摘 要 本文通过分析厦门东通道智能监控系统的系统功能、网络结构、系统安全及设计，介绍了一种新型、可靠的海底隧道监控系统解决方案。
关键词 海底隧道 智能监控 工业以太网n￡联网控制 管控一体化
1 概述
1.1 工程概况
厦门东通道跨海主体工程长约6km，隧道最大埋深在海平面以下约70m，总投资32.8亿元，是第一条由国内专家自行设计施工的海底隧道。通道设双向六车道，计算行车速度80km／h。该通道作为厦门市规划的第三条进出岛通道，上承国道、省道，下接城市区域路网，连接城市各个主要节点。
1.2 工程特点
针对海底隧道和厦门地区交通特点，东通道监控系统设计工程特点如下：
a．东通道是目前国内最长的海底隧道，交通量大、容易发生交通事故，事故危害大，应采用智能交通控制技术进行交通状态与交通异常自动检测，提高交通异常感知能力；
b，交通组成有大量货车，易发生超载现象，应采取预防措施，限重限高，对载运危险品的车辆专门组织通行，减少事故危害和事故发生的可能性；
c．服务水平低，2020年该道路即趋于饱和，排队不可避免，应采取有效的人口管制措施，避免和减少隧道内发生交通堵塞；
d．车流密度高，在出现交通异常后，易发生二次或多次事故，应采取有效措施提高发生事故后进行交通疏导、组织、人员逃生与救援的可靠性，预防二次事故发生；
e．现代电子、通讯、控制等技术发展很快，而设计与施工安装间隔较长，设计既要有前瞻性，又要考虑可靠性、稳定性、经济性、可扩展性及操作使用的方便性，使整个系统既方便又实用；
f．厦门市为我国经济特区、改革开放的前沿阵地，国际交往频繁，因此要求交通诱导设施必须完善清晰明了；
s．东通道工程与海岸相邻，整个工程区域处于盐雾腐蚀区，腐蚀性物质主要为悬浮在空气中的气溶液状Na2O粒子——盐雾。
h．海底隧道除对隧道结构要求较高外，对隧道安全监控系统也提出比山岭隧道更高的要求，以最大限度地减少隧道事故率，在隧道发生火灾等异常情况时，又能有效地将危害控制在最小程度。
2 系统概况
随着计算机技术、控制技术、网络通信技术和Intemet技术的发展，引发了控制领域深刻的技术变革。控制系统结构向智能化、分散化、网络化、开放性方向发展，将是控制系统技术发展的主要潮流。
从20世纪60年代开始，欧洲、美国、日本等西方发达国家先后开始研究先进的隧道控制系统，并开发了相应的管理控制系统，取得良好的应用效果。公路隧道监控系统在我国起步较晚，90年代初期，国内在中短隧道中大都采用DCS(集散式)控制系统，90年代中后期多采用Profibus、Modbus、Controlnet、LonWorks等专有通信协议的现场总线系统。集散式控制系统，接线复杂，建设成本高，维护困难，目前已逐步被淘汰。现场总线由于各厂家使用的网络协议互不兼容，系统扩展困难，大大增加了企业管理、维护成本。目前，工业以太网已经实现从信息层向控制层和设备层的延伸，真正实现了隧道控制网络的开放性和兼容性，从而以工业以太网为基础的高速信息共享分布式控制网络在公路隧道监控系统中的广泛应用成为可能。
厦门东通道监控系统将对东通道区域的运营状况实施监控、预防并及时感知和排除隧道内的各种异常事故，以保证海底隧道的行车安全与畅通。系统主要是对交通参数、环境参数、气象参数、设备参数进行检测以及监视交通状况，通过对各种检测信息的分析处理后，对隧道内的交通、通风、照明、消防等设施进行集中或分布式监控管理。
