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公路隧道智能控制的現狀與發展

發表日期:2007-07-20    瀏覽次數:9127

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摘要:本文論述了公路隧道智能控制的國內外現狀,結合我國公路隧道運營情況調查資料,分析了存在的主要問題?oj芾磧胍抵韉慕嵌忍岢隹刂葡低車男棖蟆⒂餼齙墓丶際跫暗鼻俺醪絞迪炙淼樂悄蕓刂頻耐揪丁?/div>

1. 公路隧道控制系統的現狀
  目前世界上各國都在發展ITS,與公路隧道相關的領域 主要包括前饋式通風控制技術與先進的交通管理技術。前者以模糊控制為主,如日本,后者范圍很廣,用于公路隧道主要有交通異常自動檢測技術,如美國從 1968年就開始進行異常檢測的研究,到現在已進行了30多年的研究與實踐,形成了單截面法、雙截面法(按檢測界面分類)、宏觀法、微觀法(按輸入數據類型分類)、平滑法、加洲法、HIOCC法、卡而曼濾波法、互相關法、災變法(按數據處理方式分類)等多種方法,2000年美國聯邦公路局出版了 MUTCD2000(Manual on Uniform Traffic Control Devices)專門論述交通控制設施的標準,但由于ITS涉及的面很廣泛,并未形成較完善和成熟的系統。
  
    在國內,我國已建成的隧道超過 1069座,單洞延長超過340km,建成的3000m以上隧道13座,另外還有5座3000m以上的, 車道公路隧道,隨著國家加大公路建設的步伐與力度,特別是西部大開發,山區高等級公路在公路建設中的比重越來越大,國家主干線上正在建設和"十·五"將要建設的特長隧道不少于30座。上海延安東路隧道與深圳梧桐山隧道在我國較早實現了隧道監控。此后,成渝高速公路的中梁山隧道、縉云山隧道等高等級公路的隧道,通過引進國外設備與自主開發相結合實現了隧道監控。目前,國內的隧道管理系統不但硬件大多依靠進口,而且軟件也依靠進口,軟件既貴,基本上相當于硬件 價,又不適合國情,例如,通風控制僅考慮了CO的濃度,而沒有考o通狀態,更談不上考慮設備的運轉平衡、自動控制與節能問題。實際上,隧道越長,使用者 有害氣體的吸收越多,應該綜合考慮環境、交通、節能、控制、設備使用壽命等多方面的問題。控制在網絡結構上溫州景山隧道最早采用全分布式現場總線技術,而現在還有很多隧道采用集散式控制,其不但可靠性差,效率低,而且管線長,投資高,易遭雷擊引起系統故障。
  
2. 公路隧道智能控制的需求
    作者對我國11座典型公路隧道的運營情況進行了調查,從調查情況來看,我國公路隧道監控主要存在以下問題:
   
    設計問題:設計主要存在這幾個問題。第一,系統功能問題。設計單位由于當前公路大上,任務多,大多數工程業主給的設計工期又不合理,使得不能認真進行方案比選,再說,即使功能過度重疊、投資規模大對設計單位也有好處;第二,設計方法問題。大多數設計都是在類似圖紙上復制修改,而不是按具體情況,采用功能 設計的方法,使性能價格比最優,不在設計上下工夫是我國公路管理水平低的主要原因之一;第三,新技術應用方面的問題。大多數設計單位不太喜歡采用新技術,又麻煩,設計費又不增加,而業主優勢慎之又慎的態度,極不利于技術進步。第四,系統結構問題。大多數隧道采用的是星形結構,每個隧道本地控制器之間無法直 接進行數據交換,由本地控制器對交通參數、環境參數。外場設施狀況進行采集并上傳至隧道監控室,再上傳至中控室,必須通過中控室的計算機進行數據交換,接收中控室的控制命令,對本地設施進行控制,影響傳輸速率。
  
    設備選型問題:在初步設計、技術設計、招標文件編制中一般都不涉及設備選型,施工圖 設計須指定設備?w惢現有的工程基本上都要搞招標,不必指定設備,但要給出性能等指標。由于缺乏公路隧道機電設備技術要求規范,對設備的功能與技術指標的要求形成五花八門的局面,設計單位只能依賴于廠家的產品說明書與檢測報告,而其充其量只能說明單項設備的性能,而不能說明在系統中的功效,更不說很多產品 對隧道應用環境條件的適應性。例如,燈具問題,單盞燈可能是合格的,但安裝在隧道里則不一定年能達到規范中縱向、橫向均勻度的要求,最好的辦法是關鍵設備施工前就在實體隧道做試驗測試,測試合格再使用。此外,在新設備應用方面,即使是好的產品,大多數業主都有看一看的想法,看在其它隧道的應用情況。這一想 法不錯,但總得有人先吃螃蟹,應該是只要產品合格,在實體隧道測試通過,就可選用,否則,會影響我國公路隧道的機電水平的提高。
  
