【文章內(nèi)容簡介】 學位論文 緒論 1 第一章 緒論 課題背景及意義 隨著 我國 經(jīng)濟的飛速發(fā)展 ， 交通運輸在人類生產(chǎn)生活中的地位越來越重要，高速公路的建設步伐也隨之加快。 計劃到 2020 年，建成 山西省高速公路規(guī)劃“ 三縱十二橫十二環(huán) ”，為 全省 119 個縣（市、區(qū)）實現(xiàn)縣縣通高速公路 ， 由于山西省的特殊地理環(huán)境， 高速公路隧道作為一種特殊的建筑物，成為山西高速的一部分，由于其地形復雜，結(jié)構(gòu)封閉，交通量大。在其道路運營過程中，一旦發(fā)生火災便會造成隧道主體工程損 壞，產(chǎn)生極大的危害性且逃生困難。隧道火災的發(fā)生往往是由于汽車相撞、車輛裝載物品燃燒或爆炸、電力電氣線路短路等事故引發(fā)，其火災特點是起火速度快、明火事故多于陰燃火。由于隧道環(huán)境密閉、交通量大、人員密集，逃生和救援工作相當困難，若一旦發(fā)生火災后不能迅速報警和及時處理， 必 將導致交通堵塞、重大人員傷亡和財產(chǎn)損失。 能夠及時檢測發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi) 的 異常狀態(tài)， 采取行動 快速組織施救， 才能 最大限度的地減少損失?；馂臋z測與報警系統(tǒng)的設置 便 成為預防山西高速公路隧道火災發(fā)生必不可少的配置之一。隧道火災監(jiān)控自動報警系統(tǒng)設計 與實現(xiàn) 必須做到可 靠、先進并具有集成性和可擴展性的特點，這樣才能立足于防患未然及早期自救。 國內(nèi)外發(fā)展趨勢 國際隧道火災檢測與報警系統(tǒng)的現(xiàn)狀 日本是 非常 重視隧道火災檢測 與 報警的國家 ，其在 1958 年開通的關(guān)門海底隧道， 便 安裝了空氣管式感溫火災自動探測器等消防設備， 開啟了日本公路隧道安裝消防設施的先河。 1963 年建設名神高速公路時，隨著技術(shù)的提高，科技的進步，安裝了輻射式火焰探測報警器。到了 1979 年研發(fā)出新的雙波長火災探測器，目前日本 90%的隧道采用該產(chǎn)品，并在我國亦有采用。 在歐洲國家則傾向于纜線式傳感 器報警，研究方向在光纖傳感及金屬電纜傳感方面，英國的 Rotherhithe 隧道是其第一條安裝了光纖火災報警系統(tǒng)的公路隧道，首次將火災檢測報警系統(tǒng)接入中央 控制和監(jiān)控系統(tǒng)；希臘的 Tempi 隧道是一條雙北京交通大學 碩士專業(yè) 學位論文 緒論 2 線鐵路隧道，采用了光纖分布式溫度檢測系統(tǒng)。 國內(nèi)隧道火災檢測與報警系統(tǒng)的現(xiàn)狀 二十世紀九十年代起，我國新建的高速公路隧道也開始采用隧道火災報警技術(shù)，典型的工程如： 1992 年成渝高速公路龍泉山隧道安裝了點煙式感煙探測器； 2021 年雁蕩山隧道群、重慶市石黃隧道、京珠高速公路粵境北段隧道雙波長火焰探測器。 在這些工程應用中，不同的火災自動檢測報警技術(shù)有著不同的應用效果。但國內(nèi)對隧道防火技術(shù)的研究尚屬初期，在已實施的隧道火災檢測中大部分采用國外進口設施，少數(shù)國產(chǎn)設備的應用還處于實驗階段。 課題來源 本論文 來源于作者供職的公司針對山西苛臨高速公路隧道開發(fā)的 高速公路隧道火災檢測與報警系統(tǒng)。經(jīng)過大量的準備工作，目前該項目研發(fā)完成，并經(jīng)過測試，已 投入使用 ,并通過相關(guān)部門的驗收 ,取得了良好的效果。 論文組織結(jié)構(gòu) 第一章為緒論 ， 主要介紹了項目的選題來源及項目背景， 從 ETC 的定義及工作原理為引線開端，對 ETC 不停車收費系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及本項目所具有的理論和實際意義等內(nèi)容 做一個簡單的介紹 。 第二章介紹了 有關(guān) 停車場 ETC 系統(tǒng)的概念、 功能構(gòu)成 及 關(guān)鍵技術(shù) ，以及對項目涉及的相關(guān)技術(shù)和理論進行分析， 制訂可行性實施方案。 