摘要:本文通过分析交通行业对监控软件实时性和可扩展性要求，介绍了KingSCADA3.0软件在吉林省赤柏隧道中的应用，并详细分析了交通、通风、照明以及WEB发布几个子系统的功能与特性。

1. 背景

赤柏隧道位于通化至沈阳高速公路中吉林省境内。通化至沈阳高速公路（简称“通沈高速公路”）是国家交通部《振兴东北老工业基地公路水路交通发展规划纲要》中规划的“五纵、八横、两环、十联”中第七横的一部分，是我国东北东部地区运输的大通道之一，也是吉林省东南部山区的第一条高速公路。通沈高速公路（吉林段）全长45.544公里，工程总预算16.72亿元，建设期3年，是吉林省目前地形最复杂、施工难度最大的高速公路项目之一。作为通沈高速重要的组成部分，赤柏隧道设计标准为双洞四车道，左洞全长1812米，右洞全长1878米，机电主要采用欧姆龙CS1D系列PLC，通过光纤环网连接PLC监控交通信号灯、车道指示灯等设备。根据吉林省高速公路监控系统软件统一规划要求，吉林省高速公路管理局通信中心于2010年初选用亚控公司的 KingSCADA3.0对赤柏隧道的监控软件进行升级改造。

2. 需求分析

隧道监控系统集通信技术、计算机技术、自动控制技术于一体，需要为隧道管理人员提供完整和清晰的隧道运行状况，是保障隧道安全运行的支撑平台。针对隧道监控系统的重要性提出以下需求：
1.实时掌握隧道内部设备状态
赤柏隧道中机电设备比较多，在设备出现故障时，监控中心需要派工程师到现场解决问题。同样，监控中心为了了解现场运营状况，也需要定期派运营管理工程师去了解情况。如果监控中心能够建立一套监控系统，实时显示现场设备状况，则可节省工程师的巡视时间和成本。
2.及时下发控制指令
实时监控现场设备的状态，可在第一时间获取设备的反馈，工程师可针对采集上来的信息对设备运行状态进行更改。当紧急事故发生时，监控系统可通过工程师或上级领导的确认，下发紧急预案，实现重大事故时的紧急决策。
3.记录与查询
监控系统应具备对报警信息、各设备采集信息、历史操作等数据的进行记录、查询、统计、报警、报表、预览、打印等功能，为紧急预案的制定提供足够的数据依据。
4.丰富接口
隧道监控系统中，机电设备种类较多，数据采集接口种类繁多，给信息采集带来了困难。根据不同项目和不同接口编制软件，会造成路网内路段之间无法共享交通信息，无法实现跨路段交通信息采集、处理、发布和交通指挥、调度。监控软件应具有通用的接口解决此类问题。
目前高速公路监控系统中存在两种软件形式，一种是针对不同项目编制的软件，一种是组态软件。组态软件，译自英文SCADA,即 Supervisory Control and Data Acquisition(数据采集与监视控制)，是指数据采集与过程控制的专用软件。组态软件使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。亚控公司提供的KingSCADA3.0软件，拥有开放性接口，支持各种国际标准通讯协议和在线组态的功能，具备完美的图形展示、报表、趋势曲线系统和对底层设备的直接控制能力，因此在赤柏隧道中，选择使用KingSCADA3.0软件进行机电升级改造

3.项目方案

3.1系统配置

针对赤柏隧道监控系统实际需求，系统监控软件配置如下：服务器上安装KingSCADA3.0具备开发功能和运行功能的完全版软件，监控计算机上安装 KingSCADA3.0运行版软件，与服务器配置成采集与展示双冗余，确保数据的无损采集与展示。软件授权全部为不限点，下图为监控系统总结构图和监控软件总结构图。
监控网络拓扑图

监控系统功能图

3.2软件系统设计

在监控系统中，KingSCADA3.0软件将为使用人员呈现立体的现场效果，让使用人员通过监控画面直观的了解隧道内部设备的情况。监控系统中针对不同设备，不同功能，分别开发了子系统，下面分别介绍几个子系统的功能。

