公路隧道机电系统技术

公路隧道机电系统技术

1 系统构成与特点

1.1 系统构成

公路隧道机电系统一般由通风系统、照明系统、监控系统、消防系统和供配电系统5部分组成,其中,监控系统又可分为以下10个子系统:

交通与环境信息检测系统:包括VI、CO、照度、交通参数等检测设备,为交通控制、通风控制、照明控制提供依据。

闭路电视监视系统:用于监视隧道的交通状态,确认是否有阻塞、事故、火灾等异常发生。

通风、照明及横通道(短隧道无)控制系统:包括风机、通风控制器、灯具及其控制设备等,用于为道路使用者提供满足规范要求的环境条件及火灾与交通阻塞时交通组织。

交通控制与诱导系统:包括车道指示器、交通信号灯、可变限速标志、可变情报板等,通过这些外场控制设施,实现交通流诱导与阻塞排除。

火灾自动报警系统:包括手动火灾报警与自动火灾报警,用于探测火灾以便及时采取措施救援。

有线(无线)通讯系统:用于隧道信息检测设施、控制设施、信息提供设施等之间的通信。

广播系统:包括有线广播与无线广播,用于交通信息发布、事故或火灾时现场管理等。

紧急电话系统:用于提供异常交通、火灾等语音信息。

救援系统:包括消防车、救护车、故障排除车、巡逻车等,用于交通管理与救援。

中央控制系统:包括监控计算机、通讯计算机、监视器、大屏幕投影(或模拟地图板)等,用于中央调度、控制、管理。

1.2 系统特点

与高速公路路段机电系统相比,公路隧道机电系统具有以下特点:

(1) 环境特点

①车辆排放的废气、自身携带的尘土及卷起的尘埃,往往不能很快扩散、消失;

②山体丰富的淅沥水和洞内外温差的作用,使隧道内湿度较大;

③自身处于半封闭状态,车辆通过隧道时洞内震动较大。

(2) 设施特点

①由隧道机电系统构成可知,设施种类繁多;

②设备数量多,如照明灯具、摄像机等;

③设备价格高,投资大,如能见度仪、照度仪、通风、照明设施等;

④环境条件差,对设备环境性能要求高;

⑤许多设备国内无成熟定型产品,依赖进口。

(3) 运营特点

①管理费用,特别是通风与照明的运营费用高;

②运营维护工作量大;

③易发生事故,事故危害大;

④被控设施多,控制方案复杂;

⑤发生火灾或交通阻塞时疏导与救援困难。

综上所述,隧道系统与路段机电系统相比,因涉及更多的因素而更为复杂、要求更高。因此,在隧道营运管理系统的设计过程中需根据隧道的土建规模、分期实施方案、投资情况以及预测的前期交通量和交通量的增长情况,对各个子系统及设备的配置从其实用性、经济性、可靠性、可维护性等诸方面进行比较,分析它们的功能、作用、使用效果和操作维护的方便性以及其投资和营运费用,从而确定营运管理系统的规模、系统配置和设备数量。在进行隧道营运管理系统总体方案设计时,需认真考虑各个子系统功能的互补性,并分析它们在作用上的重叠性,处理好前期工程中系统的实用可靠性和后期系统的完整性先进性的关系,使隧道营运管理系统在投资费用、经济效益方面符合我国的经济发展水平,不超出业主的承

受能力,在技术功能上既能兼顾前期管理需要又适合将来的升级扩展。

2 发展现状

我国公路隧道机电系统的现状可从科研、设计、运营及标准化4个方面进行分析。

(1) 从科研来看,随着山区高速公路的建设,交通部和当地建设单位都加强了隧道机电系统关键技术的研究,并取得了良好的工程效果,如已完成的《大溪- 湖雾岭隧道送排式纵向通风模型试验研究》和《送排式纵向通风、照明技术研究及其控制系统开发》课题节约工程投资上千万元,《福建美菰林通风与照明技术研究》课题可节约照明运营费用30%以上。目前在研的项目主要有秦岭终南山特长公路隧道(世界第二长)、湖南雪峰山特长公路隧道“监控技术研究”、“通风技术研究”、“防灾技术研究”(交通部西部项目)、“公路隧道消防技术研究”(重庆市科委项目)及国内最长的水下隧道“厦门东通道通风与防灾技术研究”等课题。

