高速公路隧道智慧化改造需求分析及設計初探

婁刃

摘 要：本文通過對隧道營運需求的分析，重新設計了智慧化隧道的系統架構，構建了系統基本功能和技術指標，并對其應用效果進行了定性的闡述。本文構建的智慧化隧道包含六大系統、十八項功能既涵蓋了現有隧道機電系統設計的基本內容，又前瞻性的提出了今后隧道機電系統發展內容，為公路隧道智慧化改造提供了探索性研究的創新思路。

關鍵詞：智慧隧道;機電系統;車路協同;智慧化;高速公路

中圖分類號：U457 文獻標識碼：A

0 引言

我國正處于高速公路建設的迅猛發展時期，且高速公路建設逐漸由經濟相對發達的平原地區向經濟相對欠發達的山地地區轉移，隧道作為公路的特殊路段也相應地得到了迅速發展，我國已成為世界上公路隧道規模最大、里程最長和發展最迅速的國家。隧道作為路段的一種特殊組成部分，與普通路段的公路環境相比具有內外亮度差異大、空間小、縱深較大、出入口數量少、封閉性強等特點，再加上近年來車輛迅速增加，日益惡化的交通擁擠，各種交通事故頻繁發生，隧道的安全問題越來越為隧道建設者和運營管理者所關注。相較于公路路段發生的各類交通事故，隧道交通事故的數量雖然較少，但其危害性更大。高速公路隧道是高速公路環境下機電設備最為集中的區域。原有高速公路隧道建設標準是基于十幾年前的技術條件下制定的，子系統的設計、系統功能的要求，設備的技術標準已經無法滿足當前營運管理的普遍要求。在當前“智慧高速”建設大發展時期，對于高速公路隧道機電系統提出新的目標、要求，成為勢在必行的重要工作。

1 隧道營運需求分析

1.1 實時了解和改善隧道交通運行狀況的需求

原有體系按照這一需求建立隧道機電體系架構，如交通流信息采集（車輛檢測器）、自然環境信息采集（氣象檢測器、環境檢測器設備）、隧道空氣環境改善（通風設施）、隧道照明環境改善（照明設施）、隧道應急事故事件處置應對（消防設施、緊急電話、報警與誘導設施）。在新的體系架構中原有的內容將作為基本功能要求體現。

1.2 實時了解隧道設備運行狀態的需求

原有隧道體系對設備運行狀態的監測無明確要求，本文將對該部分內容進行研究，確定設備運行狀態監測的具體內容和要求。

1.3 實時了解隧道能耗情況的需求

原有體系架構中隧道低壓供配電涉及到隧道設備設施用電問題，但對能耗及節能相關內容并未涉及。在剛需的推動下，大量隧道實施了電力監控系統，給體系架構調整夯實了現實意義。本次研究將對隧道能耗采集內容、范圍、頻次以及行業基準能耗進行研究，實現隧道能耗信息采集以及隧道能耗在行業基準能耗比對下的可改善情況分析。

1.4 實時了解目前隧道交通運行狀況的問題或者隱患

在目前隧道交通運行的狀況下分析交通流情況，對交通事故風險水平，火災狀況下應急處理能力水平分析，以及改善提高的情況分析。

1.5 實時了解目前隧道設備運行情況的問題或者隱患

根據對設備運行時間、狀態、日常更換維護進行記錄，分析設備運行壽命，提供更換維保建議，對于風險等級較高的設備設施進行提示。

1.6 為公眾提供道路信息的需求

隨著車輛與道路智慧化程度越來越高，車路之間的信息交互也越來越頻繁，原有通過可變信息標志、廣播等單向、低效的信息交互手段，逐漸不適應車輛對于信息的需求，因此為車輛提供高信息量、數據化的信息服務，也越來越成為營運單位要考慮的重要需求。

2 智慧隧道系統設計與指標構建

在根據確定的需求后，重新研究設計隧道機電體系和各個功能子系統，摒棄原有體系按照設備劃分的方式，轉而采用根據業務需求的劃分方式，面向未來發展需求，將隧道機電系統整體性考慮和設計。將原有設備構成系統的理念轉變為設備與軟件構成系統，強化軟件在隧道機電體系框架中的功能和作用，明確出實際業務需求在新的隧道機電體系框架中的位置。

系統設計及功能指標構建如下：

2.1 通行環境監測系統

將車輛檢測、氣象檢測器、環境檢測設備（含通風設施中COVI、風速儀與照明設施中亮度照度檢測儀）、閉路電視監視系統整合，增加事故事件檢測分析設施成為通行環境監測系統，將隧道行車環境統籌考慮，并利用多維度數據通過軟件技術產生分析后數據，如行車舒適度指數、行車風險等級等綜合性狀態數據。

系統功能及技術指標：

（1）車輛信息采集。具備每一車輛獨立信息采集功能，采集基礎參數包括：車輛當前位置，精度10 cm±1 cm，采集頻率≤1 s;車型，類型包括客車小、中、大三類，貨車包括1-5類，危貨車一類、異型車一類，準確度≥98%;車牌，準確度≥99%。

具備數據分析功能，可根據基礎參數計算得出每一車輛車速，秒級時間顆粒度;自定義空間區間平均車速;自定義時間區間平均車速。采集的基礎參數具備結構化數據顯示、存儲功能。

