1. 公路隧道控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀
目前世界上各國都在發(fā)展ITS，與公路隧道相關(guān)的領(lǐng)域 主要包括前饋式通風(fēng)控制技術(shù)與先進(jìn)的交通管理技術(shù)。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(shù)，如美國從 1968年就開始進(jìn)行異常檢測的研究，到現(xiàn)在已進(jìn)行了30多年的研究與實(shí)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(shù)據(jù)類型分類）、平滑法、加洲法、HIOCC法、卡而曼濾波法、互相關(guān)法、災(zāi)變法（按數(shù)據(jù)處理方式分類）等多種方法，2000年美國聯(lián)邦公路局出版了 MUTCD2000（Manual on Uniform Traffic Control Devices）專門論述交通控制設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)，但由于ITS涉及的面很廣泛，并未形成較完善和成熟的系統(tǒng)。
在國內(nèi)，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(shè)的步伐與力度，特別是西部大開發(fā)，山區(qū)高等級公路在公路建設(shè)中的比重越來越大，國家主干線上正在建設(shè)和"十·五"將要建設(shè)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(shí)現(xiàn)了隧道監(jiān)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(jìn)國外設(shè)備與自主開發(fā)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了隧道監(jiān)控。目前，國內(nèi)的隧道管理系統(tǒng)不但硬件大多依靠進(jìn)口，而且軟件也依靠進(jìn)口，軟件既貴，基本上相當(dāng)于硬件 價，又不適合國情，例如，通風(fēng)控制僅考慮了CO的濃度，而沒有考慮交通狀態(tài)，更談不上考慮設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)平衡、自動控制與節(jié)能問題。實(shí)際上，隧道越長，使用者 有害氣體的吸收越多，應(yīng)該綜合考慮環(huán)境、交通、節(jié)能、控制、設(shè)備使用壽命等多方面的問題。控制在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上溫州景山隧道最早采用全分布式現(xiàn)場總線技術(shù)，而現(xiàn)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(tǒng)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(yùn)營情況進(jìn)行了調(diào)查，從調(diào)查情況來看，我國公路隧道監(jiān)控主要存在以下問題：
設(shè)計(jì)問題：設(shè)計(jì)主要存在這幾個問題。第一，系統(tǒng)功能問題。設(shè)計(jì)單位由于當(dāng)前公路大上，任務(wù)多，大多數(shù)工程業(yè)主給的設(shè)計(jì)工期又不合理，使得不能認(rèn)真進(jìn)行方案比選，再說，即使功能過度重疊、投資規(guī)模大對設(shè)計(jì)單位也有好處；第二，設(shè)計(jì)方法問題。大多數(shù)設(shè)計(jì)都是在類似圖紙上復(fù)制修改，而不是按具體情況，采用功能 設(shè)計(jì)的方法，使性能價格比最優(yōu)，不在設(shè)計(jì)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(shù)應(yīng)用方面的問題。大多數(shù)設(shè)計(jì)單位不太喜歡采用新技術(shù)，又麻煩，設(shè)計(jì)費(fèi)又不增加，而業(yè)主優(yōu)勢慎之又慎的態(tài)度，極不利于技術(shù)進(jìn)步。第四，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)問題。大多數(shù)隧道采用的是星形結(jié)構(gòu)，每個隧道本地控制器之間無法直 接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，由本地控制器對交通參數(shù)、環(huán)境參數(shù)。外場設(shè)施狀況進(jìn)行采集并上傳至隧道監(jiān)控室，再上傳至中控室，必須通過中控室的計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，接收中控室的控制命令，對本地設(shè)施進(jìn)行控制，影響傳輸速率。