第三章針對項目目前 的 現(xiàn)狀及 現(xiàn)場考察的環(huán)境 ， 針 對系統(tǒng) 的 功能需求進行 分析 概述 并根據(jù)停車場 的 實際環(huán)境 進行 系統(tǒng) 硬件 的需求分析 設計，總結(jié)了在硬件設計上的優(yōu)點及不足 。 第四章結(jié)合 ETC 系統(tǒng)的功能需求概述，對本項目停車場 ETC 系統(tǒng) 軟件 進行詳細的設計并實現(xiàn)。 第五章對本項目設計實現(xiàn)的停車場 ETC 不停車收費系統(tǒng)進行實地 測試，以及對測試結(jié)果進行分析改進 ，總結(jié) 項目應用的優(yōu)勢及不足。北京交通大學 碩士專業(yè) 學位論文 停車場 ETC 收費系統(tǒng)組成及關(guān)鍵技術(shù) 3 第二章 火災檢測與報警系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)研究 為完成火災檢測與報警系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)工作，本章對系統(tǒng)中用到的相關(guān)技術(shù)進行了詳細的闡述。 多線程的定義 線程是一組指令的集合，或者是程序的特殊段，它可以在程序里獨立執(zhí)行。也可以把它理解為代碼運行的上下文。所以線程基本上是輕量級的進程，它負責在單個程序里執(zhí)行多任務。通常由操作系統(tǒng)負責多個線程的調(diào)度和執(zhí)行。 多線程是這樣一種機制，它允許在程序中并發(fā)執(zhí)行多個指令流，每個指令流都稱為 一個線程，彼此間互相獨立。線程又稱為輕量級進程，它和進程一樣擁有獨立的執(zhí)行控制，由操作系統(tǒng)負責調(diào)度。 多線程是多任務的特殊形式。通常，有兩種類型的多任務：基于進程和基于線程的多任務。進程本質(zhì)上是正在執(zhí)行的程序。因此，基于進程的多任務就是允許您的計算 機同時運行兩個或者更多程序的特性。例如，基于進程的多任務允許您在使用電子制表軟件或者瀏覽 Inter 的同時運行文字處理程序。在基于進程的多任 務中，程序是調(diào)度程序可以分派的最小代碼單元。 多線程是為了使得多個線程并行的工作以完成多項任務，以提高系統(tǒng)的效率。線 程是在同一時間需要完成多項任務的時候被實現(xiàn)的 。 多線程 的 應用 為了簡化說明，假定該服務程序只提供 2 類功能，分別由函數(shù) funcl( )和 func2( )來實現(xiàn)。客戶在請求服務時要指明功能號 1 或 2。另外限制需要同時提供服務的客戶數(shù)目。多線程程序的基本設計思想是，為請求服務的每個客戶建立 1 個線程，專門為該客戶提供服務。限制客戶數(shù)目就是限制同時存在的線程數(shù)目。這些動態(tài)建立的線程對象 存放在數(shù)組中。通過查找該數(shù)組是否有空槽，來決定是否達到最大數(shù)目。同時利用該數(shù)組來管理這些動態(tài)存在的線程及相應的網(wǎng)絡鏈路。整 個程序由 1 個主程序和提供 2 類服務的 2 個子程序組成。主程序 (主控線程 )在完成初始北京交通大學 碩士專業(yè) 學位論文 停車場 ETC 收費系統(tǒng)組成及關(guān)鍵技術(shù) 4 化操作后，開始循環(huán)讀取郵箱中的網(wǎng)絡控制信息；在接收到連接請求信息后，主控線程就建立 1 個新線程，并指定相應的函數(shù)作為執(zhí)行代碼；如果客戶要斷開連接，則主控線程查找到相應的服務線程號，釋放該服務線程使用的網(wǎng)絡鏈路，并刪除此線程 。 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù) 車輛的技術(shù) 來 完成停車場收費口對來往車輛的識別以及收費數(shù)據(jù)的交換 處理 ，從而實現(xiàn)車輛不停車就可以收費的目的。相比較于傳統(tǒng)的人工收費系統(tǒng)而言，停車場 ETC 收費系統(tǒng)最大的優(yōu)點就是不用停車就可以對 來往車輛進行通行費用的扣除 車 本章小結(jié) 本章分為兩部分內(nèi)容，第一部分主要從 停車場 ETC 收費系統(tǒng)簡介、構(gòu)成、原理、 工作原 。