(2) 从设计来看,在控制模式上,当前有2种控制模式,一种是适用于短隧道的集散式控制模式,另一种是适用于长隧道的分布式现场总线控制模式。前者布线复杂,造价较高,由中控室对现场设施进行控制与管理,后者施工方便,不但造价较低,而且可靠性较高,其又可分为全分布式现场总线控制和集中式现场总线控制。全分布式现场总线控制模式,中控室对现场设施不直接进行控制,由现场各种设施的控制器进行控制;集中式现场总线控制模式,所有信息都必须经主控制器送交主中控室再分经主控制器由现场控制器控制。应用的现场总线主要有Modbus、ROFIBUS、ControlNet,采用Modbus的主要有靠椅山隧道(左线: 2981m,右线: 2955m) 、大宝山隧道(左线 1 585 m,右线 1 565 m)、宝林山隧道(左线 975 m, 右线1004 m)、上海外环线隧道(长2880m)、南京玄武湖隧道(长 2 660 m)、华蓥山隧道(左线:4705.95m ,右线: 4704m)、宁波甬江常洪越江隧道(长 1 262 m)、莲花山隧道(长 2 902

m)、西湖湖底隧道(西线 1 265 m,东线 1 233 m)等,采用ROFI2BUS的主要有山西雁门关隧道(长 5.6 km)、厦门仙岳山隧道(长 2 km)及重庆上界高速公路、云南太保高速公路、福建罗长与漳沼高速公路上的隧道,采用ControlNet的有青海马平隧道、上海大连路隧道和福建漳龙隧道。在各子系统设计方面,交通信息检测主要采用环形线圈检测器,视频检测器也正在逐步推广使用,火灾自动检测主要有热敏合金线、感温电缆、火焰探测器和光纤火灾探测器等方式,其它子系统变化不大。

(3) 从运营来看,作者曾对 17座隧道的运营情况进行过调查,最可靠的系统是闭路电视监视系统、紧急电话系统。有线广播系统虽然可靠,但回音太大,听不清楚;交通控制系统目前大多数隧道依赖手控,出问题最多的是火灾自动报警系统和环境检测系统,由于防雷、接地不好造成的设备损坏现象也比较严重。

(4) 从标准化来看,国家、交通部、公安部已颁布实施了与公路隧道机电系统相关的《公路隧道通风照明设计规范》、《高速公路隧道监控系统模式》、《火灾自动报警系统设计规范》、《火灾自动报警系统施工及验收规范》、《公路通讯技术要求及设备配置总则》、《高等级公路紧急电话和技术要求》等,这些年交通部公路司、科技司进一步加强了标准与规范的编制和修订工作,《公路隧道交通工程设计规范》、《公路隧道环境检测设施技术条件》、《公路隧道照明设施技术条件》、《公路隧道火灾报警系统技术条件》、《公路隧道区域控制器技术条件》等标准与规范也即将实施,隧道机电系统标准与规范正在逐步完善。

3 存在的主要问题

公路隧道机电系统主要存在4个方面的问题。

(1) 标准化、规范化

目前,适应隧道环境条件的机电标准还缺很多。应建立隧道机电的标准体系,其应包括5个方面的内容。在设计方面,应解决设计方法、设计规模的问题,既避免功能不足,也避免功能过剩;在产品方面,补充、完善公路隧道机电设备技术要求或产品指南,既满足工程招标的需要,又可使产品逐步标准化、通用化;在施工方面,制订施工规程规范;在质量把关方面,制订公路隧道机电系统验收规范,关键单位工程抽检率应大于100%;此外,还应制订机电系统的养护规范,提高设备使用寿命与养护管理水平。

(2) 系统设计

主要存在3个方面的问题。第1,设计方法问题。目前公路隧道机电系统设计规范还不完善,应编制监控系统、消防系统、供配电系统等设计规范,引入机电系统可靠性设计理念,合理确定系统设备性能指标,采用功能设计方法,使性能价格比最优;第2,系统规模问题。应根据隧道长度、交通量、事故概率、火灾概率确定系统规模,而不是仅考虑隧道长度与交通量;第3,新技术应用问题。大多数设计单位不太喜欢采用新技术,既麻烦,设计费又不增加,而业主也是慎之又慎的态度,不利于技术进步。

(3) 技术创新

主要表现在通风、监控、防灾3个方面。

①通风技术

主要存在3个方面的问题。其一是通风设计的理念与设计参数的合理取值问题,由于缺乏可靠性研究及对汽车工业发展趋势的认识不一致,使得通风参数取值、需风量及系统规模差异很大;其二是通风方式问题,目前以纵向式通风为主,随着特长公路隧道建设的增多,需要

对于多单元通风、组合式通风等进行研究;其三是方案决策问题,如何兼顾正常运营通风与火灾时通风的需求、如何平衡可靠性与经济性之间的矛盾、如何确定分期实施方案,都需要将定性评价与定量评价相结合,探讨定性指标量化方法与评价决策方法。

