高速公路隧道监控系统的现状与发展
现代隧道技术
MODERN TU NNELLING TECHNOLOGY
高速公路隧道监控系统的现状与发展
文章编号:1009-6582(2009)06-0008-09
高速公路隧道监控系统的现状与发展
王志伟
杨
超
(华东交通大学载运工具与装备省部共建教育部重点实验室,南昌330013)
摘要文章总结了高速公路隧道监控系统的发展概况;介绍了高速公路隧道监控系统的主要组成、特点及其
功能,阐述了高速公路隧道监控系统各个子系统的组织构成及其控制方式,最后指出了高速公路隧道监控系统未来发展的主要趋势:结合无线传感技术、无线通信技术、网络技术和计算机技术实现的各子系统智能联动综合控制。
关键词
高速公路隧道
监控系统
智能联动
综合控制
中图分类号:U459
文献标识码:A
1引言2发展概况
在高速公路隧道监控系统的研究方面,国外起
随着我国经济的快速发展,公路及公路隧道的建设项目与日俱增,隧道安全运营问题显得越来越突出。为了创造一个安全、方便、快捷、舒适、经济、高效的交通环境,如何解决隧道安全问题日益成为高速公路建设和运营管理单位关注的焦点。高速公路与一般公路相比,具有线性好、交通流量大、行车速度快等特点[1];高速公路隧道是高速公路网的咽喉地段,如果不采用先进的监控管理措施,在交通量大、气候恶劣的情况下,极易发生交通事故和交通堵塞。在高速公路隧道内设置完善的监控设施、改善洞内环境、减少污染和事故、增强隧道的通行能力、延长隧道的使用期限,对保证隧道的安全营运具有重要意义。
伴随科技水平的发展,隧道交通监控系统将越来越完善,系统的响应时间会缩短,系统的开放性将提高,监控联动模式将进一步丰富和科学化,更好地满足行车安全、提高行车效率、构建和谐行车环境的运营管理以及满足服务需要[2]。本文将对高速公路隧道监控系统的组成、功能及现状进行综述,并给出高速公路隧道监控系统的未来发展趋势。
修改稿返回日期:2009-08-15
基金项目:载运工具与装备省部共建教育部重点实验室开放基金资助.
步较早,发展到现在己经比较完善。美国、加拿大、德国、日本等国家已经走在世界的前列,如美国的
LONWORKS 分布式公路隧道监控系统(TMCS)技术[3]是美国Echelon 公司20世纪90年代中期推出的一种用于自动控制领域的网络技术;德国Phoenix Contact 公司20世纪80年代中期推出的INTERBUS 现场总线技术和日本OMRON 公司20
世纪70年代中期推出的Controller Link 环网控制技术[4~6],在隧道监控方面都有广泛的应用。我国隧道监控系统的发展相对滞后于国外,如上海延安东路隧道与深圳梧桐山隧道在我国较早实现了隧道监控;此后,成渝高速公路的中梁山隧道、缙云山隧道等高级公路隧道,通过引进国外设备与自主开发相结合实现了隧道的监控[7],曾盛[8]、尤三伟[9]、穆罕买提[10]等研究设计人员也都对公路隧道监控系统的设计进行了探讨。
3
高速公路隧道监控系统的构成及功能
高速公路隧道监控系统主要是监视隧道交通状
作者简介:王志伟(1984-),男,在读博士研究生,现从事载运工具状态检测与控制等方面的研究工作,E-mail :[email protected].
