隧道监控 | 某XX高速公路隧道监控应用软件的功能设计研究

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软件设计原则

软件应满足采集、运算、控制、显示、报警、存贮、打印的功能要求。

屏幕显示打印文字应符合中国国家GB2312形式。 应提供一套完整的程序和系统操纵指南手册，使用者执行操作指南，不用任何程序语言知识，便能方便灵活地操作系统，以保证隧道处于最佳运行状态。

软件采用结构化、模块化程序设计，并尽可能做到单一功能模块化。一个模块的修改不会引起其它模块的变动或较大的变动。维护方便，模块间界面信息简单，接口关系清楚，各相关模块既相对独立，又有机统一。

软件应具有开放性、可扩展性和可维护性。

软件应具备冗余和容错性。确保不会因一个小的错误或故障引起系统中断而需重新启动系统，破坏系统的实时性和连续性。

具有高可靠性。应有系统诊断程序，使其能对系统的硬件和软件进行检查，对系统锁死、通讯中断、掉电等严重故障给出报警；有抗干扰措施，保证系统完好运行。

具有安全性。应采用多种高度严密的安全措施，确保原始数据的安全。

要求采用直观清晰、形象化的图形、数据形式、友好的人机交互汉字界面，丰富的汉字提示信息，操作方便、灵活。

应能查看、浏览各种实时信息和存储的历史信息及报表；打印的各种报表清晰、规范。

软件的告警处理原则

软件系统应支持综合告警检测，以把不正常状况快速、准确的通知给操作人员，告警采用音频和视频方式。

支持四个告警优先权，即：紧急，高，低，初级。

软件应提供多种有效的告警确认方法。

告警将同时间在打印机上打印并写入事件数据库（包括告警类型、告警优先级、事件描述、及测量单位）；操作员认可后，消隐显示并将认可信息和操作员身份识别登录到事件数据中，以便将来在告警报告中检索或打印归档。

告警被确认前，此告警将被保持，直到被操作员认可。若出现多个告警时，接着发生的信息（如果它们具有更高的优先级）将重写显示器，如果下一个告警被显示，前面的告警信息将移到一个未确认告警清单中，以等待操作员的确认。

承包人应在方案设计文件中提交告警、事件、操作优先顺序表，报业主批准后编入系统软件。

软件控制方式

控制系统分为自动和手动二种方式。用户可十分方便、快捷地进行自动与手动方式的切换，运行中只有一种方式有效。

在自动方式下，根据计算程序进行计算和判断，自动执行相应的控制程序，控制有关设备的工作状态。

在手动方式下，操作员根据计算机推荐的控制方案及VI、CO值、交通量、亮度数据、水位等信息，利用菜单，通过控制台上的操作键盘，手动选择控制方案，控制设备工作状态（但计算机应检查手动控制方案是否满足设备间的联锁关系，若手动控制方案不符合交通设备间的联锁关系，则拒绝执行并给出汉字提示；反之，应执行该方案）。在控制运算中或设备发生状态改变时，在屏幕上应有相应的汉字提示信息，手动控制内容、时间、操作员识别等信息应记录到数据库中，以便检索或打印存档。

数据采集和响应时间指标

- 数据采集

交通数据、CO/VI数据、火灾报警、亮度检测数据、水位信息等。

各类终端设备工作状态。

各类终端设备和各系统的故障报警。

- 响应时间

报警：所有报警从发生至显示或开始打印在1秒之内。

事件：10%在5秒之内，其余在10秒之内。

命令：从发生至执行2秒之内。

模拟量：在10秒之内。

- 数据输出形式

屏幕输出：图形、数据形式。

打印输出：图形、数据形式。

软件平台功能设计

交通监控

隧道管理站服务器应周期收集交通检测系统采集的信息，周期<10秒，信息包括检测点的车流量，行车平均速度、占有率。

隧道管理站服务器应能计算各检测点之间区域的车流量、平均速度、占有率、交通状况（正常、拥挤、阻塞），拥挤、阻塞通报应≤3分钟。

隧道管理站服务器应能计算检测各种检测信息，及在控制台、大屏幕投影上实时动态显示整个隧道的车流量、平均速度、占有率、交通状态（正常、拥挤、阻塞）。拥挤、阻塞通报应≤3分钟。