照明控制系统
照明控制系统由隧道内外的亮度检测仪，隧道内的照明回路和区域控制器等设备组成。系统通过IOServer采集亮度检测仪检测到的隧道洞口内外的亮度数据，将这些信息传送到连接照明控制回路的区域控制器和监控计算机上的KingSCADA3.0软件中，KingSCADA3.0软件对收到的信息进行实时处理判断、转换和存储，生成相应的控制命令控制照明回路，实现洞内的照明控制。同时通过监控计算机将IOServer检测到的亮度数据显示、统计、计算和打印。监控中心控制服务器上的KingSCADA3.0软件也能通过区域控制器，手动控制隧道内的照明回路。在隧道至监控中心的通信出现故障时，区域控制器自动接管并转入区域控制器自动控制方式，以保证隧道正常运营。
照明控制系统是根据隧道照明设计中所确定的照明区段、不同时段气候条件下的照明要求，控制各个照明回路的开关，从而达到满足隧道的照明亮度要求、保证行车安全、节省能源的目的。照明控制系统可以按照IOServer采集到的隧道外光照强度自动调节隧道内的照明，也可以按照时序进行控制。用户可以通过 KingSCADA3.0软件界面实现不同控制方式的切换。综合以往设计经验以及实际应用的控制方案，照明控制系统中对于过渡段照明的控制采用隧道光强检测器控制为主，时间控制为辅的控制策略；基本照明控制应遵循省电原则，应采用时间控制为主，隧道光强检测器控制为辅的控制策略；但火灾情况下，无论照明现状如何，照明控制系统都应将隧道照明开到最大程度。

通风控制系统
通风控制系统主要构成包括隧道内的CO/VI检测仪，风向、风速检测仪，风机控制柜、风机以及相关的区域控制器。通风控制系统主要通过 KingSCADA3.0软件控制隧道内的射流风机，调节隧道中的空气质量达到用户能接受的程度（规范标准）；同时在隧道发生火灾时，也能迅速将烟雾排出隧道。
通风系统通过IOServer周期性地检测隧道内的CO、VI和风速、风向的环境数据（巡检周期≤10s）,并将检测结果通过区域控制器送入KingSCADA3.0监控系统中,根据检测数据计算其变化率和平均值。
在控制系统与现场控制系统通信正常时，监控中心监控计算机网络根据CO、VI和风速、风向值、交通流量等信息通过KingSCADA3.0软件的混合型综合计算，实现风机运行的全自动控制。监控中心操作员也可以根据IOServer采集的信息做出综合性的判断之后，通过控制台操作键盘控制风机控制柜，对风机的运行进行远程遥控；紧急情况下也能通过现场的风机电气控制柜手动直接控制风机的运转和停止。被检测到的CO、VI等环境周期实时值和风机运行状态，实时地动态显示在KingSCADA3.0监控画面中；当隧道内的环境变化达到了报警条件以及主要设备发生故障，报警信息会立即弹出报警对话框。 KingSCADA3.0管理服务器能够记录隧道内CO、VI变化曲线，每天、每周、每月非正常情况下通风控制统计报表，以及手动操作控制风机的时间及控制内容，并可以输出打印。
在控制系统与现场控制系统通信中断时，区域控制器会检测到的CO、VI等环境周期实时值和风机运行状态，按阀值回差法进行计算，实现风机运行的全自动控制。
另外当隧道发生火灾时，系统接收到火灾报警系统的信息，KingSCADA3.0软件系统将根据事先确定的风机控制预案启动风机。
隧道通风除了要考虑一氧化碳浓度、火灾外，还要考虑风机运转平衡，延长设备寿命，所以在风机自动启动时，运行时间最短的风机将被优先启动。同时考虑到风机启动时，有较大的启动电流，所以在多台风机均要启动时，采用间隔启动法，保障风机在启动时，不会对电网造成巨大冲击。

交通控制系统
交通控制系统由隧道内车道指示灯、洞口交通信号灯、横通道指示标志、车辆检测器、可变情报板、可变限速标志、区域控制器等组成。为了保证控制的完整性和有效性，隧道区域控制器内置了交通控制方案，通过指定控制方案完成对隧道交通系统的控制。所有信号标志是都是连锁动作，不允许用户对单独某个交通信号设备进行控制，因此不会出现矛盾的信号灯色显示，实现安全控制功能。
交通控制系统具有自动控制、远程遥控两种控制方式。自动控制即根据IOServer采集到的有关信息和信息处理结果，自动产生相应的控制方案，完成对相应外场设备的控制；远程遥控即根据IOServer采集到的有关信息和信息处理结果，系统调取相应的控制预案，经操作员认可或者修改后，完成对相应外场设备的控制。
同样当隧道发生火灾，系统接收到火灾报警系统的报警信息，根据事先确定的交通控制预案，经过操作员确认后下发执行。