北京交通大學 碩士專業(yè) 學位論文 高速 隧道火災檢測與報警系統(tǒng)設計 5 第三章 高速隧道火災檢測與報警系統(tǒng)需求分析 系統(tǒng)概括 山西 省公安廳交管局在官方網(wǎng)站山西公安交警網(wǎng)上發(fā)布， 山西 省超過 5000 米的隧道有 32 條。針對與之相關(guān)的安全問題，省交管部門 對于高速隧道火災檢測與報警的問題相當重視。 截至目前，山西省高速公路共有隧道 354 條，隧道總里程 451 公里，約占全省高速公路總里程的 6%，其中最長的西山隧道長度達 13654 米。 500 米以上隧道共 206 條（含 5000 米以上隧道）， 5000 米以上隧道有 32 條。加上山西氣候較為干燥，易發(fā)生汽車自燃，隧道火災事故的風險非常高。 由于高速公路隧道空間相對封閉，濃煙不易擴散，加上煙囪效應，除燒傷之外，還會造成人員窒息，加上消防機構(gòu)駐地較遠，救援力量趕赴現(xiàn)場需要時間，一旦發(fā)生火災，后果將不堪設想。 一般來說，車輛發(fā)生自燃可以分為兩大類原因，一類是車輛運輸?shù)奈镔|(zhì)為危化物品，可能在運輸途中因特殊原因?qū)е缕鸹?，另一類則是由于車輛缺乏保養(yǎng)、行駛中電、油路短路等引起火災。 為了提高山西高速公路管理水平和運營效率 ,保障高 速公路運營安全、暢通 ,減少營運和管理成本 ,對山西高速公路的各路段高速隧道實行集中管理 ,其監(jiān)控中心設在各路段隧道管理站。在每條隧道的本地都建有本地隧道監(jiān)控工作站 (為節(jié)約成本往往與隧道變電所合建 ),在本地隧道監(jiān)控工作站內(nèi)設有監(jiān)控計算機和控制柜 ,火災報警主機等設備 ,主要完成對隧道采集的信息進行上傳下發(fā)工作。當其與上級監(jiān)控中心通信中斷時可以自主完成對下級區(qū)域控制器的控制工作。在每條隧道都在安裝了多個區(qū)域控制器 ,完成對隧道內(nèi)各機電設備的控制。隧道內(nèi)的機電設備包括 :通風設備 (風機 )、照明燈、車輛檢測儀、 CO/VI 檢測儀 、光強檢測儀、情報板、可變限速標志、 CCTV 閉路電視、交通指示燈、火災報警器等。 高速公路隧道火災檢測與報警系統(tǒng)的目標 系統(tǒng)通過各硬件系統(tǒng)的配合 ,能對各機電設備、安全指標、交通管理、環(huán)境參數(shù)等進行有效的監(jiān)測、控制、智能化管理。并提供事故預處理方案 ,提高管理效率、節(jié)約能源、確保行車安全 ,為積極預防、處理事故提供可靠的保障。 北京交通大學 碩士專業(yè) 學位論文 高速 隧道火災檢測與報警系統(tǒng)設計 6 同時 ,當發(fā)生火災、交通事故、交通阻塞、隧道養(yǎng)護維修、緊急停電等異常情況時 ,能提供各種報警聯(lián)動預案 ,以便迅速及時自動或手動處理事故。 系統(tǒng)能提供對操作記錄、事件記錄、報警記錄、上下 班記錄等數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計、分析、打印等功能 ,以便操作員了解和統(tǒng)計各機電設備運行情況 ,有效地對隧道內(nèi)各機電設備進行管理。 隧道 火災檢測與報警 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 高速公路隧道火災檢測與報警系統(tǒng)采用四層管理模式：第一層是設在隧道管理站的監(jiān)控中心 ,在此監(jiān)控中心設有監(jiān)控主機 ,用于管理本路段的高速隧道。監(jiān)控主機以高速以太網(wǎng)進行連接 ,組成高速的以太網(wǎng)局域網(wǎng)。三臺監(jiān)控主機之間互為備份 ,在其一臺或兩臺監(jiān)控主機出現(xiàn)故障時 ,其它正常運行的主機可以接管其它主機所監(jiān)控的任務 ,增強了系統(tǒng)的可靠性。第二層為各隧道的本地監(jiān)控站 ,在各條 隧道的兩端設有監(jiān)控室 (或變電所 ),控制和管理各區(qū)域控制器 (PLC),對各區(qū)域控制器 PLC 采集的數(shù)據(jù)進行加工處理 ,并把所采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)加工處理后送入監(jiān)控中心。同時接受監(jiān)控中心下達的監(jiān)控命令 ,把命令傳送給相應的區(qū)域控制器 PLC。