无线传感网络的嵌入式隧道机电监控系统

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   　高速公路监控系统是高速公路智能管理系统的重要组成部分之一，为高速公路运行提供控制、监视、诱导等科学有效的管理手段。随着交通隧道数量和长度的增加，隧道安全问题日益引起关注。利用无线传感网络可有效解决监控系统中不同设备的远距离和近距离数据传输的灵活性和合理性，可提高监控系统数据传输的可靠性和安全性，对隧道的安全营运具有重要意义。

0 V" M, K, G# ^1 h　　引言
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% j2 G  y" q6 ~+ |2 Y2 {　　随着交通隧道数量和长度的增加，隧道安全问题日益引起关注，隧道需要监控系统以保证隧道内行车的安全和通畅。高速公路以其大流量、快速、安全、舒适等特点已在道路交通中扮演了重要的角色并得以迅速发展，为改善我国交通运输状况及推动国民经济的发展作出了巨大的贡献。然而，交通拥挤及此引起交通延误、交通安全、环境污染及能源消耗等问题严重阻碍着高速公路效益的发挥。建立高速公路监控系统的目的是确保高速公路运营的畅通、快捷、安全。其功能目标是采用先进的电子技术，通过沿线不同功能的外场设施（各类检测、显示等装置）及时、准确、完整地收集道路沿线的各类信息，如交通量、事故、路况等，一方面帮助管理者及时掌握交通流的各种数据和信息，并能通过监控中心的监视、显示、分析设备直观地了解交通运行状况，另一方面在发生交通异常、接到报警求救信息或出现其他突发事件时，通过计算机对信息进行处理分析，能帮助道路管理者分析状况、提出解决预案并及时形成控制策略，及时发布各种控制命令、交通诱导和救援信息等相关管理信息，处理各种交通事故和堵车现象，疏导交通流，及时提供各种服务（包括抢救受伤人员、拖走抛锚车辆损坏车辆、修理损坏路面损坏设备等）。为车辆驾乘人员营造快速、安全、舒适、服务周到的高速公路行车环境，有效减小自然灾害、突发事故对人民生命财产的损害程度。高速公路交通监控系统是高速公路控制系统中一个重要的成分，是实现公路运输现代化管理与控制、保证高速公路达到安全、高速、舒适、通行车流量大的重要手段。
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　　目前隧道监控系统一般常用的区域控制器

7 Z; B3 u( ^1 o! g4 t, K! G　　隧道监控系统主要考虑隧道的进口、中间段、出口处的实时图像状况、隧道内车流量和流速检测、通风设备工作状态检测、电力设备参数检测和交通监视、控制和诱导等环节。监控系统大致可分为：照明、通风、闭路电视、火灾报警、紧急电话、计算机控制、环境监测、交通控制和可变情报板等九个子系统，其中闭路电视系统、报警系统(火灾检测、报警按钮、紧急电话)是自成系统的，其它系统设备则通过区域控制器及其通讯网络来实现监控。一般的，每条隧道的监控分为3个层次，上层为本地控制中心，中间为区域控制器，下层为各种检测设备(车辆检测器、能见度检测器、CO浓度检测器、风速风向检测器、亮度检测器、超高车辆检测器等)和控制及诱导设备(车道控制器标志、交通灯、可变情报板、可变限速标志等)。在这3个层次中，区域控制器是隧道监控系统的核心，它负责采集现场设备的信息，处理后传给本地控制中心，而本地控制中心的控制命令则发给区域控制器，再由区域控制器直接控制相应设备。因此区域控制器应是高度可靠的。

8 L  P$ _$ d- n　　基于PLC和现场总线技术的隧道监控系统是成熟可靠的，但也有它自身的缺点：由于PLC是通用控制器，适用于各种控制场合，本身考虑了太多的通用性，在实际隧道监控应用中，系统普遍存在资源配置浪费，功能闲置，技术惯性大，整合先进技术成本高周期慢，价格较高等缺点，开发基于先进控制技术的隧道监控专用智能控制装置很有必要和意义。