（2）環境信息采集。具備道路環境采集功能，采集基礎參數包括氣溫，氣溫精度0.5級，采集密度≤1 000 m，采集頻率≤10 min。

氣壓，氣壓精度0.5級，采集密度≤1 000 m，采集頻率≤10 min。

空氣濕度，空氣濕度精度0.5級，采集密度≤1 000 m，采集頻率≤10 min。

粉塵濃度，精度0.5級，采集密度≤1 000 m，采集頻率≤10 min。

路面溫度，精度0.5級，采集密度≤300 m，采集頻率≤1 min。

路面濕度（100最大，積水狀態），精度0.5級，采集密度≤300米，采集頻率≤1 min。

路面結冰厚度，精度0.5級，采集密度≤300 m，采集頻率≤1 min。

路面亮度，精度0.5級，采集密度≤300 m，采集頻率≤1 min。

有害氣體含量（碳氧化合物、氮氧化合物、碳氫化合物），精度0.5級，采集密度≤300 m，采集頻率≤1 min。所有采集參數數據均使用數字信號傳輸。

（3）圖像信息采集。具備高清彩色圖像采集功能，圖像分辨率≥700萬像素，采集密度≤150 m;特殊結構區域增設圖像采集設備。

（4）事件識別能力。利用上述采集參數，具備事件分析功能，可對交通違法事件（超速、超限、違規變道、掉頭、倒車、違規停車）、特殊事件（異物占道、行人、異常天氣、基礎設施異常）、交通事故（撞車、起火、）、交通特殊運行狀態（擁堵、緩行）進行自動判別，準確率≥98%。

2.2 通行環境改善系統

將通風設施、照明設施整合為通行環境改善系統，與上述1）子系統形成閉環自控，通過機器深度學習、決策輔助，可實現無人值守環境下的程序自我優化。

系統功能及技術指標：

（1）排煙功能。具備獨立煙道的排煙功能，排煙能力≥10 m3/s且可調，排煙口密度≤250 m;洞口具備柔性隔離裝置，用于隧道內空氣隔絕，抑制燃燒。具備根據粉塵濃度自動調節排煙功能的能力。

（2）送風功能。具備獨立送風通道，送風能力≥10 m3/s

且可調，送風口密度≤250 m，具備條件的可以增加新風溫、濕度調節功能和空氣凈化功能，具備根據有害氣體濃度自動調節送風功能的能力。

（3）照明功能。具備連續提供照明能力，洞口區域路面亮度要求滿足人眼對于光線過渡變化不產生黑洞白洞效應為準，洞內區域路面亮度要求滿足200 m范圍分辨0.001 m3大小物體的需要;每個照明獨立控制單位內發光強度連續可調。具備根據路面亮度自動調節照明功能的能力。

2.3 應急報警與處置系統

將緊急電話系統、報警誘導設施、消防設施、可變標志整合為應急處置系統，根據營運單位應急預案固化在軟件中，滿足全自動化運作能力。

系統功能及技術指標：

（1）應急報警功能。具備事件當事人主動向管理單位報告事件的能力，具備自動識別異常事件的能力（完全獨立于通行環境監測系統中的事件識別能力），異常事件包括起火、撞車、擁堵（緩行）、違規停車、異物占道，識別準確率≥98%。該自動識別異常事件的能力與通行環境監測系統中的事件識別能力相互驗證后，形成最終報警指令，并觸發處置系統。

（2）應急處置功能。具備交通誘導能力，包括降低隧道車流量的能力，可實現5 min內從當前車流量降為0車流量。具備在觸發處置系統30 s內，向后方所有車輛提供應急事件信息的能力。

具備車輛疏散能力，疏散指令可讓每一個隧道內密閉車窗的車內司機清晰接收。

具備獨立通道的人員疏散能力，疏散指令可讓每一個隧道內人員清晰接收。人員疏散通道入口間距≤50 m，入口隔離裝置具備自常閉能力，隔熱、防火、空氣密閉性強，雙向可開啟。

具備起火點50 m內提供明顯標識的滅火設施、自備電源照明設施、基礎逃生設施的能力。

（3）預案聯動功能。具備自定義預案并自動根據事件類型聯動控制通行環境改善系統的能力，具備自動聯絡交警、路政、急救、施救等部門，并提供事件具體地點、事件類型的能力。事件處置結束后，具備恢復聯動前狀態的能力，具備自動聯絡交警、路政、急救、施救等部門提供事件處置結束信息的能力。

2.4 能源監控系統

將低壓供配電擴展為能源監控系統，增加能耗監測與統計功能，包括電能監測分析、發電機柴油消耗監測分析，通過軟件技術分析能耗趨勢，通過比對行業基準能耗，分析排查高于基準的耗能設備，有助于持續性節能優化改造的實施，協助完成政府對于節能減排的指標考核要求。

系統功能及技術指標：

（1）能源監測功能。具備對汽柴油用量、電能長期在線監測的能力，監測最小單位為每個獨立供能通道。

（2）能耗數據分析功能。具備對能耗數據突變、漸變、局部過高（低）等異常情況自動分析能力。

2.5 基礎設施監測系統

將結構物、機電設備、軟件及能耗的運行狀態進行監測，實時了解結構物和機電設備、各類軟件的運行狀態，提高基礎設施維護的準確性和及時性，保障基礎設施的穩定運行。

2.6 公眾服務系統

將隧道內擴展定位服務、隧道內車路協同服務、隧道內通信網絡服務整合為公眾服務系統，為公眾提供必要的信息。

3 預期應用效果

根據本文上述內容的分析與設計，基本完整的構建了智慧化隧道的雛形，既滿足管理單位的管理需求，又滿足車輛的駕駛需求;既解決了正常運營狀態下的一般需求，又解決了應急狀態下誘導處置需求。隨著技術的成熟，指標滿足度提高后，完全可實現隧道營運無人化。

參考文獻：

[1]浙江省交通建設指南[S].ZJ/ZN 2020-01《智慧高速公路建設指南（暫行）》.

[2]公路工程質量檢驗評定標準第二冊[S].JTG F80/2-2004.

[3]公路隧道機電系統的機構劃分及有效度評價[J].