設(shè)備選型問題：在初步設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、招標(biāo)文件編制中一般都不涉及設(shè)備選型，施工圖 設(shè)計(jì)須指定設(shè)備。雖然現(xiàn)有的工程基本上都要搞招標(biāo)，不必指定設(shè)備，但要給出性能等指標(biāo)。由于缺乏公路隧道機(jī)電設(shè)備技術(shù)要求規(guī)范，對設(shè)備的功能與技術(shù)指標(biāo)的要求形成五花八門的局面，設(shè)計(jì)單位只能依賴于廠家的產(chǎn)品說明書與檢測報告，而其充其量只能說明單項(xiàng)設(shè)備的性能，而不能說明在系統(tǒng)中的功效，更不說很多產(chǎn)品 對隧道應(yīng)用環(huán)境條件的適應(yīng)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(dá)到規(guī)范中縱向、橫向均勻度的要求，最好的辦法是關(guān)鍵設(shè)備施工前就在實(shí)體隧道做試驗(yàn)測試，測試合格再使用。此外，在新設(shè)備應(yīng)用方面，即使是好的產(chǎn)品，大多數(shù)業(yè)主都有看一看的想法，看在其它隧道的應(yīng)用情況。這一想 法不錯，但總得有人先吃螃蟹，應(yīng)該是只要產(chǎn)品合格，在實(shí)體隧道測試通過，就可選用，否則，會影響我國公路隧道的機(jī)電水平的提高。
系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 問題：在控制模式上，當(dāng)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(xiàn)場總線控制模式。前者布線復(fù)雜，造價較高，由中控室對現(xiàn)場設(shè)施進(jìn)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(xiàn)場總線控制和集中式現(xiàn)場總線控制。全分布式現(xiàn)場總 線控制模式，中控室對現(xiàn)場設(shè)施不直接進(jìn)行控制，由現(xiàn)場各種設(shè)施的控制器進(jìn)行控制。目前，現(xiàn)場總線有40多種，每種現(xiàn)場總線都有其優(yōu)勢與不足，在現(xiàn)場總線選 擇中，對于公路監(jiān)控而言，由于信息量不大，因此，傳輸速率和實(shí)時性要求不成為總線選擇的控制因素，而最關(guān)鍵的是設(shè)備能適應(yīng)的應(yīng)用環(huán)境，系統(tǒng)設(shè)備局部故障不影響整個系統(tǒng)的運(yùn)營，以提高系統(tǒng)的可靠性。
由上述分析可見，智能控制當(dāng)前主要應(yīng)解決以下問題：
可靠性：系統(tǒng)局部設(shè)施故障不影響其它設(shè)施功能發(fā)揮，關(guān)鍵設(shè)施有必要的冗余措施。
穩(wěn)定性：系統(tǒng)可長期（在設(shè)計(jì)周期內(nèi)）穩(wěn)定運(yùn)行。
可控性：系統(tǒng)收集的交通、環(huán)境、語言、視頻等信息能得到充分利用，據(jù)之合理誘導(dǎo)交通流，并進(jìn)行有效控制。
先進(jìn)性：系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式、通訊方式、控制模式應(yīng)能反映當(dāng)代技術(shù)的發(fā)展。
經(jīng)濟(jì)性：系統(tǒng)投資少、性能價格比高，同類設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)平衡，控制方案，除能保證正常運(yùn)營外，還必須節(jié)能，運(yùn)營費(fèi)用省。
容錯性：系統(tǒng)軟件具有良好的容錯能力。
便捷性：系統(tǒng)操作、維護(hù)方便。
可擴(kuò)展性：設(shè)備更新與增加、功能改善與變化，都能最大限度地應(yīng)用原有系統(tǒng)。
在設(shè)計(jì)和管理方面還應(yīng)解決以下問題：
（1）系統(tǒng)規(guī)模問題
監(jiān)控系統(tǒng)是保證交通正常運(yùn)營的必要條件，系統(tǒng)規(guī)模決定工程投資和運(yùn)營管理費(fèi)用。環(huán)境在變化、采用的設(shè)施在更新、應(yīng)用的技術(shù)在進(jìn)步、使用者隨著技術(shù)的進(jìn)步對系統(tǒng)的功能要求在不斷深化以及運(yùn)營管理中對突發(fā)事件的處理，要求科學(xué)地確定系統(tǒng)規(guī)模，通過科研解決系統(tǒng)的配置原則、設(shè)計(jì)方法，避免為了實(shí)現(xiàn)新功能、增加 新設(shè)備、與路段有機(jī)結(jié)合形成整體等，要把原有系統(tǒng)推倒從來。
（2）系統(tǒng)集成方法問題
