确定故障发生所带来的后果, 与此同时, 对整个电子控制系统进行逻辑化决断和确定预防策略, 从而保证城市隧道电子控制系统的正常运行, 提高系统设备的运行效率。

在系统性能发生变化时, RCM首先会对整个系统的故障进行监测, 采取预防性维修策略, 这样操作的目的有两个:一是可以提升电子控制系统的功能性, 在故障真正发生前进行维修, 降低故障发生后带来的后果, 从而维持系统的正常运行;另一个目的是及时修补系统性能故障, 防止故障发生。然后, RCM可以对系统的数据进行对象分析, 根据不同的故障原因和设备的性能、维修方法等, 确定故障预防策略和维修措施, 同时, 记录新的故障问题, 并进行及时分析, 以提高城市隧道电子控制系统故障的控制力。

3 城市隧道电子控制系统故障控制的应用方案和成功案例

在城市隧道监控中, 控制系统有现场监控设备、远程监控中心、PLC控制设备和总线等, 远程控制中心将收到的信息及时传送出去, 转换为PLC的执行命令, 并通过总线发送出去, 从而让PLC对隧道电子控制系统进行有效控制。例如:针对警报电源, 进行预警和故障报告操作, 及时分析故障和排除故障, 最终自动解除警报。城市隧道电子控制系统中, 基于Zig Bee的通讯协议, 可以更好进行故障分析, 对每个隧道进行有效监控, 大大提高整个城市隧道电子控制系统的运行效率。本文介绍的是根据RCM来进行的隧道电子控制系统故障分析和控制, 在RCM的实际应用中, 需要隧道系统电子控制系统的数据库和系统发生过得故障记录, 以对城市隧道电子控制系统故障进行全面分析, 提出更有效的预防策略和维修策略。

3.1 维修策略

3.1.1 常态检修

有效控制隧道电子控制系统故障发生, 降低故障发生率的预防策略中, 日常养护是最重要的措施, 防止静电反应、保持摄像头清晰、及时给机房通风和散热等。一般情况下, 室外温度保持在-20℃和60℃之间, 室内温度在5℃和35℃之间。对于表面的故障, 事先准备好想要的元器件, 在故障发生进行及时检修。

3.1.2 视情维修

借助于各类监测仪器等硬件大力开展视情维修, 对数据、各种设备信息进行及时采集, 从而保障系统在故障发生时可以及时报警等。通过PLC、D/A、I/O等进行现场监控, 实现对整个城市隧道电子控制系统的故障分析和控制。实现计算机辅助维修管理, 由计算机完成维修数据的收集、分析、处理, 并对维修计划做出预测和决策。对隧道机电设备的维修管理从时间维修逐步过渡到状态维修模式, 保证设备在寿命周期内处于良好的技术状态, 对可能发生的故障进行及时消除, 防止故障出现, 达到预防维修的目标。

3.1.3 技术提升

积极开展隧道机电设备可靠性、维修性的基础研究。包括各种技术管理标准、经济管理标准、维修技术标准、设备管理人员的工作标准以及维护修理的各种定额标准等, 逐步形成科学的现代化维修管理制度。系统研究隧道机电设备的可靠性、维修性, 找出设备的薄弱环节, 不断改善和提高隧道机电设备的可靠性和维修性, 提高设备的开机率和可用度, 大力推广无维修设计, 引进先进技术, 促进我国城市隧道电子控制系统安全性的不断提高。

3.2 成功案例

杭州城市隧道数量众多, 在大大小小近十条城市隧道的监控系统维护过程中, RCM的应用起着非常重要的作用。如在杭州某隧道, 应用RCM的技术维修模式, 在中央计算机监测到区域内某个摄像头传回的监控图像时有时无, 但PLC控制的照明、及可变情报板等尚正常时, 就产生分析预警, 现场工程师根据数据分析果断侦测单向光纤线路, 利用摇表等仪器成功估算出光纤接触不良的距离范围。因为隧道交通的特殊性, 允许封道一般都在凌晨时段, 因此我们及早组织现场技术工程人员及时开槽, 并用临时网路代替光纤备用, 成功的在交通影响最小的情况下解决了光纤熔断点的修补, 实地中发现此光纤断层已非常明显, 可能由于地面的热胀冷缩作用, 已接近断开, 此项修补非常及时, 避免了大的瞬时故障的发生。试想一下, 如果未能及时处理, 当光纤真正断点出现, 那将会是怎样的情形, 照明控制瞬时中断, 信号灯瞬时中断, 短时间内就会引起交通混乱, 而此时再来做技术侦查将会是多么复杂的工程, 不说影响面和时间单单是设备检测就会产生巨额费用。因此, 应用RCM的维修管理模式不论是对提高效率还是对经济效益来说都是非常成功的, 给我们带来维修管理系统的全新理念, 带来最大限度的保障。当然在实践中我们仍将不断摸索。