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Vol. 46,No. 6,Total. No. 329Dec. 2009
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高速公路隧道监控系统的现状与发展
况,对交通参数进行检测和统计,并对隧道的各种交通设施进行监控和管理,以保证高速公路的行车安全和畅通。根据隧道系统各个部分控制的对象不同,可以将隧道监控系统分为计算机控制系统、闭路电视系统、交通监控系统、照明控制系统、通风控制系统、隧道消防系统、紧急电话系统、供配电系统等子系统[11]。
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从而对交通运行进行科学管理,合理制定交通控制方案并评价其效果,预防常发性拥挤的发生,及时抑制和纠正交通违章行为,迅速探测出交通事件,对交通事故进行有效排除和救援。
3.2.1隧道交通控制系统组成
高速公路隧道交通控制系统主要由交通检测系
3.1高速公路隧道计算机控制系统
计算机控制系统是整个监控系统的中枢,对隧
统和交通诱导系统两大部分组成[13]。交通检测系统对隧道内的交通信息,如车流量、车速、能见度和交通异常事件,如交通事故、火灾等进行判断,在获得相关信息后,及时把这些信息传送到监控中心,并自动判断交通状况(正常、拥挤、堵塞及异常、事故等交通状况),并据此通过交通诱导系统,调控车流量,确保隧道运行的安全。高速公路隧道交通诱导方案可分为正常状态运行诱导方案、拥挤(包括交通拥挤和小型事故引起的拥挤) 状态下的诱导和事故(包括大型事故和火灾事故) 诱导方案。交通检测设施主要有车辆检测器、摄像机、视频监视控制设备等。交通诱导设施主要有交通信号灯、车道指示器、可变情报板、可变限速标志、交通区域控制器及控制台等。一般情况下,在隧道入口处各设置一块可变限速标志、可变情报板,并各设置一组交通信号灯和交通参数检测器,在隧道内各设置多组车道指示器及交通检测器。
道的检测信号和控制信号实现控制和管理,并协调各个子系统的联动控制。隧道内的交通信息、环境状况等因素通过传感器等检测,上传到计算机,由计算机计算出相应的控制量并输出,实现对隧道内交通和环境的控制。计算机控制系统一般采用分散控制、集中管理的控制方式[12],即将控制系统分为两级控制:一级为隧道区域控制系统,二级为以隧道站为监控中心的中心计算控制系统。
3.1.1隧道区域控制系统
隧道区域控制器主要对隧道内小区段的信息进
行采集及控制,其主要功能为:
(1)收集本区段管辖的检测设备的检测信息,即一氧化碳、能见度、光强和车辆检测器等信息。
(2)对收集的信息进行预处理,将存储单元中处理的信息上传给中心计算机。
(3)接收中心计算机各种控制命令,发给下端执行设备(如发给车道控制标志、交通信号灯、风机驱动柜的指令) 。
(4)主隧道控制器配有液晶显示屏,在对控制器所管辖设备进行操作时可监视其反馈信息及检查所辖各设备的状态。
3.2.2隧道交通监控系统控制方案
公路隧道根据公路等级的不同可分为高速公路
隧道、一级公路隧道和二级及二级以下公路隧道。根据公路隧道长度的不同,大致可分为四类:特长隧道、长隧道、中隧道、短隧道[14]。根据分级的不同,隧道交通监控系统工程配置规模又有很大区别,其中高速公路隧道交通监控系统工程的具体配置规模如表1所示[15]。
从表1中可以看出,特长隧道配置最为齐全,短隧道可以不用配置交通监控系统。
3.1.2中心计算机控制系统
中心计算机系统应具有连续不间断工作的能
力,负责完成整个隧道的监控功能。通过通信计算机从区域控制器收集、检测信息,并对收集的信息进行处理,分析交通运行状况、环境指标状况;根据系统配备的控制方案,利用信号灯、车道控制标志、可变情报板对交通进行实时自动控制,动态显示交通运行状况和设备工作状态等;可进行数据查询、各种图表打印、数据备份自动完成及重要文件的存档。
3.3高速公路隧道照明控制系统
机动车驾驶员通过高速公路隧道时,存在以下
几种特殊的视觉问题:
(1)白天进入隧道前的视觉问题
由于隧道内外的亮度差别极大,因此从隧道外部去看,照明很不充分的隧道入口会出现“黑洞现象”。
(2)白天进入隧道后的视觉问题
由明亮的外部进入不太暗的隧道以后,人的眼
3.2高速公路隧道交通监控系统
隧道交通监控系统是保证行车安全和道路畅
通、实现高速公路运行管理的重要手段。通过该系统能迅速掌握交通流和交通环境等多方面的信息,
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表1
隧道交通工程配置规模
隧道分级
特长隧道
Table 1Allocation scale of tunnel communication
设施名称
标志标线
标志标线车辆检测器
交通监控设施
摄像机可变限速标志可变信息标志交通信号灯车道指示器
长隧道
中隧道
短隧道
●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●
●●■●■■■■■■■■●■■●●●■■■■
●●▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲●▲▲▲▲▲
●●--------------●-----
VI 检测器
通风与照明CO 检测器控制设置
风速风向检测器亮度检测器
紧急呼叫设置
紧急电话有线广播火灾检测器
火灾报警、设施
手动报警按钮消火栓
水成膜灭火装置
中央控制
计算机设备显示设备控制台
消防与避难灭火器
说明:●必选设施;■应选设施;▲可选设施;—不做要求.
