1 概述
1.1 工程概況
廈門東通道跨海主體工程長約6km，隧道最大埋深在海平面以下約70m，總投資32.8億元，是第一條由國內專家自行設計施工的海底隧道。通道設雙向六車道，計算行車速度80km／h。該通道作為廈門市規劃的第三條進出島通道，上承國道、省道，下接城市區域路網，連接城市各個主要節點。
1.2 工程特點
針對海底隧道和廈門地區交通特點，東通道監控系統設計工程特點如下：
a．東通道是目前國內最長的海底隧道，交通量大、容易發生交通事故，事故危害大，應采用智能交通控制技術進行交通狀態與交通異常自動檢測，提高交通異常感知能力；
b，交通組成有大量貨車，易發生超載現象，應采取預防措施，限重限高，對載運危險品的車輛專門組織通行，減少事故危害和事故發生的可能性；
c．服務水平低，2020年該道路即趨于飽和，排隊不可避免，應采取有效的人口管制措施，避免和減少隧道內發生交通堵塞；
d．車流密度高，在出現交通異常后，易發生二次或多次事故，應采取有效措施提高發生事故后進行交通疏導、組織、人員逃生與救援的可靠性，預防二次事故發生；
e．現代電子、通訊、控制等技術發展很快，而設計與施工安裝間隔較長，設計既要有前瞻性，又要考慮可靠性、穩定性、經濟性、可擴展性及操作使用的方便性，使整個系統既方便又實用；
f．廈門市為我國經濟特區、改革開放的前沿陣地，國際交往頻繁，因此要求交通誘導設施必須完善清晰明了；
s．東通道工程與海岸相鄰，整個工程區域處于鹽霧腐蝕區，腐蝕性物質主要為懸浮在空氣中的氣溶液狀Na2O粒子——鹽霧。
h．海底隧道除對隧道結構要求較高外，對隧道安全監控系統也提出比山嶺隧道更高的要求，以最大限度地減少隧道事故率，在隧道發生火災等異常情況時，又能有效地將危害控制在最小程度。
2 系統概況
隨著計算機技術、控制技術、網絡通信技術和Intemet技術的發展，引發了控制領域深刻的技術變革。控制系統結構向智能化、分散化、網絡化、開放性方向發展，將是控制系統技術發展的主要潮流。
從20世紀60年代開始，歐洲、美國、日本等西方發達國家先后開始研究先進的隧道控制系統，并開發了相應的管理控制系統，取得良好的應用效果。公路隧道監控系統在我國起步較晚，90年代初期，國內在中短隧道中大都采用DCS(集散式)控制系統，90年代中后期多采用Profibus、Modbus、Controlnet、LonWorks等專有通信協議的現場總線系統。集散式控制系統，接線復雜，建設成本高，維護困難，目前已逐步被淘汰。現場總線由于各廠家使用的網絡協議互不兼容，系統擴展困難，大大增加了企業管理、維護成本。目前，工業以太網已經實現從信息層向控制層和設備層的延伸，真正實現了隧道控制網絡的開放性和兼容性，從而以工業以太網為基礎的高速信息共享分布式控制網絡在公路隧道監控系統中的廣泛應用成為可能。
廈門東通道監控系統將對東通道區域的運營狀況實施監控、預防并及時感知和排除隧道內的各種異常事故，以保證海底隧道的行車安全與暢通。系統主要是對交通參數、環境參數、氣象參數、設備參數進行檢測以及監視交通狀況，通過對各種檢測信息的分析處理后，對隧道內的交通、通風、照明、消防等設施進行集中或分布式監控管理。
為保證海底隧道監控系統的可靠性及先進性，監控系統將采用最新的工業以太網通信技術和高性能PLC技術實現通道監控系統的綜合控制與管理。本系統設計采用施耐德PLC可編程控制器作為通道現場區域控制器，工業以太網完成控制信息級與通道控制中心的通訊，控制中心與外界的通訊通過DDN專網實現；監控系統包括交通信息采集、環境信息采集、氣象信息采集、超重超高車輛檢測、火災檢測與報警、可變情報板、交通控制、照明控制、通風控制、消防控制、橫通道門控制、閉路電視、緊急電話呼救、無線通信系統、中央管理與控制、供電系統、防雷及接地等17個子系統；控制中心，采用大屏幕投影系統集中顯示各系統運行狀態和各檢測參數信息。
3 系統結構設計
3.1 系統網絡
