杭州绕城高速公路北段机电控制系统介绍

本文作者李勇伟先生，中国新型建筑材料工业杭州设计研究院工程师。

关键词： 绕城公路　隧道　中央监控系统　计算机　现场总线　PLC

一 概述

杭州绕城高速公路从乔司至余杭塘河桥段(以下简称“本段高速公路”)位于杭州市绕城(外环)公路北段，路线自东向西，起点接沪杭高速公路乔司互通立交西分流点K8+617.57处，西北方向延伸与石大线呈丁字形交叉；终点与杭州市西绕城公路余杭塘河桥北相接，路线全长29.257km，沿途经7个乡镇；中间控制点主要有沪杭铁路和乔司铁路编组站分离式立体交叉处、黄鹤山隧道、与320国道互通式立体交叉处、京杭运河桥、与104国道互通式立体交叉等；途经主要河流有太湖水系中的上塘河、京杭大运河、西塘河等。其中K8+617.57~K26+000段为双向6车道，K26+000~K37+877.28段为双向4车道，设计车速为100km/h。全线设互通立交5处。

本段高速公路1999年4月开工，2001年底竣工投入使用。

设计交通量：2003年为23268辆/日，2013年为46490辆/日，2023年为57090辆/日。


图1是路线和立交简图。

二 机电控制系统总览

本段高速公路营运体制分为3级，第一级为杭州市绕城公路管理分中心(由交通厅及杭州市交通管理部门统一考虑，不在本工程范围内)、第二级为该路的石塘管理处、第三级为收费站等。

监控、通信、收费系统是高速公路交通工程的重要组成部分。本段高速公路交通工程的设计预期达到以下目标：

(1)为车辆和道路的使用者提供快速、有效的服务。

(2)减少交通延误，最大限度地堵塞收费系统人为的财务漏洞。

(3)建立较完善的高速公路监控、通信和收费系统，使高速公路的管理实现自动化和现代化。

1. 监控设施

本段高速公路监控设施由监控分中心及外场设备构成。监控分中心设在石塘管理处内，负责绕城公路北段的交通监控管理。

由于黄鹤山隧道与石塘管理处相距不到1km，因此没有设置单独的隧道管理站，隧道中控室与全线的监控分中心机房合设，设备共用，遂将监控分中心设备列入隧道营运管理设施设计中。外场设备共包括车辆检测器4套、悬臂式可变情报板1块、紧急电话38部(与通信系统合用)，同时配备2辆巡逻车。

本营运管理设施由中央监控系统、通风与环境检测系统、供电与照明系统、消防系统、交通监控系统、紧急电话系统、闭路电视系统、火灾报警系统、防雷接地系统等9个系统构成。

2. 通信设施

本段高速公路通信工程为该段公路的营运管理、事故处理、救护、养护、收费等部门提供可靠的通信服务，是保障公路畅通、提高服务质量的重要设施。通信设施采用大唐电信公司产品，通信工程包括光缆传输、程控交换、紧急电话和通信电源等单位工程。工程完工后，将为本高速公路管理处、收费站等提供话音、数据和传真等通信业务。

(1)光通信工程：绕城公路北段共设4个光通信站，光通信设备采用SDH 155Mb/s光同步传输设备和PCM基群复用设备，为本路段沿线各站点业务电话、收费、监控数据提供传输通道。

(2)光缆线路工程：绕城公路北段采用单模、长波长、平行钢丝加强中心束管式光缆，光缆全长约36.48km，全部采用管道方式敷设。

(3)程控交换工程：在石塘管理处安装SP30CN数字程控交换机，并采用半自动中继方式就近接入市话网，信令采用中国七号。该交换机今后与省内交通专用网内的交换机以全自动中继方式互联，和当地市话网则以半自动中继方式连接。本网内通话不计费，出网通话需收费，计费采用复式计次计费方式。

(4)紧急电话工程：当路上行驶的车辆发生故障或道路出现交通事故时，司机或其他人员可通过紧急电话及时向管理处监控分中心报告。在管理处设一套紧急电话控制台，接收全线范围内的紧急电话呼叫。本期沿高速公路两侧每隔2km左右设一对紧急电话分机，共13对，远期实现每1km一对紧急电话分机；在分离路段行车方向右侧设紧急电话共4部；在隧道内按300m一个设置，两洞共设8部。另外本工程在紧急电话系统中增加广播功能，在控制中心可以对多台分机进行广播。本紧急电话系统与监控系统共用。

