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摘要：針對公路隧道通風數據采集量大、人工工作強度大的問題，設計開發了一套公路隧道環境監測及控制系統。為了方便實時查看隧道內的環境數據信息和控制操作變量，開發了遠程計算機操作軟件。通過登錄電腦客戶端，用戶可以隨時查看公路隧道內的環境參數，如空氣溫度、風速、濕度和氣壓等，并對環境參數進行操作控制。論文構建的環境監測及控制系統將溫濕度等傳感器、數據傳輸技術、終端等相結合，采集公路隧道環境參數并對其進行控制，對公路隧道節能、智能運營具有重要的建設意義。

關鍵詞：監控；數據采集；公路隧道運營；物聯網；光端機；傳感器

引言

隨著我國交通建設的不斷推進，長隧道以及特長隧道的數量不斷增多。隧道內交通量增多，隧道污染物濃度也隨之逐年增加，傳統的隧道運營控制方式已難以滿足需求。為了節約運營成本就必須對隧道內的環境參數進行采集，實現隧道智能運營控制。此外，公路隧道環境參數的采集與處理事關隧道安全運營，在實現隧道智能交通運輸以及保障行車安全等方面發揮著重要作用。因此，設計合理有效的隧道環境參數采集方案，研發隧道環境監控系統至關重要[1-5]。當前，計算機技術已被廣泛應用于隧道工程領域，意在實現隧道建設以及運營的智能化。本系統將計算機與智能運營聯系起來，由設置在隧道各處的傳感器采集隧道內外環境參數，并通過有線或無線網對所采集數據傳輸至服務器，由數據庫對數據進行存儲，方便進行數據處理以及調用[6-9]。在系統監測過程中，傳感器采集的數據會不斷上傳至數據庫。隧道運營管理部門在查看數據時可以手動設置查看條件，根據參數設置對數據進行篩選，同時系統可以自動生成折線圖，方便直觀觀察，并且可以隨時通過電腦終端查看，無需長時間值守于隧道內，實現了勞動力的解放。本文基于物聯網設計構建了公路隧道環境監測及控制系統。該系統的設計可以在近期進行科學研究并進行相關數據的收集，在遠期可作為隧道運營的監控設施，方便進行隧道管理與通風系統內風閥的控制。隧道運營管理部門可以實時對隧道環境參數進行查看，對隧道內通風系統設施的運行狀態進行調節，并為隧道管理提供決策服務，節約能源。

1系統設計

基于物聯網的公路隧道環境監測及控制系統能夠方便用戶隨時了解隧道內的環境參數信息，只需登錄電腦客戶端，系統就可以與服務器對應的數據庫連接。數據庫的管理系統可以根據操作者的需求對數據庫的數據進行篩選，最終只顯示操作者需要的數據。通過電腦終端就可以實時了解隧道內的各種環境參數，同時也可以設定時間間隔。此外，系統還可以查找隧道內的歷史環境參數數據，自動生成歷史數據折線圖，方便隧道運營部門等操作者直觀查看。通過對隧道內各種環境參數信息的監測以及控制，可以對隧道內的通風機電系統進行分狀態的智能控制，以實現隧道運營智能化、節能化[10]。通過登錄計算機客戶端，用戶即可進入系統。公路隧道環境監測及控制系統由上位機系統和分散在隧道各監測點的總線式數據集中采集系統組成。分散在隧道各監測點的總線式數據集中采集系統采用光纜傳輸方式，將總線式數據集中采集儀采集的風速變送器、風向變送器、氣溫變送器、壓力變送器的數字信號通過光端機及交換機傳送至隧道遠程控制系統。為了減少變送器與光端機主線之間的接口數量，各變送器采用相同總線方式傳輸數據。系統結構如圖1所示。為滿足整個監控系統的正常運行，數據庫、光端機以及傳感器之間可以采用主干網絡和子網絡、有線網絡和無線網絡相結合的方式。主干網絡可由光纖傳輸等傳輸速度較快、可靠性較高的網絡構成，保證信息向上或者向下傳輸；子網絡可采用ZigBee等無線傳感網絡，用于光端機之間的信息交換，最后統一于有線網絡，實現信息傳送以及整個系統的信息存儲、計算以及控制。基本傳輸運行機制如圖2所示。

2系統功能模塊

本論文設計系統可以分成6個功能模塊，分別為數據采集模塊、數據傳輸模塊、數據管理模塊、數據處理模塊、可視化模塊以及智能控制模塊。系統模塊如圖3所示。基于物聯網的公路隧道環境監控系統中每個模塊的主要功能如下：（1）數據采集模塊：實現對隧道內環境包括風速、風壓、溫度以及濕度等相關數據進行采集；（2）數據傳輸模塊：將傳感器采集的數據傳輸至數據庫以及控制指令等信息的有效發送；（3）數據管理模塊：實現對采集數據的存儲、調用等；（4）數據處理模塊：系統可以根據操作者的需求對數據庫的數據進行篩選，顯示所需數據，系統可以用折線圖的方式顯示歷史數據與數據變化的歷史規律，方便用戶分析；（5）可視化模塊：系統通過主界面可以顯示隧道內的環境參數，例如風速、風向、溫度等，此外，系統在顯示界面也可以實現傳感器在隧道內放置位置的顯示，方便用戶根據傳感器的位置對數據進行篩選；（6）智能控制模塊：系統可以實現遠程控制以及對數據采集傳感器狀態的控制等。

3系統運行

圖4所示為公路隧道環境監測及控制系統實際應用效果展示界面。主界面主要包括3部分，分別為監測裝置放置部分、數據展示部分以及用戶操作部分。監測裝置放置部位圖在圖4左側，顯示了各種數據采集傳感器監測點在隧道主洞以及附屬設施上的布置位置。數據展示部分在圖4右側上部，顯示了各監測點上的數據采集情況，包括風速、風向、溫度、濕度以及氣壓。用戶操作部分在圖4右側下部，主要包括數據篩選、圖形展示以及控制功能。其中數據篩選功能和圖形展示功能可以相互引用，主要區別是進行數據篩選時參數條件選擇的不同。數據篩選功能主要根據監測點進行數據篩選，圖形展示功能主要根據時間進行數據篩選，既可以先篩選數據再進行圖形展示，也可以在圖形展示功能中根據時間參數進行數據篩選。

4結語

本文設計了公路隧道環境數據監測及控制系統，通過傳感器監測點實現環境數據的采集，再通過光纖將所采集數據傳輸至數據庫服務器。數據采集模塊對隧道環境參數進行實時信息采集，控制模塊可以篩選監測點數據、顯示歷史數據以及對監測設備進行控制，后期可以實現對風機等通風機電設備的控制，實現公路隧道運營的智能化、信息化。該系統的建成可為隧道運營決策提供數據支撐服務，極大程度節約運營成本。同時，該系統研發與利用可為同類型工程運營質量提升提供參考，符合國家資源節約型社會建設的政策，對我國公路隧道節能智慧運營有一定借鑒意義。

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作者：郭大偉 鄭晅 李雪 單位：長安大學