睛要经过一定时间才能看清隧道内部的情况———“适应滞后现象”。
(3)隧道内部的视觉问题
隧道内部汽车排出的废气无法迅速消散形成烟雾,将汽车灯和道路照明器发出的光吸收和散射,降低能见度。
(4)白天隧道出口处的视觉问题
机动车穿过较长的隧道接近出口时,由于出口外部的亮度相对于隧道内高很多,出口看上去是个亮洞,会出现极强的眩光即“白洞效应”。
(5)夜间隧道出口处的视觉问题
夜间与白天正好相反,隧道出口看到的不是白洞而是黑洞,机动车驾驶员看不清隧道外道路的路型和障碍物。
可见,隧道照明系统必须进行科学地规划和设计,为隧道交通提供一个良好的视觉环境,尽量避免
10
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这5种视觉问题的出现,以确保广大司乘人员的行车安全和舒适感。
3.3.1隧道照明划分方式及设计规范
照明系统是高速公路隧道监控系统中非常重要
的一个部分。隧道照明一般分为引入段、适应段、过渡段、基本段和出口段等五个区段照明,每个区段都有不同的作用,分别用来消除以上5种视觉问题。2000年1月我国颁布了《JTJ 026.101999公路隧道通风照明设计规范》[16],该规范在照明系统构成、洞外亮度和减光、隧道各照明段的长度与亮度、照明总均匀度与纵向均匀度、调光分级、光源分级、灯具及布置、照度与亮度计算推荐方法等方面做出了详细的说明。
3.3.2隧道照明系统的灯具
照明光源及灯具的选择是否适当是隧道照明质
量有无保证的关键。国内隧道灯多采用白炽灯、荧光灯、高压钠灯等[17],大多存在光带窄、能耗高、质量稳
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定性差、寿命短等问题。目前,无极灯、LED 灯等新产品日益引起人们的关注,这些产品在隧道照明上的应用,不仅满足隧道对灯具光效、光通量、寿命、光色、显色性和配光控制程度的要求,还能节约运行和维护成本,实现稳定经济运行。
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3.3.3隧道灯具布置方式及控制方法
隧道照明灯具的布置方式和控制方法在很大程
度上影响着隧道照明效果,也是隧道照明系统设计的关键。隧道照明布置主要有相对排列、交错排列和中央排列三种形式,三种布置方式在不同隧道结构中的应用程度也不同。控制方法主要经历了三个发展阶段[18]:人工控制阶段、自动分级控制阶段和自动调光控制阶段,其中自动调光控制已逐渐成为国内隧道照明控制的主流。目前自动调光控制主要采用模糊神经控制方法和无极控制方法(图1)等现代控制方法。图2为隧道照明工作流程图。
图2
隧道照明控制工作流程
Fig.2Flow chart of tunnel illumination control
高速公路隧道是公路上一个相对封闭的特殊路段,汽车在行驶时产生各种废气和烟尘,在隧道相对封闭的空气中难以流通,形成污染。对于长大隧道,一方面由于汽车行驶时排放的超标有害气体污染了空气,影响人体健康;另一方面由于柴油机车排放的煤烟和车辆行驶所扬起的粉尘有吸收隧道光线的作
图1
隧道LED 亮度智能无级控制系统
用,降低隧道内行车的能见度,危及行车安全。为了稀释汽车排放的污染物浓度,保持隧道内视野清晰和空气新鲜,确保人体健康和行车安全,必须设置隧道通风设施。
Fig.1Tunnel LED brightness intelligent stepless
control system
3.3.4隧道照明节能技术
随着隧道建设增多,隧道照明设施的规模及数
3.4.1隧道通风系统的设计原则
通风系统是隧道监控系统的重要组成部分,必
量也越来越大,隧道的运营电费和维护费用也越来越高,例如山西大运高速上的雁门关隧道全长约11
须引起通风设计人员的足够重视。隧道火灾通风应遵循以下设计原则[21]:(1)有利于人员逃生避难, 应尽量减少传到人体上的热负荷, 避免因纵向风流的混流而影响排烟和火灾救援;(2)避免和减少火场高温空气的扩散, 防止发生二次火灾导致火灾规模扩大;
km ,每月的电费开支将近30万元;终南山公路隧道全长36km ,每月照明费用高达200万元以上[19]。因