(5)通信电源工程：为保证通信设备的可靠运行，通信设备为不间断供电，其中光通信设备和程控交换机采用48V DC电源供电，交换机维护终端、计费装置、SDH网管设备、紧急电话控制台采用220V AC电源供电。

3. 收费设施

根据《浙江省高速公路联网收费系统设计及软件开发工程规划设计》，本段高速公路应纳入全省高速公路网“一卡通”收费系统中，并在省收费结算中心统一清分、统一银行结算、统一划帐的原则下，建立一个完善的、稳定的收费系统。

本段高速公路采用封闭式收费制式。收费方式采用人工判别车型、人工收费、计算机辅助管理、车辆检测器校核、摄像机辅助监督的半自动收费方式。

按管理体制要求，收费系统网络体系结构分为4级：收费结算中心；收费中心；收费分中心；收费站。

(1)收费结算中心：不在本机电工程范围内，在省公路管理局内。

(2)收费中心：不在本机电工程范围内，在杭州市交通局内设绕城高速公路收费中心，负责对整条绕城高速公路收费业务管理。

(3)收费分中心：设在石塘管理处内，负责对本段高速公路的收费业务进行管理，下辖6个收费站。收费分中心计算机系统主要功能如下：接收和下传收费系统运行参数(费率表、黑名单、同步时钟、车型分类标准及系统设置参数等)；采集辖区内各收费站上传的收费数据；对数据进行汇总、归档、存储，并打印各种统计报表；上传数据和资料给收费中心；票证发放、统计和管理；抓拍图像的管理；收费系统中操作、维修人员权限的管理；数据库、系统维护、网络管理等；收费员、管理人员的量化考核；具有SVC和ETC功能的预留接口。

(4)收费站：全线设1个临时主线收费站(乔司)和5个匝道收费站，配置收费设备的车道共计41条。收费车道计算机系统主要功能为：实时上传收费数据、接收下传参数、对车道设备的管理与控制、自检、可保存30天以上的收费数据；通信中断时具有后备独立工作能力；为车辆提供通行控制信息、抓拍图片等。

另外还设置了人工收费CCTV监视系统和内部对讲、报警系统。

三 中央监控系统

1. 系统方案与构成

中央监控系统由计算机系统、大屏幕投影系统、视频监控设备、综合控制台等组成。计算机系统包括服务器、交通监控计算机、图形计算机、通信控制计算机、可变情报板计算机、紧急电话计算机、激光打印机、集线器等。

监控系统网络构成如图2所示。


a. 计算机系统

计算机系统为局域网络，采用客户机/服务器结构，通过开放性的100Mb/s高速以太局域网及TCP/IP网络协议实现互联。服务器通过Profibus协议完成对外场设备所有采集数据信息的登录及处理、系统控制程序及数据的输出，并负责以太网网络及网络数据库的运行和管理。客户机基于服务器的数据按分配功能进行不同内容的监控操作，所有的客户机均可互为备用。该方案具有可靠性、方便性和灵活性，还可以实现在运行过程中的程序再开发。由于数据进行集中采集和管理，减少了流动环节，从而减低了开发与维护成本，灵活的互备方式更将系统的操作管理及维护风险降低至最低程度。

该计算机系统与同一地点的收费分中心计算机系统形成局域网。

b. 大屏幕投影系统

为动态信息综合显示装置，包括高分辨力投影机、大屏幕投影屏等。一台连接在图形计算机上，一台连接在CCTV系统的矩阵装置上。图形计算机输出的道路运行状况图形、运行参数数据和文字、表格，以及CCTV系统输出的图像，将借助于本系统显示。

c. 大屏幕投影屏

上下设电视墙，所有摄像机的监视方式均为一对一监视，可以做到一辆汽车进洞后，从电视墙上可以对该车在洞内的行驶做全过程监视。

d. 中央监控系统与外场设备的数据通信

控制中心与隧道设备信号传输采用国际通用标准Profibus现场总线传输方式，与隧道远程终端控制器(RTU)组成冗余光缆双环回路，具有较高的可靠性、方便性和灵活性；与道路外场设备则采用一对一Modem传输方式。