4 结束语

综上所述, 在现代化建设中, RCM是先进的维修管理模式, 其在众多系统管理中具有明显的实用性、高效性等特点, 数据更规范准确、传递及时、决策可靠、反馈畅通, 并向可视化、网络化和智能化维修管理系统方向发展, 对城市隧道电子控制系统故障分析和控制中起着重要作用, 相信它的应用也可推广至公路隧道以及大桥监控上, 应用领域广泛。在实际应用中, 提高城市隧道电子控制系统故障分析控制能力, 才能保证城市隧道交通的安全性和稳定性, 促进我国市场经济长远发展。

摘要：随着我国经济的快速发展, 城市建设中隧道工程越来越多, 对隧道电子控制系统维护技术要求不断提高, 这是社会发展的必然结果是顺应经济的可持续发展的必然趋势。本文对城市隧道控制系统故障中经常发生又较难处理的瞬时故障进行分析, 提出比较先进预防策略以及控制方案, 并在实践中收获了比较好的效果, 对于促进我国城市建设长远发展具有重要的现实意义。

关键词：隧道监控系统,故障分析,瞬时,控制策略

参考文献

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[3]王华斌.城市隧道电子控制系统中水泵电子控制系统的设计与实现[D].武汉理工大学, 2008.

隧道监控系统 篇11

关键词：高速公路；隧道；LED照明；智能调光系统

中图分类号：U459.2；TP273+.2 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）21-0159-02

目前，对于高速公路运营单位来说，公路隧道照明费用是一项巨大的开支，如何有效地降低照明成本、保障行车安全是目前高速公路运行部门亟待解决的一个难题。

目前公路隧道照明系统使用最为广泛的灯具就是高压钠灯，这种灯具启动慢、智能性差、能耗大[1]。相对来说，作为新型照明光源的LED隧道灯则具有启动快、寿命长、能耗低、无汞污染、光指向性好等优点[2]。因此，对于高速公路隧道照明来说使用采用LED照明是大势所趋。但是由于LED灯使用的时间较短，LED照明智能调光系统尚有待完善，因此，对高速公路隧道中LED照明智能调光系统进行研究也自然成为一项重大的课题。

1 LED智能调光系统概述

1.1 LED智能调光系统的构成

LED智能调光控制系统由4部分组成，其一是亮度检测器，其二是控制系统，其三是灯具控制器，其四是照明灯具，如图1所示[3]。其中，控制系统由两部分组成，分别是调光控制器和主控制器。在整个系统中，上位机的指令通过光纤传输到控制系统中，控制系统根据指令控制照明灯具。灯具控制器提供功率电源给控制系统和照明灯具，同时灯具控制器执行调光控制器发出的指令，对灯具进行通断控制和调光控制，从而提供照明光源给隧道。

1.2 LED智能调光系统的功能优点

第一，自适应性。系统能够和洞外的亮度产生联动，能够以洞外亮度和入口段的亮度为依据折减系数，建立洞内亮度的需求曲线，并以此为依据控制灯具的动态调光，从而实现洞外与洞内亮度的自适应。

第二，高效节能。LED系统能“按需照明”，从而在最大程度上节约电能，使得其节能效果更为显著。

第三，安全、舒适。LED系统能够通过洞外亮度检测器对灯具的亮度进行自动调节，从而使得隧道内的均匀度得到最大限度地提升，提升行车环境的舒适性，保障驾驶人员的安全。

第四，灯具使用寿命长。LED系统使用的控制方式是亮度渐变式，达到目标亮度的过程较为缓慢，能够避免瞬时开灯引发的冲击电流损坏LED灯具的驱动电路和其它的电子设备。并且LED灯的运行状态多为低功率运行，光衰能够大大降低，灯具寿命能得以有效延长。