以上数据应能以一定时间间隔存入数据库中，并能按日、周、月以图形、数据形式显示在显示器上或由打印机输出。

隧道管理站服务器应周期采集交通控制柜的信息，采集周期<10秒，交通控制柜信息包括交通信号灯，车道及横通道绕行控制标志，横通道门、立柱式信息标志等的工作状态。

应能实现隧道复示信号灯、入口信号灯、立柱式信息标志、车道指示标志、横通道绕行控制标志、横通道门的自动和手动控制（但必须满足联锁关系）。

分单向行车、双向行车两类及正常、拥挤、阻塞三种情况分别计算判断隧道内交通状况，根据判断结果，作出相应的交通控制反应。

交通非正常情况、主要设备故障信息，应以告警方式通知操作人员并应发出声报警，声报警应能手动切除。

应能存贮系统各主要设备故障信息，并能按日、周、月以图形、数据形式显示在显示器上或打印机输出。

环境检测

隧道管理站服务器应周期采集VI、CO、气象、亮度信息，采集周期<10秒，每隔一定时间将采集值存入数据库中，并能按日、周、月以图形、数据形式显示在显示器上或由打印机输出。

应能根据VI、CO值、交通数量，计算并确定即时通风控制方案，并能打印通风控制方案及操作方式报表。

判断VI、CO是否超标，将非正常的VI、CO值及当时时刻值写入打印机并记录至告警数据库中，以便每天、每月检索查看或打印存档。

当CO浓度值超过250ppm，VI透过率低于30%时，应自动关闭隧道入口信号灯，直到CO浓度值降至150ppm，VI透过率上升至50%时止。

CO、VI非正常情况应以告警方式通知操作人员并应发出声报警，声报警应能手动切除。

CO、VI值在控制台上和大屏幕投影上均应显示。 主要设备故障信息，应以告警方式通知操作人员并应发出声报警，声报警应能手动切除。

通风控制

隧道管理站服务器应能通过变电所和隧道现场RTU周期采集风机状态，故障报告信息，现场人工操作时间、内容；采集周期≤10秒。

隧道管理站服务器应能按照通风控制原则，计算通风方案并能按照通风方案，自动控制隧道内射流风机的运转。

应能按照“控制原则”，考虑通风效果的滞后影响，控制风机的启停。使隧道内CO浓度值、VI透过率控制在卫生标准设计值附近，并使通风动力能耗较省。

应按照隧道内CO、VI的分布规律，确定各检测点的CO、VI值的相互关系并在运营实测后加以修正，通风控制可用距风流出口处最近的CO、VI检测值作为主要计算参数，用经其余各检测点CO、VI检测值推算出的风流出口处的CO、VI推算值作为计算辅助参数。当风流出口处的CO、VI推算值明显大于其实测值时，应以其推算值为主要计算参数，当连续多次出现上述现象或相反现象时应以故障报警方式通知操作人员。

隧道管理站服务器应能区分火灾、交通阻塞、双向行车等不同工况，并能按照火灾、交通阻塞、双向行车、单向行车的优先顺序，按照不同的控制模式自动控制风机运转。

单向行车时，以测得的CO值为主参数（VI值为次要参数），用计算程序进行风机的调节控制。

双向行车时，在限制的交通量以内，根据测定的交通量分级自动控制，使CO、VI值控制在允许范围内。

隧道管理站服务器能够自动或由操作员通过控制台上的键盘手动控制风机状态，自动和手动控制方式通过变电所控制柜控制射流风机的运转。变电所风机控制柜实时将风机实际运转情况报告给隧道管理站服务器，隧道管理站服务器程序接收监控柜反馈回来的信息（设备工作状态）。如有风机故障，则按照预先定义启动另一台风机工作，以达到通风标准。

