奥林匹克中心区地下环形隧道交通监控系统

　　1. 引言
　　一场“无与伦比”的奥林匹克运动会，让世界人民永远记住了中国。绝美的开幕式、精彩的表演、热情的人民、完美的竞技，处处体现了人文奥运、科技奥运。这场奥运盛会处处体现了科技，按照 “更快”、“更高”、“更强”的奥运精神，提出“更快”、“更方便”、“更准确”、“更安全”的原则，充分运用现代信息技术，把现代科学技术多角度、多渠道地嵌入奥运会。精美奥运会的背后，有一个依靠先进技术精确运行的系统，有一个完美运行的交通系统，更有一个保证交通网安全运行的监控系统。
　　奥林匹克公园中心区位于城市中轴线北端，面积约1215公顷，是举办北京2008年奥运会的主要场地，拥有亚洲最大的城区人工水系、亚洲最大的城市绿化景观、世界最开阔的步行广场、亚洲最长的地下交通环廊。地下通道是一条特别设计的隧道，总投资约13亿元，全长有9.9公里，其中主干道有4.5公里，环形隧道呈树型分布，通过地下通道这张四通八达的交通网络，可以畅通无阻地到达中心区周围的各种重要建筑。地下隧道有25个出入口，出入口与奥林匹克公园中心区周边的近10条市政道路相通，形成一张复杂的交通网，因此对于可靠性、可扩充性都有极高的要求

。
　　地下通道并非单纯的交通过道，里面有完备的附属设施，包括5个独立的人员逃生出口、消防泵站、监控中心及排风机房和送风机房。为了保证通道安全畅通，管理者需要对通道中的各种设备进行管理和监控，奥林匹克中心区指挥中心需要对通道内的交通情况进行全方位监控，包括：对204个交通信号灯，120多个摄像头，30块交通情报板，23块车库情报板，以及对交通流量、车速、车道占有率、可变限速标志、启闭车道、车辆限行和分流等的监控，除此之外，还需要对一些交通辅助设备进行监控，包括：对163台紧急电话，60组射流风机， 9组送排风机，9台雨水泵、废水泵、消防泵， 9台一氧化碳浓度监测仪， 9台能见度监测仪，同时，对1个主配电室，5个分配电室的电压、电流、有功功率以及控制中心不间断电源等进行监控。需要监控的系统包括交通系统，辅助交通系统的设备系统、消防系统、供电系统、通信系统（包括：紧急电话系统、广播系统、无线通信系统）、网络系统、CCTV系统。
　　除此之外，监控中心需要预留出软件接口，系统的开放性和可扩充性要求很高，要基于开放的技术平台。要求系统升级比较方便，预留功能接口，增加新的功能不能影响已实现的功能，系统要方便扩展，要与后续的和周边交通系统、交管中心互联。监控系统的各监控站或者服务器的内容都显示于综合显示屏。
　　“易控（INSPEC）”实现的隧道监控系统，与硬件连接方式更方便透明，针对用户需要同时监控多个下位系统的情况，各种不同的系统独立工作，并通过以太网与上位进行集成，易于调试和维护。监控系统针对各个系统的特点，设计有系统特色的画面，使监控更加人性化，只需要在画面进行简单选择操作，就能够监控现场实际情况。当交通系统、消防系统出现异常情况时，监控系统自动切换到出现异常情况的画面，并把异常位置显示在综合显示大屏上，及时反映现场情况。对情况的处理，可以通过人工手动处理，系统还可以调用相关预案自动处理。既减轻了管理者的工作负担，又提高了问题处理的及时性，使用更加安全可靠。
　　2.“易控（INSPEC）”隧道交通监控系统
　　2.1系统组成
　　整个交通系统及其辅助系统是一个庞大、复杂的系统。包括：
　　交通系统：包含204个交通信号灯，30块可变情报板，23块车库情报板，120多个监控摄像头，9个视频分析仪
　　设备系统：包含9组送排风机，60组射流风机，9台水泵、消防泵，9台CO浓度监测仪，9台能见度监测仪
　　消防系统：295个消防器件
　　供电系统：1个主配电室中：14台高低压柜，2台变压柜，1个直流屏，1台UPS；5个分配电室中50台高低压柜，10台变压柜，5台UPS。所有供电室的设备数量达到244个
　　通信系统：紧急电话系统中163台紧急电话；广播系统中65个PAK广播；无线系统中1太广播主机，1台近端机，8台远端机
　　网络系统：22个光环网交换机
　　CCTV系统：64个监视器，8块DLP大屏
　　并且，隧道交通系统与周边交通区域和北京市交警中心进行集成，要求监控交通系统根据道路和监控的需要进行分区管理。根据整个中心区交通系统的监控要求和各个部分的特点，整个监控系统划分为几个主要部分：数据采集和实时数据服务器、历史数据服务器、设备和交通监控工作站，并且预留接口以供后续系统升级等等。系统集成架构参见下图：

