- 摘 要：对含有长大隧道或隧道群的高速公路路段，目前普遍采用的监控系统结构是每个长大隧道单独设置管理所，且路段监控分中心和隧道管理所（分中心）分设的结构。从实际运营效果来看，这种结构，一方面造成了设备和管理机构的重复设置，另一方面也不利于数据的实时共享和交通控制策略的统一决策。本文针对路段上隧道（群）的具体分布情况，从前期系统建设和后期运营管理的角度，提出了多种可能实施的路段-隧道（群）监控系统结构，并对各种结构形式的可实现性和优缺点进行了分析和研究，同时也探讨了不同结构模式下各隧道运营管理子系统的系统结构和具体实现。
关键词：高速公路 隧道群 群控模式 - 1. 前言
公路隧道属公路特殊构造物，是公路交通的咽喉地段。隧道监控系统是保障隧道交通安全畅通、提高隧道交通舒适度的关键系统。本文将对高速公路隧道（群）的各种分布情况进行详细分析，针对各种具体情况，讨论路段-隧道监控系统的结构问题，并对不同监控系统结构下各监控子系统的具体实现和结构进行分析。
2. 高速公路隧道（群）监控模式
从结构上看，高速公路的传统监控模式总体上是一种分路段监控的监控模式，即将一条高速公路划分为几个不同路段，对每一个路段设置一个路段监控（分）中心；另一方面，由于隧道本身的特殊性，因此传统上高速公路监控系统一般都将隧道作为独立系统考虑，普遍采用对长大隧道进行专门监控的监控模式。在这种模式下，每个长大隧道单独设立管理所，专门负责隧道的监控任务，同时，隧道管理所还必须将部分数据上传其所在路段的监控（分）中心，由（分）中心对全路段进行监控，并对隧道进行协调控制。
从实际运营情况看，当路段内存在多个长大隧道（群）时，采用这样的监控模式有以下缺点：
（1）需要人员较多，运营成本高。
（2）隧道管理所中心控制系统重复设置率高，利用率低。一次性投资大。
（3）路段监控和隧道监控分为两个独立系统设置，信息共享和交流实时性差，影响交通诱导和整个公路的综合监控。
高速公路的相关机电设备近年来发展很快，计算机技术、网络通信技术和数字图像处理技术的高速发展大大提高了数据的集中和远距离处理能力。这些技术进展为克服上述监控模式的缺点，建立新的和更为合理的高速公路隧道（群）监控模式创造了技术条件。
3. 隧道监控等级
隧道监控系统的规模和配置主要由其监控等级决定。我国"高速公路隧道监控系统模式标准"（送审稿），以及日本道路公团编订的"日本高等级公路设计规范"，都根据隧道长度和交通量两个因素将隧道监控等级分为A、B、C、D 四级，其中A级为最高级别，相应的隧道监控系统的设备配置最为齐全。
以安装位置划分，公路监控系统包含的设备可以分为外场设备和监控站内设备两部分。对于隧道监控系统而言，外场设备一般包括交通量检测设备、交通流诱导设备、空气质量检测设备、火灾检测设备、通风设备和照明设备等。对于不同监控等级的隧道，以上设备在设计和施工时各有所取舍。
由于外场设备必须安装在隧道现场，因此，对于某个确定的隧道来说，其外场设备的数量和种类总是相对固定的。这样不难看出，隧道（群）监控系统模式的不同，基本上与外场设备的取舍无关，而主要由监控站一级系统结构的差异决定。
4. 隧道（群）监控模式和系统实现
事实上，传统监控系统模式的确立的原因很大程度上在于当时技术上的局限性。从目前的技术发展看，隧道群的监控已可不仅仅限于单独监控模式，也完全可以采用群控模式，且具体可以有多种实现结构。在对目前我国公路隧道的建设情况的总结和对现有相关技术发展详细研究的基础上，我们提出一种隧道群监控系统的具体实现结构，该群控模式监控系统结构可以用下图1表示：
该模式下的监控系统的一般总体结构为：
首先在隧道群中选择一个地理位置较为适宜的A级隧道附近建立整个隧道群的集中管理所；而对于隧道群中的其他A级隧道和长度较长、必须配置现场总线控制环网的B级隧道，设置一个 小规模的监控站。
整个隧道群的监控计算机系统构成一个Ethernet局域网。集中管理所内安装以太网交换设备、数据库服务器和网络服务器等；其他监控站的中央设备包含一台现场控制计算机和以太网交换设备。