为保证海底隧道监控系统的可靠性及先进性，监控系统将采用最新的工业以太网通信技术和高性能PLC技术实现通道监控系统的综合控制与管理。本系统设计采用施耐德PLC可编程控制器作为通道现场区域控制器，工业以太网完成控制信息级与通道控制中心的通讯，控制中心与外界的通讯通过DDN专网实现；监控系统包括交通信息采集、环境信息采集、气象信息采集、超重超高车辆检测、火灾检测与报警、可变情报板、交通控制、照明控制、通风控制、消防控制、横通道门控制、闭路电视、紧急电话呼救、无线通信系统、中央管理与控制、供电系统、防雷及接地等17个子系统；控制中心，采用大屏幕投影系统集中显示各系统运行状态和各检测参数信息。
3 系统结构设计
3.1 系统网络
厦门东通道监控系统网络采用三层网络体系结构，在隧道控制层和设备层网络采用基于ModBus TCP／IP协议的开放工业以太网，控制管理层网络采用以太网，构成局域网，实现隧道管理与控制一体化；通过路由器、防火墙与广域Internet网络连接，实现数据远程共享。通信介质在管理层和控制层采用单、多模光纤，设备层采用双绞线。系统中采用多层以太网，不同网络层次之间设置路由器或网桥，阻断以太网上的广播信息，确保系统安全可靠，防止外界对系统的侵扰。东通道监控网络系统拓扑结构图如图1所示。
a．管理层网络
以太网以其高可靠性、高可扩展性、高兼容性、价格低廉、使用方便等特点，成为当前使用最为广泛的局域网，故本系统管理层网络采用以太网。为了适应城市公共信息平台的数据共享，系统主干交换网络、交换机到服务器之间采用1000M网络带宽。
b．现场网络
现场网络由控制层网络和设备层网络组成。控制层网络基于100M ModBus TCP／IP交换式高速工业以太网自愈光纤环网构建，设备层网络采用10M带宽。控制网络通过100M工业交换机与管理层网络相连，控制网络的核心是隧道区域控制机，区域控制机中的控制PLC采用Premium系列控制器，控制网络为工业以太网。通过自愈光纤环网，将分散布置在隧道现场中的区域控制机用多模光缆将其相互连接。东通道的左右隧道分别由14台区域控制机和Hirschmann工业交换机构戒控制层高速工业以太网。现场设备采集的交通、环境、设备状态等信息通过区域控制机处理后通过光纤环网传输至中央控制服务器，实现正常网络通信情况下的分散采集、集中控制、记录、报警等目的；在隧道现场到控制中心网络中断情况下，实现全分布的预控模式控制或PLC联网控制。
项目组在充分研究隧道控制技术和工程实践后，本系统大胆采用了PLC联网控制技术，即东通道现场区域控制器选用高性能的PIE控制器，各区域控制主机主要承担其区域内的各种设备控制及信息采集，同时各区域控制机通过隧道控制网络相互通讯，实现隧道内其他区域的交通状况、交通信息的监视、协调、自动控制。这种PLC联网控制技术，将有效地解决在中央控制室上位机对现场的情况不能及时了解(网络中断等异常情况下)时，及时启动区域控制机的主机控制功能，直接对整个交通监控系统进行直接控制。而传统隧道监控系统中的PLC下位机系统只是一个采集和执行设备，响应上位机系统的操作指令或只对PLC本区域内设备进行操作；不能实现对整个隧道现场设备进行控制。
3.2 系统软件
东通道控制系统软件采用管控一体化结构，整个软件系统是一个架构简单、结构清晰的三层架构，系统软件通过浏览器／服务器模式(Browser／Server，简称B／S)，实现控制网络的信息采集和设备控制，信息发布，管理层的各种数据查询等功能。
a．服务器
系统基本配置应设三台服务器：控制服务器，办公管理服务器，数据服务器；服务器采用高可靠性的容错服务器。
各服务器安装Windows 2000 server系统软件，控制服务器中安装隧道监控系统软件及WEB服务器软件，办公管理服务器安装办公管理软件，数据服务器上安装SQL server 2000或SYBASE等大型数据库。