报警系统
报警系统主要是对控制系统预设阀值的监控报警。IOServer采集到的数据值超出阀值或低于阀值，都会在报警系统产生报警信息，并在用户界面上，以醒目闪动方式显示设备故障、报警信息，并配有故障（或报警）声音提示。用户可以通过点击故障（报警）图形或菜单打开故障（或报警）显示窗口。在模拟量报警中还可根据阈值设置报警级别，例如高报警，高高报警，低报警，低低报警等。还可以对数据报警设置约束条件，避免某些误报警，客户可以通过过滤功能，找出符合条件的报警并打印出来。

报表系统
报表系统主要针对CO值、VI值、光强值、风速值进行统计记录。 KingSCADA3.0报表分实时报表和历史报表。实时报表可以实时显示当前CO值、VI值、光强值、风速值的采集值。历史报表记录了以上四种值的历史记录，用户可以查询历史报表某时间段内的记录值。可以进行打印设置和打印，报表排序等功能。

火灾预警系统
火灾预案系统将为用户呈现火灾报警信息情况。火灾预案系统通过不同的形状和颜色来表示不同的状态。圆形代表火探报警器的相关信息，三角形代表手动报警器的相关信息，红色代表报警，绿色正常，灰色代表设备故障。火灾预案系统中还可以检测PLC的状态，观测主PLC与其它PLC连接情况。当IOServer采集到的火灾信号报警时，控制人员可根据火灾发生地点，火势等情况选择KingSCADA3.0系统中的预案，确定后下发预案指令。

趋势曲线系统
趋势曲线系统主要是针对CO值、VI值、光强值、风速值的实时趋势曲线式和历史趋势曲线的展现。运行状态下，用户可以设置历史趋势曲线的查询时间和跨度；通过右边图例，用户可以选择需要显示的曲线，选择需要的曲线进行对比。

WEB发布系统
KingSCADA3.0系统具有B/S功能模块，能够对工作站上的组态监控画面进行网络发布，使管理层的计算机在不需要额外安装软件的情况下，使用IE浏览器即可查看到现场运行的画面，进行数据的监视、报警查看、报表查询等功能，并在相应权限下进行操作。

3.3项目的功能特点

• 实时性强
  可以适应不同外场设备的采集周期，轮询周期可短至1秒，实际轮询周期根据设计要求和现场实际情况确定，系统对采集到的数据立即进行分类处理、运算并实时显示。
• 可扩展性
  软件的开放性接口和在线组态功能，使系统具有进一步扩展功能的能力，适应隧道及交通控制的需要。
• 优化控制策略
  系统根据采集到的各种交通、环境、火灾数据和报警信息进行综合分析，完成对照明、通风、交通等系统的自动控制和联动控制。
• 报表系统
  报表格式内置成模板，并提供大量的内置函数，实现运算、分析、统计等功能。支持保存成多种格式，支持导入导出功能。

4.系统特点
隧道监控组态软件选用北京亚控科技发展有限公司KingSCADA3.0版本进行开发。隧道监控系统是保证隧道正常运营的关键，为防止通信链路中断或其它原因带来的控制中断，监控系统从硬件和软件两个方面很好的进行解决。

• 硬件方面：监控中心局域网通过中心配置的以太网交换机与现场的工业以太网相连。现场网络结构为自愈环拓扑结构形式，在环的某处发生断路，它将重新配置网络，使网络通讯得以继续，可靠性高。
• 软件方面：监控系统实施二级控制。正常情况下，利用监控中心监控计算机网络实现全自动控制或者远程遥控；通讯中断时，利用本地控制器对挂接在该本地控制器上的设备实现本地控制。

在监控中心的值班人员可以对隧道及相关路段进行全面的监视和控制，本系统所提供的监控系统具备7*24小时不间断连续运转的能力，系统自身具有完善的网络互联功能和通信接口处理功能。

5.结束语
本系统采用亚控公司提供的KingSCADA3.0软件平台，开发出了立体形象的监控系统。软件的C/S架构，能有效的执行交通预案，B/S模块让系统更具灵活性，系统的可扩展性，为将来建立省级监控中心打下良好的基础。