2 LED智能调光系统在高速公路中的应用

2.1 工程概况

广清高速公路扩建后新隧道在照明消耗方面有70%的能耗都被浪费在过渡照明方面，因此，要实现隧道照明节能必须从减少过渡照明开始。要实现这一目标，就必须保证灯具的功率能“按需调节”，但是那种通过减小灯具功率来控制过度照明的方法是不科学的。因此，对照明强度进行调整的方法就只能通过两种方式来实现。方法一，使用多回路系统进行分级调光。一般情况下，分级调光的级别最多为6级，其中晚上2级，白天4级，但是这种分级照明的方法又存在过度照明的问题[4]。方法二，使用无极调光。也就是在LED光源的基础上，根据需要对光源进行任意的调整，同时规避过度照明，从而实现减少照明能耗的目的。该高速公路扩建后新隧道为了减少能耗，使用LED照明智能调光系统对隧道的照明系统进行了改造，取得了很好的效果。

2.2 系统设计

该高速公路隧道的LED照明智能调光系统的实施方案，如图2所示。首先，隧道外面的亮度检测装置会对洞外的亮度进行监测，并会将监测到的信号传送到控制装置上，经过换算后输出直流模拟信号（功率为0～5 V）对LED灯的输出功率进行控制，从而实现按需照明的目的。

2.3 控制方式分析

第一，基本照明控制。高速公路隧道中的基本照明具有工作时间长的特点。根据这一特点，在对基本照明亮度进行设计时要对其冗余量进行充分考虑。在使用的时候，不需要将设计的冗余量全都用上，只需要按照需要的功率进行提供即可。在未来的时候中，如果灯具出现光衰问题，就可以通过控制系统对其输出功率进行增加，保证隧道内的照明强度始终满足照明需求。

第二，加强照明控制。该高速公路隧道中的照明灯具开启和关闭的时间以及开启之后的亮度调节都通过控制装置实现控制。控制装置根据获得的洞外的亮度数据，对洞内灯具输出的功率进行计算，通过这种方法有效的达到了按需照明的目的，有效地节约了照明成本。

第三，应急照明控制。高速公路隧道中的应急照明设备由EPS进行电源供给。当断电时，控制装置会在瞬间对基本照明设备的功率进行调整，将其控制在正常值的15%左右，从而保证应急照明系统的配光特性与之前基本相同，以避免交通事故的发生。

3 LED智能调光系统在高速公路中应用的优势分析

3.1 系统优势

该高速公路隧道采用LED智能调光系统之后，其节能优势自不必说，其由节能带来的其他优势也颇多，具体分析如下：

第一，通过LED智能调光系统，高速公路隧道能够实现亮度无级控制，相较于分级控制来说，能够节约40%的能源；相较于钠灯照明来说，能够节约70%～90%的能源[5]。

第二，自从该隧道使用了LED智能调光系统之后，只有在夏天的中午，加强照明灯具才能达到满功率工作状态，大多数情况下，加强照明灯具的工作功率都在10%和60%之间[6]。此外，基本照明设计中的冗余量设计也只有在远期才能够用到，近期的工作功率相较于灯具的额定功率来说较低，使得电源和灯具的长期工作功率较低，可促使LED的光衰减少，延长电源和LED的使用寿命。

第三，使用LED智能调光系统之后，公路隧道中的灯具下半夜的功率能够减半，能保证灯具的配光特性基本相同，能有效避开单侧关灯所带来的安全问题。

第四，LED智能调光系统的设计较为简单，只有两个回路，一个加强照明回路，一个基本照明回路，其中基本照明回路还具有应急照明功能。

第五，使用LED智能调光系统之后，如果隧道中的车流量没有达到设计值，可根据相关规范折减洞内的照明强度，从而避免过度照明情况的出现，以实现节能的目的。

3.2 经济优势

从该高速公路中选择一段长2 km的隧道，对LED智能调光系统的运营费用和钠灯分级调光系统的运行费用进行对比。该隧道的设计车速为80 km/h，设计车流量为700辆/h，路面宽度为10 km。两种照明方式运行费用对比，如图3所示。其中投资费用包括电缆费用、灯具费用和电气设备费用，其中电气设备费用包括变电站、配电箱、应急电源和等级等电器。假设该地区一年中有165天是晴天，100天是多云的天气，50天是阴天，50天重阴天。电费为1元/kWh。