②监控技术

主要存在3个问题。其一是网络结构问题,目前应用的既有对等式结构,也有主从式结构,只能有1个更适合于公路隧道机电系统,设计者的认识不一致;其二是设施布置问题,特别是环境检测设施的布置,是采用按火灾分区进行分段布设,兼顾正常工况与火灾工况环境检测的需求,还是以正常工况为主,检测污染浓度极值点(最大点与最小点) ,意见不统一,事实上是设计者对主要因素的看法不同,前者认为火灾工况通风是应考虑的主要问题,车辆通过污染浓度极值点是一个瞬间,规范中规定的 CO最大浓度允许持续 20 min,是次要因素,均匀布设既可以得到隧道的平均浓度,又可以兼顾火灾工况通风控制的需求,后者认为通风控制的依据是COPVI,故应检测极值点;其三,智能化水平低,交通运营状态依赖于闭路电视监视,既不能依据交通信息进行车辆状态自动判别与报警,也不能预先诱导、控制交通流,减少阻塞的发生,通风控制仅依据于COPVI的检测值,超限则开风机,不能作到预控,在 COPVI检测设施发生故障时没有补救措施,照明控制按照天气和时间段进行分级控制,不能作到任意一盏灯都进行控制,特别是隧道运营的最初几年,由于设计时考虑了光通亮随着时间衰减,故隧道初期很亮,从而增加了照明费用,加大了运营成本。

③防灾技术

主要存在2个问题。其一是火灾与阻塞时的交通组织与诱导研究不够,如发生交通阻塞,堵塞一个车道、堵塞两个车道等工况如何疏导交通,发生火灾时车行横通道门开哪一个或哪几个疏散时间既最短又最安全,不会再次发生事故;其二是预防措施不力,天气预报有穿衣指

数,而隧道管理不能根据实时交通状态、事故频率与特点为道路使用者提供安全指数与畅通指数,对装载危险品的车辆,从检查到管理措施都需要加强。

(4) 设备选型

主要存在3个问题。其一,性能指标设计文件和招标书难以完全量化,承包商对选国外产品、合资产品、国产产品无所适从,投标价五花八门,造成不平等竞争;其二,忽略了系统与产品的关系,单个产品合格,不等于集成系统后合格,如照明灯具,单盏灯可能是合格的,但安装在隧道里则不一定能达到规范中纵向、横向均匀度的要求;其三,在新设备应用方面,即使是好的产品,大多数业主都有看一看的想法,影响了隧道机电水平提高进程,事实上只要产品合格,在实体隧道测试通过,就可选用。

4 发展趋势

公路隧道机电主要是为了进行控制,防患于未然,其关键是解决控制网络模式与提高控制软件智能化水平。应用网络技术是控制发展的必然趋势。能够适应未来发展需要的自动控制网络技术应具有开放性、互操作性、通信介质不受限制、操作系统结构全面、拓扑多样化、通信协议具有可移植性等特点。控制是实现公路隧道管理目标的根本手段。从系统结构考虑,系统控制应从集散式控制系统逐步发展为现场控制,从多级控制发展为二级控制,采用互联网技术进行现场控制,通过互联网进行数据交换、信息共享与区域协调控制,从而提高系统的可靠性、维护操作的方便性与降低工程造价;从系统设备考虑,应提高检测设备的水平,大力发展数字化与智能化仪器仪表,发展无线通讯与控制产品,实现遥测、遥讯、遥控,如通过图像处理检测器检测交通参数,既为交通控制、通风控制提供了依据,又监视隧道的运营状态,达到检测与监视的统一,设备有故障,可以实时传到手机之类的便携式设备上并进行远程控制;从系统功能考虑,火灾报警系统应达到自动检测与消防实现联动,根据火灾类型与严

重程度自动制定灭火与救援措施;通风控制系统不但要考虑隧道的环境指标,而且要考虑交通运营状态,达到既能为司乘人员提供良好的环境,又考虑设备的运转平衡节约能源与提高设备使用寿命的目的;交通控制系统应能自动判别交通状态,异常自动检测与处理,为驾驶员提供交通与环境信息,进行路线指示、引导与诱导,提高车速与降低事故率与事故的严重程度。可靠性方面,监控计算机及任一控制点的失效不会影响正常智能节点对现场设施实施控制,至于管理方面,通风与照明费用是系统运营最大的支出项目,如何既保证隧道运营所需的环境条件,又考虑设备的使用寿命与节约能源,是业主最关心的问题,通风与照明控制系统既考虑环境与交通要求,又考虑设备寿命与节能。总之,信息检测数字化、信息交流网络化、运营状态可视化、系统控制智能化、系统管理科学化是我国公路隧道机电系统的必然发展趋势。