高速公路隧道监控系统的设计与实现.docx

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高速公路隧道监控系统的设计与实现

摘要

最近几年来，我国在高新创新技术领域如计算机信息化、网络通信研发等方面投入大量的开发资金，这使得我国信息化和网络化呈现了飞速发展的态势，诸多的信息化技术成果已在我国改革开放工程建设项目中发挥了巨大的作用。

同样对我国高速公路的建设领域，特别是在地形环境复杂的隧道工程项目中，隧道监控系统等信息和通信技术也扮演着举足轻重的作用。

通过信息技术的应用可将传统的监控数据由人工采集分析的方式转化为自动化智能采集分析，此技术的应用一方面大大节约了人力、物力成本，同时也为高速公路隧道监控状况提供了及时、可靠、有效的数据信息。

在监控系统软件开发初期，本人作为项目主要负责人带领项目团队深入现场，在充分了解山西大运高速公路临汾至侯马段隧道的基本情况和用户需求的基础上，结合实际情况选取了相应的系统平台，分析并构思了通信系统的网络传输方案，进而初步设计了山西大运高速公路临汾至侯马段隧道监控系统方案，最终确立本监控系统对交通、通风、照明、视频、紧急电话等设备实施全天候监视，并收集、统计、分析采集到的各种数据信息，以达到对电子设备、隧道安全、隧道环境等进行有效监测管理的目的，同时保证隧道内行车安全，提高交通管理效率，以确保及时发现问题并得到处理。

本高速公路隧道监控系统软件是采用C/S体系结构，基于实时性较好、可靠性较高的.NET平台完成的开发工作，逻辑处理系统和展示系统的开发采用的是主流C#语言，系统凭借MAPINFO可视化开发技术、面向结构软件设计开发模式、稳定数据实时传输等技术，从而保证了与底层控制设备能够进行稳定的数据通信。

本隧道监控系统借助高速以太网与现场PLC模块进行通信，并采用MODBUS和OPC通信协议，保证采集信息的准确性和及时性。

在系统扩展性上实现了与西门子、施耐德、ABB等几大主流PLC厂商设备之间的无切换延时连接，并对高速公路隧道内外实施全方位的现场监视，使管理人员在控制室内对所有监控场所内即将发生和所发生的重要事件了如指掌，并能迅速采取果断措施加以处理，提高了综合防范和安全管理能力，整个系统具有操作简单、控制可靠、扩展便利以及应用广泛等特点。

关键词：

隧道监控系统；数据库软件；PLC；应用广泛；

ABSTRACT

Inrecentyears,ourcountryhaveinvestedalotofdevelopmentfundsinthefieldofhigh-techinnovationtechniquessuchascomputerinformation,networkcommunication,whichmakeourcountrypresentatrendofrapiddevelopment,manyoftheinformationtechnologyachievementsplayahugeroleinapplicationofChina'sreformandopeningupengineeringconstructionproject.Similarly,fortheconstructionofhighwayinourcountry,especiallyinthetunnelmonitoringsystemofcomplexterrainenvironments,informationtechnologyoftunnelmonitoringsystemplayapivotalrole.Bytheapplicationofinformationtechnology,thecollectionandanalysiswayoftraditionalmonitoringdatafrombyhandintoartificialintelligence.Applicationofthetechnology,ontheonehand,cangreatlysavesmanpowerandmaterialresourcescost,ontheotherhand,canprovidetimely,reliable,effectivedatainformationforhighwaytunnelmonitoringstatus.

Atthebeginningofmonitoringsystemsoftwaredevelopment,onthebasisofthefullunderstandingoffundamentalsituationanduserneedsforShanxiLinfentoHoumasectionofDayunhighwaytunnel,combinedwiththeactualsituationtoselectthecorrespondingsystemplatform,analyzeandconceivecommunicationsystemsofnetworktransmissionscheme,andthen,preliminarydesignofthetunnelmonitoringsystemschemeinShanxiDayunExpresswayfromLinfentoHoumasection.Thefinalestablishmentofthemonitoringsystemtorealizeall-weatherimplementationofreal-timemonitoringoftraffic,ventilation,lighting,video,emergencycall,collection,statisticsandanalysisofoperationdatainformation,andprovideeffectivedatasupport,soastorealizetheeffectivemonitoringandmanagementofelectronicequipment,thesafetyofthetunnel,thetunnelenvironment,ensuretrafficsafetyinthetunnel,improvethetrafficmanagementefficiency,ensurethetimelydiscoveryandeventproblemtimelytreatment.