與此同時在監(jiān)控中心與本地監(jiān)控主機之間的通信出現(xiàn)故障時 ,可以對各區(qū)域管理器 PLC進行有效的管理和監(jiān)控。第三層為各區(qū)域控制器 PLC 對各種現(xiàn)場設備進行數(shù)據(jù)采集與控制 ,各個區(qū)域控制器 PLC通過光纖冗余自愈環(huán)網(wǎng)進行連接 ,把采集到的信息送入隧道本地監(jiān)控主機 ,各 PLC 對現(xiàn)場設備進行直接的管理和控制 。第 四層是各現(xiàn)場設備 ,其中包括 :提供通風的射流風機、提供照明的各種燈具、 CO/VI 檢測儀、風速風向檢測儀、車輛檢測儀、光強度檢測儀、緊急電話、 CCTV 攝像機、有線廣播、火災報警器 (差溫光纖自動報警器和手動報警按鈕 )、車道指示器、可變情報板和可變限速標志等隧道機電設備 []。 高速公路隧道火災檢測與報警系統(tǒng)的管理層和隧道集中控制層的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu) : 1. 隧道監(jiān)控中心和隧道本地工作站的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu) 由于以太網(wǎng)已成為局域網(wǎng)的事實標準 ,所以隧道監(jiān)控中心采用目前在技術(shù)上和管理經(jīng)驗上都比較成熟的以太網(wǎng)技術(shù)。一是由于目前以太網(wǎng)巨大的網(wǎng)絡基礎 和長期的經(jīng)驗積累 。二是目前所有流行的操作系統(tǒng)和應用程序也都是與以太網(wǎng)兼容的 。三是擴展性好、容易安裝以及高可靠性。以太網(wǎng)接入采用異步工作方式 ,很適于處理 IP 突發(fā)數(shù)據(jù)流。系統(tǒng)采用以以太網(wǎng)交換機為中心的星形拓撲網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。同時為了進一步提高網(wǎng)絡的可靠性 ,系統(tǒng)使用三臺隧道監(jiān)控主機互為熱備份。平時每臺主機各監(jiān)控一條隧道 ,當其中的一臺或兩臺發(fā)生故障時 ,其余主書 L可以接管故障監(jiān)控主機的監(jiān)控任務 ,來保證對隧道監(jiān)控的正常進行。另外 ,隧道監(jiān)控中心管理層也提供北京交通大學 碩士專業(yè) 學位論文 高速 隧道火災檢測與報警系統(tǒng)設計 7 了服務器雙機兀余熱備份 ,來進一步保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性和系統(tǒng)的可靠性。 2．高速公路隧道火災檢測與報警系統(tǒng)的各隧道的現(xiàn)場集中控制層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)[17] 按照隧道分類標準南山隧道全長為 4873m,為特長隧道 。鐵峰山 1隧道全長2318m,為長隧道 。鐵峰山 2隧道全長 6021m,為特長隧道。以上隧道均為雙洞單向二車道。萬開高速公路隧道控制層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu) ,三隧道均采用工業(yè)以太網(wǎng)加 PLC 的方式進行組網(wǎng) ,組成光纖冗余自愈環(huán)網(wǎng)。 工業(yè)以太網(wǎng)是應用于工業(yè)控制領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù) ,在技術(shù)上與商用以太網(wǎng) (即 標準 )相同。不過 ,工業(yè)以太網(wǎng)在材料的選擇上、產(chǎn)品的適用性、產(chǎn)品的強度、實時性和抗干擾能 力、可靠性和本質(zhì)安全等方面都得到了進一步的強化與提高 ,能滿足工業(yè)現(xiàn)場苛刻的環(huán)境要求。 由于以太網(wǎng)采用 CSMA/CD(CarriesSenseMultipleAeCesswithCollision Detection,載波檢測多路偵聽 )介質(zhì)訪問控制方式 ,其本質(zhì)上是非實時的 ,可導致信息傳輸?shù)臏?,且其滯后是隨機的 ,可能會造成響應時間是不確定的