自动控制：隧道风机由隧道管理站服务器，根据通风控制原则，编制自动控制程序，自动选择控制方案，通知变电所风机控制柜及隧道现场风机控制柜控制风机运行状态。

手动控制方式：隧道风机由操作员根据计算机推荐的控制方案或CO、VI值和交通量，利用控制方案菜单，手动选择控制方案，确定需要投入运转的射流风机编号及其运行状态（正转、反转、停机）等，通知变电所风机控制柜控制风机运转。 应能记录并打印隧道内CO、VI变化曲线，记录并打印每天、每周、每月非正常情况下通风控制统计报表，记录并打印手动操作控制风机的时间及控制内容。

主要设备故障信息，应以告警方式通知操作人员并应发出声报警，声报警应能手动切除。

应有系统故障自诊断功能。

火灾事故控制

火灾报警在控制台和大屏幕投影上应有显示，火灾为最高级别的告警，一旦有火灾告警，则中断其它告警和程序运行，等待人工确认。根据火灾报警控制器和紧急电话系统等的告警报告，控制CCTV显示火灾区段摄像机的图像。

若人工确认没有火灾发生，则隧道管理站服务器从中断处继续执行控制程序，若人工认可有火灾发生，则控制风机按火灾模式运行；关闭火灾隧道入口信号灯，关闭火灾点上游开放火灾点下游车道指示标志，可变信息标志报告“隧道火灾”，立柱式信息标志至空档；广播系统播放“隧道火灾”，关闭另一隧道入口信号灯，立柱式信息标志至空档；确认另一隧道内无车辆后，关闭该隧道的车道指示标志。开启火灾上游的横通道门，确认横通道门开放后，开放火灾上游的绕行控制标志，广播系统播放录制在磁带上的火灾疏导广播内容等……。

火灾地点、时刻、操作员识别等有关信息写入告警打印机并记入事故数据库中。

照明控制

隧道管理站服务器应能通过照明控制柜、现场PLC周期采集信息，采集周期＜10秒。信息包括亮度检测数据，故障报警信息及现场人工手动控制的内容、时间。

隧道管理站控制系统应能实现自动和手动控制照明，自动和手动方式在有级调光控制方式中都是通过隧道内照明控制柜实施照明回路开关控制；手动控制内容、时间等存入数据库中，以便检索或打印存档。

自动控制方式：隧道管理站服务器根据亮度数据，按预定义的选择条件，计算判断照明等级，自动控制照明回路开关，控制周期≥10分钟。

手动控制方式：由操作员根据亮度数据或目测判断，通过控制台操作键盘控制照明回路开关。 亮度值应实时动态显示在控制台和大屏幕投影上。

变电所变配电设备监控

中央控制站可对各变电所l0kV与380/220V供电系统进行远距离测量，对开关运行状态进行监视，出现事故时能立即报警，对所有电动开关能进行远距离合分闸操作。中央控制站可以随时发现并处理事故，以减少停电时间。通过远距离合分闸操作，合理调配负荷，实现优化运行，有效节约电能。

各种遥测数据、事故报警、开关运行状态、合分闸操作以及开关检修均能存盘保存，并可记录打印。有脉冲表的回路有用电量统计报表。

大屏幕投影控制

隧道管理站服务器能采集各设备的工作状态信息，采集周期<10秒。信息包括电话、摄像机、广播、火灾区段、射流风机、入口信号灯、车道指示标志、立柱式信息标志、变配电设备等的状态及其故障信息。

隧道管理站服务器应能采集交通信息、CO、VI值、消防池水位及亮度值，采集周期＜10秒。 投影系统主画面为模拟隧道、道路、变电所等三维立体外形和全隧道设备布置及其工作状态显示（包括电话、摄像机、火灾区段、射流风机、入口和预告信号灯、车道指示标志、车行横通道绕行控制标志、横通道门、立柱式信息标志、广播等）。

入口交通量、各区段平均速度、VI、CO、NO2气象、亮度值及水位信息等以数据形式显示。 能表示出各区段交通状态（正常、拥挤、阻塞）。

紧急电话系统

隧道管理站计算机控制系统监视紧急电话系统，内容为电话摘机和系统故障。

隧道管理站服务器对紧急电话摘机应能以告警方式通知操作人员，存贮通话记录（通话时间、地点、保持时间等），提供录入功能（操作人员输入电话告警内容、其它描述内容等），以上描述一同存入数据库，并可打印。

