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廈門東通道智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計———廈門東通道智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

1  概述 
    1.1  工程概況 
    廈門東通道跨海主體工程長約6km,隧道最大埋深在海平面以下約70m,總投資32.8億元,是第一條由國內(nèi)專家自行設(shè)計施工的海底隧道。通道設(shè)雙向六車道,計算行車速度80km/h。該通道作為廈門市規(guī)劃的第三條進(jìn)出島通道,上承國道、省道,下接城市區(qū)域路網(wǎng),連接城市各個主要節(jié)點(diǎn)。
    1.2  工程特點(diǎn)
    針對海底隧道和廈門地區(qū)交通特點(diǎn),東通道監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計工程特點(diǎn)如下:
    a.東通道是目前國內(nèi)最長的海底隧道,交通量大、容易發(fā)生交通事故,事故危害大,應(yīng)采用智能交通控制技術(shù)進(jìn)行交通狀態(tài)與交通異常自動檢測,提高交通異常感知能力;
    b,交通組成有大量貨車,易發(fā)生超載現(xiàn)象,應(yīng)采取預(yù)防措施,限重限高,對載運(yùn)危險品的車輛專門組織通行,減少事故危害和事故發(fā)生的可能性;
    c.服務(wù)水平低,2020年該道路即趨于飽和,排隊不可避免,應(yīng)采取有效的人口管制措施,避免和減少隧道內(nèi)發(fā)生交通堵塞;
    d.車流密度高,在出現(xiàn)交通異常后,易發(fā)生二次或多次事故,應(yīng)采取有效措施提高發(fā)生事故后進(jìn)行交通疏導(dǎo)、組織、人員逃生與救援的可靠性,預(yù)防二次事故發(fā)生;
    e.現(xiàn)代電子、通訊、控制等技術(shù)發(fā)展很快,而設(shè)計與施工安裝間隔較長,設(shè)計既要有前瞻性,又要考慮可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、可擴(kuò)展性及操作使用的方便性,使整個系統(tǒng)既方便又實(shí)用;
    f.廈門市為我國經(jīng)濟(jì)特區(qū)、改革開放的前沿陣地,國際交往頻繁,因此要求交通誘導(dǎo)設(shè)施必須完善清晰明了;
    s.東通道工程與海岸相鄰,整個工程區(qū)域處于鹽霧腐蝕區(qū),腐蝕性物質(zhì)主要為懸浮在空氣中的氣溶液狀Na2O粒子——鹽霧。
    h.海底隧道除對隧道結(jié)構(gòu)要求較高外,對隧道安全監(jiān)控系統(tǒng)也提出比山嶺隧道更高的要求,以最大限度地減少隧道事故率,在隧道發(fā)生火災(zāi)等異常情況時,又能有效地將危害控制在最小程度。
 
    2  系統(tǒng)概況  
    隨著計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和Intemet技術(shù)的發(fā)展,引發(fā)了控制領(lǐng)域深刻的技術(shù)變革??刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)向智能化、分散化、網(wǎng)絡(luò)化、開放性方向發(fā)展,將是控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的主要潮流。
    從20世紀(jì)60年代開始,歐洲、美國、日本等西方發(fā)達(dá)國家先后開始研究先進(jìn)的隧道控制系統(tǒng),并開發(fā)了相應(yīng)的管理控制系統(tǒng),取得良好的應(yīng)用效果。公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)在我國起步較晚,90年代初期,國內(nèi)在中短隧道中大都采用DCS(集散式)控制系統(tǒng),90年代中后期多采用Profibus、Modbus、Controlnet、LonWorks等專有通信協(xié)議的現(xiàn)場總線系統(tǒng)。集散式控制系統(tǒng),接線復(fù)雜,建設(shè)成本高,維護(hù)困難,目前已逐步被淘汰?,F(xiàn)場總線由于各廠家使用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議互不兼容,系統(tǒng)擴(kuò)展困難,大大增加了企業(yè)管理、維護(hù)成本。目前,工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)從信息層向控制層和設(shè)備層的延伸,真正實(shí)現(xiàn)了隧道控制網(wǎng)絡(luò)的開放性和兼容性,從而以工業(yè)以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的高速信息共享分布式控制網(wǎng)絡(luò)在公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用成為可能。
    廈門東通道監(jiān)控系統(tǒng)將對東通道區(qū)域的運(yùn)營狀況實(shí)施監(jiān)控、預(yù)防并及時感知和排除隧道內(nèi)的各種異常事故,以保證海底隧道的行車安全與暢通。系統(tǒng)主要是對交通參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、氣象參數(shù)、設(shè)備參數(shù)進(jìn)行檢測以及監(jiān)視交通狀況,通過對各種檢測信息的分析處理后,對隧道內(nèi)的交通、通風(fēng)、照明、消防等設(shè)施進(jìn)行集中或分布式監(jiān)控管理。