对于隧道群中监控系统规模较小、没有现场总线控制环网的隧道，不设置专门的监控站，也不配置专门的计算机，直接利用该隧道的综合控制器作为其监控系统的主控设备，综合控制器采用工业PLV。
集中管理所和所有监控站之间通过以太网专用通道连接。即在监控管理所和监控站之间，以及各监控站之间，建立一条10m（或更高）以太网数据通道。从现有技术看，以太网专用通道可以有多种实现方式，如工业以太网技术、基于SDH的综合业务平台技术和基于OTN的综合业务平台技术等。这些技术已相当成熟和稳定，足以适应隧道应用系统高安全性的需要。图1是采用工业以太网技术时的具体网络结构。 -
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图1 群控监控模式结构图
- 在监控管理所与隧道管理站之间的通信通道畅通时，现场控制计算机负责采集现场检测数据和现场设备状态数据并上传，同时接受监控管理所的控制指令并下传到现场总线控制系统。而当监控管理所与隧道管理站之间的通信通道中断时，现场控制计算机则自主接受现场检测和现场设备状态数据并存储和处理，同时自主形成控制命令并下传现场总线控制系统，完成监控系统的降档控制功能。
目前的可编程控制器（PLC）功能很强，一般都可以配置多个串行通信接口或者直接配置以太网接口，综合控制器可以通过这些通信接口，选择与其距离最近的隧道监控站（集中管理所）中的某台计算机进行连接（通过串行口）或直接接入计算机局域网（通过以太网口）。综合控制器本身也要求具有降档控制功能，与现场控制计算机不同，综合控制器的降档控制不包括数据存储功能。
根据高速公路隧道群的不同分布情况，监控系统的具体实现可以采用不同的方案：
1）隧道群中含有至少一个A级隧道。此时以选择某个A级隧道附近建立整个隧道群的集中管理所为宜；此外，如果隧道群中不含有A级隧道，但隧道总数较多，B级隧道也较多，则隧道群监控系统总体上有一定规模，也可以考虑在某个B级隧道附近建立集中管理所。
2）隧道群中不含有A级隧道，仅含有不多的B级和B级以下隧道。这种情况下，由于隧道群监控系统总体规模不大，因此可以考虑不再为整个隧道群设置集中管理所，仅为B级隧道设置小规模监控站；监控站监控系统与路段监控系统构成一个计算机局域网，接受路段监控中心的管理。
3）隧道群中只有C级或C级以下隧道。这种情况下，由于隧道群监控系统总体规模很小，因此可以不为隧道设置专门的管理机构；由路段监控（分）中心直接对隧道进行管理。
5. 全路监控系统结构和实现
虽然隧道监控有其特殊要求，但从整体上看，路段和隧道监控的总体目标是一致的，即尽量保证交通流畅通，防范和减少事故的发生，以及降低事故的危害。因此，监控系统结构应该将路段和隧道监测数据综合考虑，统一处理，实现路段和隧道交通流控制策略的统一规划，才能够达到良好诱导交通流，保证道路交通安全的目标，特别在交通流量增大，道路服务水平高时更是如此。但是，由于传统的监控模式将隧道监控系统作为独立系统考虑，隧道和路段交通检测数据存储在不同的数据库系统中，相互之间难以做到实时共享，不利于上述目标的实现。
事实上，如果由同一套监控系统同时对路段和隧道检测数据进行收集、存储和处理，并综合决定路段和隧道的交通流控制策略，对外场设备进行控制；不但在结构上更为合理，投资上更为节省，在技术上也是可行的。相应的高速公路监控系统可采用如图2所示的监控模式。 -
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图2 全路集中监控模式简图
- 根据高速公路隧道群的不同分布情况，监控中心的选址可以由不同的考虑。如果隧道群需要建立集中管理所；此时可将该管理所同时作为整个路段的监控中心。反之，如果隧道群不需要建立集中管理所；此时可以根据具体情况选择监控中心的地理位置。从安全性的角度考虑，由于隧道在整个公路中的关键地位，其基本交通安全必须得到保证，因此其对事件反应的快速性有很高的要求，相比之下，路段监控系统的主要作用是提高交通流的通畅度和驾驶的舒适度，对事件反应的快速性要求相对不高，因此，在有可能的情况下，监控中心应尽量靠近隧道群中的主要隧道设置。
