- 摘 要：本文结合京福高速公路上单洞长达5570m的美菰林特长公路隧道监控系统的设计实践，针对目前隧道监控系统设计中存在的主要问题，从系统规模、系统控制模式、系统网络结构形式、子系统方案比选等方面进行了分析阐述，找出了目前适合特长公路隧道监控的较佳方案，同时也提出了一些新的见解和观点，供业内同行参考。
关键词：特长公路隧道 监控系统设计
1. 工程概况
美菰林隧道，位于福建省闽清县金沙镇与尤溪县交界处美菰林场林区，是京福高速公路福建境内的重点工程之一，左洞长5563.37m，右洞长5570m，是福建省目前设计并已经开工实施的最长公路隧道。
2. 监控系统设计
2.1 系统规模
系统规模主要取决于道路交通条件与功能要求。满足同一功能要求而冗余度不同，系统的配置方案与规模也不同。例如监视交通状态，在隧道有闭路电视、紧急电话、车辆检测器等，在路段有紧急电话与车辆检测器，而现在手机非常普及，可考虑取消紧急电话以减少工程投资与运营管理费用。影响系统规模与配置方案的另一因素是可靠性的要求。非火灾工况时系统设施与通讯、供电传输线路能不能稳定、可靠地工作及火灾工况时其能正常工作一段时间，是监控系统的关键，监控计算机及任一控制点的失效不会影响正常控制点对现场设施实施控制，确定系统的合理集成方式、系统网络的构成与拓扑结构形式，力求系统的可靠性、稳定性、先进性与经济性的有机结合。
由于没有相关的设计规范和标准，本设计根据《日本高等级公路设计规范》，隧道与隧道长度L和隧道长度与日交通量之积LQ分为以下四类：
A类：L≥3000m，或L>12000车辆公里；
B类：1000m≤L<3000m , 或LQ>4000车辆公里；
C类：500m≤L<1000m，或LQ>2000车辆公里；
D类：100m≤L<500m。
根据上述分类标准，美菰林隧道为A类，监控系统需设置以下子系统：闭路电视监视及视频车辆检测系统、交通控制诱导系统、交通与环境检测系统、火灾自动报警系统、紧急电话系统、通风与照明控制系统、广播系统。
以上各系统一次设计、分期实施，二期实施设施主要为广播系统和洞内可变情报板与可变限速标志。
2.2 系统控制模式
控制是实现公路隧道监控系统目的的根本手段。从系统结构考虑，系统控制应从集散式控制系统逐步发展为现场控制，从而提高系统的可靠性、维护操作的方便性与降低工程造价，应用现场总线技术，由FCS（无中心控制）代替现在的DCS（集散式控制）和PLC（可编程控制）是发展的必然趋势；从系统设备考虑，应提高检测设备的水平，大力发展数字化与智能化仪器仪表，如通过图像处理检测器检测交通参数，既为交通控制、通风控制提供了依据，又监视隧道的运营状态，达到检测与监视的统一；从系统功能考虑，火灾报警系统应达到自动检测与消防实现联动，根据火灾类型与严重程度自动制定灭火与救援措施；通风控制系统不但要考虑隧道的环境指标，而且要考虑交通运营状态，达到既能为司乘人员提供良好的环境，又考虑设备的运转平衡节约能源与提高设备使用寿命的目的；交通控制系统应能自动判别交通状态，异常自动检测与处理，为驾驶员提供交通与环境信息，进行路线指示、引导与诱导，提高车速与降低事故率与事故的严重程度。
现场总线作为一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统，近年来得到了迅猛的发展和应用，其具有协议简单开放、容错能力强、实时性高、安全性好、成本低、适于频繁交换等特点。
但是，统一的现场总线的国际标准至今尚未制订，各大公司又都发展自己的现场总线。目前，国际上各种各样的现场总线有几百种之多，统一的国际标准尚未建立。较著名的有基金会现场总线（FF）、HART现场总线、CAN现场总线、LONWORKS现场总线、PROFIBUS现场总线、MODBUS、PHEONIX 公司的INTERBUS、AS-INTERFACE总线等，究竟选用那种现场总线，需认真比较。从目前所应用的现场总线来看，模块化分布式控制系统，主要分为三个系列：
