- 摘 要：本文论述了公路隧道智能控制的国内外现状，结合我国公路隧道运营情况调查资料，分析了存在的主要问题，从管理与业主的角度提出控制系统的需求、应解决的关键技术及当前初步实现隧道智能控制的途径。
关键词：公路隧道 关键技术 智能控制
1. 公路隧道控制系统的现状
目前世界上各国都在发展ITS，与公路隧道相关的领域主要包括前馈式通风控制技术与先进的交通管理技术。前者以模糊控制为主，如日本，后者范围很广，用于公路隧道主要有交通异常自动检测技术，如美国从1968年就开始进行异常检测的研究，到现在已进行了30多年的研究与实践，形成了单截面法、双截面法（按检测界面分类）、宏观法、微观法（按输入数据类型分类）、平滑法、加洲法、HIOCC法、卡而曼滤波法、互相关法、灾变法（按数据处理方式分类）等多种方法，2000年美国联邦公路局出版了MUTCD2000（Manual on Uniform Traffic Control Devices）专门论述交通控制设施的标准，但由于ITS涉及的面很广泛，并未形成较完善和成熟的系统。
在国内，我国已建成的隧道超过1069座，单洞延长超过340km，建成的3000m以上隧道13座，另外还有5座3000m以上的, 车道公路隧道，随着国家加大公路建设的步伐与力度，特别是西部大开发，山区高等级公路在公路建设中的比重越来越大，国家主干线上正在建设和"十·五"将要建设的特长隧道不少于30座。上海延安东路隧道与深圳梧桐山隧道在我国较早实现了隧道监控。此后，成渝高速公路的中梁山隧道、缙云山隧道等高等级公路的隧道，通过引进国外设备与自主开发相结合实现了隧道监控。目前，国内的隧道管理系统不但硬件大多依靠进口，而且软件也依靠进口，软件既贵，基本上相当于硬件价，又不适合国情，例如，通风控制仅考虑了CO的浓度，而没有考虑交通状态，更谈不上考虑设备的运转平衡、自动控制与节能问题。实际上，隧道越长，使用者有害气体的吸收越多，应该综合考虑环境、交通、节能、控制、设备使用寿命等多方面的问题。控制在网络结构上温州景山隧道最早采用全分布式现场总线技术，而现在还有很多隧道采用集散式控制，其不但可靠性差，效率低，而且管线长，投资高，易遭雷击引起系统故障。
2. 公路隧道智能控制的需求
作者对我国11座典型公路隧道的运营情况进行了调查，从调查情况来看，我国公路隧道
监控主要存在以下问题：
设计问题：设计主要存在这几个问题。第一，系统功能问题。设计单位由于当前公路大上，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，再说，即使功能过度重叠、投资规模大对设计单位也有好处；第二，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，采用功能设计的方法，使性能价格比最优，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；第三，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，又麻烦，设计费又不增加，而业主优势慎之又慎的态度，极不利于技术进步。第四，系统结构问题。大多数隧道采用的是星形结构，每个隧道本地控制器之间无法直接进行数据交换，由本地控制器对交通参数、环境参数。外场设施状况进行采集并上传至隧道监控室，再上传至中控室，必须通过中控室的计算机进行数据交换，接收中控室的控制命令，对本地设施进行控制，影响传输速率。
设备选型问题：在初步设计、技术设计、招标文件编制中一般都不涉及设备选型，施工图设计须指定设备。虽然现有的工程基本上都要搞招标，不必指定设备，但要给出性能等指标。由于缺乏公路隧道机电设备技术要求规范，对设备的功能与技术指标的要求形成五花八门的局面，设计单位只能依赖于厂家的产品说明书与检测报告，而其充其量只能说明单项设备的性能，而不能说明在系统中的功效，更不说很多产品对隧道应用环境条件的适应性。例如，灯具问题，单盏灯可能是合格的，但安装在隧道里则不一定年能达到规范中纵向、横向均匀度的要求，最好的办法是关键设备施工前就在实体隧道做试验测试，测试合格再使用。此外，在新设备应用方面，即使是好的产品，大多数业主都有看一看的想法，看在其它隧道的应用情况。这一想法不错，但总得有人先吃螃蟹，应该是只要产品合格，在实体隧道测试通过，就可选用，否则，会影响我国公路隧道的机电水平的提高。
