PLC下的公路隧道通風與照明系統(tǒng)設計

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摘要：近幾年來，我國基礎設施的建設規(guī)模不斷增大，以公路為主的交通基礎設施也有了很大發(fā)展，由于我國山地丘陵地區(qū)眾多，因此在公路建設中的隧道路段建設水平和環(huán)境系統(tǒng)監(jiān)控水平也有了很大進步。目前，我國隧道主體建設在全球范圍內處于較高水平，但是隧道內通風、供電、消防等監(jiān)控系統(tǒng)的設計與管控相對發(fā)達，國家還有較大的提升空間。為了充分發(fā)揮系統(tǒng)調度、優(yōu)化和協(xié)調功能，減少運營成本，以張家界峪園隧道為例，分析了隧道環(huán)境監(jiān)測的控制核心、隧道檢測器、照度監(jiān)測儀、隧道風速風向檢測器等監(jiān)測系統(tǒng)，為了保證隧道行車安全，準確地安裝監(jiān)測系統(tǒng)十分關鍵，對隧道照明監(jiān)控等系統(tǒng)的檢測方式提出了一些意見和看法，以供參考。

關鍵詞：隧道；通風；照明；系統(tǒng)設計

引言

隨著我國對公路基礎設施建設的投入增加，交通基礎設施有了質的飛躍，在通往山區(qū)丘陵地區(qū)的高速公路中，出現了許多公路隧道。我國國土有近7成屬于山地丘陵地區(qū)，高速公路的建設不可避免地將面臨眾多隧道路段的建設。大隧道、隧道群和橋隧聯(lián)合的路段建設，也對我國隧道主體建設水平和環(huán)境系統(tǒng)監(jiān)控水平提出了嚴峻的考驗[1]。由于高速公路隧道交通的特殊性，隧道安全問題包括照明、通風、消防等監(jiān)控系統(tǒng)的指標性能也逐漸受到重視。當前，許多長隧道都按照要求配置了隧道機電監(jiān)控系統(tǒng)，用以保障隧道內的行車安全。但是大多數隧道機電監(jiān)控軟硬件由于技術不成熟或者年代久遠，無法充分發(fā)揮作用，同時需要大量的人力和電力來運轉，使相關管理部門壓力較大。隧道內的通風系統(tǒng)和照明系統(tǒng)不能充分滿足行車安全的需求，這造成了很大的安全隱患[2]。因此，隧道內監(jiān)控系統(tǒng)的有效性、節(jié)能環(huán)保性、經濟性和穩(wěn)定性運營成了當前交管部門及其他多方管理者關注的重要議題，也是當前隧道監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的方向。采用現代化的技術，通過穩(wěn)定性強、具有可擴展性的隧道環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，來實現通風消防、供電照明，有效地降低事故發(fā)生率，確保隧道內行車安全。

1監(jiān)測系統(tǒng)功能分析

監(jiān)測系統(tǒng)總體上要具備如下5條功能性要求：1）保障隧道內行車安全，發(fā)揮交通效率。2）系統(tǒng)可靠性，局部設備的故障不會造成系統(tǒng)全面癱瘓，采取必要的措施。3）通過搜集交通、環(huán)境等信息，對交通流進行可行誘導和控制。4）具備投資低廉，運營及維護成本較小，性能比高的經濟性優(yōu)勢，減輕多方的經濟負擔。5）系統(tǒng)操作便捷，且未來具備可擴展性，便于日后的功能升級。通過對監(jiān)控系統(tǒng)整體的作用進行分析，進一步了解隧道內的通風與照明系統(tǒng)應該滿足的具體功能。

