专利名称：城市长隧道l-dna仿生监控方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及控制工程领域，特别涉及适用于城市长隧道和超长隧道的L-DNA(类 DNA)仿生监控方法。
背景技术：
现今，长隧道和超长隧道监控系统的控制结构为各监控点依照现场控制需要，随 机散列在狭长的地段线状区内，所以，长隧道和超长隧道监控系统通常采用分布式或分段 集中式控制拓扑结构。这种监控结构往往设计有一台或数台主控制器以及若干台分布式区 域控制器，它们通过现场总线型网络进行通讯。主控制器上含有全局控制逻辑和全局信息 参数，区域控制器含有本地控制逻辑和远端执行、采集程序。系统工作时，主控制器统管全 局发挥核心控制功能，区域控制器担任远程执行器和采集器的功能。 这样的长隧道和超长隧道监控系统在隧道施工及运营过程中暴露出很多缺点。如 在长隧道的施工过程中，从土方工程、结构工程到内装、管线、路面都是分段施工，隧道监控 与结构工程、内装工程等进度交织进行。经常出现的状况是隧道已通车运营，监控系统还在 安装调试，严重影响施工安全和施工质量。 另外，隧道灾害的特点决定了一旦在隧道内某点发生灾害，该节点附近的所有设 备和网络都有可能被破坏，由于该隧道监控系统严重依赖主控制器的工况和通讯网络的完 整性，一旦主控制器失效，隧道将整体瘫痪；即使只是网络故障，故障点后部的所有设备都 会失效，导致灾情加重甚至二次伤害的发生。 因此，有必要提供一种改进的城市长隧道监控方法及系统来克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种城市长隧道L-DNA仿生监控方法及系统，能在通车运 营、施工环节或隧道灾害、安全事件发生仍对隧道进行监控，恢复监控功能，确保人员安全。
为了实现上述目的，本发明提供了一种城市长隧道L-DNA仿生监控方法，包括如 下步骤根据监控节点的主从站标记，判断监控节点的状态；当为主站模式状态时，进行网 络轮询进而获取整条隧道的全局信息，根据所述全局信息执行整条隧道的全局控制逻辑， 向网络发布全局控制指令，执行本地控制逻辑，维护本地控制状态；当为从站模式状态时， 进行网络监听进而获取整条隧道的全局信息，根据所述全局信息执行整条隧道的全局控制 逻辑，根据全局控制指令执行本地控制逻辑，维护本地控制状态。 在本发明的一个实施例中，所述方法还包括如下步骤通过主节点的网络轮询以 及所有节点的网络监听，获取所有节点的控制器的权阶值，更新有效节点的生存周期；到达 本地节点的指定周期时，将该本地节点的控制器的权阶值小于所有有效节点的控制器的权 阶值中的最小值时的本地节点置为主站模式状态。 较佳地，所述方法还包括步骤到达本地节点的指定周期时，将该本地节点的控制 器的权阶值不小于所有有效节点的控制器的权阶值中的最小值时的本地节点置为从站模式状态。 同样较佳地，所述方法还包括步骤将所有节点的生存周期值减少l，维护网络权 阶库。 在本发明的另一实施例中，所述方法还包括如下步骤通过主节点的网络轮询以 及所有节点的网络监听，获取网络有效节点地址表以及当前活动节点地址表；到达本地节 点的指定周期并且当前活动节点地址表与上一周期网络轮询获取的活动节点地址表相同 时，判断本地节点地址是否等于当前活动节点地址表的最大值或最小值；当本地节点地址 等于节点表的最大值或最小值时，输出物理层终接匹配。 较佳地，所述方法还包括如下步骤当本地节点地址不等于节点表的最大值或最 小值时，延迟两周期后，撤消物理层终接匹配。 较佳地，所述方法还包括如下步骤到达本地节点的指定周期并且当前活动节点
地址表与上一周期网络轮询获取的活动节点地址表不同时，更新缓冲表。 —种城市长隧道L-DNA仿生监控系统，包括分布在长隧道内的多个监控节点，每
个监控节点包括节点数据区、与所述节点数据区连接的节点控制逻辑模块、与所述节点数
据区连接的隧道全局数据区、与所述隧道全局数据区连接的DNA全局控制逻辑模块。 在本发明的一个实施例中，所述系统还包括物理层网络自愈控制模块，所述隧道
全局数据区包括节点地址列表，所述物理层网络自愈控制模块与所述节点地址列表连接。 在本发明的另一实施例中，所述系统还包括权阶输出仲裁逻辑模块，所述隧道全
局数据区包括权阶值表，所述权阶输出仲裁逻辑模块与所述权阶值表连接。 与现有技术相比，本发明城市长隧道L-DNA仿生监控方法和系统的每个监控节点