系统网络结构问题：在控制模式上，当前有两种控制模式，一种是适用于短隧道的集散式控制模式，一种是适用于长隧道的分布式现场总线控制模式。前者布线复杂，造价较高，由中控室对现场设施进行控制与管理，后者施工方便，不但造价较低，而且可靠性较高，其又可分为全分布式现场总线控制和集中式现场总线控制。全分布式现场总线控制模式，中控室对现场设施不直接进行控制，由现场各种设施的控制器进行控制。目前，现场总线有40多种，每种现场总线都有其优势与不足，在现场总线选择中，对于公路监控而言，由于信息量不大，因此，传输速率和实时性要求不成为总线选择的控制因素，而最关键的是设备能适应的应用环境，系统设备局部故障不影响整个系统的运营，以提高系统的可靠性。
由上述分析可见，智能控制当前主要应解决以下问题：
可靠性：系统局部设施故障不影响其它设施功能发挥，关键设施有必要的冗余措施。
稳定性：系统可长期（在设计周期内）稳定运行。
可控性：系统收集的交通、环境、语言、视频等信息能得到充分利用，据之合理诱导交通流，并进行有效控制。
先进性：系统的网络结构形式、通讯方式、控制模式应能反映当代技术的发展。
经济性：系统投资少、性能价格比高，同类设备运转平衡，控制方案，除能保证正常运营外，还必须节能，运营费用省。
容错性：系统软件具有良好的容错能力。
便捷性：系统操作、维护方便。
可扩展性：设备更新与增加、功能改善与变化，都能最大限度地应用原有系统。
在设计和管理方面还应解决以下问题：
（1）系统规模问题
监控系统是保证交通正常运营的必要条件，系统规模决定工程投资和运营管理费用。环境在变化、采用的设施在更新、应用的技术在进步、使用者随着技术的进步对系统的功能要求在不断深化以及运营管理中对突发事件的处理，要求科学地确定系统规模，通过科研解决系统的配置原则、设计方法，避免为了实现新功能、增加新设备、与路段有机结合形成整体等，要把原有系统推倒从来。
（2）系统集成方法问题
隧道监控设施涉及很多管线，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，是监控系统发挥作用的关键，研究要解决系统的集成方式、系统网络的构成与拓扑结构形式，是否有必要设置专门的管线通道，如何保证系统的可靠性、稳定性、先进性与经济性的有机结合。
（3）系统控制问题
隧道灾害不可避免，防治结合，以防为主，才能提高安全性。高速车、超重车、危险品装载车都是灾害隐患，在控制理念上改事后处理为预测控制，要突出"以人为本"的思想，在控制方式上实现本地控制、远程手动控制、远程自动控制等多种控制方式，对系统设备实现三遥，既能满足交通管理的需要，又能降低管理成本，减少工作强度，使系统营运管理的高效性与方便性融为一体。
3. 公路隧道智能控制的关键技术
公路隧道智能控制的关键技术，主要包括公路隧道的通风控制问题，在火灾情况下如何进行通风控制，无异常交通时如何进行通风控制，使既能为道路使用者提供满足卫生标准要求的环境条件，又能达到节约能源的目的，同时考虑设备的运转平衡；公路隧道的交通控制问题，如何预防影响正常运营的异常交通时间的发生，如何自动检测异常交通时间，如何进行疏导、诱导与控制；公路隧道的通讯网络问题，防止网络阻塞或瘫痪，保证通讯质量与通讯速率，提高整个系统的可靠性，系统不会因为个别控制设备发生故障而影响整个系统的正常运营；公路隧道的综合控制问题，发生交通异常时尽快作出反映，调度相应的部门、人员进行处理并恢复正常交通，最后，将这些适合国情的研究成果，综合成一套完整的监控软件，发展民族工业与促进交通管理的进步。为此，应在以下几个方面进行研究：
（1）公路隧道交通流特性研究
