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