公路隧道環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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摘要：針對(duì)公路隧道通風(fēng)數(shù)據(jù)采集量大、人工工作強(qiáng)度大的問題，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套公路隧道環(huán)境監(jiān)測及控制系統(tǒng)。為了方便實(shí)時(shí)查看隧道內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)信息和控制操作變量，開發(fā)了遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)操作軟件。通過登錄電腦客戶端，用戶可以隨時(shí)查看公路隧道內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，如空氣溫度、風(fēng)速、濕度和氣壓等，并對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行操作控制。論文構(gòu)建的環(huán)境監(jiān)測及控制系統(tǒng)將溫濕度等傳感器、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、終端等相結(jié)合，采集公路隧道環(huán)境參數(shù)并對(duì)其進(jìn)行控制，對(duì)公路隧道節(jié)能、智能運(yùn)營具有重要的建設(shè)意義。
關(guān)鍵詞：監(jiān)控；數(shù)據(jù)采集；公路隧道運(yùn)營；物聯(lián)網(wǎng)；光端機(jī)；傳感器
引言
隨著我國交通建設(shè)的不斷推進(jìn)，長隧道以及特長隧道的數(shù)量不斷增多。隧道內(nèi)交通量增多，隧道污染物濃度也隨之逐年增加，傳統(tǒng)的隧道運(yùn)營控制方式已難以滿足需求。為了節(jié)約運(yùn)營成本就必須對(duì)隧道內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)隧道智能運(yùn)營控制。此外，公路隧道環(huán)境參數(shù)的采集與處理事關(guān)隧道安全運(yùn)營，在實(shí)現(xiàn)隧道智能交通運(yùn)輸以及保障行車安全等方面發(fā)揮著重要作用。因此，設(shè)計(jì)合理有效的隧道環(huán)境參數(shù)采集方案，研發(fā)隧道環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)至關(guān)重要[1-5]。當(dāng)前，計(jì)算機(jī)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于隧道工程領(lǐng)域，意在實(shí)現(xiàn)隧道建設(shè)以及運(yùn)營的智能化。本系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)與智能運(yùn)營聯(lián)系起來，由設(shè)置在隧道各處的傳感器采集隧道內(nèi)外環(huán)境參數(shù)，并通過有線或無線網(wǎng)對(duì)所采集數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器，由數(shù)據(jù)庫對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，方便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以及調(diào)用[6-9]。在系統(tǒng)監(jiān)測過程中，傳感器采集的數(shù)據(jù)會(huì)不斷上傳至數(shù)據(jù)庫。隧道運(yùn)營管理部門在查看數(shù)據(jù)時(shí)可以手動(dòng)設(shè)置查看條件，根據(jù)參數(shù)設(shè)置對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，同時(shí)系統(tǒng)可以自動(dòng)生成折線圖，方便直觀觀察，并且可以隨時(shí)通過電腦終端查看，無需長時(shí)間值守于隧道內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了勞動(dòng)力的解放。本文基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)構(gòu)建了公路隧道環(huán)境監(jiān)測及控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以在近期進(jìn)行科學(xué)研究并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的收集，在遠(yuǎn)期可作為隧道運(yùn)營的監(jiān)控設(shè)施，方便進(jìn)行隧道管理與通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)閥的控制。隧道運(yùn)營管理部門可以實(shí)時(shí)對(duì)隧道環(huán)境參數(shù)進(jìn)行查看，對(duì)隧道內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并為隧道管理提供決策服務(wù)，節(jié)約能源。
基于物聯(lián)網(wǎng)的公路隧道環(huán)境監(jiān)測及控制系統(tǒng)能夠方便用戶隨時(shí)了解隧道內(nèi)的環(huán)境參數(shù)信息，只需登錄電腦客戶端，系統(tǒng)就可以與服務(wù)器對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫連接。數(shù)據(jù)庫的管理系統(tǒng)可以根據(jù)操作者的需求對(duì)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，最終只顯示操作者需要的數(shù)據(jù)。通過電腦終端就可以實(shí)時(shí)了解隧道內(nèi)的各種環(huán)境參數(shù)，同時(shí)也可以設(shè)定時(shí)間間隔。此外，系統(tǒng)還可以查找隧道內(nèi)的歷史環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成歷史數(shù)據(jù)折線圖，方便隧道運(yùn)營部門等操作者直觀查看。通過對(duì)隧道內(nèi)各種環(huán)境參數(shù)信息的監(jiān)測以及控制，可以對(duì)隧道內(nèi)的通風(fēng)機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行分狀態(tài)的智能控制，以實(shí)現(xiàn)隧道運(yùn)營智能化、節(jié)能化[10]。通過登錄計(jì)算機(jī)客戶端，用戶即可進(jìn)入系統(tǒng)。公路隧道環(huán)境監(jiān)測及控制系統(tǒng)由上位機(jī)系統(tǒng)和分散在隧道各監(jiān)測點(diǎn)的總線式數(shù)據(jù)集中采集系統(tǒng)組成。分散在隧道各監(jiān)測點(diǎn)的總線式數(shù)據(jù)集中采集系統(tǒng)采用光纜傳輸方式，將總線式數(shù)據(jù)集中采集儀采集的風(fēng)速變送器、風(fēng)向變送器、氣溫變送器、壓力變送器的數(shù)字信號(hào)通過光端機(jī)及交換機(jī)傳送至隧道遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。