　　基于传感网络的隧道监控系统的提出

　　随着高速公路交通需求迅速增长，交通拥挤日渐严重，安全事故频繁发生。智能交通运输系统一部分的高速公路监控系统为该问题的解决给出了可行的方案。为了对机电设备、安全指标、交通管理、环境参数等进行有效的监察、控制和智能化管理,提供事故预处理方案,提高管理效率,确保行车安全,为积极预防、处理事故提供可靠保障。在分析了高速公路监控系统的目标和作用后，确定了系统的功能需求和结构组成。探讨了高速公路常用的控制策略，对不同控制策略进行了比较。提出了高速公路机电设备的控制策略。
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- a% G( s7 h" n　　随着计算机技术、图像处理技术、通讯技术、控制技术的发展，以太网技术和总线技术突破了原有的技术瓶颈，使研制和生产的隧道专用控制装置和隧道其它监控子系统实现系统集成和信息共享成为可能。多功能智能化、网络化的嵌入式控制技术的发展为实现隧道智能控制装置提供重要的技术保障。嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础、软硬件可裁减，适应应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。主要由嵌入式(微)处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成。与通用型计算机系统相比，嵌入式系统功耗低、可靠性高；功能强大、性能价格比高；实时性强，支持多任务；占用空间小，效率高；面向特定应用，可根据需要灵活定制软件。
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　　我们提出采用先进嵌入式控制技术、传感器网络信息融合技术，实现对隧道实时在线智能监测控制。将隧道监控系统传感器包括温度传感器、烟度传感器、光亮度传感器、车辆检测和车高传感器等，通过项目产品BIL控制模块及ECS区域控制器的组成网络，将不同传感器对某一环境特征描述的信息，综合成统一的特征表达信息并加以处理, 从而得出更为准确、可靠的结论，提高通讯效率，使系统能够圆满地完成各种控制任务。另外，在系统中有一个或几个传感器出现故障时，自动切换、利用其他相关的传感器获得环境有关信息，保持系统的正常工作，提高系统的可靠性。隧道监控系统中通风系统、照明系统、交通控制系统、环境监测系统一般都通过区域控制器及其构成的网络来监控，隧道监控网络分为3个层次上层为中央计算机系统，中间为区域控制器，下层为各种检测设备(车辆检测器、能见度检测器、CO浓度检测器、风速风向检测器、亮度检测器、超高车辆检测器等)、文通控制及诱导设备(车道控制器标志、交通灯、可变情报板、可变限速标志等)、通风设备(风机)、照明设备(照明灯具)。区域控制器为隧道现场监控的核心，它负责采集现场设备的信息，处理后传给上位计算机，而上位计算机的控制命令则发给区域控制器，再由区域控制器解释后发给相应设备。


　　基于传感网络的隧道监控系统 　　嵌入式系统一般指非PC系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。简单地说，嵌入式系统集应用软件与硬件于一体，类似于PC中BIOS的工作方式，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是可独立工作的“器件”。经过几十年的发展，嵌入式系统已经在很大程度上改变了人们的生活，工作和娱乐方式，而且这些改变还在加速。 　　Billion Tech慧控系统是以INTEL Pentium IV计算机工作站为中心，由符合MODBUS通讯工业标准的网络，对合理分布于各监控现场的ECS区域智能控制器进行连接，通过特定的末端BIL系列嵌入式控制模块设备，实现对机电设备集中监控和管理的专业自动化控制系统。设计隧道内各种传感器数据采集和设备控制的专用嵌入式控制系统，研制的隧道专用智能控制装置，具有超小体积的一体化结构，可直接应用于现场，实现就地监控、显示；具有灵活的软件功能和通讯功能，可方便地实行区域远程监控，实现网络化管理。它是基于现代控制论中分布式控制理论而设计的集散型系统，具有集中操作、管理和分散控制功能及风险的综合监控系统。其软件运作平台为Windows 98/2000/XP或Windows NT。系统的目标是对大楼内的多数机电设备，采用现代计算机技术进行全面有效的监控和管理，确保大楼内所有设备处于高效，节能、合理的运行状态。如图1所示。
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* e- e) H2 @, i/ }        基于传感网络的隧道监控系统特点：

　　●遵循开放性、分布式控制的原则。

. H% C1 V* u( |7 T0 L; w  T 　  ● 采用嵌入式控制系统技术，降低系统能耗，提高系统运行可靠性。
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　  ● 采用多目标优化控制策略，实现舒适、节能、可靠、设备长寿命等多目标兼顾。
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# _' W  P* V0 g 　  ● 利用快速以太网，实现多工作站之间的信息完全共享，同时可通过服务器或者其他具有高操作权限的使用者对系统和网络进行管理。

　  ●基于监控点的操作权限管理。
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! G: X' Z& U- h$ K) I3 J 　  ● 自动事件记录，全面记录操纵者的操作活动，判断是否需对其进行专业培训。
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# Q. m- H# j) ~0 j2 _3 |! c2 O+ r 　  ●注重系统的可靠性和维护、管理的便捷性。
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# e' F) G' h: v. \4 o! [3 R　　结论

9 ]! z% A$ W' |  K 　　对传感器网络技术进行深入研究，提出可行的传感器网络结构模式和运行方式,对信息融合技术、智能控制技术进入深入研究，提出或者选择合适实用的隧道监控算法，实现隧道智能控制。将隧道监控系统传感器包括温度传感器、烟度传感器、光亮度传感器、车辆检测和车高传感器等，通过项目产品BIL控制模块及ECS区域控制器的组成网络，将不同传感器对某一环境特征描述的信息，综合成统一的特征表达信息并加以处理, 从而得出更为准确、可靠的结论，提高通讯效率，重点实现车辆流量检测与情报板、交通标志、车道指示器的联动；CO/VI检测与风机的联动；光强检测与照明的联动；火灾报警与风机、卷帘门、有线广播、CCTV的联动等控制方案。使得整个监控系统十分适合隧道自动化系统;增加整个系统的抗干扰能力,缩短外部信号的引线长度和控制信号电缆长度,减少接线端子，使系统能够圆满地完成各种控制任务。 　　综上所述，为了提高高速公路的使用效率和行车安全，高速公路需要有先进的监控系统和交通信息发布系统对其进行管理。我们认为开发满足隧道监控要求的基于传感器网络信息融合技术的隧道专用智能控制装置市场前景广阔，具有良好的经济社会效益。
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