都具有整条隧道的全局控制逻辑和全局数据区，就如同生物体细胞一样，每个个体都含有
整体的DNA遗传信息，因此各个节点相互关联，都可以成为主控节点，因此能克服传统监控
方法的系统中由于单点及局部的故障造成系统的全局瘫痪技术缺陷。 另外，普通监控节点的全局控制逻辑和全局数据区与主节点的全局控制逻辑和全 局数据区同步工作，但只有主节点能够向网络发布全局控制指令。 此外，对于每个控制节点，当为主站模式状态时，进行网络轮询从而获取全局信 息，进而根据全局信息执行本地控制逻辑以控制本地输出；当为从站模式状态时，监听网络 从而获取全局信息，进而根据全局信息执行本地控制逻辑以控制本地输出。该方法在施工 环节或隧道灾害、安全事件发生时，未发生故障的监控节点在网络轮询或监听网络过程中 获取全局信息，在全局信息的指示下执行本地控制逻辑，从而对隧道进行监控，能最大限度 恢复监控功能，进而确保人员安全。 再者，本方法能相互通讯的边际范围内的所有控制器进行权阶系数协议仲裁，从 中仲裁出一台发挥主控器功能的控制器，从而维护新的网络边界，并通过自愈协议算法使 处于网络边际的活动节点维护通讯线路，保证数据通讯的畅通。 通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明 的实施例。
图1为本发明城市长隧道L-DNA仿生监控方法一个实施例的流程图。
图2为本发明城市长隧道L-DNA仿生监控方法另一实施例的部分流程图。
图3为本发明城市长隧道L-DNA仿生监控方法又一实施例的部分流程图。
图4为本发明城市长隧道L-DNA仿生监控系统的框架图。
具体实施例方式
现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。 参考图1，本实施例城市长隧道L-DNA仿生监控方法包括如下步骤 步骤Sll，根据监控节点的主从站标记，判断监控节点是主站模式状态还是从站模
式状态，如果是主站模式状态，进行下一步，如果是从站模式状态，转步骤S13 ; 步骤S12，进行网络轮询进而获取整条隧道的全局信息，根据所述全局信息维护全
局数据区并执行整条隧道的全局控制逻辑，向网络发布全局控制指令，转步骤S14 ; 步骤S13，监听网络进而获取整条隧道的全局信息，根据所述全局信息维护全局数
据区并执行整条隧道的全局控制逻辑，维护全局控制状态； 步骤S14，根据所述全局信息执行本地控制逻辑，维护本地控制状态并控制本地输
屮 f市 DP ， ^口术o 由上可以看出，本发明城市长隧道L-DNA仿生监控方法的每个监控节点(处于从 站模式状态的普通监控节点，以及处于主站模式状态的主节点)都具有整条隧道的全局控 制逻辑和全局数据区，就如同生物体细胞一样，每个个体都含有整体的DNA遗传信息，因此 各个节点相互关联，都可以成为主控节点，因此能克服传统监控方法的系统中由于单点及 局部的故障造成系统的全局瘫痪技术缺陷。 另外，普通监控节点的全局控制逻辑和全局数据区与主节点的全局控制逻辑和全 局数据区同步工作，但只有主节点能够向网络发布全局控制指令。 此外，对于每个控制节点，当为主站模式状态时，进行网络轮询从而获取全局信 息，进而根据全局信息执行本地控制逻辑以控制本地输出；当为从站模式状态时，监听网络 从而获取全局信息，进而根据全局信息执行本地控制逻辑以控制本地输出。该方法在施工 环节或隧道灾害、安全事件发生时，未发生故障的监控节点在网络轮询或监听网络过程中 获取全局信息，在全局信息的指示下执行本地控制逻辑，从而对隧道进行监控，能最大限度 恢复监控功能，进而确保人员安全。 参考图2，另一实施例城市长隧道L-DNA仿生监控方法在上一实施例步骤基础上， 还包括如下步骤 步骤S15，通过主节点的网络轮询以及所有节点的网络监听，获取所有节点的控制 器的权阶值，更新有效节点的生存周期； 步骤S16，到达本地节点的指定周期时，判断该本地节点的控制器的权阶值是否 小于所有有效节点的控制器的权阶值中的最小值，如果是，进行下一步，如果不是，转步骤 S18。 其中，指定周期值为一指定常数，其与生存周期值相配合用以避免产生自激而频 繁仲裁主站和网络边界； 步骤S17，置本地节点为主站模式状态，转步骤S19 ;
步骤S18，置本地节点为从站模式状态；
步骤S19，将所有节点的生存周期值减少l，并维护网络权阶库，结束。