e. 监控系统的软件

由操作系统平台、人机界面监控软件、数据库、编程支持软件、接口软件、应用组态软件、应用程序软件等组成。

系统软件构成见附表。


2. 技术优越性

根据隧道及高速公路工程的功能要求，监控系统的设计要体现出功能性、安全性、可靠性、先进性、易用性、开放性。上面介绍的方案突出了这一原则，但这一切的实现需要建立在系统的硬件、网络和软件的技术基础之上。有鉴于此，下面将对本方案所采用的主要技术及其性能方面做进一步的介绍。

a. 高速以太网

中央监控系统的管理网络采用100Mb/s交互式高速以太网，充分保证了系统数据交换、传递及处理的实时性和可靠性，同时保证了本系统与外界连接的高速性、开放性和便利性。

b. PLC

高速公路隧道项目的特点是距离长、规模大、站点多、通信对象多。SIEMENS S7-300 PLC恰恰适合于这样的应用需求，其主要特点是：

(1)模块化结构设计，且模块小型化、无排风扇结构、易于分布、易于扩展、导轨式安装，便于维护。

(2)高电磁兼容性和强抗振动、冲击性，使其具有很高的工业环境适应性。

(3)功能强大。多种不同的CPU可供选择，以适用于不同的需要；提供有各种类型的I/O模块、功能模块、通信模块；程序运算速度快，一个指令的处理时间只有0.3s；运算指令丰富，强有力的程序处理能力；具有完善的自诊断功能。

(4)通信能力强。具有多种不同的通信接口，包括点对点、多点连接、Profibus现场总线连接及工业以太网连接等。通信协议的多样化及自定义功能使得各种通信类型的应用成为可能，为应用系统的整合与集成提供了非常好的条件。

(5)所有PLC系统的配置，包括通信的配置，以及组态、编程、调试、维护、管理等，均集成在STEP7软件中，统一的界面、全局的数据管理、方便的操作等为用户创造了良好的环境。

c. Profibus现场总线

本方案采用Profibus协议，以适用于多个PLC间的连接及数据的自由交换。其主要特点有：

(1)速度快。传输速率可达1.5Mb/s，因此信号的采集和输出具有很高的响应速度。

(2)通信距离长。电气连接最大距离可达9.6km，采用光缆可达90km。

(3)传输介质可以是双绞线，也可以是光缆。当采用光缆连接时可以采用双缆将网络连成环形，构成冗余网络，在网络某处一根线断开或两根线同时断开时，网络将自动构建新的连接方式，以保证网络系统仍能维持正常的运行。

(4)同时支持主-主令牌访问及主-从通信方式，令网络有更大的灵活性，并连接更多的站点。

(5)开放性系统。获得为数众多的第三方厂家的支持，可供选择的连接设备品种多，选用更加方便。

3. 系统功能

a. 服务器

(1)数据库生成、编辑和管理功能

为整个控制系统的交通数据信息、环境检测信息、图像信息、实时的和历史的控制数据和状态数据信息、计算机系统的运行和管理信息等，提供生成、存储、处理和管理功能，并建立相应的各种专用数据库。

(2)计算机局域网管理功能

维持整个局域网的正常运行，管理网络资源、网络操作和网络通信，实现系统资源共享，提供网络测试和故障报警、告警功能。

(3)各种交通数据采集和计算

通过通信控制计算机及收费系统的网络完成采集实时交通数据、CO检测数据、VI检测数据，计算出各交通参数，并分类存储。

(4)交通控制决策

依据历史和现时的交通参数和交通流等级，并结合CO/VI检测，采用经实践证明的算法，提出控制方案，对交通进行控制、引导决策，如大屏幕投影屏上显示等，供管理人员参考和选择；在管理人员的控制下，向控制引导鼠标及执行设备发出命令。

(5)日常数据管理

对采集到的原始数据和计算得出的参数，进行分类存储并完成相应的统计工作；自动做出日报表、周报表、月报表、季报表和年报表等；能按照管理的要求，做出不同形式的用于不同要求的统计报表。