隧道監(jiān)控設(shè)施涉及很多管線，非火災(zāi)工況時系統(tǒng) 設(shè)施與通訊、供電傳輸線路能不能穩(wěn)定、可靠地工作及火災(zāi)工況時其能正常工作一段時間，是監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)揮作用的關(guān)鍵，研究要解決系統(tǒng)的集成方式、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式，是否有必要設(shè)置專門的管線通道，如何保證系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、先進(jìn)性與經(jīng)濟(jì)性的有機(jī)結(jié)合。
（3）系統(tǒng)控制問題
隧道災(zāi)害不可避免，防治結(jié)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(zāi)害隱患，在控制理念上改事后處理為預(yù)測控制，要突出"以人 為本"的思想，在控制方式上實(shí)現(xiàn)本地控制、遠(yuǎn)程手動控制、遠(yuǎn)程自動控制等多種控制方式，對系統(tǒng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)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(qiáng)度，使系統(tǒng)營運(yùn)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(guān)鍵技術(shù)
公路隧道智能控制的關(guān)鍵技術(shù)，主要包括公路隧道的通風(fēng)控制問題，在火災(zāi)情況下如何進(jìn)行通風(fēng)控制，無異常交通時如何進(jìn)行通風(fēng)控制，使既能為道路使用者提供滿足衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求的環(huán)境條件，又能達(dá)到節(jié)約能源的目的，同時考慮設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)平衡；公路隧道的交通控制問題，如何預(yù)防影響正常運(yùn)營的異常交通時間的發(fā)生，如 何自動檢測異常交通時間，如何進(jìn)行疏導(dǎo)、誘導(dǎo)與控制；公路隧道的通訊網(wǎng)絡(luò)問題，防止網(wǎng)絡(luò)阻塞或癱瘓，保證通訊質(zhì)量與通訊速率，提高整個系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)不會因?yàn)閭�別控制設(shè)備發(fā)生故障而影響整個系統(tǒng)的正常運(yùn)營；公路隧道的綜合控制問題，發(fā)生交通異常時盡快作出反映，調(diào)度相應(yīng)的部門、人員進(jìn)行處理并恢復(fù)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(jiān)控軟件，發(fā)展民族工業(yè)與促進(jìn)交通管理的進(jìn)步。為此，應(yīng)在以下幾個方面進(jìn)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(chǔ)，因此，首先必須研究各種交通流模式時的交通狀態(tài)及其特性，其影響因素主要包括交通量、隧道長度、車流的車速與道路線形特征。隧道交通流可分為正常交通流與異常交通流兩種狀態(tài)。交通管理的目標(biāo)主要在于通過處理異常交通及防止異常交通發(fā)生提高公路運(yùn)輸效率。隧道交通異常現(xiàn)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(duì)，降低運(yùn)輸效率；②慢行車輛引起交通擁擠；③火災(zāi)引起交通中斷。應(yīng)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(fā)生交通異常時各交通流模式的特性，在此基礎(chǔ)上，研究針對交通監(jiān)控及通風(fēng)照明控制，隧道的分類方法，隧道類別與交通量、車速、車道數(shù)的關(guān)系，設(shè)置隧道監(jiān)控系統(tǒng)的條件及各類隧道監(jiān)控設(shè)施的合理配置方法與原則，從而達(dá)到既節(jié)約投資、又能滿足實(shí)際需要，系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)的目的。
（2）交通異常自動檢測算法研究
國內(nèi)現(xiàn)有的隧道監(jiān)控系統(tǒng)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(jù)之自動判別交通狀態(tài)，從而進(jìn)行控制。鑒此，應(yīng)研究隧道交通異常自動檢測技術(shù)及交通流的誘導(dǎo)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(jìn)行上面異常時各交通流模式特 性研究的基礎(chǔ)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(biāo)作為交通異常自動檢測參數(shù)，建立交通異常自動檢測算法，判別是否有阻塞以及發(fā)生阻塞的原因，判斷是否發(fā)生異常交通，發(fā)生異常交通后，其所在的位置與異常的嚴(yán)重程度，從而逐步走向智能交通控 制。
