隧道机电系统联动方案探讨

隧道机电系统联动方案探讨

付国

辽宁大通公路工程有限公司辽宁沈阳10111

摘要：隧道工程作为山区高速公路工程不可或缺的组成部分，但由于隧道自身客观因素的制约，入出洞的地段就成为交通事故的易发点。本文主要对隧道机电系统的联动方案进行简要的分析探讨。

关键词：隧道工程；机电系统；维护管理

前言：隧道通过监测、控制、诱导设备（交通检测与控制、环境检测和控制、照明控制、火灾报警、视频监控、有线广播、紧急电话等技术手段），综合对隧道路段进行整体监控。隧道机电系统作为隧道状况采集探测系统，是早期获取隧道内交通运行环境状况、紧急预警、改善行车环境的主要手段，是隧道安全运营的重要保障。隧道工程中的长隧道因单洞距离长，机电设备种类、数量较多，设置高成本的设备可以提高隧道的安全程度，但其只是前提条件。合理的完善数据传输、决策、控制系统才能更好的发挥所设置设备的功能，以达到在安全事故初期较好的处理事故、及时救援的目的。

一、控制管理系统的网络构架

隧道内设置有大量的机电设备，需要合理的对这些机电设备进行传输控制。在隧道管理体制方面，目前我国主要是采用的三级管理的模式，即路段监控中心、隧道管理站、隧道本地，系统网络结构可分为信息传输层、核心控制层、设备接入层。

1、信息传输层。信息传输层主要实现设备间的信息传输，工业以以太网为目前较为常用的一种信息网络。隧道监控领域利用以太网作为移动管理站、路段监控中心的数据传输，其中主要包括：设备采集数据、系统分析数据、存储的历史数据。

2、核心控制层。核心控制层主要是利用现场构建的总线形形成隧道本地控制网络，因为采用标准的总线组网，不仅能够满足机电系统实时通信的需求，还因具有较为开放的标准协议接口，能够较为方便的在总线网络上外接各种机电设备，有利于隧道机电系统的扩展，适用于本地控制器与隧道控制室的计算机设备、本地控制器与本地控制器及本地控制器与现场设备的数据通信。一般控制网络结构采用了双纤组成的环形网络，提高了系统的可靠性。

3、设备接入层。设备接入层主要用于本地控制器与现场机电设备、控制器输入输出端子、采集设备之间的通信，采用各种总线通信协议实现，确保了数据传输的及时有效。

在目前的监控中心计算机局域网多是采用较为成熟的以太网技术，以以太网交换网为中心的星形拓扑结构。但是以太网因为采用CSMA/CD介质访问控制方式，本质上是非实时的，可能导致信息传输的滞后。隧道机电系统控制的重点是在隧道发生紧急事故的时候，能够保证隧道的安全。紧急事故发生时信息的处理不及时将极易造成较大的事故。根据以太网的这个问题，且长隧道大量监控数据的实时传输需求，可以采用现场的区域控制器和以太网交换机的方式，将网络分为若干网段，以太网交换机具有数据存储、转发功能，使各端口数据得到一定的缓冲，不会发生冲突。

为了保证各监控设备数据传输的可靠性和实时性，隧道的控制网络结构可采用环形结构。环形冗余结构带有线路冗余，具有较高的生存性，当线路上有一个断点的时候，整个网络仍可正常通讯，常见于工业网络。同时长隧道可按区段组环，每个区段设置1处PLC，配置触摸屏，在特殊情况下能够实现更高效、可靠的现场控制。

二、系统控制模式的选择

隧道的控制需要将系统内各子系统进行有效的结合，通过智能分析，整合为统一的机电系统，隧道控制方式可以分为自动控制与手动控制，正常情况下通过隧道管理站的计算机对隧道交通信息进行数据采集、分析、信息发布及实时控制。隧道本地控制器（PLC）向下以一对多的方式与外场设备相连，实时采集交通数据，并配备相应的各种接口模块与各监控设备进行通信。紧急情况下可实现现地人工手动控制。隧道机电硬件通讯结构及系统集成方案采用全以太网通讯架构，可采用上位软件通过定制的驱动接口程序对隧道外场机电设备进行访问，PLC硬件的逻辑编写与调试也可在中控室直接下载或上传，视频监控由视频平台的通讯接口与上位软件通讯，紧急电话与消防系统可用API、ODBC等数据访问方式获取数据。整合后的软件系统可由客户端操控的就是所有的隧道监控子系统，形成统一的应用软件平台对隧道进行实时控制。

三、联动控制方案

高速隧道监控设施管理模式如下：高速集团公司信息中心-路段监控中心-隧道管理站-监控外场设施。考虑本项目内隧道路段较多，且路段监控中心距离连续、长隧道路段较远，在收费站内设置隧道管理站，负责本项目内隧道路段的交通管理，对本路段的交通监控数据及其他各种参数进行汇总，向路段监控中心上传监控数据及图像，并接受路段监控中心的管理。此项目隧道监控设备的种类多而复杂，为了保证各监控设备数据传输的可靠性和实时性，该设计隧道的控制网络结构方案采用环形结构。环形冗余结构带有线路冗余，具有很高的生存性，当线路上有一个断点时，整个网络仍可正常通讯，常见于工业网络。隧道内各监控设备的监控数据首先由布置在隧道内和隧道变电所的本地控制器（PLC）进行实时采集和控制，同时经设置在各隧道变电所内的工业以太网交换机组成环形自愈环网将数据传送到隧道管理站管理。控制方式可以分为自动控制与手动控制，正常情况下通过隧道管理站的计算机对隧道交通信息进行数据采集、分析、信息发布及实时控制。隧道本地控制器（PLC）向下以一对多的方式与外场设备相连，实时采集交通数据，并配备相应的各种接口模块与各监控设备进行通信。

四、隧道机电设备的管理维护系统

1、隧道机电设备监控子系统。负责对隧道内各机电设备实施24小时不问断的智能监控，并能远程控制隧道各机电设备，实时收集各设备的状态信息，据此产生相应的操作记录、事件记录、报警记录、设备运行记录和大量日志。

2、隧道机电设备管理维护子系统。根据监控系统提供的数据和操作员输入数据建立GIS隧道机电维护管理数据库功能，研究出一套系统的设备管理、设备维护、设备工作状态等解决方案，并产生相应的管理维护报表、管理维护方案等。子系统还建立模型，为机电设备的选型和设备原型更新提供辅助决策。

3、监控、管理维护一体化子系统。实现两系统数据的相互参考，即隧道机电设各监控系统收集的设备工作数据和设备操作数据作为隧道机电设备管理和维护系统的数据来源，而隧道机电设备管理和维护系统的分析数据则作为隧道机电设备智能监控系统的控制参考和建议。

结束语：

我国隧道目前存在只监不控、监强控弱的现象，采集的监控系统数据也得不到较好的利用；对隧道进行较好的管理控制，一方面要兼顾系统的稳定、可靠与可控，同时也要对不同主体条件的隧道及交通状况配置不同规模和冗余等级的机电系统，并设置合理的系统集成方案，构建系统网络结构，保证系统的可靠、安全、经济，最大程度的发挥系统应用的作用，实现灵活机动的现场控制。

参考文献：

[1]郑昊；刘银生；刘红菊；长大隧道监控系统设计与实现[J]；科技情报开发与经济；2007（5）

[2]陈皓；张其善；姚远；公路隧道监控系统软件设计[J]；电子测量技术；2003（3）

[3]夏红霞；丁毅；钟珞；基于PLC与组态软件的隧道监控系统集成[J]；微计算机信息；2008（24）