ThehighwaytunnelmonitoringsystemsoftwareuseC/Sstructure.Developmentworkisbasedon.NETplatformwhichisreal-timebetterandhigherreliability,logicprocessingsystemanddisplaysystemadopttheleadingdevelopmentlanguageC#R&ThesystemdependonMAPINFOgraphicstechnology,theobjectorientedsoftwaredesignanddevelopmentmode,thestabilityoftherealtimedataacquisitiontechnologytoensurethattheunderlyingcontroldeviceimplementstablecommunication.hetunnelcontrolsystemcommunicatebyfastEthernetandscenePLCmodule.WiththehelpofMODBUSandOPCcommunicationprotocoltoensuretheaccuracyandtimelinessofinformationcollection.Inthesystemscalability,itcompletenoswitchingdelayconnectionwithSchneider,ABBandotherseveralmajorPLCmanufacturersdevices,internalandexternalhighwaytunnelhasimplementedcomprehensiveon-sitemonitoring,Sothatmanagersareallwellawareoftheimportantupcomingeventsandwhathappenedinthecontrolroom,andtakeanddealwithpromptmeasures，Improvethecomprehensivepreventionandsecuritymanagementcapabilities.Thewholesystemhascharacteristicsofsimpleoperation,reliablecontrol,easyexpansion,andwidelyusedandsoon.

KEYWORDS：

tunnelmonitoringsystem;Databasesoftware;PLC;Wideapplication

序言

截至2014年10月下旬，当年新增高速公路里程8268公里，我国高速公路总里程已达到104468公里。

就2013年全国高速公里通车里程已达9.6万公里，已经超越了美国的9.2万公里，已经位居世界第一。

在高速公路建设中，桥梁隧道建设直把天堑变通途，在高速公路建设中发挥重大的作用。

目前我国的交通职能部门众多，地点也相对分散，高速公路特别是隧道的现场环境复杂，已俨然成为日常维护工作的主要障碍。

通过远程高速公路隧道监控中心或本地监控中心，可以实时对隧道里，隧道口，隧道之间以及隧道沿线环境的监控，这样统一监控可以大大减轻日常巡查人员的巡视工作量，同时也便于及时发现隧道里的危险隐患，更好地保障道路安全生产及运输。

因此，在我国信息化与网络化不断创新的大趋势下，设计研发实用功能强大的隧道监控系统是行之有效的工作，只有将通信系统、信息系统及监控系统三者相结合，才能切实有效的实现高速公路隧道全程监控智能的管理与控制，提高效率的同时又尽量避免发生事故以及及时的对事故进行处理，将损失最小化。

作为监控系统,要能够保证隧道内交通参数和隧道的环境等情况持续性和连贯性，其待检测数据的完整性和准确性要用于监控中心或者管理者根据实际情况来进行交通控制、交通管理。

1引言

本隧道监控系统实现的主要意义在于不断的采集待监控隧道内的交通的、环境的、实时图像传输的以及紧急电话和有线广播的救援等的相关信息，这些信息被系统及时的进行采集并充分利用，在系统的分析层面根据实际采集的交通实时图像等信息提供的资料来合理的指导交通流，并且为有效的控制和管理提供数据依据和支持。

最终系统能够实现实时的交通情况状态、实时动态协调和控制，保证交通流的稳定性、高速道路通行道路的畅通性和舒适便捷性能够最大限度的实现，在高速公路全程监控中尤其是在高速路段隧道内部的交通疏导状态、交通监控状态、隧道内部通风消防设备的监控、隧道内供电系统以及照明系统运行的状态进行一一的控制和监控，一切都是在监控中心和管理者的管理和控制中。

本论文从大运高速公路临汾至侯马段隧道监控系统目前的实际现状和其自身的特点着手分析，同时结合软件工程设计理念对比分析能满足高速隧道监控工作的软件系统，提出了本隧道监控系统的系统设计方案。