廈門東通道監控系統網絡采用三層網絡體系結構，在隧道控制層和設備層網絡采用基于ModBus TCP／IP協議的開放工業以太網，控制管理層網絡采用以太網，構成局域網，實現隧道管理與控制一體化；通過路由器、防火墻與廣域Internet網絡連接，實現數據遠程共享。通信介質在管理層和控制層采用單、多模光纖，設備層采用雙絞線。系統中采用多層以太網，不同網絡層次之間設置路由器或網橋，阻斷以太網上的廣播信息，確保系統安全可靠，防止外界對系統的侵擾。東通道監控網絡系統拓撲結構圖如圖1所示。
a．管理層網絡
以太網以其高可靠性、高可擴展性、高兼容性、價格低廉、使用方便等特點，成為當前使用最為廣泛的局域網，故本系統管理層網絡采用以太網。為了適應城市公共信息平臺的數據共享，系統主干交換網絡、交換機到服務器之間采用1000M網絡帶寬。
b．現場網絡
現場網絡由控制層網絡和設備層網絡組成。控制層網絡基于100M ModBus TCP／IP交換式高速工業以太網自愈光纖環網構建，設備層網絡采用10M帶寬。控制網絡通過100M工業交換機與管理層網絡相連，控制網絡的核心是隧道區域控制機，區域控制機中的控制PLC采用Premium系列控制器，控制網絡為工業以太網。通過自愈光纖環網，將分散布置在隧道現場中的區域控制機用多模光纜將其相互連接。東通道的左右隧道分別由14臺區域控制機和Hirschmann工業交換機構戒控制層高速工業以太網。現場設備采集的交通、環境、設備狀態等信息通過區域控制機處理后通過光纖環網傳輸至中央控制服務器，實現正常網絡通信情況下的分散采集、集中控制、記錄、報警等目的；在隧道現場到控制中心網絡中斷情況下，實現全分布的預控模式控制或PLC聯網控制。
項目組在充分研究隧道控制技術和工程實踐后，本系統大膽采用了PLC聯網控制技術，即東通道現場區域控制器選用高性能的PIE控制器，各區域控制主機主要承擔其區域內的各種設備控制及信息采集，同時各區域控制機通過隧道控制網絡相互通訊，實現隧道內其他區域的交通狀況、交通信息的監視、協調、自動控制。這種PLC聯網控制技術，將有效地解決在中央控制室上位機對現場的情況不能及時了解(網絡中斷等異常情況下)時，及時啟動區域控制機的主機控制功能，直接對整個交通監控系統進行直接控制。而傳統隧道監控系統中的PLC下位機系統只是一個采集和執行設備，響應上位機系統的操作指令或只對PLC本區域內設備進行操作；不能實現對整個隧道現場設備進行控制。
3.2 系統軟件
東通道控制系統軟件采用管控一體化結構，整個軟件系統是一個架構簡單、結構清晰的三層架構，系統軟件通過瀏覽器／服務器模式(Browser／Server，簡稱B／S)，實現控制網絡的信息采集和設備控制，信息發布，管理層的各種數據查詢等功能。
a．服務器
系統基本配置應設三臺服務器：控制服務器，辦公管理服務器，數據服務器；服務器采用高可靠性的容錯服務器。
各服務器安裝Windows 2000 server系統軟件，控制服務器中安裝隧道監控系統軟件及WEB服務器軟件，辦公管理服務器安裝辦公管理軟件，數據服務器上安裝SQL server 2000或SYBASE等大型數據庫。
b．客戶端
由于系統架構于B／S結構，管理監控中心的大廳監控管理員、工程師站、站長管理辦公室、遠程交通管理中心等的客戶端安裝WINDOWS 2000 Professional操作系統、Office 2000等辦公軟件，就可實現隧道的遠程監控和瀏覽管理。
c．網絡協議
軟件通信網絡協議采用TCP／IP。
d．軟件開發
系統軟件開發分為下位機PIE軟件開發和上位機組態管理軟件開發。東通道下位機選用Schneider公司的Premium系列控制器，并采用該公司的Concept 2.5下位機編程組態軟件進行系統開發。該軟件支持梯形圖、功能塊圖、結構化文本語言等多編程語言進行系統開發。監控系統的上位機，即中央監控系統，可選用Fix、Intouch、WINCC等優秀組態軟件，可以實現系統的監控組態、控制組態、操作組態、畫面組態等功能；實現任意圖形、趨勢曲線、報表等的生成；支持WebServer功能；動態畫面組態支持系統內的各種數據，包括實時監測數據、歷史數據、人工錄入等，可打印輸出。同時在系統內部設置了動態實時數據庫、歷史記錄數據庫、監控對象數據庫等多種關系型數據庫；此外，可以采用VC6.0進行相關輔助軟件開發。
e．B／S結構
隨著Intemet／Intranet技術發展和普及，基于Web技術的B／S結構管理信息<