（1）基于以太网和Modbus通讯协议的Openline系列；
（2）基于Optomux和Modbus通讯协议的MicroDAC, OpenDAC, OpenLT系列；
（3）基于现场总线Lonworks, Device, Profibus的Microlon, DacNet系列。
一个完整的模块化分布式控制系统包括执行机构、现场控制器和接口、控制网络、工程师工作站和操作员工作站、组态软件和操作系统配置、特定算法和特定行业编程六个部分。目前，在监控方面国内应用的主要是基于现场总线Lonworks和Profibus的Microlon，DacNet系列。从智能化配电系统所应用的现场总线来看，主要有PROFIBUS-DP, MODBUS, LONWORKS) 等，而FF、HART、CAN等现场总线在智能化配电系统中应用则较少。本设计选用MODBUS现场总线主要基于以下考虑：
1）MODBUS 产品适合隧道的应用环境，防护等级达到IP65；
2）产品价格比较便宜；
3）通讯距离较长，便于选择较好的网络拓扑结构形式。
2.3 系统网络结构形式
系统网络拓朴结构形式，可从以下几个方面去考虑：
1）从现场总线形式考虑
可选用Modbus, Lonworks, Profibus这三种国内已设计和投入使用过的总线中选择一种，上已就现场总线形式进行了比选，在此仅按#$%&'( 的现场总线进行设计。
2）从传输介质考虑
可选用双绞线、多模光纤、单模光纤与同轴电缆，鉴于必须传输CCTV信号，同轴电缆的图像信号传输距离较短，故不考虑双绞线与同轴电缆，故从单模光纤与多模光纤中进行选择。
3）从网络拓朴考虑
可采用自愈环形式，也可采用树形结构形式。自愈环形式优点突出，如果在环的某处发生断路，它将重新配置网络使通讯得以继续，但与树结构相比，线缆较长。
根据以上因素，本设计系统网络采用自愈环拓朴结构形式。
2.4 子系统方案比选（从系统设备考虑）
隧道监控系统包括2234 监视系统、交通与环境检测系统、交通控制诱导系统、通风与照明控制系统、火灾自动报警系统、广播系统、紧急电话系统等子系统。系统设备除与系统拓朴结构相关外，还与设计者如何对系统可靠性、经济性、先进性、维护操作方便等性能与价格进行平衡有关，这些子系统中很多产品都是成熟产品，没有必要进行比选。将系统拓朴结构这一因素除外，主要有以下两个子系统的设备值得比选。
1）交通参数检测系统
目前，在隧道内主要采用环形线圈检测器检测交通参数。环形线圈检测器技术成熟，在公路上应用也比较广泛，但其具有以下缺点：
（1）可靠性差，年毁坏率约为25%，即每4年基本上所有检测器都得重新更换一次，维修更换时需封闭交通，既增加了维护成本，又给运营造成诸多不便；
（2）施工时破坏路面，埋环形线圈时要求嵌环形线圈的槽干燥，槽无明显棱角，施工质量难以控制，嵌缝料中需加促凝剂，而其有毒，有害施工人员身体，污染环境。
因此，本设计采用视频车辆检测器，其与环形线圈检测器相比，造价基本上不增加，并且具有以下优点：
（1）隧道内本身有闭路电视监视系统，采用视频车辆检测器，洞内不需要额外增加设备，达到闭路电视与交通参数检测的统一，降低了维护费用；
（2）可根据营运需要，改变检测器的数量与间距，而这些工作只需要在中心控制室增加或改变较少的硬件设备即可完成；
（3）施工方便，无污染。
2）火灾自动报警系统
（1）设备选型
火灾自动报警系统从火灾报警原理来讲，有定温式、差温式及定差温式三种形式，定温式易误报，差温式及定差温式具有可比性。外场设施主要是传感器、下位机与主控制机。
传感器有点型与线型两种。由于公路隧道存在大量机动车排出的尾气，所以安装点型感烟探测器往往十分容易引起误报。因此根据《火灾自动报警系统设计规范》选择线型缆式传感器。就线型传感器而言，有紫铜管、感温电缆、热敏合金线及光纤四种形式。
紫铜管：以铜管——膜盒作差温式探测器的火灾报警系统，由于受隧道内环境因素影响大，故不可避免会发生误报和漏报现象。
感温电缆：包括不可恢复式与可恢复式感温电缆。