2绪论

本部分基于系统开发的背景出发，详细阐述了国内外研究现状以及该系统实现的理论与现实意义，最终发现了当前存在的相关问题，从而提出本系统的设计内容和研究思路。

2.1系统开发背景

山西大运高速公路主要由国家二广高速G55大同至太原段、国家京昆高速G5太原至侯马段以及山西侯平高速S75侯马至运城段三部分组成[1]。

在地理位置上穿越山西11个地市中的8个，纵贯山西南北。

是山西高速公路规划“三纵十二横十二环”中纵的核心，本系统涉及的大运高速公路中的临汾至侯马段是临汾市至侯马市主干线的重要组成部分，也是山西省规划的“安全交通”的一部分。

该项目位于山西省南部的临汾行署区域内，全长约48公里。

起点为祁县至临汾高速公路K177泊庄西南约1000m处，终点与侯马运城高速公路连接，沿途经过13个乡镇。

本隧道段位于临汾地区襄汾县和运城地区新绛县境内，全长约10公里（含被交道、匝道）。

大运高速公路侯马至运城段设计为双向六车道，路基宽度28m，最高行车速度120Km/h，平曲线最小半径1750m，最小坡长400m，最大纵坡2.8%，设计洪水频率为桥涵路基100年一遇。

路面设计年限内一个车道的累计当量轴次为1.19×107次，路面设计弯沉值为23.1（1/100mm）,设计标准轴载BZZ-100（重型标准）[2]。

大运高速临汾至侯马路段隧道路况的监控实现在各个隧道进行区域控制并统一汇总至监控中心。

在临汾—侯马路段隧道变电所设置无人监控站本地控制系统；并且在隧道内分区域设置现场区域控制设备，同时主线监控系统根据全线交通情况，对路段和隧道控制进行综合协调控制，接收隧道段监控系统的信息，并下发协调控制指令。

2.2国内外研究现状

我国的信息科技化建设晚于西方发达国家，一般采取传统的监测数据管理方法，传统的监测数据管理方法主要是借助数据电子表格等文件进行数据的简单存储，再次对数据电子表格里的数据，应用传统的数据回归分析、神经网络、时间序列分析法等数据分析法对数据文件里的数据进行过滤和分析，根据人工采集的隧道内部各种现场数据信息，经过人工分析再做出相应正确措施。

这种方式是最为传统的隧道监控数据处理和分析方式，这种过时的数据分析法监测数据的方式主要还是依靠人工的采集，目前传统方式主要依靠人工记录数据的存贮和数据的简单检索，需要人工定期到现场进行实际数据的采集的工作，这样在时效上肯定需要消耗大量的时间和人力[3]。

传统人工统计的方式的弊端直接导致采集数据达不到实时效果，无法真实的反应道路隧道的实际情况，难于做到快速、准确地获取监视信息并对信息进行及时、快速、分析和判断，达到快速化信息监控的目的。

但是截止今日在较发达的国家，隧道监控很早就借助信息化手段开发了计算机辅助监测系统，辅助的监控系统能够实现道路隧道数据远程采集、存储、挖掘和分析，并能及时根据采集数据提供预警调度机制。

可是国内外大多数隧道监控系统主要还是简单停留在数据的监测管理，还不能够完美地地道路隧道设备的精确定位，所以一旦监测到异常情况上，必须投入大量的人员和物力去进行道路隧道设备的逐一排除，造成了时间和人力的二次浪费[4]。

最近几年随着计算机及网络技术的飞速发展，特别是信息技术在多领域的创新和发展，于此同时也大大促进了隧道监控信息化建设的步伐。

隧道监控信息系统实现了在计算机硬件平台的支撑下对数据空间进行输入、存贮、检索查询、分析、建模、显示以及输出的完整计算机系统[4]。

具有基础数据实时采集、数据处理、空间分析和图形化交互显示等功能，尤其在空间上更直观地展现了图形位置和实时监测的展现，较好地实现了快速查询和分析，为用户正在提供了实时数据的可视化决策支撑[5]。