由上图可见，LED照明系统所产生的运营费用远远低于钠灯分级调光系统，其经济效益显著（每年可节约40万元）。

4 结 语

在高速公路高额的运营费用中，照明费用占据着很大的比重。LED照明智能调光系统的出现为照明费用的节省提供一个新的路径。通过分析隧道照明及其控制方案可以看出，设计一个科学的LED照明智能调光系统，不仅能够产生巨大的经济效益，同时还能有效地保障保障行车安全，降低工程成本，实现节能减排。

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[5] 张玲，郝翠霞.LED隧道照明控制系统的研究与开发[J].照明工程学报， 2011，（4）.

隧道监控系统 篇12

作为高速公路特殊组成部分的隧道由于受到地理环境的限制,一直以来是交通瓶颈和事故的高发地段[1]。隧道监控系统自20世纪60年代开始应用到目前已经有半个世纪之久,为高速公路的运行管理做出了不可磨灭的贡献。

在隧道实际运行过程中,风机设备和照明设备的能耗占据了隧道总能耗95%左右,其中风机能耗占70%~80%。隧道监控系统通过合理地控制风机照明等设备来保证汽车安全通行。早期的隧道监控系统由于受到技术的限制,大多采用手动或定时控制方式来实现对照明和风机的控制,车辆在隧道内采用固定限速的方式通行。这种方法在不利于能耗管理的同时大大加重了管理人员的工作强度,而且极易发生事故。随着高速公路通行负荷的不断增加,隧道通行的瓶颈问题已经愈发明显。

笔者在分析早期隧道监控系统特点的基础上,提出基于车流量联动控制的系统改造方案。通过车流量同行车环境的动态协调控制,以实现环境监控子系统与交通检测及诱导子系统之间的联动控制。该系统运行过程中通过对交通子系统的车流量采样分析来合理地调整行车速度,尽可能地提高隧道的通行能力。该系统在保证安全行车环境要求的同时实现能耗的合理分配,达到节能减排效果。

1 隧道监控系统结构

统计发现,当前已应用了监控系统的隧道中,其长度大都在1 km~3 km之间。早期的隧道监控系统大多采用以485总线方式来实现数据的传输,485总线理想的传输距离为1.2 km,当超过传输距离时,需采用增加485中继或增加通讯链路来实现。这种通讯方式在隧道内的应用造成了在成本增加的同时,系统结构也不够清晰。结合隧道的具体情况,本研究采用以太网+CAN总线两级数据传输方式来实现数据的传输,以太网实现区域控制器同控制中心之间的数据交互,而CAN总线则实现采样控制模块和区域控制器之间信息的传输。CAN总线具有传输距离长(信号传输距离高达10 km),传输速度快(最高可到1 Mbit/s)及错误检测和重发功能。由于采用CAN总线通讯方式,增加了区域控制器的控制范围,减少了主控制器的数量,从而降低了系统改造的成本。CAN总线同485总线均采用两线制的差分信号传输方式,在改造过程中可以使用原先的通讯线路,有利于实现系统的快速改造。

根据目前流行的三层体系结构的监控系统方案[2],本研究设计的监控系统结构如图1所示,上层为本地监控中心,中间为区域控制器ECS,底层为各类传感器检测设备、控制设备及诱导设备。区域控制器是隧道监控系统的核心,它负责采集现场设备的信息,处理后通过以太网传给本地控制中心。目前隧道内的视频监控子系统、消防报警子系统也大都采用以太网来构建通讯链路,所以实际改造过程中可以共用一条以太网链路,如采用高可靠性的工业以太网光纤环网技术构建以太网通讯链路可以提高通讯可靠及稳定性。控制中心通过GPRS模块实现同远程控制中心的数据交互。

2 传感器信息检测技术和控制策略

2.1 基于信息融合的传感器检测技术

隧道监控系统中的传感器检测设备主要包括CO浓度传感器、烟雾传感器、光亮度传感器、交通检测器等。通常情况下,隧道监控系统对获取的传感器信息采用单独、孤立的加工方式,特点是其信息处理的工作量大,数据处理过程中割断了各传感器信息之间的有机联系,丢失了信息有机组合蕴涵的特征,造成信息资源的浪费[3,4]。