系统故障等特殊事件，应能以告警方式通知操作人员，并应能记录入数据库中及打印输出。 CCTV闭路监视系统

当隧道管理站服务器接收到一个火灾或电话摘机信号，隧道管理站控制系统将发出一个控制信号给CCTV系统，CCTV监视器上应显示事故地段图像。

隧道管理站服务器应能接收CCTV的系统故障信息，应能以告警方式通知操作人员，并在大屏幕投影上显示。

隧道内采用循环切换的监视方式，切换时间1～60秒可调，每一隧道的监视器，循环显示该隧道内摄像机的图像，也可定点监视。

当隧道内发生异常情况，如火灾检测、车辆堵塞、紧急电话报警等各种报警信息时，主监视器能自动显示相应段的摄像机的图像，如果几个路段同时报警，则火灾报警区优先显示。在报警时，自动开启硬盘录像，并能把时间、摄像机号码记录在硬盘上。

可自动向前、向后灵活循环扫描监视；也可人工进行自动加一，自动减一选择监视；或由人工选择某个（某段）摄像机的图像。

对所有外场摄像机有自动检测功能，至少应能将检测到该系统的正常或故障信号传至中心计算机，并启动投影屏上相应的指示灯，有故障时，触发声报警器。

可利用鼠标点击所列摄像机图像，并提供图形控制方式，即可显示摄像机按路线展开的布置图，单击相应地点的摄像机图标，可得到此摄像机图像，对于遥控摄像机，可进行实际的控制。

广播系统

隧道管理站服务器监视广播系统的工作状态，系统故障应能以告警方式通知操作人员，并在大屏幕投影上显示。

消防水池水位检测与控制

隧道管理站服务器接收消防控制柜上传的消防水池水位信息，按照预先设定水位参数进行计算，发出控制指令至现场控制箱，从而实现自动水位调节，在大屏幕投影上显示水位信息。

消防系统通过蓄水池中的水位与地面高度差确保消防供水压力，消防控制子系统主要通过水位检测控制显示仪检测的水位，控制消防水泵的起停，确保蓄水池中的水位范围。水位检测对象主要为隧道消防蓄水池，控制对象为消防水泵和深井泵。

火灾探测与报警

火灾报警工作站可集中管理隧道内布设的所有手动报警按钮、双波长火焰探测器、火灾报警控制器。隧道内一旦有人员发现火情时，紧急按下手动报警按钮，火灾报警控制器收到手动报警按钮的报警信号，通过与之相接的以太网交换机和点对点传输系统上传至隧道管理站。隧道内一旦发现所测量值超过标准设定报警值时，双波长火焰探测器将向火灾检测报警主机发出报警信号并上传至相连的所属隧道管理站，在隧道管理站内产生报警提示。在变电所内设置点式感烟探测器，当发生火灾时，系统自动发出报警信息。

系统在正常运行情况下，能连续不间断地检测隧道内的空间，以及变电所及设备间的空间的火情和烟情。火灾报警系统的火灾报警控制器，双波长火焰探测器、手动报警按钮的工作状态，显示告警性质（火灾、故障）和报警系统的传输线路工作状态。火灾探测与报警子系统具备自诊断功能。

火灾报警控制器将报警信息传入隧道管理站计算机网络，由视频监控工作站显示报警地点，联动CCTV系统监视火灾地段并录像、自动打印记录，同时可变信息标志自动显示火灾信息，引导车辆行驶。

值班人员对火情确认后，可通过有线广播、可变信息标志向隧道内外驾驶员通告，通过指令电话、调度电话向有关单位汇报或下达指令，控制风机排烟，通过交通监控系统对车流进行重新组织，疏导交通。

数据备份

隧道管理站服务器中存贮的各种环境、交通、通风、照明等原始数据；各类报警信息、人工控制的时间、内容；通风控制案；变配电设备信息；紧急电话等信息应能备份到相应存储设备中。