伴随直观的隧道监控信息系统的诞生以及现在各种主流应用系统的开发环境如.NET等，可以省去系统开发很多的基础功能开发，使得系统建立的周期缩短，节省了人力和物力，建设的系统更加高效、可靠。

但是目前仍存在一些不足之处，如开发周期比较长，开发成本比较高，应用系统开发人员素质和能力的要求也较高、系统实用性偏低等。

2.3设计思路

本论文的设计总思路如图1-1所示：

图1-1隧道监控系统设计思路

Figure1-1tunnelmonitoringsoftwaredesignideas

该系统利用最新的网络和通讯技术实现广河高速路上隧道交通路况的实时自动化监控。

通过监控中心远程采集分析隧道设备的运行状态，大大提供了数据的实时性和准确性，为隧道安全运行提供了有力的保证，在火灾等突发事件时能够快速、准确地定位隧道状况，远程采取应急预案，大大减轻隧道的损失。

根据软件工程的设计理念一般的系统的需求划分为两个层面，一个层面是功能性要求；另一层面是除功能性需求以为的要求及非功能性需求。

非功能性需求常常被轻视甚至被忽视，但非功能系统是一个重要方面。

其实，很大程度上影响产品功能需求定义的不仅仅是软件产品，非功能性要求的定义决定这产品的可操作性能，还在于界面的完美，也就是非功能性需求。

如果非功能性需求事先缺乏完整的分析和总结，结果往往是使产品延伸至中的非功能性需求中，甚至淹没了给用户带来的功能要求的价值。

所谓非功能性需求，是指满足用户业务需求而必须具有除功能需求以外的功能性要求。

在进行系统需求分析的过程中主要用到的工具是UML语言。

UML（UnifiedModelingLanguage的缩写）统一建模语言,是用来对软件密集系统进行可视化建模的一种语言。

从字面的意思看与英语、汉语、阿拉伯语等人类社会中采用的语言似乎是一个概念。

这种理解有一定的合理性，但是确不是UML的实质。

那么UML语言到底是什么呢？

必须从UML所构成的三个字母来仔细分析，U的意思是统一，之所以用到“统一”二字的原因是建模语言在没有统一之前有若干种，不同的开发机构都有自己标准的建模语言，在机构或组织内部用于软件开发生命周期的沟通，但是在机构或组织外部这种建模语言确不被人理解，这样就带来了众多的麻烦问题，外部人员并不理解本机构或组织建模的具体含义，这给沟通带来了极大的困难，后来为了更好的发挥建模语言的作用，由三大应用最广泛的建模语言的发明者共同推出了一个全新的建模语言，命名为统一建模语言。

M的意思是建模，也是UML的主要用途，建模的概念是指在系统没有实现之前先画一个蓝图，用蓝图来描述系统实现后所具有的功能。

UML的确是一种语言，这种语言是应用在软件开发过程中的，帮助软件开发相关人员进行沟通的一种语言。

2.4系统实现意义

截至2014年10月下旬，当年新增高速公路里程8268公里，我国高速公路总里程已达到104468公里。

就2013年全国高速公里通车里程已达9.6万公里，已经超越了美国的9.2万公里，已经位居世界第一。

在高速公路建设中，桥梁隧道建设直把天堑变通途，在高速公路建设中发挥重大的作用[6]。

目前我国的交通职能部门众多，地点也相对分散，高速公路特别是隧道的现场环境复杂，已俨然成为日常维护工作的主要障碍。

通过远程高速公路隧道监控中心或本地监控中心，可以实时对隧道里，隧道口，隧道之间以及隧道沿线环境的监控，这样统一监控可以大大减轻日常巡查人员的巡视工作量，同时也便于及时发现隧道里的危险隐患，更好地保障道路安全生产及运输。

因此，在我国信息化与网络化不断创新的大趋势下，设计研发实用功能强大的隧道监控系统是具有跨时代的意义，只有全面连通通信系统、信息系统及监控系统三者，才能切实有效的实现高速公路隧道全程监控智能的管理与控制，提高效率的同时又尽量避免发生事故以及及时的对事故进行处理，将损失最小化。

