高速公路隧道照明监控系统的研究Word格式文档下载.docx
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沈大高速公路改建工程中的金州隧道，单向四车道行车，单洞开挖宽度23m，是亚洲最宽的公路隧道。
可以毫不夸张的说，目前我国公路隧道发展已进入全盛时期。
新世纪我国已经进入第十一个五年计划的建设时期，加强基础设施建设是今后五至十年一项十分重要的任务。
随着高等级公路向西部延伸，新世纪前10年中，有总长155km以上的公路隧道已经投入建设。
其中西安至安康高速公路上穿越秦岭山脉的秦岭终南山特长公路隧道，全长18.02km属世界规模第一、长度第一的山岭公路隧道；
西安至汉中高速公路上穿越秦岭山脉的三座特长隧道单洞总长34km,整个西汉高速公路隧道单洞总长度约100km；
上海崇明岛和武汉的长江上将建设大型过江通道工程。
为此可以说我国的高速公路隧道已经进入又一个新的发展时期。
1.1.2研究意义
随着基础设施的大力发展，尤其是公路交通及城市化建设步伐的加快，公路隧道数量越来越多，其中，长大隧道的数量也在不断增加。
今后，随着我国建设事业的需要和国民经济实力的增强，长大隧道甚至超长隧道的建设将会更多。
随着隧道的建设发展，对传统的隧道提出了越来越多的要求，新的技术手段如管理监控系统，火灾报警系统等不断的被应用到隧道的建设中。
而这些先进手段的应用大大的提高了隧道的可维护性和安全性。
目前国内很多隧道都配备了隧道监控系统。
隧道监控系统能及时的采集路段内的各种信息，充分的利用隧道资源处理各种突发事件。
极大的提高运营效率、保障交通安全、改善环境质量和提高能源利用率。
公路隧道监控系统能够通过采集隧道内的各种信息获取隧道的运行状态，并对其采集的数据进行分析、判断、决策，根据分析的结果采取相应的控制措施、减少事故的发生率，保障隧道内车辆的平稳、安全运行。
隧道监控系统的关键是集中的管理和监控，隧道监控系统是一个比较复杂的集成系统，由隧道通风系统、隧道照明系统、隧道消防系统、隧道供配电系统、应急电源系统等组成。
隧道监控管理系统对各个系统进行综合，协调各个系统的顺利运行，并对各个系统中出现的紧急情况，进行处理，并可以人为的干预各个系统的运行，重新设计运行参数等。
一个优秀的隧道监控管理系统，可以提高隧道营运的科学管理水平，增强各个部门对于隧道内异常事件的处理能力，保证隧道营运的高效、节能，大大的降低运营成本，综合提高整个隧道运行的经济效益和社会效益。
1.2国内外隧道监控发展状况
隧道监控系统发展到今天已经经历了一段比较长的时期，其技术的成熟度也越来越高。
特别是随着计算机技术以及工业控制技术的发展，隧道监控系统正在不断的完善和发展。
1.2.1国外隧道监控发展状况
国外比较先进的隧道监控系统一般都具有以下特点:
①通风系统可以根据隧道内设置的CO等探测仪检测的空气污染程度自动调节通风量。
②隧道两端入口设有交通信号灯，洞内发生事故或火灾自动或人工点亮红灯，禁止洞外车辆进入洞内。
在小转弯点和回车道处设有交通信号灯和转弯标志，可自动或人工分段点亮。
③隧道照明系统的设计中突出节能和自然设计，比如在车辆经过大型的车道时，司乘人员有一种进洞再出洞的感觉。
④每隔一定的长度设有报警箱，箱内灭火器底座自动连接至自动报警系统，洞内发生火灾时，若有人移动灭火器，报警信息自动传至监控室。
同时各种新型的报警器也被广泛应用。
⑤隧道的两端入口都设有摄像机，对出入隧道车辆进行拍摄并记录。
若有车辆未按时出洞，系统将保留该车记录，并自动调出该车图像，同时向监控人员报警。