b．客户端
由于系统架构于B／S结构，管理监控中心的大厅监控管理员、工程师站、站长管理办公室、远程交通管理中心等的客户端安装WINDOWS 2000 Professional操作系统、Office 2000等办公软件，就可实现隧道的远程监控和浏览管理。
c．网络协议
软件通信网络协议采用TCP／IP。
d．软件开发
系统软件开发分为下位机PIE软件开发和上位机组态管理软件开发。东通道下位机选用Schneider公司的Premium系列控制器，并采用该公司的Concept 2.5下位机编程组态软件进行系统开发。该软件支持梯形图、功能块图、结构化文本语言等多编程语言进行系统开发。监控系统的上位机，即中央监控系统，可选用Fix、Intouch、WINCC等优秀组态软件，可以实现系统的监控组态、控制组态、操作组态、画面组态等功能；实现任意图形、趋势曲线、报表等的生成；支持WebServer功能；动态画面组态支持系统内的各种数据，包括实时监测数据、历史数据、人工录入等，可打印输出。同时在系统内部设置了动态实时数据库、历史记录数据库、监控对象数据库等多种关系型数据库；此外，可以采用VC6.0进行相关辅助软件开发。
e．B／S结构
随着Intemet／Intranet技术发展和普及，基于Web技术的B／S结构管理信息系统已经成为现代企业管理系统的主要模式，B／S结构由客户机、应用服务器和数据库服务器三层结构组成。B／S结构事实上是一种类似于终端／主机系统的结构模式，同时又具有客户机／服务器模式的分布计算特性。它的主要特点是集中管理，即软件程序、数据库以及其他一些组件都集中在服务器端。用户端除了浏览器及其所依赖的操作系统之外，无需其他软件和相关的管理维护工作。这样用户需要查询的资料和打印文档的数据都来自于同一个数据库，从而保证了数据的一致性、及时性和完整性。从管理角度而言，程序代码的维护以及更新、数据库的备份和日常维护等都可只在服务器端进行。另外，系统采用B／S结构，可以很容易地实现远程数据浏览及控制，更方便地实现系统管控一体化。
4 系统功能设计
东通道监控系统不但要实现隧道传统监控系统功能，还要实现将隧道现场设备的各种信息实时提供给隧道管理系统及城市公共交通信息平台，实现信息数据共享。这种数据的高度共享，将有效地避免隧道控制系统的信息孤岛现象发生，为隧道管理层、城市公共交通信息平台提供及时、准确的数据，高效实现隧道管理和区域ITS。系统主要由以下功能模块组成：
a．隧道控制：根据控制策略自动或手动实现隧道的交通、通风、照明、消防等系统控制。
b．环境、交通等状态参数检测：根据隧道现场的传感器和智能设备实时采集各种状态数据。
c．电视监控：通过隧道现场摄像机和网络图像服务器，实现htranet(局域网)和Intemet网络上的图像传送、浏览，同时视频监视器24小时监测隧道的运行情况，指挥中心对隧道的发生事故，通过图像及时记录与回放。
d．系统报警：通过隧道现场各报警设备和报警检测设备，实现Intranet和Intemet网络上的报警信息传递与共享。
e．交通诱导系统：利用隧道现场交通信息显示设备(可变情报板等)，通过Intranet实现各类信息的发布控制，通过Internet网络实现远程信息的共享。
f．广播系统：通过计算机及Intranet网络实现隧道内有线广播控制。
g. 紧急电话及呼救系统：计算机及Intranet网络实现隧道内火灾、交通事故等报警控制。
h．电力监测：系统采用电力综合监测仪，对电力系统设备的运行情况(开、合、电压、电流、功耗等)等进行监测。