1.1隧道自動控制系統(tǒng)組成

對于高速公路中的隧道系統(tǒng)，由于受隧道特殊的通車環(huán)境影響，大部分需要構建隧道監(jiān)測系統(tǒng)，以確保隧道內通車的安全暢順[3]。該系統(tǒng)主要包括控制上位機等構件，如圖1所示。系統(tǒng)核心部分都在上位機，隧道管理人員通過該設備能夠有效監(jiān)測到隧道內車輛運行狀況。由上位機發(fā)出信號，對其他設備進行管控，主要包括監(jiān)測設備以及照明通風等設備。

1.1.1操作功能能夠接收隧道各子系統(tǒng)采集的數據，對其進行分析、處理、顯示、查詢等。對隧道現場的各類設備下達指令，進行各類設備的有效控制。將現場數據進行集成，并連入數據庫和外網，方便管理者查詢，實時查看隧道內的詳細信息。不同授權的管理者可以通過網絡對隧道現場設備下達控制指令。具備故障預警機制，檢測子系統(tǒng)和設備的正常運行。

1.1.2信息綜合顯示功能能夠在監(jiān)控室內顯示隧道內行車狀況的重要信息，包括檢測設備采集的檢測數值；照明設備和風機設備的運行狀態(tài)顯示；主要機電設備故障的顯示；隧道內行車情況顯示，如車流量、平均行車速度等；車道控制標志、可變限速標志、交通信號燈、狀態(tài)顯示等綜合信息的顯示。

1.1.3各子系統(tǒng)集成的功能監(jiān)測系統(tǒng)通過綜合布線系統(tǒng)、網絡技術，將硬件設備和軟件系統(tǒng)功能等集成到統(tǒng)一的系統(tǒng)之中，使監(jiān)測系統(tǒng)的信息能夠在各個子系統(tǒng)中充分傳輸和共享共用，通過數據的傳輸、處理，來實現對隧道行車現狀的高效實時監(jiān)控和管理。

1.1.4隧道監(jiān)測系統(tǒng)的管理對監(jiān)測系統(tǒng)能夠進行管理，包括能夠記錄主要設備的運行情況，運行信息的傳輸、處理和存儲的安全性，根據需要對歷史數據進行有效查詢，制作和輸出相關圖表和報表等。

1.2隧道監(jiān)測系統(tǒng)功能分析

隧道是半封閉環(huán)境，根據《高速公路隧道監(jiān)測系統(tǒng)模式》的標準，對峪園隧道監(jiān)測系統(tǒng)設計為3個子系統(tǒng)，中心監(jiān)控子系統(tǒng)、通風控制子系統(tǒng)和照明控制子系統(tǒng)。各個子系統(tǒng)的功能設計如圖2所示。隧道內車輛能夠安全順暢的運行，主要由幾方面的環(huán)境因素決定，因此，為了隧道內行車安全和確保正常運轉，重點對以上數據進行監(jiān)測。

1.2.1照明監(jiān)測隧道內的自然光線不足，因此需要照明系統(tǒng)為駕駛員提供足夠明亮的視野環(huán)境，為了確保照明系統(tǒng)正常運行，需要通過照明數據監(jiān)測，來保證設備在穩(wěn)定工作。公路隧道照明可以改善隧道內路面狀況，改善隧道內視覺效果，同時能夠減輕駕駛員疲勞，有利于提高隧道通行能力，保證交通順暢。隧道照明是從入口階段逐漸過渡過去，容易造成一定的視覺差距，存在事故隱患。為了保證公路隧道的正常行駛，盡量避免交通事故，通過照明數據監(jiān)測來保證隧道內的照明設備均衡充足，以確保隧道行車安全。

1.2.2有毒氣體監(jiān)測公路隧道內的有毒氣體主要包括甲烷（CH4，瓦斯）和一些揮發(fā)性有機化合物（VOC），這些氣體燃燒一旦發(fā)生爆炸，將會帶來極大的危害。隧道兩邊的隧道口相對較小，和隧道整條空間相比，隧道進出口直徑偏小，一些有害氣體不能有效的排除，會對駕駛員帶來危險從而危害身心健康。如果隧道內有害氣體過濃，容易造成安全事故，會嚴重影響駕駛員的人身安全。然而，隧道內如果想及時排放有毒氣體，需要在隧道內安裝實時檢測有害氣體監(jiān)控系統(tǒng)，才能夠確保隧道內的行車安全[4]。