　　图1 系统集成架构

　　集成系统由一台I/O采集服务器、一台数据库服务器、六个操作员站以及配套的网络打印机、交换机、计算机网络等组成。
　　★IO服务器：担负I/O数据的采集工作，其工程中仅配置通信设备和数据库变量。采集的数据通过以太 网传送至其他INSPEC工程。
　　配置的IO数据包括：昆腾PLC传送上来的现场设备信息、其他系统传送过来的信息、进行历史记录的IO数据。
　　IO服务器上运行的工程无画面。
　　★数据库服务器：担负历史记录服务器和报警记录服务器的功能， SQL Server担任具体的数据存储业务。
　　数据库服务器上运行的工程配置有数据库变量、历史记录变量、报警配置，没有画面。
　　★操作员站：即工作站。系统包含6台操作站，工作站提供系统的人机界面功能，所有监控操作在操作站上完成，支持设备交通监控、电力监控、闭路电视（CCTV）监控、火灾报警等功能，并支持多媒体大屏幕综合显示。基于以太局域网实现分功能、分级别网上资源共享，网络协调运作（采用TCP/IP通信协议）。各操作站上安装有“易控（INSPEC）”软件，根据登录用户的身份限定其能够操作的内容。
　　操作站通过与IO服务器通信获取系统IO数据，通过数据库服务器查询历史记录、报警历史记录。
　　操作站本身也包含报警服务器，实现显示产生的实时报警信息。
　　2.2与硬件和其他独立系统的连接
　　“易控（INSPEC）”提供了多种便捷的与下位设备的连