此,既安全又经济节能的隧道照明技术和节能方案应是隧道照明技术的主要发展方向。隧道照明节能技术主要从以下几个方面考虑[20]:(1)隧道照明光源的选择和配光技术;(2)照明灯具的布置方式;(3)隧道供配电技术;(4)照明节能控制技术;(5)系统维护等。
(3)有利于消防救援人员展开救援和消防工作, 使消
防救援人员从上风向接近火场;(4)防止烟气进入相邻隧道或避难场所。
3.4.2隧道通风方式分类
公路隧道通风方式的种类很多,按送风形态、空
3.4高速公路隧道通风控制系统
气流动状态、送风原理可分为自然通风和机械通风
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况(如隧道出、入口及隧道内的交通流量、车流密度及道路使用状况),同时还可以对隧道控制信号,如车道控制标志、交通信号灯、可变情报板、风机运行状态、照明、空气质量以及隧道内火灾报警进行直观确认,以便于为交通控制提供直观的依据和客观的记录。
两大类[22]。自然通风方式不设置专门的通风设备,一般来讲,1000m 以内的短隧道可以采用自然通风的方式。机械通风方式分为纵向通风、半横向通风、横向通风三种(图3) ,机械通风大多运用在长大隧道系统中。
3.5.1视频监控系统组成
隧道视频监控系统分别由前端系统、传输系统、
控制系统和显示系统四部分构成,具有对图像信号的分配切换、存储、处理、还原等功能[25]。
图3
隧道通风方式
(1)前端系统主要由摄像机、镜头、护罩、云台、解码器等组成,用于采集图像信息。
(2)传输系统主要由视频电缆、控制电缆、音频电缆、光缆、电源线组成。由于监视现场和控制中心总有一定距离,从监视现场到控制中心需要传输图像信号,同时从控制中心的控制信号要传送到现场,所以传输系统包括视频信号传输和控制信号传输两部分。
(3)控制系统主要包括视频矩阵切换器、双工多画面视频处理器、多画面分割器、视频分配器、数字录像硬盘。
(4)显示系统主要有显示与记录设备,一般均安装在安保控制室,主要由黑白/彩色监视器、录像机及视频处理设备组成。隧道视频监控系统的组成如图4所示。
Fig.3Tunnel ventilation modes
3.4.3隧道通风控制方法
公路隧道通风的控制方法分为传统控制法和现
代控制法两大类[23]。传统控制法包括直接控制、间接控制、程序控制和组合控制。由于传统风机控制的一些缺陷,现代控制方法逐渐代替传统控制方法,其研究重点转向模糊控制、神经网络控制、专家控制等现代控制方法上。
3.4.4隧道通风系统组成
隧道通风系统主要设施包括各种传感器(车辆
检测器、CO 浓度传感器、烟雾浓度传感器等)、控制器、执行器以及隧道模型[24]。
3.5高速公路隧道视频监控系统
视频监控系统用以直观地了解隧道交通运行状
3.5.2视频监控系统的控制与管理
视频监控系统除了实现基本的视频监控功能
图4隧道视频监控系统的组成
Fig.4Composition of tunnel video monitoring system
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外,其客户端可通过控制按钮对远端摄像机的焦距、光圈及云台转向进行控制,也可以通过中心计算机对视频画面进行存储、分割和查询等。
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制、设备使用寿命等方面的问题。
(4)一般来说,加强隧道照明、提高隧道内的亮度会增加运营费用。因此, 在安全行车的前提下, 如何提高隧道的运营效率、降低能源消耗, 成为隧道照明技术研究迫切需要解决的问题。
(5)各个监控子系统的联动性差。隧道通风与照明系统实行联动,能有效提高系统的控制性能和节能效应。火灾报警系统应达到自动检测与消防实现联动,根据火灾类型与严重程度自动制定灭火与救援措施,可在更大程度上保证人身财产安全。
3.6高速公路隧道火灾报警系统
隧道内能见度较低,常为事故多发段,并可能诱
发各种各样的火灾。火灾监控系统可以在发生火灾时由传感器自动向控制中心报警,控制中心通过交通信号、标志、广播等及时做出反应,以免诱发更大的火灾。
3.6.1隧道火灾报警组成结构
隧道报警设施有应急电话、手动报警按钮、感温
4高速公路隧道监控系统的应用实例
实例一:“甬(宁波) 台(州) 温(州) ”高速公路临海