传感器网络技术是将多类传感器按一定规律组成网络,并对网络中各传感器的信息进行综合处理、分析并上传的技术,是隧道监控管理获得科学依据的重要保障。在多传感器系统中,信息之间都是相互联系的,信息融合通过合理地支配和使用各个传感器观测信息,将传感器之间的冗余和互补信息按一定的规则进行优化组合,来实现对监测环境的一致性描述[5,6],根据融合级别可以分为像素级融合、特征级融合和决策级融合[7,8],卡尔曼滤波器属于像素级融合。为了保证传感器检测数据的可靠性,该系统采用卡尔曼滤波信息融合技术来实现对传感器数据在时间和空间上的融合。

卡尔曼滤波器采用状态空间模型方式,利用上次估计值和当前观测值来更新对状态变量的估计,求出当前测量数据的估计值。本研究中采用简化了的卡尔曼滤波器模型进行构建系统的像素级融合,简化的卡尔曼滤波模型为:

从式(1)~式(5)可知,卡尔曼滤波器是一个递归滤波算法,传感器数据经过不断地递归运算,使得测量数据更加真实可靠。正常情况下,传感器前后两次检测的数据应该是相近的,不可能产生突变情形,本研究将传感器数据经A/D转换并简单判定后,通过卡尔曼滤波来保证数据的稳定性和可靠性[9]。本研究采用时间和空间两次卡尔曼融合方式来加强数据的可靠性:将当前检测数据和历史数据进行时间上的一次融合;将同质传感器按区域划分后进行在空间上的二次融合。通过对传感器数据在时间和空间上的融合,可以保证对空间环境的整体认识,而不再局限于某一特定传感器数据,降低了数据的不确定性风险。

公式(1~5)中,Q,R表示过程噪声和测量噪声的协方差,在实际应用中本研究取值为Q=0.001,R=0.05。Kg为卡尔曼增益(Kalman Gain),P(k|k)是X(k|k)的协方差,P(k|k)会随着卡尔曼滤波器运行,不断递归最后达到一个稳态值。只要赋予初始值P(0|0)和X(0|0)后,卡尔曼滤波器即可进行工作。传感器每采样一次数据后,采用卡尔曼滤波器进行一次递归运算得到滤波后的数据。本研究对浓度均值为182.5 ppm的一组一氧化碳数据进行卡尔曼滤波效果分析试验,试验前后效果如表1、图2所示,从图中可以清晰地看出滤波后CO浓度测量数据经卡尔曼融合后数据趋于收敛。

2.2 隧道监控系统联动控制策略

联动控制策略是在分析消防子系统、交通管理子系统和环境监控子系统的基础上对隧道内的环境控制设备、交通诱导设备进行协调控制,以达到最优控制效果。优良的行车环境是隧道交通的安全保证。隧道内影响车辆通行的因素主要包括隧道内的照明条件和空气质量,通过照明灯来调节照明亮度。隧道内空气质量受到汽车尾气排放影响,空气中CO浓度大大提高,如果不及时排放,容易对人体产生影响并造成交通事故。隧道内CO浓度主要通过风机来进行排放。《公路隧道设计规范》对隧道内的CO浓度和照明亮度均做了明确的要求[10]。

早期隧道监控系统大多采用手动或定时控制方式来进行隧道内环境的调节,是一种固定能耗控制方式,即最大能耗控制方式,而且信号检测系统和设备控制系统相互脱节,也没有实现同交通诱导系统和消防系统的联动控制。本研究采用基于车流量的联动控制策略来实现隧道环境子系统的信号检测和设备的协调控制,同时实现隧道环境子系统和交通诱导子系统、消防报警子系统的联动控制,在保证安全行车环境的同时,本研究根据车流量情况进行行车速度的调节,以增加隧道的车辆通行效率,并实现能耗的动态合理分配:当车流量大,提高行车指导速度,提高空气质量和照明指标,对应的能耗增大;当车流量少,则可降低行车指导速度,合理降低空气质量和照明指标,相应的设备能耗将减少。

根据《公路隧道设计规范》,本研究将CO浓度、照明亮度和行车速度(限速)均划分成5个等级进行关联,采用指导车速的方式实现,当前车流量同隧道通行环境的联动协调,如表2所示。该系统根据指导车速查表计算出CO浓度和照明亮度的等级控制范围,然后通过风机和照明灯进行调节照明环境。