(6)网络安全功能

为确保数据安全，防止对数据的非法访问，设立分级数据安全系统，采用数据加密、访问口令、对不同的管理人员开放不同的数据范围和操作许可的方法，保证数据的安全可靠。

(7)对接口设备的管理功能

负责对各接口设备的工作状态检测、测试和管理，定时或在人工命令下启动接口设备自检，并将测试结果报告管理人员，在异常状态时发出警告。

b. 交通监控计算机

(1)负责系统的管理和控制。
(2)交通实时状态显示和查询。
(3)接口设备的状态显示和查询。
(4)数据库查询、图表显示和打印输出。
(5)在图形计算机停用或故障时，接替图形计算机的交通控制功能。

c. 通信控制计算机

(1)负责计算机系统与外场设备之间的通信控制。

(2)为不同的通信对象提供不同的通信控制协议，如不同的帧结构、轮询控制和差错控制方式等，保证数据正确和可靠传输。

(3)数据链路的管理和测试功能，当数据链路的误码率大于门限值时，向系统告警；能定时以及在数据链路异常时自动测试链路，也能在管理人员控制下测试链路。

d. 图形计算机

(1)接收从服务器得到的车辆检测器、CO/VI检测器、紧急电话计算机的状态信息，可变情报板、交通信号灯、车道控制灯的显示信息及对控制方案进行处理。
(2)能局部显示或分类显示各种信息，图形显示统计数据。
(3)在监示器上对隧道交通状况进行模拟显示。
(4)根据CO/VI的检测值形成变化曲线。
(5)在显示器上显示各种表格曲线。
(6)将上述各种图形送到大屏幕投影仪显示。

e. 可变情报板计算机

由操作员编辑新的图形、文字，在显示器上显示情报板的显示状态。能以代码方式发布已编辑好的存储在计算机内的常用信息，并将有关的信息送到图形计算机。

f. 大屏幕投影系统

大屏幕投影系统为动态信息综合显示装置，包括高分辨力投影机、大屏幕投影屏等，一台连接在图形计算机上，一台连接在CCTV系统的矩阵装置上。在其上可以全面直观地显示道路全貌及周围环境条件，并可以动态显示公路运行状况及设备工作状态。计算机显示器上的所有文字、数据、画面、曲线，以及CCTV系统输出的图像，均可在大屏幕投影屏上清楚地显示出来。

4. 系统的软件构成

中央监控系统借鉴当前流行的软件开发技术的先进模式如组件化、平台化、模块化，充分利用当前先进的操作软件、平台软件、中间软件等软件组件，按照数据服务层(Data Service Tier)、业务逻辑层(Business Service Tier)、用户界面层(Presentation Services Tier)3层客户机/服务器模式规划开发中央控制室的监控软件系统。

通过各种信息的综合处理，监控软件系统将交通监控、交通诱导、通风控制、应急控制、交通管理等功能需求，有机地结合为一个整体，为中控室操作监控人员提供一个集成的、友好的操作平台。

a. 网络操作系统软件

(1)网络操作系统独立于硬件，不随计算机硬件的变化而变化。

(2)提供多任务多用户支持，对不同实时要求的用户和任务，提供不同的优先级，满足该系统的实时要求。

(3)提供网络管理功能，如系统备份、数据安全、容错和性能控制等，支持各种网络资源的共享，并为不同用户的资源共享规定权限。

(4)具有良好的用户界面，具有多窗口、菜单、命令等多种网络控制方式。

(5)提供多种网络规程支持，为网络间互联作预留。

(6)具有开放的程序设计接口。

b. 数据收集及处理软件

(1)数据采集

数据采集指计算机系统向远程终端控制器(RTU)和其他外场设备采集各种信息和设备状态信息。数据采集软件还负责与外场设备的通信控制功能，其中包括与不同设备通信时所需的不同通信协议的实施。

数据采集的事件输入包括：(a)重大灾害性事件：人灾、塌方、人员伤亡等；(b)交通事件：交通事故、交通阻塞等；(c)日常事件：道路或隧道维护、设备维护、气象状况、一般意外等。事件输入采用彩色图形界面，操作员可使用键盘或鼠标进行操作。

(2)数据处理

对从外场鼠标采集的原始数据进行处理，判断交通拥挤、阻塞或事故，并通过人机接口报警；对从CO/VI检测器采集的原始数据进行处理。

c. 交通监控软件

(1)设备状态监视

外场终端设备控制器软件和计算机软件均能检测外场终端设备(包括车辆检测器、远程终端控制器等)的状态，接受其工作状态信号。计算机软件不间断地检测RTU及中控室设备运行状态，有故障时发出声、光报警。