探测器及报警器。为了保证隧道火灾检测系统的可靠工作,传感器必须满足防腐防潮、机械强度高、抗干扰性好、连续性好和性能可靠等要求。目前应用较为成功的有分布式光纤温度传感器、双波长火焰探测器、熔缆(热敏电缆) 传感器和感火焰传感器[26]。
(青岭) —乐清(湖雾岭) 段,全长44.536km ,位于该路
段K39-43处的“大溪岭-湖雾岭”公路隧道[28],为双洞单向行车双车道隧道,左右线各长4116m ,是当时国内最长的公路隧道。
其主要设计技术指标为:隧道设计车速为80
3.6.2隧道火灾报警方式
隧道可设手动报警和火灾探测器自动报警两种火灾报警方式,实现对报警信息的采集,及时检测到火情发生区域并立即向中控室报警,确保隧道安全。
km/h;设计交通量1999年为6612辆/日,到2020
年将达到46371辆/日。整个隧道的机电工程具有设备要求复杂、控制要求高、运行环境恶劣、维护困难、系统可靠性要求高等特点。
控制系统划分为三个技术层次,即现场控制层
3.7现行高速公路隧道监控系统的不足
隧道监控系统的应用,减少了交通堵塞,提高了
(包括中央控制器) 、数据库服务层和中央管理层。各
子系统功能包括:
(1)交通检测与诱导控制子系统
由可变限速标志、可变情报板、四色信号灯、车道指示器、车辆检测器等组成,由10台西门子S7-
运输网络通行能力和安全水平,提高了交通运输的生产效率和经济效益,使得隧道舒适、安全、高效、流畅的运营得到了保障[27]。但由于传统的隧道设计观念和现代化技术的应用程度不完全,隧道监控系统还存在着一些不足,主要表现在以下几个方面:
(1)现行隧道大多采用集散式控制方式,可靠性较差,效率较低,管线长,投资高,易引起系统故障。现场总线控制方式相对于集散控制方式有更大的优势,能够充分发挥上层系统调度、优化、决策等功能,降低系统投资成本,减少运行费用。
(2)交通控制系统的控制模式和智能水平需要进一步研究和提高,应能自动识别交通状态、检测异常事故并做出处理,为驾驶员提供交通与环境信息,进行路线指示和车辆诱导,提高车速与降低事故严重程度及堵塞与火灾时的疏散时间。
(3)大多数隧道通风控制仅考虑了CO 的浓度,而没用考虑交通状态、设备的运转平衡、自动控制与节能问题。实际上,隧道越长,使用者有害气体的吸收越多,因此,应综合考虑环境、交通、节能、控
300PLC 构成的区域控制器来实现控制和管理功
能。
(2)通风检测与控制子系统
由风机、CO 检测器、VI(能见度) 检测器、TW(风速) 检测器和S7-300PLC 构成,S7-300根据各检测器输出的测量信号控制风机的运行。
(3)照明检测与控制子系统
由光度检测器、照明控制器、照明控制屏、照明控制操作站、照明控制计算机和S7-300PLC 构成,
S7-300根据光照情况控制照明灯和应急灯的通断。
(4)中央控制子系统
由于大部分现场控制功能已经由分布在现场的
S7-300PLC 完成,中央控制系统主要完成其他系统(如火灾、消防、电话、电力系统) 的接口功能和部分连锁功能,因此,采用西门子高性能的S7-400PLC ,
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心,中心监控室面积仅有30m 2,仅设有6名管理人员,监控中心不但监控莱尔多隧道,同时监控斯盖特郡的其他许多条6~11km 长的隧道。
(7)监控中心网络构成
采用SDH 通讯网作为主干网承担区域控制器与监控中心之间的信息传输。
(8)区域控制器
采用双机热备的PLC-5型可编程控制器作为区域控制器,控制隧道通风、照明、环境监测系统。
以提高集中控制系统的可靠性和灵活性。
另外,还有国道108线明月峡隧道监控系统、秦岭终南山公路隧道监控系统、雁门关隧道监控系统、雪峰山隧道监控系统等隧道监控系统。
实例二:莱尔多隧道[29]位于挪威奥斯陆与卑尔根之间的E16高速公路上,全长24.5km ,是目前世界上最长的公路隧道,隧道设计为单洞双车道双向行车隧道,年平均日交通量为1000辆。
其系统主要组成为:(1)隧道通风系统
莱尔多隧道采用纵向式通风设计,并设有2.1
5隧道监控系统的未来发展
隧道智能化监控系统,是目前隧道监控领域研
km 长的一个通风斜井。通风系统依据隧道内设置的NO 2及CO 探测仪监测的空气被污染程度自动调节