数据备份应具有提醒功能，在约定时间到期后，应自动提醒并引导监控员完成数据备份至移动硬盘或光盘。数据备份应具有全量备份和增量备份功能。

联动控制

联动CCTV系统：隧道管理站CCTV系统具有对报警信号的联动功能，当有火灾自动检测报警系统、手动报警系统、紧急电话报警时，通过报警分区、现场报警设备的编号联动报警区域的前后摄象机在隧道管理站大屏幕上集中显示，以便监控人员确认火灾异常。

联动隧道管理站声光报警：当有火灾自动检测报警系统、手动报警系统、紧急电话报警时，联动隧道管理站的声光报警设备，提醒监控人员及时对火灾报警信息进行确认。

联动有线广播系统：当隧道管理站CCTV系统确认报警信息真实可信后，通过报警分区、现场报警设备的编号联动报警区域的广播预案分区，进行分区疏散诱导广播。

联动交通控制系统：当隧道管理站CCTV系统确认报警信息真实可信后，通过报警分区、现场报警设备的编号联动报警区域的交通控制预案，进行分区疏散诱导交通，保证火灾下游的车辆尽快驶出隧道，火灾上游的车辆就地停车或在现场管理人员的指挥下通过车行横洞疏散到对面安全隧道中。

联动通风控制系统：当隧道管理站CCTV系统确认报警信息真实可信后，通过报警分区、现场报警设备的编号联动报警区域的通风控制预案，进行火灾工况通风，保证火灾上游无曼延烟雾。 联动照明控制系统：当隧道管理站CCTV系统确认报警信息真实可信后，通过报警分区、现场报警设备的编号联动报警区域的照明控制预案，打开所有照明和诱导灯。

联动消防系统：当隧道管理站CCTV系统确认报警信息真实可信后，通过报警分区、现场报警设备的编号联动报警区域的消防控制预案，启动消防水泵对消防干管供水，打开相应区域的水喷雾-泡沫联用系统控制阀。

联动管理：当有火灾自动检测报警系统、手动报警系统、紧急电话报警时，将火灾地点、时刻、操作员识别码等有关信息写入告警打印机并记入事故数据库中。

现场控制子系统

系统概述

隧道本地控制系统具有对隧道监控外场设备的二级控制的功能，对隧道外场设备进行区域集中控制，在监控隧道管理站计算机和外场设备之间起上传下达的作用，以提高通信效率，加强本地手动控制功能。

依据隧道长短和监控设施数量的多少，对不同区域的ACU区域控制器配置不同等级的PLC可编程控制器，以满足实际工程的需要。ACU区域控制器分别安装在隧道进出洞口、横通道附近、变电所内，在洞口变电所内设置HIM人机界面实现整个隧道的本地手动控制。

隧道两端变电所分别设置双CPU、双电源结构的主控PLC，硬件冗余模式工作。变电所内设置的主控PLC配置HIM人机界面，在隧道两端变电所内的主控PLC上，通过HIM人机界面，均可实现对下级PLC和隧道外场设备的远程控制。

在隧道箱式变、洞内变电所和洞内区域控制器处，配置单CPU、双电源结构的PLC。上述PLC可接受隧道两端变电所主控PLC所下发的控制指令，实现隧道外场监控设备运行状态的转变，将设备的运行状态反馈至主控PLC的HIM人机界面和隧道管理站。

系统功能

1、收集本区段检测设备检测的各类信息。

2、对收集信息、进行预处理，并储存在储存单元内。

3、在计算机轮询时，将存储单元中已处理好的信息上传给隧道管理站计算机。

4、接收隧道管理站计算机的各种控制命令，将控制命令和设备运行状态比较后，发出对下端执行设备的控制指令。（如发给可变信息标志、交通信号灯、车道指示标志的指令）。

5、可存储几个常用和特殊的程序，如交通事故处理程序、火灾紧急处理程序等。

6、本地控制器设有手动控制单元。当通信中断或发生火灾时，可进行手动操作，且手动优先。

7、具有自检功能。

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