有些隧道采用的是多段多摄像头多角度监控系统。
⑥在主要路段设置可变情报板，可以时刻对洞内情况进行通报。
1.2.2国内隧道监控发展状况
在国内，近年来随着交通的发展，隧道监控系统也采用了大量先进的技术，监控水平和运营经济性得到了很大的提高，但就目前而言，国内隧道监控系统还存在以下的一些问题：
①隧道监控系统缺乏专门的设计规范，设计者参考隧道通风照明系统设计规范进行设计，对系统规模、外场设备布置缺乏系统的研究，隧道监控系统配置不科学，造成隧道监控系统造价偏高。
②缺乏对隧道监控系统功能需求进行系统研究，对系统可靠性要求、环境设备要求缺乏研究。
造成隧道的监控系统功能不完善、可靠性低，系统经常处于半失效状态。
有些隧道控制系统的自动控制功能丧失，系统经常处于远程手动状态。
③大多数隧道采用的集散式布线复杂、施工困难、维修养护不便、可靠性差、效率低、管线长、投资高。
④监控系统智能化水平较低，通风控制仅以浓度与能见度为控制参数，没有考虑交通状态。
④设备运转平衡及节能问题考虑不足，增加了隧道运营费用，增加了设备维护难度。
⑤火灾报警系统效果不理想，很多隧道运营不久系统就处于瘫痪状态，一些隧道已拆除既有的火灾报警系统，更新为感温光纤火灾报警系统。
公路隧道的蓬勃发展，必然带动隧道工程相关技术的飞速进步，特别是隧道自动检测和环境保护技术，而照明控制技术就是其中之一。
下图1－1为高速公路隧道监控系统的组成部分：
图1－1隧道监控系统
隧道作为高等级公路的特殊路段，当车辆在驶入、通过和驶出隧道的过程中，会出现一系列的视觉问题，为适应视觉的变化，当汽车驾驶员驶车进入隧道入口时，在白天，突然面对一个亮度相对很低的光环境入口，视觉需要尽快调整以适应光环境由明到暗的变化，会出现“黑洞效应”；
在驶出隧道时情况正好相反，面对一个白亮的洞口视觉需要尽快调整以适应光环境由暗到明的变化，会出现“白洞效应”；
在夜晚，同样需要清楚地看到前方路况。
因此需在隧道内设置附加电光照明。
需采用自动控制系统使洞内亮度随洞外亮度完全同步变化，以消除司机的“暗适应”与“明适应”的视觉问题，并且最大限度的节省能源。
我们研究的高速公路隧道照明监控技术就是为完成这项功能进行的技术探索，研究一系列可行的控制方案以使照明满足规范要求的控制技术，为高速公路隧道的运营管理提供方便，在节约运营成本的同时为司机创造良好的行车安全条件。
下图1-2为某隧道的照明图。
图1－2某隧道照明图
1.3照明控制的必要性
隧道是一种特殊的管状构造物，车辆进入隧道的过程是一个从明亮进入黑洞，又从黑洞走向明亮的过程。
人眼在明暗交替变化的过程中，明暗度变化太大、变化过程时间太短，人眼的视觉功能不能立即适应，特别是由明到暗的变化过程，需要有一个适应的过渡期。
隧道外天空晴朗，车辆高速驶入隧道内，洞内外的明暗差别很大时，在进入隧道内往往会产生“黑洞效应”，快速驶出时又容易产生“白洞”效应，驾车人看不清路面上的交通情况，极易发生交通事故。
因此，如何在隧道内各段采用不同强度的照明来改善隧道内的光照及其分布，创造洞内良好的工作视觉环境，确保在白天和夜间行驶的车辆以设计速度能够安全地接近、穿越和通过隧道，预防隧道内交通事故的发生，保证隧道的正常运营，就是隧道照明控制系统要解决的问题。
同时隧道照明也是隧道运营费用中最大的日常开支项目之一，安全、舒适又经济节能的照明技术也是研究的目标。
1.4本章小结
课题来源于工程项目，探讨实际隧道的控制要求，从而组建控制系统。
本章从课题研究背景入手介绍了现在高速公路隧道的发展状况以及国内外隧道监控系统的发展状况，最后着重论述了隧道照明监控系统的发展状况和隧道照明系统的控制要求。