在这种监控模式下，由监控中心的路段通信计算机负责与路段外场设备通信并采集数据；对于位于监控中心附近的隧道，由监控中心的隧道通信计算机负责与各外场设备通信并采集数据；对于其他隧道，则由就近隧道监控站的现场控制计算机负责与各外场设备通信并采集数据。各主要子系统的结构如下：
1）交通监控和诱导子系统
隧道车辆检测数据由PLC收集后，进入监控中心或就近隧道监控站，由通信计算机或现场控制计算机采集，通过以太网进入监控中心数据库；路段车辆检测数据或直接传送到监控中心，或首先传送到就近通信站，然后通过全路通信系统传送到监控中心，由监控中心配置的通信工作站采集，通过以太网进入监控中心数据库。
公路交通诱导设备包括可变限速标志和可变情报板。如距离很近，监控中心的路段交通诱导指令可直接传送给可变信息标志，否则可通过全路通信系统传送到可变信息设备的就近通信站，然后传送给可变信息标志；如距离很近，监控中心的隧道交通诱导指令可直接传送给可变信息标志，否则可通过以太网传送到可变信息设备的就近隧道监控站，然后传送给可变信息标志。
2）隧道通风照明子系统
通风照明子系统是隧道的专有系统。通风和照明控制所需的检测数据由PLC收集后，进入监控中心或就近隧道监控站，由隧道通信计算机或现场控制计算机采集，通过以太网进入监控中心数据库。
3）闭路电视子系统
从高速公路监控的实际需求来看，虽然监控中心统一负责路段和隧道的监控，但路段地图板和各长大隧道的地图板仍应分设。相应的图像切换控制器可以考虑分设，地图板工作站则可考虑合设。
对于带有云台的摄像机所需的控制信号，如距离很近，可由监控中心直接下传，否则可通过全路通信系统传送到摄像机的就近通信站，然后传送给摄像机。
4）火灾报警子系统
火灾报警是隧道的专有系统。
由于火灾报警系统通常是成套系统，因此火灾报警信号是由火灾报警控制器直接采集的。为避免通信系统故障影响火灾报警系统的工作，火灾报警控制器宜设置在隧道现场。如果火灾报警控制器具有以太网接口，则可以直接接入监控局域网。否则可以通过串行通信接口与现场控制计算机进行通信，由后者将报警信号传送到监控中心。
5）紧急电话子系统
隧道和路段共用一个紧急电话系统。紧急电话控制台在监控中心安装。报警信号通过紧急电话计算机和以太网进入监控中心数据库。
6）隧道有线广播子系统
隧道有线广播系统选用具有分音区播音功能的产品。有线广播控制台及系统控制器安装在监控中心，前端播音设备（包括放大器和喇叭）在各隧道现场设置。对距离较远，不能直接敷设音频线缆进行播音的隧道，可以通过沿线通信系统将广播音频信号传输到隧道监控站，再通过功率放大器放大后驱动喇叭进行播音。
7）监控中心计算机系统
在传统监控模式下，路段监控系统常采用单服务器结构，隧道监控系统则采用双机冗余结构。本文提出的监控模式要求监控中心计算机系统采用双机冗余结构。
6. 小结
本文首先详细分析了传统隧道监控模式在管理和投资上的不足；针对造成这些不足的原因，结合高速公路监控相关技术的最新发展，提出了一种隧道群控模式，并给出了相应的的系统结构；在此基础上，分析了路段和隧道监控系统的目标共同性，指出了路段和隧道监控系统合并的优点和实现的可行性，并给出了具体的系统结构和各监控子系统的具体实现。 -
参考文献 - 1. 国家质量技术监督局发布. 高速公路隧道监控系统模式标准（送审稿）2001:2~4：
2. 日本道路公团著，日本高等级公路设计规范、日本道路公团试验方法编译组译. 日本高等级公路设计规范，第三册。1990.6：223~235
3. 中华人民共和国交通部. 公路隧道通风照明设计规范（JTJ 026.1-1999）：北京：人民交通出版社，2000 -
（蒋贵川 易术）
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