（3）隧道通風(fēng)智能控制系統(tǒng)研究
目前，通風(fēng)控制僅考慮了CO的濃度，實(shí)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(tài)、隧道長度這三者是影響通風(fēng)控制的主要因素。在此，探索CO的濃度、交通狀態(tài)、隧道長度這三者之間的關(guān)系，建立綜合考慮環(huán)境、交通、節(jié)能、控制、設(shè)備使用壽命等多方面問題的通風(fēng)控制模式。
（4）公路隧道交通仿真研究與軟件開發(fā)
目前隧道交通控制主要采用預(yù)案式，不能根據(jù)交通量的實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)時控制，更不能根據(jù)變化趨勢進(jìn)行預(yù)控，因此，有必要開展交通仿真研究與軟件開發(fā)，以期達(dá)到預(yù)控的目的。
4. 公路隧道智能控制的發(fā)展
公路隧道智能控制的發(fā)展，當(dāng)前應(yīng)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(yīng)用國產(chǎn)化并初步走向智能化。公路隧道監(jiān)控主要是為了進(jìn)行控制，防患于未然，其關(guān)鍵是解決控制網(wǎng)絡(luò)模式與提高控制軟件智能化水平。應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是控制發(fā)展的必然趨勢。能夠適應(yīng)未來發(fā)展需要的自動控制網(wǎng) 絡(luò)技術(shù)應(yīng)具有開放性、互操作性、通信介質(zhì)不受限制、操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)全面、拓?fù)涠鄻踊⑼ㄐ艆f(xié)議具有可移植性等特點(diǎn)。控制是實(shí)現(xiàn)公路隧道管理目標(biāo)的根本手段。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)考慮，在日本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用自律分布控制系統(tǒng)，法國采用透明工廠"，國內(nèi)公路監(jiān)控系統(tǒng)在管理體制上主要是多級管理，即管理中心、管理分 中心和管理所。系統(tǒng)控制應(yīng)從集散式控制系統(tǒng)逐步發(fā)展為現(xiàn)場控制，從多級控制發(fā)展為二級控制，采用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場控制，通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、信息共享與區(qū)域協(xié)調(diào)控制，從而提高系統(tǒng)的可靠性、維護(hù)操作的方便性與降低工程造價；從系統(tǒng)設(shè)備考慮，應(yīng)提高檢測設(shè)備的水平，大力發(fā)展數(shù)字化與智能化儀器儀表，發(fā) 展無線通訊與控制產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)遙測、遙訊、遙控，如通過圖像處理檢測器檢測交通參數(shù)，既為交通控制、通風(fēng)控制提供了依據(jù)，又監(jiān)視隧道的運(yùn)營狀態(tài)，達(dá)到檢測與監(jiān)視的統(tǒng)一，設(shè)備有故障，可以實(shí)時傳到手機(jī)之類的便攜式設(shè)備上并進(jìn)行遠(yuǎn)程控制；從系統(tǒng)功能考慮，火災(zāi)報警系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到自動檢測與消防實(shí)現(xiàn)聯(lián)動，根據(jù)火災(zāi)類型 與嚴(yán)重程度自動制定滅火與救援措施；通風(fēng)控制系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)前饋式智能控制，不但要考慮隧道的環(huán)境指標(biāo)，而且要考慮交通運(yùn)營狀態(tài)，達(dá)到既能為司乘人員提供良好的環(huán)境，又考慮設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)平衡節(jié)約能源與提高設(shè)備使用壽命的目的；交通控制系統(tǒng)應(yīng)能自動判別交通狀態(tài)，異常自動檢測與處理，根據(jù)交通模擬結(jié)果確定控制方 案，為駕駛員提供交通與環(huán)境信息，進(jìn)行路線指示、引導(dǎo)與誘導(dǎo)，提高車速與降低事故率與事故的嚴(yán)重程度及堵塞與火災(zāi)時的疏散時間。在可靠性方面，監(jiān)控計(jì)算機(jī)及任一控制點(diǎn)的失效不會影響正常智能節(jié)點(diǎn)對現(xiàn)場設(shè)施實(shí)施控制，具有較高的系統(tǒng)容錯能力。
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