(2)统计、报表生成

可在计算机系统的图形计算机或交通监控计算机的显示器上显示以及在打印机上打印中文报表，含交通报表，各种事故报表，事件报表，发布命令报表，设备工作状态报表。

(3)查询

可任意查询一年内运转的详细数据，包括任一时刻的交通、环境参数，设备状态，事故输入，命令发布记录，并可进行打印。

基本的查询方式有：菜单、关键字方式、图形方式。

(4)数据存储

上述各种数据存于计算机系统的服务器的数据库中，由数据库管理软件进行数据管理和处理。

(5)交通控制

交通控制执行程序能迅速准确地提出控制方案。本系统有自动控制和人工干预控制两种方式，正常情况下，处于自动控制状态。在紧急情况下，监控分中心计算机可一方面向值班员报警，一方面迅速中断正常程序，进入紧急处理程序，准备好相应的控制指令，待值班室综合电视信号、紧急电话、巡逻车报警信息等确认后执行相应的控制方案。控制方案是综合方案，每一个控制方案不是单一子系统的动作，而是全面考虑隧道内交通、火警、环境监测值等各种情况后形成的几个系统的联合动作，即广播、通风、交通监控系统等几个子系统同时根据现场情况一起作出反应动作。

控制方案能应付的基本情况是：交通阻塞，日常维修道路、设备，火警等。常采用的方法有：关闭车道，关闭隧道(迂回绕行)，排风，灭火等。

d. 可变情报板软件

编制多幅显示图形，自动下发或在交通监控计算机终端上手动下发显示其中任一幅图形命令；接受工作状态反馈信号；故障报警；向主机输送已发布的命令记录。

e. 图形处理应用软件

图形计算机从计算机系统的服务器接收、处理如下信息：车辆检测信息；CO/VI检测信息；可变情报板的显示内容；紧急电话系统信息；CCTV系统信息；收费系统信息；交通监控系统控制方案信息；交通事故、异常信息。

图形软件形成的彩色图形可以在21英寸彩显上显示，也可驱动大屏幕投影系统，使之动态综合显示各种信息。

彩色图形软件中有一地图、图形数据库，本段高速公路的详细情况(图形)是此数据库的基本内容。地图数据库中存有与本段高速公路有关的地图照片，其中包括地形、地物、道路、河流、地面构筑物，以及沿线的有关设施如火灾消防队、医院、急救站、汽车修理站等。在地图上标明以上各种设施的位置、电话号码等。

f. 系统软件设计

按照上述要实现的功能，系统采用的具体软件包括：

(1)采用Windows NT Server作为中央监控计算机网络操作系统，同时作为服务器的操作平台。

(2)采用Microsoft Windows 98作为交通监控计算机、通信控制计算机、图形计算机、可变情报板计算机系统的操作平台。

(3)采用Microsoft SQL Server 7.0数据库管理系统作为应用软件的数据库存储管理系统。

(4)采用美国GE Funac公司的CIMPLICITY HMI人机界面监控软件作为中央监控室监控指挥软件的开发平台。监控软件系统界面由客户机/服务器模式的、以CIMPLICITI HMI为平台的图形控制浏览器界面组成。

(5)通过CIMPLICITI HMI人机界面监控软件实现数据的采集，通过Microsoft SQL Server 7.0数据库实现数据的记录和处理，由此构成监控系统的数据服务层。

(6)根据隧道信息处理逻辑开发的隧道交通控制软件、通风控制软件、火灾报警处理软件、信息存储软件、报警生成记录软件、图形软件、操作记录软件、报表自动生成软件构成监控软件系统的业务逻辑层。

(7)基于平台软件开发的隧道交通控制界面、通风控制界面、火灾报警处理界面、报表浏览打印界面、数据趋势查看界面、信息录入界面等人机交互软件构成监控软件的用户界面层。

综上所述，本段高速公路中央监控系统在技术上有其突出的优点。它的功能性、安全性、可靠性、先进性、易用性和开放性，必将在其使用过程中发挥巨大优势和作用。