其中，节点生存周期值减为零时，该节点已失效。 由上可以看出，本发明城市长隧道L-DNA仿生监控方法各节点控制器的地位对 等，各节点控制器上运行的软件算法基本相同，但在同一时刻，能相互通讯的边际范围内的 所有控制器进行权阶系数协议仲裁，从中仲裁出一台发挥主控器功能的控制器，从而维护 新的网络边界。所有节点的控制器的权阶值是以零开始的正整数序列，按隧道走向以升序 或降序排列，O为上位系统保留系数，在能相互通讯的网络边际范围内权阶值最小的节点控 制器将自动协议为主控器，本地节点为主站模式，可以控制其他所有监控节点执行本地控 制逻辑，实现对隧道的实时监控。同时经过适当延时，权阶系数值最小和最大的两个节点控 制器将激活自身的物理层端接电阻，使网络完整稳定。 参考图3，又一实施例城市长隧道L-DNA仿生监控方法在上一实施例步骤基础上， 还包括如下步骤 步骤S20，通过主节点的网络轮询以及所有节点的网络监听，获取网络有效节点地 址表以及当前活动节点地址表； 步骤S21，判断是否到达本地节点的指定周期，如果是，继续下一步，如果否，结 束； 步骤S22，判断所述当前活动节点地址表与上一周期网络轮询获取的活动节点地
址表(缓冲节点地址表)是否相同，如果是，继续下一步，如果否，转步骤S26 ; 步骤S23，判断本地节点地址是否等于当前活动节点地址表的最大值或最小值，如
果等于，进行下一步，如果不等，转步骤S25 ; 步骤S24，输出物理层终接匹配，结束； 其中，物理层终接匹配保证通讯线路良好，避免已损坏或未启用的延伸线路对有 效工作段线路的消极影响。 步骤S25，延迟两周期后，撤消物理层终接匹配，结束；
步骤S26，更新缓冲节点地址表，结束。 由上可以看出，为了降低或消除有故障的通讯线路及已失效的监控节点对通讯数 据造成的影响，本发明城市长隧道L-DNA仿生监控方法通过自愈协议算法使处于网络边际 的活动节点维护通讯线路，保证数据通讯的畅通。 参考图4，本实施例城市长隧道L-DNA仿生监控系统包括分布在长隧道内的多个 监控节点，每个监控节点包括节点数据区83、与所述节点数据区83连接的节点控制逻辑模 块82、与所述节点数据区83连接的隧道全局数据区81、与所述隧道全局数据区81连接的 DNA全局控制逻辑模块80、物理层网络自愈控制模块84以及权阶输出仲裁逻辑模块85。所 述隧道全局数据区81包括节点地址列表811和权阶值表812，所述物理层网络自愈控制模 块84与所述节点地址列表811连接。所述权阶输出仲裁逻辑模块85与所述权阶值表812 连接。 所述节点数据区83用于存储节点本地状态信息数据。所述隧道全局数据区81用 于存储节点地址列表811和权阶值列表812。当节点为主控状态时，所述DNA全局控制逻辑 模块80进行全局的系统控制。所述节点控制逻辑模块82接收主节点的全局控制指令并结 合节点数据区83的本地状态信息数据来执行指令。所述权阶输出仲裁逻辑模块85实现如图2所示的权阶值仲裁。所述物理层网络自愈控制模块84实现如图3所示的物理层网络 自愈控制。 所述节点控制逻辑连接控制输出接口 87以及传感输入接口 86，所述节点数据区 83连接传感输入接口 86，所述DNA全局控制逻辑模块80以及所述物理层网络自愈控制模 块84、隧道全局数据区81均连接通讯接口 88。所述传感输入接口 86为传感器的输入软硬 件接口。所述控制输出接口87输出控制各种隧道设备。所述通讯接口88与其他节点互联 通讯。 所述城市长隧道L-DNA仿生监控系统具备高防护等级的通讯线路。另外本系统的 各监控节点由分布式在线后备电源系统支持，由各监控节点管理的隧道安全机电设备由高 防护等级应急电源系统(EPS， Emergency Power Supply)及普通供电系统双回路支持。
由上可以看出，本实施例城市长隧道L-DNA仿生监控系统的每个监控节点上都含 有整条隧道的DNA全局控制逻辑模块80和隧道全局数据区81，就如同生物体细胞一样，每 个个体都含有整体的DNA遗传信息，因此各个节点相互关联，都可以成为主控节点，因此能 克服传统监控方法的系统中由于单点及局部的故障造成系统的全局瘫痪技术缺陷，同时为 灵活施工、局部调试提供了可行的技术支撑。该系统在施工环节或隧道灾害、安全事件发生 时，未发生故障的监控节点的节点控制逻辑模块82接收主节点的全局控制指令并结合节 点数据区83的本地状态信息数据来执行本地控制逻辑，从而对隧道进行监控，能最大限度 恢复监控功能，进而确保人员安全。 以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施 例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。