接方式，可以通过串口、以太网或其它网卡等多种方式与硬件设备相连。与下位设备的连接是通过“易控（INSPEC）”提供的“IO通信”功能实现的，在设置通信参数过程中，开发人员只需知道设备的类型、厂家、基本的连接参数以及通信的内容等即可实现上位控制系统与现场硬件设备之间的数据交换，软件提供的硬件连接向导可以帮助开发人员完成“易控（INSPEC）”与硬件的通信设置。与以往传统的软件相比，“易控（INSPEC）”在IO通信上为用户提供了更多功能，如能动态启动或停止和一台或多台设备的通信、支持结构数据以及设备的历史数据、可以快速批量配置设备中的变量信息、嵌入网关功能、开放通信程序框架等一系列更加方便用户的功能。
　　隧道监控系统中，通过IO服务器与下位PLC进行通信，服务器上安装“易控（INSPEC）”，通过以太网通道，Modbus协议连接，与22个昆腾PLC进行通信。与其他系统的通信也采用以太网传输，对于部分仅支持串口的设备，采用串口转以太网的方式进行通信。
　　2.3服务器设计
　　2.3.1 IO服务器
　　IO服务器上安装有“易控（INSPEC）”软件，运行IO服务器工程，工程无画面，只配置“IO通信”，建立需要与数据服务器和操作站进行交互的变量。
　　服务器工程中包含97个以太网通道，下挂97种106个设备。整个系统采集IO点数大约为30000点，进行IO采集的时间为1s钟，保证了数据的及时有效性。IO服务器与操作站和数据服务器进行交互的变量数量上万，所有操作站的操作的响应时间小于3s。“易控（INSPEC）”的更快的响应时间、更高的采集频率很好地满足了系统对响应时效性高的需求。
　　并且IO服务器要求在整个系统运行期间不关机，因而，要求监控系统能够长时间正确、稳定地运行。 “易控（INSPEC）” 基于Microsoft最新操作平台.Net Framework之上，具有很好的稳定性，充分满足了系统对长时间运行时正确性和稳定性的要求。
　　“易控（INSPEC）”开发的隧道交通监控系统，在采集IO数据的同时，允许1台数据服务器和5台客户端同时访问，并且能够正常访问。
　　2.3.2数据服务器
　　数据服务器上安装“易控（INSPEC）”软件、SQL Server2000，运行数据服务器工程，工程无画面，建立与IO服务器和操作站进行交互的变量。
　　数据服务器要求长时间大量存储数据。“易控（INSPEC）”能够长达10000天保存历史数据、历史报警信息等，为系统运行期间的数据统计、数据查询提供了有效的数据记录信息。数据服务器同时与IO服务器和操作站进行交互，交互的变量数量上万。能够进行大数据量快速记录，并且，操作站查询时响应时间快。同时，记录的数据支持操作站端进行的历史趋势曲线查看与打印、报表查看与打印、历史报警查看与打印等操作。能够满足用户对数据的记录、查看和统计等各种需要。
　　数据服务器要求在整个系统运行期间不关机，并支持大数据量的记录和查询。因而，要求查询响应快，并且系统运行稳定、可靠。“易控（INSPEC）”的先进技术，也为系统运行的稳定性、可靠性、快速响应提供了更好的保障。
　　“易控（INSPEC）”开发的隧道交通监控系统，在进行数据记录的同时，允许1台IO服务器和5台客户端同时与其进行交互操作，并且操作正常。
　　2.4 操作站设计
　　5台操作站，分别安装“易控（INSPEC）”软件，运行操作站工程，工程不包含“IO通信”配置。通过与IO服务器和数据服务器通信来获取或记录数据，通过IO服务器与各系统进行交互。
　　操作站工程按监控的内 容分成不同的系统，包括：交通系统、设备系统、消防系统、供电系统、通信系统、网络系统、CCTV系统。
　　“易控（INSPEC）”实现的系统，风格简洁、操作方便，系统画面由主标题区、副标题区、主导引区、导航区、工作区、状态栏组成。各系统按钮位于画面右侧的导航区内，操作员可以通过单击按钮进入相应的监控系统，副标题区显示目前工作区所在的系统，位于画面底部的状态栏显示操作员、通信状态等信息。
　　监控系统的画面使操作人员能够更加准确直观的了解实际现场的工作状态，“易控（INSPEC）”具有专业级的图形处理能力。通过“易控（INSPEC）”组态的系统，能够准确全面的展现现场情况，并能实时显示现场参数，实现了画面与现场情况通过。
　　对于包含设备较多的系统，采用总貌图加分区方式：先以总貌图展现，便于整体了解。总貌图上进行分区处理，鼠标移动到相应区域，该区域会反色显示，点击可进入相应分区。可视化的操作，操作员使用将更加方便快捷。
　　分区中详细标注各种设备所在位置，模拟实际现场效果，能够更加直观准确了解现场信息。

　　图2 总貌图

　　2.4.1 交通系统
　　分为12个区，主要对交通情况

进行信号监控，比如交通流量、车型速度、车道占有率，同时对可变情报板、可变限速标志、交通信号灯、启闭车道等进行监控，并提供各种预案，实现对交通事故处理、道路分流等科学的控制和管理。

　　图3 交通区

　　操作站上，点击任意画面的任意交通信号灯，出现下图下拉控制界面：

　　图4 交通灯控制

　　控制界面中，选中任意一种方式，就能改变相应交通信号灯的状态为：直行、禁行、左并线、右并线。操作时，改变相应的变量，变量值通过网络传递给IO服务器，IO服务器把相应的变量值写入控制该灯的相应PLC的寄存器中，改变寄存器状态，从而改变交通信号灯的状态。与下位PLC交互过程对用户透明，操作员只需要在操作站运行工程中进行可视化操作，就能完成交通信号灯控制操作，方便快捷。而且，从操作到信号灯状态改变的过程非常快速。
　　同时，监控系统实际运行过程中，监控系统自动切换到出现异常情况的画面，显示事故类型，并把异常位置显示在综合显示大屏上，便于及时了解和处理各种交通情况，加入的交通预案，使监控更加自动化。
　　点击画面中的情报板，打开相应情报板的设定画面。可以根据需求，设定各种导航信息，包括信息内容、字体、中英文、颜色等。输入信息后，只需点击按钮，就能完成情报板信息的更换。
　　2.4.2设备系统
　　分为12个区，主要是对射流风机、送排风机、排水泵、消防泵、供电等设备进行监控，还包括对隧道内一氧化碳浓度、可见度等环境参数进行监控。

