高速公路监控系统联动控制实施方案探讨

  　高速公路监控系统作为高速公路信息化建设的一个主要组成部分，正逐渐引起业内同行的关注，据了解，许多单位在机电三大系统的建设中，往往仅重视硬件设备的建设，对软件方案尤其是对监控系统如何满足实际运营需要，花的精力不多，承包商对此也重视不够，建成的监控系统中，外场及隧道监控设备花费巨大，但由于核心监控软件编制简单，导致花费巨资建设的监控系统未完全发挥其作用，相关治理部门无法通过监控系统实现其指挥治理中心的功能。实际上，监控系统的建设是今后实现智能交通的一项重要基础性工作，必须认真抓好。现将本人在此方面的一些研究心得做一总结。与各位同行交流。
　　
数据采集
　　
　　一切控制系统的可用性都必须要有一个基础，那就是数据采集的准确。数据采集的准确来自于三个方面，1、传感器设备的优劣；2、数据传输系统的稳定；3、核心采集数据系统的完善。
　　
　　就高速公路监控系统而言，数据采集设备主要为：交通流量检测设备，气象检测设备，隧道环境分析仪。就目前高速公路所使用的上述数据采集设备而言，单机设备基本能满足使用要求，性能稳定；传输线路若采用光纤通信系统实现，其传输性能也基本稳定，目前大部分数据采集不准确的原因，主要与上端核心数据采集软件的粗糙以及软件编程者对现场单机设备了解不够有关，上端核心数据采集软件设计简单，没有起到综合分析的作用。因此，在实际项目实施过程中，应注重以下内容：
　　
车辆检测器
　　
　　车辆检测器在外场监控设备中数量最多，误差最大，主要原因在于过去对车检器的技术要求未标准化，备施工单位凭各自的理解进行相关软件的开发，传输数据量太大等，为此，对设备的功能和上端软件提出以下要求：
　　
　　车辆检测器应有每小时平均车速、最大、最小车速、车流量、占有率的计算、存储及输出功能，所有数据不应由于设备掉电、复位而丢失。平时上位机采集实时数据作为数据显示及隧道交通拥挤、堵塞判定，每小时的车流量作统计车流量用，为尽量减少通讯数据量，通讯中断情况下车辆检测器只保留每小时的平均车速、最大、最小车速、车流量、占有率数据，以保证交通流量历史数据的准确。车辆占有率的时间周期统一按5分钟计算。

      当车辆检测器发生故障，所有车检器的平均车速、最大、最小车速、车流量、占有率取前十天同一时段的加权平均值作为近似值上传监控分中心，以保证交通流量计算的基本准确。
　　
　　隧道内根据车检器占有率{一般应大干60％）或连续三次有车辆通过且车速均低于20Km／H判定是否交通堵塞，从而产生警信号，同时将摄像机切换到警区域由值班员来判定是否发生交通堵塞情况。
　　
气象检测器、环境检测器
　　
　　采用加权平均的方法判定环境是否超标，产生警，警的阈值应可以由监控人员人工修正，以满足实际运营需要。对于道路交通控制而言，由于实时性要求不高，为保证联动控制的准确性，相关情板的联动可由人工确认后下发。
　　
　　可变情板的数据传输与控制情板的数据传输量最大，要求所有情板的数据传输均通过光纤以太网收发器进行传输，对于未采用以太网传输的情板，可按以下方式实现数据传输：
　　
　　可变清板应有定时自检功能，若检测出情板出现象素点损坏，则采用故障坐标点的方法将故障点反馈给上位机，以减少数据传输量。
　　将情板的固定显示信息进行编号，并存储在情板的存储器中，新增加的信息在预置人情板内的同时生成该信息的编号，上位机以编号的方法发送相应情板显示信息。
　　
联动控制方案
　　
　　在保证数据采集稳定可靠之后，完善、严密的联动控制方案的实现才有可能。控制的对象主要有三大类：交通监控、照明控制、通风控制。三个系统相对独立，又协调统一。