作为监控系统,要能够保证隧道内交通参数和隧道的环境等情况持续性和连贯性，而待检测数据的完整性和准确性要用于监控中心或者管理者根据实际情况来进行交通控制、交通管理。

实现隧道监控系统的主要意义是进行连续监测，收集相关信息在隧道交通环境，实时图像传输、紧急电话、有线广播和救援等的相关信息，这些信息被系统及时的进行采集并充分利用，在系统的分析层面根据实际采集的交通实时图像等信息提供的资料来合理的指导交通流，并且为有效的控制和管理提供数据依据和支持。

最终系统能够实现可以根据实时交通状况实现实时动态协调控制以确保稳定的流量、高速道路通行道路的畅通性和舒适便捷性能够最大限度的实现，在高速公路全程监控中尤其是在高速路段隧道内部的交通疏导状态、交通监控状态、隧道内部通风消防设备的监控、隧道内供电系统以及照明系统运行的状态进行一一的控制和监控，一切都是在监控中心和管理者的管理和控制中。

保障交通运行正常是监控系统的目的和终极目标，及时避免事故的发生，保障高速公路的畅通，同时安全性也是本对隧道监控系统的最终目标，大大降低事故发生的概率，同时将国家的损失和个人的经济损失降到了最低点，对高速公路尤其是隧道路段的畅通性和舒适性以及安全性进行了最大幅度的提高。

以上种种的描述都是为什么要建设高速公路隧道监控系统，说明高速隧道监控系统需要保证道路安全畅通，要求异常时的事故或道路行驶工况发生的时候，能够第一时间发现，及时的做出反应，并且在第一时间给调度者提出相应的应对措施。

甚至同时可以在同一时间和公路，交通警察，消防，维修，医院部门协调联合救援，及时排除故障和救援，预防二次事故的发生，在最短时间内解决道路问题，恢复交通的畅通。

监控系统在设计初期要求多方面综合考虑控制和管理，当在个别子系统或设备发生故障时,不能及时反应或者完成功能,要最小程度的不影响正常的系统运行,要及时的补偿设备功能发挥,然后及时修复[7]。

多方面综合考虑,并且将各个方面的系统紧密的有机地结合在一起,取长补短,优势互补。

可检测和控制的设备是匹配的,系统的信息搜集和传播是相互协调的,预案和设备储备量应该适应交通流量,要有持续、有目的、一致性的进行管理和监督。

高速隧道监控系统在操作上要尽量符合工作人员的基本操作习惯，最终做到人机界面友好，高速公路隧道监控系统要做到初上岗的人员经过简单的培训和指导也能够利用相关设备和操作界面做出反应，来操作甚至逃生。

道路的建设运营成本是很高的，我们隧道的监控设备较多，系统要能够做到对现场的诸多设备进行实时监控和控制，如此做法最终来保障道路的通畅，降低交通和意外事故的发生，缩减紧急救援的时间，快速的恢复交通疏导情况下，减少增加风机照明等设备的负担，进而降低能源的消耗，节约运营成本，达到运营管理的智能化有序化。

2.5小结

本章论述了本研究课题的背景、国内外该课题的研究现状，系统实现的意义，存在的不足或有待深入研究的问题，归纳出最终的研究内容和系统设计思路。

3系统相关技术简介

3.1数据库技术

几乎所有在Internet上看到的Web应用程序都需要访问数据库。

而数据库则是用于存储各种信息，例如客户信息、订单信息、产品信息甚至论坛的讨论信息，从这里可以看到所有需要在服务器重启时仍然不会丢失、又复杂到不能用纯文本文件进行处理的信息。

目前，有许多种数据库在信息化系统中发挥着重要的作用。

然而在众多数据库中，关系数据库是最常用的。

关系数据库引擎有着各种各样的形式和大小，从简单的、功能有限的个人数据库到复杂的、能够处理大量当前用户信息的数据库，这些复杂的数据库支持将事务分布到多个服务器上，并能够对搜索算法进行极大的优化。

尽量他们都支持SQL作为数据库访问语言，但每个数据库引擎执行SQL语句中的API是不同的。

为了帮助开发人员编写不同的数据库引擎的通用代码，标准的JSP库内包含了一个API即JDBC。

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