　　图5 设备区

　　点击任意排风机，出现风机信息画面：

　　图6 风机控制

　　各种状态灯从IO服务器获取控制设备的相应PLC中相应寄存器的值，根据各种寄存器状态值，调整状态灯颜色与实际一致，对应的状态灯为绿色，为风机当前状态。
　　当点击按钮控制风机的转动方向和转速时，相应变量的值传递给IO服务器，服务器把相应变量值写入控制设备的相应PLC的寄存器，从而改变现场风机状态。
　　画面上能直观看到各种设备的工作情况，如需了解更多设备参数或者更改设备工作状态，只需点击画面相应设备，打开数据画面，就能轻松完成。
　　设备区中还能看到各一氧化碳监测点CO实时浓度，各能见度监测点的实时能见度。监测点采集的信息通过PLC直接传送给IO服务器，服务器把相应值传送给操作站，操作站按照公式运行，显示实际监测点的浓度或者可见度。
　　2.4.3 消防系统
　　分为12个区，主要对各种消防器件进行监控。当出现消防报警时，报警情况直接反应在画面中各个区的报警设备上，同时自动启动发生警报区的广播系统，进行消防广播。该系统还包括其他消防预案，例如：车辆禁行、车辆分流控制等。
　　2.4.4 通信系统
　　分为紧急电话系统、无线通信系统和广播系统。紧急电话系统，当有紧急电话拨入监控中心时，系统会自动切换到主叫电话所在区域，并且能够实时显示拨号、通话和挂机等状态，以及执行其他预案；无线通信系统包括广播广播主机系统，广播直放站、调度直放站；广播系统可以选择需要进行广播播音的区域、选择各种不同声源、调节音量等。

　　图7 广播主画面

　　操作站在画面的操作改变变量的值，传递给IO服务器，服务器把值写入到广播服务，改变相应的指令，使现场按照操作站给出的指令工作。
　　当现场紧急电话被摘机后，信号传递给电话服务器，服务器将信号传给IO服务器，服务器改变变量值传递给操作站，实时显示相应电话的不同状态，包括：摘机、拨号、通话、挂机等，为了直观，分别以不同的状态图片表示电话状态。
　　无线通信，可以改变频率值，在不同波段广播信息。
　　2.4.5 供电系统
　　包括主配电室和5个分配电室。能够实时监视每一个配电室中设备工作情况，包括：各种电压、电流等。
　　同时监控64台高低压柜，12台变压柜，1个直流屏，7台UPS。
　　点击配电站中的设备，查看设备的各种参数：

　　图9 配电室参数图

　　IO服务器按照设定的查询时间，定时从PLC读取配电室中各设备的电压、电流等值，并且传递给操作站，在操作站画面上实时显示各设备的供电情况。
　　2.4.6 网络系统
　　主要负责监视22个光环网交换机，包括每个交换机的供电情况、光纤温度、端口状态等。把所有光环网交换机的参数显示在同一个画面，并以信号灯标识，各交换机工作正常与否，一目了然。
　　2.4.7 CCTV系统
　　主要对64个监视器和8块DLP大屏的监控，可以通过工程把指定摄像头的图像切换到指定的监视器或者大屏上显示，在操作画面输入需要查看的摄像头编号，点击相应的监视器或者大屏，中控室中监视器上就出现摄像头捕捉到的实时画面。由于监视器数量很大，采用按比例缩小显示实际现场方式，方便管理人员的操作。另外，可以更换大屏显示模式，例如单屏显示、2×2模式、全屏模式等，同时可以在画面

上调节带云台的摄像头的视角、焦距、缩放等。
　　图10 CCTV图
　　通过对操作站画面的操作改变变量的值，并把值传递给IO服务器，与矩阵进行交互，从而能够改变带云台摄像头的视角、焦距、缩放。并且能够把摄像头捕获的实时画面显示在相应监视器或者大屏上。
　　3、结束语
　　由“易控（INSPEC）”实现的地下交通监控系统，对奥林匹克中心区的照明、交通、电力、环境设施都进行了全面的监控，规模十分庞大，集成度非常高，下位设备厂商众多，设备数量超过100个，工程画面100多幅，I/O点数近3万点。系统能够及时快速获取和发布信息，达到了奥林匹克中心区工程和管理方面的要求，而且，系统运行良好，画面精美，操作方便、维护简单等得到了一致好评。通过“易控（INSPEC）”组态的人机界面具有强大的自动控制和数据管理功能，使监控系统的具有更高的可靠性和安全性，为用户提供了全方位的信息化解决方案，能够使更多复杂、大型的工艺实现自动化监控。