    系統網絡結構 問題:在控制模式上,當前有兩種控制模式,一種是適用于短隧道的集散式控制模式,一種是適用于長隧道的分布式現場總線控制模式。前者布線復雜,造價較高,由中控室對現場設施進行控制與管理,后者施工方便,不但造價較低,而且可靠性較高,其又可分為全分布式現場總線控制和集中式現場總線控制。全分布式現場總 線控制模式,中控室對現場設施不直接進行控制,由現場各種設施的控制器進行控制。目前,現場總線有40多種,每種現場總線都有其優勢與不足,在現場總線選 擇中,對于公路監控而言,由于信息量不大,因此,傳輸速率和實時性要求不成為總線選擇的控制因素,而最關鍵的是設備能適應的應用環境,系統設備局部故障不影響整個系統的運營,以提高系統的可靠性。
  
    由上述分析可見,智能控制當前主要應解決以下問題:
  可靠性:系統局部儙故障不影響其它設施功能發揮,關鍵設施有必要的冗余措施。
  穩定性:系統可長期(在設計周期內)穩定運行。
  可控性:系統收集的交通、環境、語言、視頻等信息能得到充分利用,據之合理誘導交通流,并進行有效控制。
  先進性:系統的網絡結構形式、通訊方式、控制模式應能反映當代技術的發展。
  經濟性:系統投資少、性能價格比高,同類設備運轉平衡,控制方案,除能保證正常運營外,還必須節能,運營費用省。
  容錯性:系統軟件具有良好的容錯能力。
  便捷性:系統操作、維護方便。
  可擴展性:設備更新與增加、功能改善與變化,都能最大限度地應用原有系統。
  
    在設計和管理方面還應解決以下問題:
   
    (1)系統規模問題
    監控系統是保證交通正常運營的必要條件,系統規模決定工程投資和運營管理費用。環境在變化、采用的設施在更新、應用的技術在進步、使用者隨著技術的進步對系統的功能要求在不斷深化以及運營管理中對突發事件的處理,要求科學地確定系統規模,通過科研解決系統的配置原則、設計方法,避免為了實現新功能、增加 新設備、與路段有機結合形成整體等,要把原有系統推倒從來。
 ?br />    (2)系統集成方法問題
    隧道監控設施涉及很多管線,非火災工況時系統 設施與通訊、供電傳輸線路能不能穩定、可靠地工作及火災工況時其能正常工作一段時間,是監控系統發揮作用的關鍵,研究要解決系統的集成方式、系統網絡的構成與拓撲結構形式,是否有必要設置專門的管線通道,如何保證系統的可靠性、穩定性、先進性與經濟性的有h睪稀?br />  
    (3)系統控制問題
    隧道災害不可避免,防治結合,以防為主,才能提高安全性。高速車、超重車、危險品裝載車都是災害隱患,在控制理念上改事后處理為預測控制,要突出"以人 為本"的思想,在控制方式上實現本地控制、遠程手動控制、遠程自動控制等多種控制方式,對系統設備實現三遙,既能滿足交通管理的需要,又能降低管理成本,減少工作強度,使系統營運管理的高效性與方便性融為一體。
  
3. 公路隧道智能控制的關鍵技術
    公路隧道智能控制的關鍵技術,主要包括公路隧道的通風控制問題,在火災情況下如何進行通風控制,無異常交通時如何進行通風控制,使既能為道路使用者提供滿足衛生標準要求的環境條件,又能達到節約能源的目的,同時考慮設備的運轉平衡;公路隧道的交通控制問題,如何預防影響正常運營的異常交通時間的發生,如 何自動檢測異常交通時間,如何進行疏導、誘導與控制;公路隧道的通訊網絡問題,防止網絡阻塞或癱瘓,保證通訊質量與通訊速率,提高整個系統的可靠性,系統不會因為個別控制設備發生故障而影響整個系統的正常運營;公路隧道的綜合控制問題,發生交通異常時盡快作出反映,調度相應的部門、人員進行處理并恢復正常 交通,最后,將這些適合國情的研究成果,綜合成一套完整的監控軟件,發展民族工業與促進交通管理的進步。為此,應在以下幾個方面進行研究:
  