　　
　　交通监控可分为隧道监控和道路监控。目前高速公路路网还不够发达，道路交通信息除了通过车检器、气象检测器检测外，还通过摄像机、紧急电话、路政治理等获取信息，监控分中心通过读取道路车检器、气象检测器检测数据超标，在发出告警信号后，一般等待人工输入控制命令，同时开始计时，在延时一定时间未得到人工输入命令后，则自动按预案，通过可变情板、可变限速标志等设备对道路交通进行控制，主要起到信息提示和疏导交通的作用。同时，监控人员应跟踪路政交通信息，及时发布或解除交通告警信息，做到信息发布及时，有效。
　　
　　而隧道监控内容相对复杂，涉及的数据采集控制设备较多，下面分析隧道监控实现方案。
　　
　　当隧道内车流量过大或交通阻塞时，可以通过隧道内车辆检测器及隧道摄像机判定其阻塞程度，确认后在相应隧道内外情板显示“隧道拥堵，注重安全”。同时，假如发现隧道内CO浓度增加，能见度降低，则由人工或自动控制风机启动。
　　
　　隧道出现以下紧急情况时，监控分中心的监视器可以自动切换图像、紧急电话告警，将距离告警紧急电话前端最近的摄像机图像切换到监视器及大屏幕投影仪。
　　
　　交通堵塞：一般从车检器采集的数据经过分析而得出，此时将提示交通堵塞最近的摄像机图像切换到监视器及大屏幕投影仪。
　　
　　CO／VI超阈值：将CO／VI超阀值洞的所有摄像机的图像切换到监视器，将距离CO／VI告警设备最近的4个摄像机图像切换到硬盘录像机，距离告警设备最近的4个摄像机图像切换到大屏幕。
　　
　　火灾告警：将发生火灾隧道的所有摄像机的图像切换到监视器，将距离火灾警点最近的4个摄像机图像切换到硬盘录像机，距离火灾警点最近的4个摄像机图像和两端隧道广场的摄像机图像切换到大屏幕。
　　
　　隧道照明控制方案包括正常、火灾、交通事故、停电以及光强检测状况下各种天气、一天内各时段的照明灯开启等级。
　　
　　火灾时的照明控制：如遇火灾，无论照明现状如何，照明控制系统将隧道照明开到最大程度。
　　
照明系统正常控制方案
　　
　　就控制实现方式而言，有时间控制和隧道光强检测自动控制两种方式。对于照明组，可划分为加强段、过渡段照明组和基本段明组两个部分。

　　时间控制方式：根据现场测试．根据不同的季节和时间，将一天分成几个时间段同时结合考虑到气象条件、交通形式等条件的瞬时变化，在不同的时间段分级开启不同数目的灯组，或调节各组灯的亮度。
　　
　　自动控制方案光强检测仪读数结合气象条件和监控计算机确定的设定值分级予以控制，此时对光强度值的数据采集分析应正确。如按检测周期取3分钟，取前5次采集的加权平均值，作为光强度值，对隧道照明综合控制每次增开或减少为一级，以免因照度突变影响行车安全。
　　
　　其中，照明组位于隧道入口处，将洞外的光强过渡到洞内基本照明组的光强。因此控制的重点应该在于加强段、过渡段照明组部分。综合各种已经实际应用的隧道照明控制方案上来看，对于过渡照明组的控制将采取隧道光强检测控制为主，时间控制为辅的控制措施。
　　
　　基本照明组是除了加强段、过渡段照明组外的其他照明组，为维持洞内的基本可视照明而设立的。其控制基本上应遵循省电原则。而对于基本照明组的控制，应采取时间控制为主，隧道光强检测控制为辅的控制措施。
　　
　　隧道照明控制的完善涉及照明控制技术实现方案和隧道灯具的选择，是一个较为复杂的课题，需要一个综合解决方案，以保证行车安全和节能运行。
　　