这一问题是隧道智能控制的基础，因此，首先必须研究各种交通流模式时的交通状态及其特性，其影响因素主要包括交通量、隧道长度、车流的车速与道路线形特征。隧道交通流可分为正常交通流与异常交通流两种状态。交通管理的目标主要在于通过处理异常交通及防止异常交通发生提高公路运输效率。隧道交通异常现象主要包括三个①由于停车引起隧道通行能力不足，形成车辆排队，降低运输效率；②慢行车辆引起交通拥挤；③火灾引起交通中断。应通过探讨交通量、隧道长度、车速对交通流模式的影响，分析发生交通异常时各交通流模式的特性，在此基础上，研究针对交通监控及通风照明控制，隧道的分类方法，隧道类别与交通量、车速、车道数的关系，设置隧道监控系统的条件及各类隧道监控设施的合理配置方法与原则，从而达到既节约投资、又能满足实际需要，系统达到最优的目的。
（2）交通异常自动检测算法研究
国内现有的隧道监控系统在交通控制方面，不能有效地利用交通信息，虽然收集了交通量、车速、占有率等资料，但是，无法作到据之自动判别交通状态，从而进行控制。鉴此，应研究隧道交通异常自动检测技术及交通流的诱导与控制方法以及正常交通时如何有效地组织交通流，防止阻塞。在进行上面异常时各交通流模式特性研究的基础上，研究交通异常的分类方法，研究交通量、车速、占有率对交通异常的敏感性，选择对交通异常最敏感的指标作为交通异常自动检测参数，建立交通异常自动检测算法，判别是否有阻塞以及发生阻塞的原因，判断是否发生异常交通，发生异常交通后，其所在的位置与异常的严重程度，从而逐步走向智能交通控制。
（3）隧道通风智能控制系统研究
目前，通风控制仅考虑了CO的浓度，实际上，隧道越长，车速越低，使用者有害气体的吸收量越多，所以，CO的浓度、交通状态、隧道长度这三者是影响通风控制的主要因素。在此，探索CO的浓度、交通状态、隧道长度这三者之间的关系，建立综合考虑环境、交通、节能、控制、设备使用寿命等多方面问题的通风控制模式。
（4）公路隧道交通仿真研究与软件开发
目前隧道交通控制主要采用预案式，不能根据交通量的实际情况进行实时控制，更不能根据变化趋势进行预控，因此，有必要开展交通仿真研究与软件开发，以期达到预控的目的。
4. 公路隧道智能控制的发展
公路隧道智能控制的发展，当前应着重解决公路隧道信息不能有效利用的问题，及控制模式与控制软件，使软件应用国产化并初步走向智能化。公路隧道监控主要是为了进行控制，防患于未然，其关键是解决控制网络模式与提高控制软件智能化水平。应用网络技术是控制发展的必然趋势。能够适应未来发展需要的自动控制网络技术应具有开放性、互操作性、通信介质不受限制、操作系统结构全面、拓扑多样化、通信协议具有可移植性等特点。控制是实现公路隧道管理目标的根本手段。从系统结构考虑，在日本系统结构采用自律分布控制系统，法国采?quot;透明工厂"，国内公路监控系统在管理体制上主要是三级管理，即管理中心、管理分中心和管理所。系统控制应从集散式控制系统逐步发展为现场控制，从多级控制发展为二级控制，采用互联网技术进行现场控制，通过互联网进行数据交换、信息共享与区域协调控制，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；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，发展无线通讯与控制产品，实现遥测、遥讯、遥控，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，设备有故障，可以实时传到手机之类的便携式设备上并进行远程控制；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；通风控制系统应实现前馈式智能控制，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，根据交通模拟结果确定控制方案，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及堵塞与火灾时的疏散时间。在可靠性方面，监控计算机及任一控制点的失效不会影响正常智能节点对现场设施实施控制，具有较高的系统容错能力。-
（韩 直）
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