為了減少變送器與光端機(jī)主線之間的接口數(shù)量，各變送器采用相同總線方式傳輸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。為滿足整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行，數(shù)據(jù)庫、光端機(jī)以及傳感器之間可以采用主干網(wǎng)絡(luò)和子網(wǎng)絡(luò)、有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式。主干網(wǎng)絡(luò)可由光纖傳輸?shù)葌鬏斔俣容^快、可靠性較高的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，保證信息向上或者向下傳輸；子網(wǎng)絡(luò)可采用ZigBee等無線傳感網(wǎng)絡(luò)，用于光端機(jī)之間的信息交換，最后統(tǒng)一于有線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信息傳送以及整個(gè)系統(tǒng)的信息存儲(chǔ)、計(jì)算以及控制?；緜鬏斶\(yùn)行機(jī)制如圖2所示。
2系統(tǒng)功能模塊
本論文設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以分成6個(gè)功能模塊，分別為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、可視化模塊以及智能控制模塊。系統(tǒng)模塊如圖3所示。基于物聯(lián)網(wǎng)的公路隧道環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中每個(gè)模塊的主要功能如下：（1）數(shù)據(jù)采集模塊：實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)環(huán)境包括風(fēng)速、風(fēng)壓、溫度以及濕度等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；（2）數(shù)據(jù)傳輸模塊：將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)庫以及控制指令等信息的有效發(fā)送；（3）數(shù)據(jù)管理模塊：實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、調(diào)用等；（4）數(shù)據(jù)處理模塊：系統(tǒng)可以根據(jù)操作者的需求對(duì)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，顯示所需數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以用折線圖的方式顯示歷史數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)變化的歷史規(guī)律，方便用戶分析；（5）可視化模塊：系統(tǒng)通過主界面可以顯示隧道內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，例如風(fēng)速、風(fēng)向、溫度等，此外，系統(tǒng)在顯示界面也可以實(shí)現(xiàn)傳感器在隧道內(nèi)放置位置的顯示，方便用戶根據(jù)傳感器的位置對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選；（6）智能控制模塊：系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制以及對(duì)數(shù)據(jù)采集傳感器狀態(tài)的控制等。
3系統(tǒng)運(yùn)行
圖4所示為公路隧道環(huán)境監(jiān)測及控制系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用效果展示界面。主界面主要包括3部分，分別為監(jiān)測裝置放置部分、數(shù)據(jù)展示部分以及用戶操作部分。監(jiān)測裝置放置部位圖在圖4左側(cè)，顯示了各種數(shù)據(jù)采集傳感器監(jiān)測點(diǎn)在隧道主洞以及附屬設(shè)施上的布置位置。數(shù)據(jù)展示部分在圖4右側(cè)上部，顯示了各監(jiān)測點(diǎn)上的數(shù)據(jù)采集情況，包括風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度以及氣壓。用戶操作部分在圖4右側(cè)下部，主要包括數(shù)據(jù)篩選、圖形展示以及控制功能。其中數(shù)據(jù)篩選功能和圖形展示功能可以相互引用，主要區(qū)別是進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選時(shí)參數(shù)條件選擇的不同。數(shù)據(jù)篩選功能主要根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，圖形展示功能主要根據(jù)時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，既可以先篩選數(shù)據(jù)再進(jìn)行圖形展示，也可以在圖形展示功能中根據(jù)時(shí)間參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選。
4結(jié)語
本文設(shè)計(jì)了公路隧道環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測及控制系統(tǒng)，通過傳感器監(jiān)測點(diǎn)實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，再通過光纖將所采集數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)隧道環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)信息采集，控制模塊可以篩選監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)、顯示歷史數(shù)據(jù)以及對(duì)監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行控制，后期可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)等通風(fēng)機(jī)電設(shè)備的控制，實(shí)現(xiàn)公路隧道運(yùn)營的智能化、信息化。該系統(tǒng)的建成可為隧道運(yùn)營決策提供數(shù)據(jù)支撐服務(wù)，極大程度節(jié)約運(yùn)營成本。同時(shí)，該系統(tǒng)研發(fā)與利用可為同類型工程運(yùn)營質(zhì)量提升提供參考，符合國家資源節(jié)約型社會(huì)建設(shè)的政策，對(duì)我國公路隧道節(jié)能智慧運(yùn)營有一定借鑒意義。
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作者：郭大偉 鄭晅 李雪 單位：長安大學(xué)