　　隧道通风控制：监控分中心计算机系统读取CO、VI检测器、风机的状态信息，实现对风机启动关闭等的控制，风机将洞外新鲜空气引入隧道，并将有害气体排除洞外，保证隧道中的烟雾和CO浓度达到答应值。在隧道发生火灾时，能控制隧道中烟雾的蔓延，保证人身及隧道安全。
　　
　　通风控制方案包括正常情况、CO／VI过高、火灾状况、交通事故状况下风机开启、停止、正转、反转等运行方案。
　　
正常情况通风控制方案
　　
　　基于国家《公路隧道通风照明设计规范》，隧道内CO浓度值一般以200{或250）ppm和300ppm为告警阀值，设定两个告警等级。但是实际运营中发现，即使隧道空气人体感觉已经到了使人难以忍受的情况时，CO浓度值仍小于150ppm，此时系统不能进行自动警，因此在实际实施中CO浓度阀值的设置应远远小于150ppm，按50ppm设置。能见度的告警阀值设置也存在同样的问题。因此，在监控软件中CO／VI告警阀值的设置应该可以根据实际情况同时参考隧道的外形如上下坡、弯道以及摄像机所观察到的环境情况进行调整。为此，风机应根据交通状态、环境参数的数值及变化率进行控制。控制周期可取10分钟左右。当CO值超过设定值或烟雾浓度超过设定值，监控系统可控制开启一组{每组暂设为2台）或多组风机，以控制环境参数适合指标要求。事实上，在车流量小、下坡隧道，隧道空气质量满足行车要求，监控的重点应集中在车流量大、上坡、弯道隧道。
　　
　　隧道内能见度测量范围为O一151／Km，根据需要将VI测量值的范围分为4级。即VI值31／Km、VI值51／Km、VI值71／Km、VI值101／Km当能见度VI51／Km时为正常，隧道内风机不启动：当51／Kin能见度VI101／Km时，根据需要启动隧道相应道路段的风机，直到能见度恢复正常：当能见度VI101／Km时，控制系统将关闭隧道。
　　
　　长隧道上坡路段较多、车流量较多时，VI能见度采集值经常会超过5，可VI阈值按实际情况进行调整，一般设定在10-15较为适合。

隧道火灾控制方案
　　
　　火灾事故作为级别最高的事件，也是隧道监控的重点，我们在此单独列出，所有相关设备的联动在此统一描述。
　　
　　由于隧道火灾情况复杂。如起火点位置、隧道长短、车行横洞、人行横洞位置设计不同，则火灾控制方案也不相同。下面针对2公里左右长隧道提供一个解决思路。
　　
　　当隧道发生火灾时，隧道火灾警系统警，监控中心控制计算机警，经过值班人员判定是否发生火灾，确认后发出相应控制命令至隧道。当数据采集控制单元接收到监控系统发送设备处理指令后，立即对交通监控设备和风机照明设备进行控制。
　　
　　隧道火灾时的通风排烟控制方案设计，必须考虑火灾情况及其对策，根据隧道长度、平面曲线半径、纵坡、交通条件、自然及环境条件和火灾危险性等因素。隧道火灾处理分四个阶段，即火灾确认、逃生、救援、灭火阶段。在火灾确认和逃生阶段，由于处于隧道火灾起始阶段。隧道上半部完全是层状烟雾，下半部是由洞口流向火场的新鲜空气气流，仍有利于人员逃生，此时着火点四周的风机应停止工作，以免将烟气和新鲜空气搅乱，但其他风机按低速排烟。在火灾救援阶段，应全速开启排烟风机，且排烟方向应与隧道交通流向相同，另一隧道风机部分开启进行送风，阻止烟雾进入另一隧道；灭火阶段时，两个隧道的风机全部开启。具体处理过程如下：
　　
　　火灾警阶段系统接到火灾告警后隧道摄像机在接到火灾发生信息后，把发生火灾隧道所有图像切换到监视器，离火灾最近的4路图像切换到大屏幕投影仪，并切换到硬盘录像机进行录像。
　　
　　逃生阶段监控人员经过图像确认发生火灾以后，立即与救援、灭火、交通疏导等有关部门及上级领导进行警联系，开展灭火救援工作，基本控制方案如下：
　　