1.2.3風速監(jiān)測隧道內的環(huán)境比較特殊，屬于狹長的氛圍，尤其是隧道兩邊的入口，由于風速過大，是影響車輛行駛安全的重要因素。為了確定隧道內的平均風速需要合理布置風速監(jiān)測點，減少隧道內行車安全隱患。

1.2.4能見度監(jiān)測隧道是交通事故多發(fā)的地段，由于特殊的地理環(huán)境，隧道內彎道多、彎道急。燈光條件有限，極大影響行車安全。因此需要提高隧道內能見度，為乘客提供安全、平穩(wěn)、健康的出行服務。高能見度確保駕駛車輛與前后車輛保持良好的安全距離，并有足夠的時間應對意外。隧道本身受到暗光、半環(huán)境空間等原因的影響，使隧道內的能見度具有局限性。因此要安裝隧道能見度監(jiān)測系統(tǒng)，隨時監(jiān)測隧道內的光線質量，保障車輛順利通行。

2基于plc隧道監(jiān)測系統(tǒng)設計

峪園隧道監(jiān)測系統(tǒng)由多個監(jiān)控子系統(tǒng)構成，各子系統(tǒng)需要通過協(xié)調配合，來實現對整個隧道內行車狀況的聯(lián)動控制。因此，需要實現各子系統(tǒng)的功能集成。即通過結構化的綜合布線系統(tǒng)，將設備、信息和功能等集成，使資源充分共享，體系系統(tǒng)功能高效集中[5]。這樣能夠建立整體體系，提高系統(tǒng)質量和效率，降低運營成本。同時，通過自動化系統(tǒng)工作模型，減少人為操作和主觀因素空間，提升工作效率，整合子系統(tǒng)的功能，充分利用軟硬件資源，有利于系統(tǒng)功能的擴充，提高了運營管理集成度，減少重復投資，最終使中心監(jiān)測系統(tǒng)與維護管理系統(tǒng)融為一體，發(fā)揮作用。根據國家標準要求，以隧道運營安全為出發(fā)點，結合峪園隧道具體情況，對該隧道監(jiān)測系統(tǒng)的設計遵循“安全、經濟、適用”的設計原則[6]。根據峪園隧道的長度、交通量來設置系統(tǒng)監(jiān)控等級，并以系統(tǒng)監(jiān)控等級為基礎，來安裝系統(tǒng)硬件設施，進行控制系統(tǒng)的設計。

2.1項目概況

峪園公路由湖南省路橋公司和張家界國家森林公園管理處投資建設，采用國家山嶺重丘二級公路標準來建設，耗資1.35億元，其中的張家界峪園隧道是通往張家界國家森林公園的重要通道，全長2714m，雙向2車道，隧道高9m，寬11m，設計時速為40km/h。

2.2系統(tǒng)信息采集設備

按照監(jiān)測要求如下。

2.2.1隧道COVI檢測器TC4-AQM檢測器能夠檢測隧道內的能見度以及CO濃度，再上傳給系統(tǒng)核心，根據上位機發(fā)出的信號進行通風等相關指令操作。檢測器上的接口能夠與其他設備銜接，對收集到的相關數據進行分析重組。

2.2.2隧道風速風向檢測器隧道壁右側安有風速檢測器，和其他設備配合使用共同監(jiān)測隧道內的風速風向，并獲得相關數據，同時接口通過數據線可以直接與筆記本電腦連接，對相關數據進行核查篩選。探頭內裝有單元集成，輸出的信號量再上傳至上位機。