    (1)公路隧道交通流特性研究
    這一問題是隧道智能控制的基礎,因此,首先必須研究各種交通流模式時的交通狀態及其特性,其影響因素主要包括交通量、隧道長度、車流的車速與?g庍形特征。隧道交通流可分為正常交通流與異常交通流兩種狀態。交通管理的目標主要在于通過處理異常交通及防止異常交通發生提高公路運輸效率。隧道交通異常現象主 要包括三個①由于停車引起隧道通行能力不足,形成車輛排隊,降低運輸效率;②慢行車輛引起交通擁擠;③火災引起交通中斷。應通過探討交通量、隧道長度、車 速對交通流模式的影響,分析發生交通異常時各交通流模式的特性,在此基礎上,研究針對交通監控及通風照明控制,隧道的分類方法,隧道類別與交通量、車速、車道數的關系,設置隧道監控系統的條件及各類隧道監控設施的合理配置方法與原則,從而達到既節約投資、又能滿足實際需要,系統達到最優的目的。
  
    (2)交通異常自動檢測算法研究
    國內現有的隧道監控系統在交通控制方面,不能有效地利用交通信息,雖然收集了交通量、車速、占有率等資料,但是,無法作到據之自動判別交通狀態,從而進行控制。鑒此,應研究隧道交通異常自動檢測技術及交通流的誘導與控制方法以及正常交通時如何有效地組織交通流,防止阻塞。在進行上面異常時各交通流模式特 性研究的基礎上,研究交通異常的分類方法,研究交通量、車速、占有率對交通異常的敏感性,選擇對交通異常最敏感的指標作為交通異常自動檢測參數,建立交通異常自動檢測算法,判別是否有阻塞以及發生阻塞的原因,判斷是否發生異常交通,發生異常交通后,其所在的位置與異常的嚴重程度,從而逐步走向智能交通控 制。
  
    (3)隧道通風智能控制系統研究
    目前,通風控制僅考慮了CO的濃度,實際上,隧道越長,車速越低,使用者有害氣體的吸收量越 多,所以,CO的濃度、交通狀態?}萊ざ日餿呤怯跋焱ǚ緲刂頻鬧饕蛩亍T詿耍剿鰿O的濃度、交通狀態、隧道長度這三者之間的關系,建立綜合考慮環境、交通、節能、控制、設備使用壽命等多方面問題的通風控制模式。
  
    (4)公路隧道交通仿真研究與軟件開發
    目前隧道交通控制主要采用預案式,不能根據交通量的實際情況進行實時控制,更不能根據變化趨勢進行預控,因此,有必要開展交通仿真研究與軟件開發,以期達到預控的目的。
  
4. 公路隧道智能控制的發展
    公路隧道智能控制的發展,當前應著重解決公路隧道信息不能有效利用的問題,及控制模式與控制軟件,使軟件應用國產化并初步走向智能化。公路隧道監控主要是為了進行控制,防患于未然,其關鍵是解決控制網絡模式與提高控制軟件智能化水平。應用網絡技術是控制發展的必然趨勢。能夠適應未來發展需要的自動控制網 絡技術應具有開放性、互操作性、通信介質不受限制⒉僮饗低辰峁谷妗⑼仄碩嘌⑼ㄐ判榫哂鋅梢浦殘緣忍氐恪?刂剖鞘迪止匪淼攔芾砟勘甑母臼侄巍4酉低辰峁箍悸牽諶氈鞠低辰峁共捎米月煞植伎刂葡低常ü捎猛該鞴こ?quot;,國內公路監控系統在管理體制上主要是三級管理,即管理中心、管理分 中心和管理所。系統控制應從集散式控制系統逐步發展為現場控制,從多級控制發展為二級控制,采用互聯網技術進行現場控制,通過互聯網進行數據交換、信息共享與區域協調控制,從而提高系統的可靠性、維護操作的方便性與降低工程造價;從系統設備考慮,應提高檢測設備的水平,大力發展數字化與智能化儀器儀表,發 展無線通訊與控制產品,實現遙測、遙訊、遙控,如通過圖像處理檢測器檢測交通參數,既{b通控制、通風控制提供了依據,又監視隧道的運營狀態,達到檢測與監視的統一,設備有故障,可以實時傳到手機之類的便攜式設備上并進行遠程控制;從系統功能考慮,火災報警系統應達到自動檢測與消防實現聯動,根據火災類型 與嚴重程度自動制定滅火與救援措施;通風控制系統應實現前饋式智能控制,不但要考慮隧道的環境指標,而且要考慮交通運營狀態,達到既能為司乘人員提供良好的環境,又考慮設備的運轉平衡節約能源與提高設備使用壽命的目的;交通控制系統應能自動判別交通狀態,異常自動檢測與處理,根據交通模擬結果確定控制方 案,為駕駛員提供交通與環境信息,進行路線指示、引導與誘導,提高車速與降低事故率與事故的嚴重程度及堵塞與火災時的疏散時間。在可靠性方面,監控計算機及任一控制點的失效不會影響正常智能節點對現場設施實施控制,具有較高的系統容錯能力。

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