权利要求
一种城市长隧道L-DNA仿生监控方法，包括如下步骤根据监控节点的主从站标记，判断监控节点的状态；当为主站模式状态时，进行网络轮询进而获取整条隧道的全局信息，根据所述全局信息执行整条隧道的全局控制逻辑，向网络发布全局控制指令，执行本地控制逻辑，维护本地控制状态；当为从站模式状态时，进行网络监听进而获取整条隧道的全局信息，根据所述全局信息执行整条隧道的全局控制逻辑，根据全局控制指令执行本地控制逻辑，维护本地控制状态。
2. 如权利要求1所述的城市长隧道L-DNA仿生监控方法，其特征在于，还包括如下步骤通过主节点的网络轮询以及所有节点的网络监听，获取所有节点的控制器的权阶值， 更新有效节点的生存周期；到达本地节点的指定周期时，将该本地节点的控制器的权阶值小于所有有效节点的控 制器的权阶值中的最小值时的本地节点置为主站模式状态。
3. 如权利要求2所述的城市长隧道L-DNA仿生监控方法，其特征在于，还包括步骤 到达本地节点的指定周期时，将该本地节点的控制器的权阶值不小于所有有效节点的控制器的权阶值中的最小值时的本地节点置为从站模式状态。
4. 如权利要求2或3所述的城市长隧道L-DNA仿生监控方法，其特征在于，还包括步骤将所有节点的生存周期值减少l，维护网络权阶库。
5. 如权利要求1所述的城市长隧道L-DNA仿生监控方法，其特征在于，还包括如下步骤通过主节点的网络轮询以及所有节点的网络监听，获取网络有效节点地址表以及当前 活动节点地址表；到达本地节点的指定周期并且当前活动节点地址表与上一周期网络轮询获取的活动 节点地址表相同时，判断本地节点地址是否等于当前活动节点地址表的最大值或最小值； 当本地节点地址等于节点表的最大值或最小值时，输出物理层终接匹配。
6. 如权利要求5所述的城市长隧道L-DNA仿生监控方法，其特征在于，还包括如下步骤当本地节点地址不等于节点表的最大值或最小值时，延迟两周期后，撤消物理层终接 匹配。
7. 如权利要求5或6所述的城市长隧道L-DNA仿生监控方法，其特征在于，还包括如下 步骤到达本地节点的指定周期并且当前活动节点地址表与上一周期网络轮询获取的活动 节点地址表不同时，更新缓冲表。
8. —种城市长隧道L-DNA仿生监控系统，包括分布在长隧道内的多个监控节点，每个 监控节点包括节点数据区、与所述节点数据区连接的节点控制逻辑模块、与所述节点数据 区连接的隧道全局数据区、与所述隧道全局数据区连接的DNA全局控制逻辑模块。
9. 如权利要求8所述的城市长隧道L-DNA仿生监控系统，其特征在于，还包括物理层网络自愈控制模块，所述隧道全局数据区包括节点地址列表，所述物理层网络自愈控制模块 与所述节点地址列表连接。
10.如权利要求8所述的城市长隧道L-DNA仿生监控系统，其特征在于，还包括权阶输 出仲裁逻辑模块，所述隧道全局数据区包括权阶值表，所述权阶输出仲裁逻辑模块与所述 权阶值表连接。
全文摘要
本发明公开了一种城市长隧道L-DNA仿生监控方法，包括如下步骤根据监控节点的主从站标记，判断监控节点的状态；当为主站模式状态时，进行网络轮询进而获取整条隧道的全局信息，根据所述全局信息执行整条隧道的全局控制逻辑，向网络发布全局控制指令，执行本地控制逻辑；当为从站模式状态时，进行网络监听进而获取整条隧道的全局信息，根据所述全局信息执行整条隧道的全局控制逻辑，根据全局控制指令执行本地控制逻辑。本方法每个监控节点具有整条隧道的全局控制逻辑和全局数据区，如同生物体细胞一样，每个个体都含有整体的DNA遗传信息，故每个都可以成为主控节点，能实现通车运营或隧道灾害等情况时的隧道监控，确保人员安全。本发明相互通讯边际范围内的控制器进行权阶系数协议仲裁，从中仲裁出一台发挥主控器功能的控制器。本发明同时公开了一种城市长隧道L-DNA仿生监控系统。
文档编号G05B19/418GK101763103SQ20091027333
公开日2010年6月30日 申请日期2009年12月18日 优先权日2009年12月18日
发明者刘长江, 夏红霞, 袁景凌, 钟珞, 马成前 申请人:武汉理工大学