1 概述
1.1 工程概況
廈門東通道跨海主體工程長(zhǎng)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(guó)內(nèi)專家自行設(shè)計(jì)施工的海底隧道。通道設(shè)雙向六車道，計(jì)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(guó)道、省道，下接城市區(qū)域路網(wǎng)，連接城市各個(gè)主要節(jié)點(diǎn)。
1.2 工程特點(diǎn)
針對(duì)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(jì)工程特點(diǎn)如下：
a．東通道是目前國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)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(dòng)檢測(cè)，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(duì)載運(yùn)危險(xiǎn)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(duì)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(jì)與施工安裝間隔較長(zhǎng)，設(shè)計(jì)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(gè)系統(tǒng)既方便又實(shí)用；
f．廈門市為我國(guó)經(jīng)濟(jì)特區(qū)、改革開(kāi)放的前沿陣地，國(guó)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(gè)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(duì)隧道結(jié)構(gòu)要求較高外，對(duì)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(shí)，又能有效地將危害控制在最小程度。
2 系統(tǒng)概況
隨著計(jì)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。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)向智能化、分散化、網(wǎng)絡(luò)化、開(kāi)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(kāi)始，歐洲、美國(guó)、日本等西方發(fā)達(dá)國(guó)家先后開(kāi)始研究先進(jìn)的隧道控制系統(tǒng)，并開(kāi)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(guó)起步較晚，90年代初期，國(guó)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(chǎng)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。現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)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(duì)東通道區(qū)域的運(yùn)營(yíng)狀況實(shí)施監(jiān)控、預(yù)防并及時(shí)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(duì)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(cè)以及監(jiān)視交通狀況，通過(guò)對(duì)各種檢測(cè)信息的分析處理后，對(duì)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(jì)采用施耐德PLC可編程控制器作為通道現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域控制器，工業(yè)以太網(wǎng)完成控制信息級(jí)與通道控制中心的通訊，控制中心與外界的通訊通過(guò)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(cè)、火災(zāi)檢測(cè)與報(bào)警、可變情報(bào)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(wú)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(gè)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(cè)參數(shù)信息。
3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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(kāi)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(guò)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(duì)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(jià)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(tái)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(chǎng)網(wǎng)絡(luò)
現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)由控制層網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)組成。控制層網(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。控制網(wǎng)絡(luò)通過(guò)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(guò)自愈光纖環(huán)網(wǎng)，將分散布置在隧道現(xiàn)場(chǎng)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(tái)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(chǎng)設(shè)備采集的交通、環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)等信息通過(guò)區(qū)域控制機(jī)處理后通過(guò)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(bào)警等目的；在隧道現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(shí)各區(qū)域控制機(jī)通過(guò)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(dòng)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)的情況不能及時(shí)了解(網(wǎng)絡(luò)中斷等異常情況下)時(shí)，及時(shí)啟動(dòng)區(qū)域控制機(jī)的主機(jī)控制功能，直接對(duì)整個(gè)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(gè)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(duì)PLC本區(qū)域內(nèi)設(shè)備進(jìn)行操作；不能實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)隧道現(xiàn)場(chǎng)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(gè)軟件系統(tǒng)是一個(gè)架構(gòu)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)清晰的三層架構(gòu)，系統(tǒng)軟件通過(guò)瀏覽器／服務(wù)器模式(Browser／Server，簡(jiǎn)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(tái)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(cuò)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(kù)。
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(zhǎng)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(kāi)發(fā)
系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)分為下位機(jī)PIE軟件開(kāi)發(fā)和上位機(jī)組態(tài)管理軟件開(kāi)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(kāi)發(fā)。該軟件支持梯形圖、功能塊圖、結(jié)構(gòu)化文本語(yǔ)言等多編程語(yǔ)言進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)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(shì)曲線、報(bào)表等的生成；支持WebServer功能；動(dòng)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(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、人工錄入等，可打印輸出。同時(shí)在系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置了動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史記錄數(shù)據(jù)庫(kù)、監(jiān)控對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù)等多種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)；此外，可以采用VC6.0進(jìn)行相關(guān)輔助軟件開(kāi)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<