2.2.3照度監(jiān)測儀光照強度監(jiān)測儀能夠有效監(jiān)測隧道內的能見度，安裝在隧道口內外，根據隧道的具體環(huán)境以及隧道長度安裝一定數量的檢測儀器，能夠有效地監(jiān)測隧道內的照明度。

2.3系統(tǒng)組態(tài)

2.3.1程序控制策略設計按照高速公路的有關文件規(guī)定，結合峪園隧道的自身實際狀況，提出“安全、可靠、經濟”的程序控制設計目標。首先根據峪園隧道的交通量來確定程序監(jiān)控的等級，提前布置好硬件設施；然后構建滿足程序控制目標的子系統(tǒng)，實現程序監(jiān)控的各項功能；最后是利用組態(tài)軟件開發(fā)出良好的控制預案和控制界面[7]。系統(tǒng)功能主要是實時采集隧道路段上的環(huán)境信息和交通信息，及時地將信息上傳給隧道系統(tǒng)核心，通過隧道管理人員對相關數據進行分析整理后對隧道交通狀況做出正確指示，下達可行的控制指令，保證隧道內交通穩(wěn)定運行，同時確保運行管理成本可控。程序控制策略包括以下3種子系統(tǒng)的設計。2.3.1.1通風控制程序隧道在機電施工時就已經布置好射流風機，作為隧道的通風動力設施，對隧道內的CO等有毒氣體進行排除。CIVI檢測器作為風向檢測儀，也要接入PLC及峪園隧道管理站的現場控制器（PLC），對CO濃度和煙霧濃度進行實時采集及傳輸，由PLC通過控制程序，對采集數據做出判斷，控制射流風機的運轉，實現對風機運行的控制預案。2.3.1.2照明控制程序峪園隧道在主體建設過程中就已經布置了照明燈具，根據隧道長度分為5段照明。通過光亮檢測儀檢測隧道內外照明亮度，照明分級以及交通量等情況，將檢測到的參數接入PLC，實現實時通信上位機，給PLC下達控制指令，對照明燈具開關進行控制。實現隧道內照明控制的智能化，保證隧道內的駕駛員在任何分段都能夠適應環(huán)境，在最佳光照環(huán)境下通行。2.3.1.3交通控制程序峪園隧道通行采用雙向雙車道，需要在隧道兩段的出入口設置交通信號燈、可變情報板和可變限速標志；在隧道內部設置環(huán)形線圈車輛檢測器，連入隧道PLC，采集交通信息并傳遞給PLC，根據PLC的控制程序發(fā)送控制指令，實現實時控制的閉環(huán)控制程序。

2.3.2PLC選型目前，公路隧道的現場控制器都采用PLC來搜集現場設備采集的所用信息，進行預處理并傳輸給中心計算機，并接收控制指令來控制執(zhí)行設備。峪園隧道選用S7-300系列模塊化PLC，該硬件兼容性強，能夠實現對車輛檢測器、COVI檢測器、亮度檢測器等環(huán)境檢測設備的控制、控制功能要求設計需要。

3結論

交通是國家基礎建設重要的設施，在國民經濟發(fā)展中占有十分重要的地位。在高速公路網建設中，隧道的出現有效解決了擁堵問題。用以幫助和緩解由于密度大而造成的建筑結構復雜的問題，對交通建設起著關鍵的作用，能夠有效提高運輸效率，縮短交通距離[8]。同時隧道環(huán)境監(jiān)測受到普遍關注，對于隧道內的照明以及氣體排放、能見度等關鍵因素，必須采取有力措施，確保隧道內車輛安全運行。以峪園公路峪園隧道為例，選用以三菱作為上位，按照高質量的結隧道檢測器、照度監(jiān)測儀，風速風向檢測器，組成隧道通風機照明的系統(tǒng)設計與控制，滿足了系統(tǒng)設計的安全性、可控性、穩(wěn)定性和經濟性要求，達到隧道內行車安全和運營節(jié)能的目的。

參考文獻

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作者：孫健 單位：江海職業(yè)技術學院