i．隧道维护管理系统：具有设备在线更换功能，通过系统信息平台共享，实现隧道管理维护的实时、高效。
j．生产中的所有数据报表：自动产生隧道控制、管理、设备故障、系统报警的各类报表、趋势图等，通过Intemet网络进行信息传输，实现数据的远程共享。
k．异地远程浏览：通过Intemet实现远程隧道控制、交通状况、数据等方面的浏览查看隋况。
l、办公自动化(OA)系统：隧道控制系统数据与办公自动化系统数据集成共享，通过Intranet实现隧道管理部门的OA自动化办公。
5 系统安全设计
东通道监控系统通过采用冗余网络、物理隔离及软件安全三种方式保护系统网络安全。 a．冗余网络
本系统采用冗余网络，采用支持环形网络结构，支持高实时性、高速率传输、高可靠性的工业交换机。其网络的冗余机制能够检测网络故障并瞬时激活备用系统，当传输介质发生故障时网络也能正常工作，主线发生故障，系统将自动启用备用线；而当主线恢复时，系统也将恢复到主线工作方式，故障的检测和恢复时间小于500ms。
b．物理隔离
隧道现场全部采用交换机，将控制层网络划分为多个冲突域，通过中心交换机的的Vlan功能限制网络上的广播流量，从而提高网络的传输速度，利用率和工作效率，保证系统的实时性。监控中心网络与Internet网络连接时采用路由器，并加装防火墙，实现外部数据与控制中心数据的安全隔离。
c．软件安全
各服务器及工作站及时升级操作系统，避免系统安全漏洞；安装杀毒软件及防火墙软件，并及时升级；隧道控制系统及办公管理系统采用人员权限分级制，权限分级可按照系统管理员、系统工程师；监控管理员、远程浏览员四个权限划分，不同权限的管理员享有不同的管理和控制权限，远程浏览权限不具备系统操作和修改权利 。
6 电气防盐雾腐蚀设计
按国家规定距海岸7~lOkm为盐雾区。，本工程电气设备全部处在盐雾区内，且属于严重的盐雾腐蚀区。由于电气设备常年裸露，经受盐雾腐蚀，电气设备的外壳、电缆、设备铁质构件等很易被腐蚀。为减轻盐雾腐蚀对本工程中电气设备的危害，东通道监控系统设计中还专门对电气做了防盐雾腐蚀设计。
a．电气设备，
变电所、隧道内的各种控制箱、接线箱、开关柜等外壳采用不锈钢或热镀锌，以加强肪盐雾腐蚀的能力，提高设备的使用寿命。电气设备安装、电气设备检修时，可在导电排搭接处接触面涂敷电力复合脂(也叫导电膏)。不能用防护箱内装的设备，而所选用-的设备其外表面必须具备防腐蚀能力。
b．导线
电力线路、控制线缆全部选用铜绞绝缘导线，外绝缘层可起到很好的抗盐雾；此外，盐雾对铜导线危害较轻，仅在表面上产生黑色的氧化膜，这将大大提高导线的抗盐雾腐蚀能力。
c．铁构件及金具
输配电线路的铁塔、铁杆及铁附件，洞内各种设备安装的角钢支架、角钢桥架等全部热镀锌。在隧道运营过程中每1-2年进行一次除锈油漆处理。线路金具、螺栓及其他配件采用国家定型产品和定点厂家生产经热镀锌的产品。
7 结语
东通道监控系统设计在充分考虑海底隧道特点和功能需求后：，结合自动控制技术的最新发展；选用了工业以太网技术和PLC联网控制技术，简化了信息交换流程，提高了系统可靠性和燕容性；同时采用高可靠性的PLC控制设备、信息传输设备、信息检测设备、通倍设备、监视设备等；大大提高系统无故障运行时间；根据东通道现场条件，监控系统设计中还制定了完善的控制方案和救灾控制策略，保证了通道的安全运营；结合厦门综合交通运输和ITS的发展，对高速公路及隧道监控提出的新要求，东通道管理控制系统采用管控一体化结构，大大提高了东通道管理的高效性和实时性。
《2005年全国公路隧道学术会议论文集》
(周 健 韩 直 涂 耘 刘相华 王小军 吴小丽)