　　1、发生火灾隧道的上游车道灯显示“×”，下游显示“↓”。
　　
　　2、发生火灾隧道洞口情板内容置为：“隧道火灾、禁止通行”。
　　
　　3、旁洞情板内容置为：“减速慢行”。
　　
　　4、着火点四周的风机关闭，开启火灾上游的一组风机正转。
　　
　　5、发生火灾的隧道照明灯全开。
　　
　　旁洞风机根据火灾着火点位置启动相应的风机以阻止烟气向旁洞蔓延。
　　
　　洞口交通灯设为红灯。

　　打开发生火灾的人行横洞指示灯，指示人员逃生方向。

　　火灾隧道洞口和洞内的情板根据起火点上下游位置，分别显示火灾和安全疏散信息。与此同时，监控人员在分中心用隧道广播对现场进行指挥、调度、疏导。
　　
　　救援阶段待交通疏导部门到达现场后，执行以下救援阶段方案。
　　
　　发生火灾隧道洞内外情板内容置为：“隧道火灾，禁止通行”、车行横洞指示灯置为开：交通灯置成正面红叉：
　　
　　在设置好双向交通引导标志后，旁洞隧道洞内外情板置为”双向行驶、严禁超车”，超车道隧道灯改为反方向行驶，交通灯置为黄灯。
　　
　　开启全部风机，排烟方向顺隧道交通流向：对于设有竖向风机的特长隧道，应在现场模拟调查后，制定方案。
　　
　　灭火阶段开启全部风机，增大风量，以利于灭火和降温。在灭火结束后，风机应由监控分中心或通过现场控制面板，将风机逐渐关闭，确认可以正常通行后，恢复原先通行的各种设备运行状态。
　　
　　由于实际情况非常复杂，每次碰到火灾或其他事故时，现场情况经常不一样。交通治理人员和消防人员的反应速度，以及每次事件的严重程度也不完全相同，所以以上三个阶段的划分和过渡必须要由值班人员结合实际情况确定，各个阶段的控制方案仍应在人工监督的条件下操作完成。
　　
　　事故方案设备在出现故障和需要维护的情况，应有一套控制预案。系统一般提供手动的方案，值班人员结合各种信息，选择具体的方案执行。方案的选择在控制计算机的系统菜单中，对应不同的隧道有一系列不同的控制方案，分别以车道灯、交通灯、照明、风机进行组合控制。值班人员可以选择一组控制方案下发以实现交通控制。
　　
　　上述交通监控方案的实现，只是一个基本的框架内容，所有完整的实现模式，必须在实践中充分模拟探索，并将可行的方案在计算机中按序号编列好供调用。此外所有控制方案都应具有手动／自动、现场／远程模式，且现场控制优先。
　　
　　为实现以上目的，必须有一个开放的可靠的硬件支持技术方案，该方案除了能采集和控制道路信息，还应与隧道通风、照明的设计结合起来，组成交通监控和电力监控合一的方案。针对于我省采用隧道中压供电的供电做法，可以按照以下思路进行硬件组网设计：电力与交通数据采集共用数据采集与控制单元，该单元设于隧道左侧隧道配电室。除采集电力监控设备外，还应采集CO／VI、风速风向仪、光强检测器，控制车行人行横洞灯、车道控制灯，洞内增设情板；CO／VI、风速风向仪、光强检测器安装隧道左侧：洞内车辆检测器和情板控制器安装在隧道右侧，均配RJ451O／1OOM的以太网口各自通过光纤收发器上传至洞口，通过以太网交换机后上传分中心。以保证数据传输速率。
　　
结束语
　　
　　交通监控系统是今后实现智能交通的一项基础工作，在局部路段有效实现完整的交通监控的要求后，应逐步实现全路网的信息共享，以及信息的无缝连接，各路段可以根据各自的交通状况，结合相邻路段的交通状况，制定各自的控制预案，保证高速公路的行车安全和顺畅。为达到此目的，可考虑选择一个有实力的监控系统集成商，与有经验的业主一道，做一个统一完整的规划，对各种监控方案进行不断的总结、修改、完善，达到最好的交通监控效果。