1.5本文主要工作
本文主要的工作：
1.探讨了现行的关于高速公路隧道照明的几种方案。
手动控制、分时段进行的时序控制方式和根据洞内外的亮度值自动控制照明回路的全自动控制三种方式以及他们的优缺点。
2.主要详细分析了人工手动控制和分段时序两种隧道照明控制方案。
3.详细分析了西门子PLCS7－200系列，根据高速公路隧道照明控制要求分析和选择了本系统所采用的PLC。
4.针对手动控制和分段时序控制方案设计了基于PLC的硬件与软件系统。
第2章基于PLC隧道照明监控系统的硬件设计
2.1系统控制要求
2.1.1隧道照明控制方式
隧道内的照明控制是根据隧道照明设计中所确定的照明区段、不同时段不同气候条件下的照明要求，控制各个照明回路的开关，从而达到既满足隧道的照明亮度要求，又节省能源的目的，其控制方式大致分为手动控制、分时段进行的时序控制方式和根据洞内外的亮度值自动控制照明回路的全自动控制方式三种。
手动控制方式主要由人工根据不同的时段及天气情况而开关不同的照明配电回路：
分段时序控制方式是根据一天中不同的时段而开启（闭合）相应的照明回路；
隧道照明的自动控制方式则是利用光强检测器分别采集隧道内外的亮度参数，经过对比处理后，由计算机系统自动控制各个照明回路的开关，使洞内的照明亮度与外界自然光的亮度相适应。
如下图2－1为隧道的分段照明间断梯度图。
2－1照明间断梯度图
2.1.2人工手动控制
隧道发展建设初期，由于技术的限制，对于隧道的照明运营一般设置统一的控制柜，由专人负责管理，根据不同的时间由工人决定灯具的开关数量。
这种运营方式不仅控制的精度不够高，而且提高了运营成本，特别是在一些偏远的隧道，建设控制房已是不易，专员负责更加不可能，为达到照明要求，只能整天开启大量灯具，这样一来不仅浪费了大量能源、提高了隧道运营成本，而且固定照明带来的效果也相当不好，给交通事故带来了巨大隐患。
人工手动控制可以分为单回路控制和多回路控制，单回路控制是监控人员可以控制每一个照明回路的开和关，多回路控制是把照明分为多个不同的等级，每一组开和关是一组回路，监控人员可以根据不同的实际情况开启和关闭隧道内每一个照明回路。
此类照明控制一般分为下面五级照明控制模式，分别为“晴天”、“多云”、“阴天”、“夜间”和“更夜”。
每一级模式以及其对应的照明器如下所示：
晴天：
A+B+C+D+E
多云：
A+B+C+D
阴天：
A+B+C
夜间：
A+B+L
更夜：
（A或B）+L
其中A、B、C、D、E、L分别是不同的照明器，其对应关系如下表2－1所示：
表2－1照明器对应表
照明器
备注
A
基本照明
B
C
加强照明覆盖全部
D
加强照明覆盖引入段和过渡段
E
加强照明覆盖引入段
L
隧道路灯照明
相较于单回路控制，多回路控制的操作更简单方便，监控人员可根据日常状况下人们对天气的认知，提交不同的照明模式。
监控人员可根据不同的天气和时间状况开启或关闭隧道内的一组照明回路。
其中，“夜间”照明模式一般适用于从天黑至凌晨的时间段内，此时只开启基本照明回路和路灯照明回路，路灯的开启同样是为了降低隧道洞口内外的亮度变化速率，防止交通事故的发生。
“更夜”照明模式适用于从凌晨至天明的时间段内，此时除开启路灯之外，还须开启某一类基本照明回路，如A类照明器构成的回路或B类照明器构成的回路。
为了延长照明器的使用寿命，可以将A类照明回路和B类照明回路更替
使用，以防止长期只使用某一类照明器而导致其使用寿命的缩短。
对于单回路
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