不可恢复式感温电缆大多采用双绞线或同轴电缆的形式，其外层分别被热敏绝缘材料包围，正常监视状态两根导线间呈高阻状态，当环境温度升高达到或超过预定值时，导线短路呈低阻状态，从而发出火灾报警信号。这类探测器采用开关信号，所以基本不受电磁干扰影响，但存在如下问题：
①由于采用定温原理，故环境温度改变时易引起误报和漏报。
②不可恢复式感温电缆的原理决定了其一旦报警，就必须更换，增加了使用成本。
可恢复式感温电缆由四芯铜导线组成，每根载流导线覆盖着一层具有负温度系数特性的绝缘材料，四根导线均匀绞在一起，组成系统时末端两两短接成两个互相比较的监测回路。环境温度变化通过感温电缆传到控制接口模块，当探测区域的温度达到或超过系统报警值时，系统将发出火灾报警信号。这类探测器由于采用较为精确的阻挠变化比较方式，故十分容易受电磁干扰影响，最大的问题是抗电磁干扰能力差，而隧道在行车过程中，将产生强大的电磁干扰，从而易引起误报。
热敏合金线传感器：该探测器是专为适应隧道需求而新近研制开发成功的一种热敏合金线，其功能是感知现场温度信息，并传送给下位机。其特点是：
①能较准确地测出隧道中每一段的实际温度，从而既能实现差温报警，也能实现定温报警，而且可以进行温度监测。
②该探测器为线型可恢复探测器，发生火灾报警后，只要探测器未被烧断（熔断温度大于900摄氏度），仍可继续使用，不必更换，降低了使用成本。
光纤：光纤作为火灾探测器，其原理是温度信号通过自发喇曼散射效应调制了光纤中由脉冲激光产生的自发喇曼光子数，经解调后得到空间温度场分布的信息。这种探测器主要存在以下问题：
①价格较高。
②施工复杂。
设计组对国内外一些知名的厂家火灾报警系统进行了调查，包括瑞士的西伯乐斯、美国的霍尼韦尔、日本的松下、能美、香港（英国产品）的威景、新加坡的狮导、（中外合资）康达电子有限公司、国内的营口厂、上海松江厂等，再结合以上对比分析，本设计认为，能实现定差温式报警的热敏合金线传感器属于首选产品。
（2）系统方案
根据上述设备选型情况，本系统采用热敏合金线作为传感器，火灾检测原理为定差温式报警。系统集差温预警、差温报警、定温报警以及实时温度监测于一体，由计算机、下位机、线形差温火灾探测器、系统软件及信号传输线等组成。计算机置于中控室内，下位机挂装在隧道避难室内，探测器沿隧道长度方向布置在隧道顶部并形成回路，每一探测器布置50m隧道。每一下位机可接入两路探测器、两路手动报警按钮。信号传输线为屏蔽电缆，可将探测器感知的温度信息经下位机转换后，传送给计算机，系统软件将采集的信息进行处理、显示，并送至中央控制计算机。
3. 结语
通过美菰林隧道监控系统的设计实践并结合设计组的经验和对国内隧道监控系统的调查，笔者认为当前隧道监控系统的设计主要存在以下问题：第一，系统规模问题。客观上由于公路监控系统的设计规范与监控设施标准不全，造成设计规模主要取决于专家意见与业主投资情况，主观上设计单位由于当前设计任务多，大多数工程业主给的设计工期又不合理，使得不能认真进行方案比选，而且投资规模大对设计单位有好处；第二，新技术应用方面的问题。大多数设计单位不太喜欢采用新技术，既麻烦且设计费又不增加，而业主又持慎之又慎的态度，极不利于技术进步；第三，设计方法问题。大多数设计都是在类似图纸上复制修改，而不是按具体情况有针对性的进行。不在设计上下工夫是我国公路管理水平低的主要原因之一。
为了提高我国公路隧道监控系统的设计水平，笔者建议隧道学会等学术机构及政府有关部门应尽快组织力量制定公路隧道机电系统设计规范及有关技术标准，鼓励支持设计单位采用国内外先进技术、产品进行设计；设计单位也应本着认真负责的态度作好设计工作，以满足我国公路建设迅猛发展、公路隧道逐渐增多的需要，从而促进我国公路管理水平的提高。-
参考文献
- 1. 韩直. 公路隧道机电系统的现状与发展. 中国公路学会2001 学术交流论文集. 中国公路杂志社，2001.8
2. 日本隧道设计规范
3. 京福国道主干线福建三明际口至福州兰圃高速公路美菰林隧道监控系统设计 -
（刘相华）
|