通风量。
(2)交通信号系统
在隧道两端入口设有交通信号灯,洞内发生事故或火灾时自动或人工点亮红灯禁止洞外车辆进入洞内。在小转弯点和回车道处设有交通信号灯和转弯标志,可自动或人工分段点亮。
(3)隧道照明设计
在隧道中三处大型圆形回车道处,照明系统进行了特殊设计,车辆经过大型回车道时,司乘人员有一种出洞再进洞的感觉。
(4)报警装置的设置
隧道内每隔125m 设有消防箱,箱内灭火器底座连接至自动报警系统,洞内发生火灾时,若有人移动灭火器,报警信息自动传至监控室。
(5)电视监控装置
在隧道两端入口处设有摄像机,对进入隧道车辆进行拍摄并纪录。若某车辆未按时出洞,系统保留该车纪录,并自动调出该车图像,同时向监控人员报警。
(6)监控中心
监控中心设在距离隧道口6km 处交通监控中
究的前沿课题,是21世纪隧道监控系统的重要发展方向;它是在当代科学技术充分发展进步的背景下产生的,是将先进的计算机信息技术、电子控制技术、无线传感技术、无线通信技术、网络技术等有效地综合应用于整个隧道的监控系统[8,,30,,31]。
隧道智能化监控系统采用分级管理的模式,通过建立多平台、多系统下的统一管理平台,实现对系统内的所有分监控中心、监控主机及监控设备进行统一有序的协调、管理。各分监控中心在服从总监控中心调度指挥的同时,能在自己职能范围内管理和调度其所管辖各隧道内的监控设备,从而达到集中与分散相结合的多级用户管理模式。
隧道智能化监控系统主要包括:隧道内实施视频监控、车流量及流速检测、变配电参数检测、火灾自动报警、照明、通风、紧急电话、环境监测、交通控制等子系统。其中隧道网络视频监控系统的建立,可实施对隧道内交通流量和交通运行状况的监视,发现异常情况及时采取应急措施,确保隧道高速、安全、舒适、经济地运营;其关键技术主要包括公路隧道的通风控制、交通控制、通讯网络以及综合控制等,还有考虑隧道节能与环保的多个子系统智能联动控制等。
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现代隧道技术
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Current Status and Development Trend of Monitoring Systems
for Expressway Tunnels
Wang Zhiwei
Yang Chao
(KeyLaboratory of Conveyance and Equipment, Ministry of Education, East China Jiaotong University, Nanchang 330013)
Abstract Development situation of expressway tunnel monitoring system was summarized, components,
characteristics and functions of expressway tunnel monitoring systems were introduced, organizations and control modes of expressway tunnel monitoring subsystems were described. Development trend of the expressway tunnel monitoring system is pointed out:intelligent linkage integration -control realized by subsystems using wireless sensor technology, wireless communication technology, network technology and computer technology. Key words
Expressway tunnel; Monitoring system; Intelligent linkage; Integrated control
16第46卷第6期(总第329期) 2009年12月出版
Vol. 46,No. 6,Total. No. 329Dec. 2009