    為保證海底隧道監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性及先進(jìn)性,監(jiān)控系統(tǒng)將采用最新的工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)和高性能PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)通道監(jiān)控系統(tǒng)的綜合控制與管理。本系統(tǒng)設(shè)計采用施耐德PLC可編程控制器作為通道現(xiàn)場區(qū)域控制器,工業(yè)以太網(wǎng)完成控制信息級與通道控制中心的通訊,控制中心與外界的通訊通過DDN專網(wǎng)實(shí)現(xiàn);監(jiān)控系統(tǒng)包括交通信息采集、環(huán)境信息采集、氣象信息采集、超重超高車輛檢測、火災(zāi)檢測與報警、可變情報板、交通控制、照明控制、通風(fēng)控制、消防控制、橫通道門控制、閉路電視、緊急電話呼救、無線通信系統(tǒng)、中央管理與控制、供電系統(tǒng)、防雷及接地等17個子系統(tǒng);控制中心,采用大屏幕投影系統(tǒng)集中顯示各系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和各檢測參數(shù)信息。
 
    3  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
    3.1  系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)
    廈門東通道監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用三層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),在隧道控制層和設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)采用基于ModBus TCP/IP協(xié)議的開放工業(yè)以太網(wǎng),控制管理層網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng),構(gòu)成局域網(wǎng),實(shí)現(xiàn)隧道管理與控制一體化;通過路由器、防火墻與廣域Internet網(wǎng)絡(luò)連接,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程共享。通信介質(zhì)在管理層和控制層采用單、多模光纖,設(shè)備層采用雙絞線。系統(tǒng)中采用多層以太網(wǎng),不同網(wǎng)絡(luò)層次之間設(shè)置路由器或網(wǎng)橋,阻斷以太網(wǎng)上的廣播信息,確保系統(tǒng)安全可靠,防止外界對系統(tǒng)的侵?jǐn)_。東通道監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。


    a.管理層網(wǎng)絡(luò)
    以太網(wǎng)以其高可靠性、高可擴(kuò)展性、高兼容性、價格低廉、使用方便等特點(diǎn),成為當(dāng)前使用最為廣泛的局域網(wǎng),故本系統(tǒng)管理層網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)。為了適應(yīng)城市公共信息平臺的數(shù)據(jù)共享,系統(tǒng)主干交換網(wǎng)絡(luò)、交換機(jī)到服務(wù)器之間采用1000M網(wǎng)絡(luò)帶寬。
    b.現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)  
    現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)由控制層網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)組成??刂茖泳W(wǎng)絡(luò)基于100M ModBus TCP/IP交換式高速工業(yè)以太網(wǎng)自愈光纖環(huán)網(wǎng)構(gòu)建,設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)采用10M帶寬??刂凭W(wǎng)絡(luò)通過100M工業(yè)交換機(jī)與管理層網(wǎng)絡(luò)相連,控制網(wǎng)絡(luò)的核心是隧道區(qū)域控制機(jī),區(qū)域控制機(jī)中的控制PLC采用Premium系列控制器,控制網(wǎng)絡(luò)為工業(yè)以太網(wǎng)。通過自愈光纖環(huán)網(wǎng),將分散布置在隧道現(xiàn)場中的區(qū)域控制機(jī)用多模光纜將其相互連接。東通道的左右隧道分別由14臺區(qū)域控制機(jī)和Hirschmann工業(yè)交換機(jī)構(gòu)戒控制層高速工業(yè)以太網(wǎng)。現(xiàn)場設(shè)備采集的交通、環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)等信息通過區(qū)域控制機(jī)處理后通過光纖環(huán)網(wǎng)傳輸至中央控制服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)正常網(wǎng)絡(luò)通信情況下的分散采集、集中控制、記錄、報警等目的;在隧道現(xiàn)場到控制中心網(wǎng)絡(luò)中斷情況下,實(shí)現(xiàn)全分布的預(yù)控模式控制或PLC聯(lián)網(wǎng)控制。