该系统通过两级控制方式来实现隧道监控系统的控制:控制目标的识别和设备联动控制策略,联动控制策略流程如图3所示。

控制目标识别过程是各个控制对象的控制级别的识别过程:本研究根据交通检测仪在采样周期内平均车流量计算出实际平均车速,当平均车速达到当前指导车速的90%时,增大指导车速,当实际车速小于下一级别指导车速时,降低指导车速。然后根据指导车速及表2数据得到对应的CO浓度和照明亮度级别。

设备控制策略层是隧道内设备的实际控制过程,是对设备的运行情况进行合理的时间分配和控制的过程,可以最大限度地增加设备的使用寿命。本研究根据隧道内整体空气(或照明)质量按目标级别及设备的运行情况进行调节控制,选定需要运行和停止的设备,并达到相应的控制范围。隧道内风机运行的选定主要考虑:每次启停应满足风机设备的连续最大运转时间,启动最小运转时间的情况下尽可能均匀分配的风机的总共使用时间。照明灯开闭的选定原则以总共运转时间为主。通过设备层控制策略,可以提高设备的使用寿命,降低运行维护成本。

3 智能隧道监控系统设计

3.1 区域控制器设计

区域控制器是监控系统的核心,该系统区域控制器采用SAMSUNG的ARM9嵌入式处理器S3C2410[11]作为主控制器,外加相应的外围电路组成,硬件结构图如图4所示,主要包括显示、通讯、存贮等功能。区域控制器采用10/100 M的以太网通讯接口,同监控中心实现快速数据交互;CAN接口用于扩展输入输出模块用,可以减少区域控制器的数量。RS485接口用于实现同第三方产品的数据交互,如CO/VI传感器。RS232,USB属于近距离通讯接口,USB主要用于系统的安装和软件的升级。

区域控制器在设计过程中综合考虑了系统的可扩展性、抗干扰性及成本等方面因素,本研究采用核心板和底板的两层板卡工业级设计方式,核心板采用6层PCB设计,底板采用4层PCB设计,以保证其高可靠性。

3.2 系统软件设计

隧道监控系统软件是监控系统的核心,集控制和管理于一体。本研究根据隧道特点设计的监控系统软件采用模块化设计方法,监控软件结构图如图5所示,主要功能模块包括:隧道状态数据的收集,整合显示;隧道设备的联动控制;信息的远程上报;报表管理。

“状态数据的收集显示”指监控软件将隧道内所有监测点位的传感器信息和控制点位的设备运行状态信息显示在监控中心计算机软件中的处理过程,使管理人员在控制中心就能对隧道的整体状况一目了然。设备的联动控制是该改造方案的核心,是对整个隧道内检测信息的综合分析的基础上做出的一种决策性动作,以保证隧道的正常有效运行,减少管理人员的工作力度。远程上报主要包括:火灾及交通事故信息的上报,请求支援协助;隧道达到最大运行负荷,请求分流的信息上报。报表管理功能主要是指通过报表形式对隧道数据进行分析统计,统计分析可以有助于隧道监控系统参数的优化功能,使系统更合理有效地运行。

4 结束语

本研究在分析了早期隧道监控系统存在的问题的基础上,提出了基于车流量控制的隧道监控系统改造方案。改造方案通过联动控制技术实现了隧道环境监控子系统、交通诱导子系统及消防报警系统之间的联动控制,实现了隧道内部能耗同实际运行效率的统一协调,在提高隧道通行效率的同时实现节能减排。

该方案设计综合考虑了技术、成本及工程实施的难易程度等各方面因素,因此该隧道监控系统具有进一步现场推广实施的价值。

摘要：针对早期建设的隧道监控系统普遍存在联动控制能力弱及能耗高等问题,提出了基于车流量控制的隧道监控系统改造方案。该系统在尽可能减少改造成本的基础上,通过卡尔曼滤波技术提高了传感器检测数据的可靠性和稳定性;根据隧道特点编制了基于车流量的联动控制策略,实现了环境检测子系统和交通诱导子系统的协调控制,在有效提高隧道的运行效率的同时,实现了隧道内能耗的合理分配。研究结果表明,采用ARM嵌入式控制技术设计的系统改造方案,具有低成本、高性能的特点,有利于系统的推广。

关键词：监控系统,信息融合,联动控制

参考文献

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