    項(xiàng)目組在充分研究隧道控制技術(shù)和工程實(shí)踐后,本系統(tǒng)大膽采用了PLC聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù),即東通道現(xiàn)場區(qū)域控制器選用高性能的PIE控制器,各區(qū)域控制主機(jī)主要承擔(dān)其區(qū)域內(nèi)的各種設(shè)備控制及信息采集,同時各區(qū)域控制機(jī)通過隧道控制網(wǎng)絡(luò)相互通訊,實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)其他區(qū)域的交通狀況、交通信息的監(jiān)視、協(xié)調(diào)、自動控制。這種PLC聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù),將有效地解決在中央控制室上位機(jī)對現(xiàn)場的情況不能及時了解(網(wǎng)絡(luò)中斷等異常情況下)時,及時啟動區(qū)域控制機(jī)的主機(jī)控制功能,直接對整個交通監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行直接控制。而傳統(tǒng)隧道監(jiān)控系統(tǒng)中的PLC下位機(jī)系統(tǒng)只是一個采集和執(zhí)行設(shè)備,響應(yīng)上位機(jī)系統(tǒng)的操作指令或只對PLC本區(qū)域內(nèi)設(shè)備進(jìn)行操作;不能實(shí)現(xiàn)對整個隧道現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制。
    3.2  系統(tǒng)軟件
    東通道控制系統(tǒng)軟件采用管控一體化結(jié)構(gòu),整個軟件系統(tǒng)是一個架構(gòu)簡單、結(jié)構(gòu)清晰的三層架構(gòu),系統(tǒng)軟件通過瀏覽器/服務(wù)器模式(Browser/Server,簡稱B/S),實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)的信息采集和設(shè)備控制,信息發(fā)布,管理層的各種數(shù)據(jù)查詢等功能。
    a.服務(wù)器
    系統(tǒng)基本配置應(yīng)設(shè)三臺服務(wù)器:控制服務(wù)器,辦公管理服務(wù)器,數(shù)據(jù)服務(wù)器;服務(wù)器采用高可靠性的容錯服務(wù)器。
    各服務(wù)器安裝Windows 2000 server系統(tǒng)軟件,控制服務(wù)器中安裝隧道監(jiān)控系統(tǒng)軟件及WEB服務(wù)器軟件,辦公管理服務(wù)器安裝辦公管理軟件,數(shù)據(jù)服務(wù)器上安裝SQL server 2000或SYBASE等大型數(shù)據(jù)庫。
    b.客戶端 
    由于系統(tǒng)架構(gòu)于B/S結(jié)構(gòu),管理監(jiān)控中心的大廳監(jiān)控管理員、工程師站、站長管理辦公室、遠(yuǎn)程交通管理中心等的客戶端安裝WINDOWS 2000 Professional操作系統(tǒng)、Office 2000等辦公軟件,就可實(shí)現(xiàn)隧道的遠(yuǎn)程監(jiān)控和瀏覽管理。
    c.網(wǎng)絡(luò)協(xié)議
    軟件通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用TCP/IP。
    d.軟件開發(fā)
    系統(tǒng)軟件開發(fā)分為下位機(jī)PIE軟件開發(fā)和上位機(jī)組態(tài)管理軟件開發(fā)。東通道下位機(jī)選用Schneider公司的Premium系列控制器,并采用該公司的Concept 2.5下位機(jī)編程組態(tài)軟件進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。該軟件支持梯形圖、功能塊圖、結(jié)構(gòu)化文本語言等多編程語言進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī),即中央監(jiān)控系統(tǒng),可選用Fix、Intouch、WINCC等優(yōu)秀組態(tài)軟件,可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控組態(tài)、控制組態(tài)、操作組態(tài)、畫面組態(tài)等功能;實(shí)現(xiàn)任意圖形、趨勢曲線、報表等的生成;支持WebServer功能;動態(tài)畫面組態(tài)支持系統(tǒng)內(nèi)的各種數(shù)據(jù),包括實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、人工錄入等,可打印輸出。同時在系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置了動態(tài)實(shí)時數(shù)據(jù)庫、歷史記錄數(shù)據(jù)庫、監(jiān)控對象數(shù)據(jù)庫等多種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫;此外,可以采用VC6.0進(jìn)行相關(guān)輔助軟件開發(fā)。
    e.B/S結(jié)構(gòu)
    隨著Intemet/Intranet技術(shù)發(fā)展和普及,基于Web技術(shù)的B/S結(jié)構(gòu)管理信息<