智慧隧道監控系統設計與實現

李旭華

（山西省交通科技研發有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

2019年1月18日，交通運輸部印發了《促進公路隧道提質升級行動方案》，目的是保障隧道安全運營，為公眾提供更好的出行服務，交通運輸部鼓勵各地根據實際情況因地制宜確定提質升級方案，制定更高要求的技術規范[1]。

隧道監控系統作為隧道日常運維、管理和安全應急處置的重要信息化工具，一方面實現隧道機電設備的遠程控制，例如隧道風機的啟動、停止，隧道照明的開、關，攝像頭視頻調看，車道指示標志的正向通行、逆向通行、雙向禁行等；另一方面實現隧道環境和交通流監測，例如隧道風速風向、洞內外光強、一氧化碳/能見度、車流量、車道占有率等；最重要的是隧道監控系統實現隧道安全監測和應急處置，例如火災報警、事件檢測等；此外還有其他服務于隧道的功能集成于隧道監控系統中[2]。總之，隧道監控系統是隧道保通保暢保安全的重要信息化工具。

從GB/T18567—2001《高速公路隧道監控系統模式》發布后隧道監控系統開始在我國高速公路隧道大范圍實施，20年來技術有革新和發展，但相較其他行業的信息化工具的發展水平明顯落后[3-5]，已經不適合當下“智慧交通，萬物互聯”的發展理念，亟待一場技術革命。

山西省將隧道監控系統的升級改造納入到公路隧道提質升級行動方案中，旨在淘汰落后技術，將先進的互聯網技術引入，突破隧道監控系統發展面臨的技術瓶頸。

傳統的隧道監控系統大多基于C/S架構建設，優勢在于采集數據實時、準確、可靠性高，存在的突出問題是系統升級維護不及時、效率低[6]，這是C/S架構系統普遍存在的問題，在交通行業高速公路中這個問題表現得尤為突出，因為隧道監控系統布設于高速公路沿線分布的隧道管理站里，系統維護人員如需解決現場問題，超過90%的時間浪費在往返隧道管理站的路上，而實際作業時間不到10%。此外，C/S架構對時下先進技術兼容性不好[7]，嚴重阻礙了隧道監控系統的智慧型發展。

目前也有研究建設基于B/S架構的隧道監控系統，以期利用B/S架構更新維護方便及時高效且對新技術兼容性好的優勢，解決C/S架構隧道監控系統遇到的問題。但是B/S架構的工作機制是瀏覽器發出請求，服務器響應請求并提供相應服務，如此該技術方案會犧牲采集數據的實時性、準確性和可靠性[8]。而數據的實時性、準確性和可靠性是隧道監控系統的靈魂，是高速公路隧道安全管理的必然要求，這也是B/S架構隧道監控系統不能應用于實際項目的根本原因。

因此研究建設一套既能保障采集數據的實時性、準確性和可靠性，又能兼容先進信息化技術，且更新維護及時高效的隧道監控系統是突破隧道監控技術瓶頸，推動隧道監控技術革命的重要推手，具有重要的現實意義。

1 總體技術方案

針對隧道監控系統存在的問題，提出系統的三層架構設計，數據層、數據接口層和數據表現層，其中數據層采用傳統的C/S架構，保障數據采集的實時性、準確性和可靠性；數據接口層實現數據層和數據表現層的數據交換；數據表現層采用B/S架構，兼容數據可視化技術和三維實景展示技術等先進的互聯網信息化技術，充分挖掘所采集數據的價值，為隧道運營管理者提供更高效的輔助決策工具。將數據層與數據表現層分離，通過數據接口層實現數據交換的技術方案是突破當前隧道監控系統技術瓶頸的有效手段。系統設計的三層架構結構圖如圖1所示。

圖1 系統三層架構圖

1.1 數據層

隧道內待采集的設備數據的特點具體表現為：

a）多終端 包括風機、風速風向檢測器、CO/VI檢測器、照明燈、照度儀、光強檢測器、車道指示標志、信號燈、車檢器、PLC、感溫光纖報警器、消防水泵、液位儀、卷簾門、情報板、電伴熱、緊急電話、事件檢測、視頻等。

b）多通信方式 網絡通信（TCP UDP）；串行通信。

c）多通信協議 通用工業通信協議（modbus opc）、設備專有協議。

d）多存儲格式 數據庫、文件（xml＼json＼txt）、視頻、音頻、圖片等。

因此，數據層應實現多源異構數據采集、清洗、融合以及匯集。系統設計的數據層是基于OPC服務器開發的C/S架構的數據工具。數據層使用設備的專用協議與設備通信，然后使用OPC UA規范定義的標準化格式提供對該數據的訪問，實現設備專用協議到通用數據標準化規范的轉換[9]。轉換后的數據支持統一的標準化格式，可以被數據接口層批星處理。數據層采集、融合、匯集的數據一方面為數據接口層提供數據調用服務，另一方面將數據轉存歷史數據庫，提供數據存儲、查詢和檢索服務。

1.2 數據接口層

數據接口層實現數據層和數據表現層的數據交換。系統的數據接口層設計統一的支持標準化數據訪問的API接口，從數據層獲取數據，并以Webservice網絡服務的形式向數據表現層提供數據交互服務[10]。

1.3 數據表現層

系統設計的數據表現層基于B/S架構，集成了隧道3D實景展示模型、數據可視化以及GIS地理信息系統等先進的互聯網技術，豐富隧道監控系統的功能，提供更加友好的人機交互界面。數據表現層實施的主要技術棧列表[11-14]如表1所示。

表1 數據表現層實施的主要技術棧列表

2 平臺功能設計

系統的功能結構圖如圖2所示，包括綜合態勢、隧道監控、指揮調度、應急管理、機電運維、統計分析和系統設置。其中隧道監控的子功能模塊包括2D隧道監控和3D隧道監控；指揮調度的子功能模塊包括基于GIS的指揮調度和基于隧道監控的指揮調度；應急管理的子功能模塊包括預案演示、控制策略管理、預案管理、應急資源管理；統計分析的子功能模塊包括環境數據分析、告警數據報表、設備數據報表和交通流量報表。

圖2 系統功能結構圖

2.1 綜合態勢

綜合態勢提供隧道綜合態勢的可視化監控界面，可直觀了解隧道的各種態勢。包括隧道視頻監控、事件監控、環境監控、3D隧道實景展示、交通流數據監控、值班信息監控、設備運維信息監控、設備用電情況監控等。

其中環境監控模塊集成了監測數據預警算法，將環境設備的實時測量值與設定的閾值比對，通過字體顏色（紅、黃、綠）可視化標識當前監測數據的預警級別，提升了數據的可理解能力。隧道環境預警值如下。

2.1.1 能見度

根據JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通風設計細則》、JTJ 026.1—1999《公路隧道通風照明設計規范》以及隧道設計文件，系統設計VI能見度報警值范圍如下：

a）煙霧濃度K≤0.007 0 m-1顯示綠色，表示洞內空氣清潔，能見度可達數百米。

b）煙霧濃度K＞0.007 0～0.007 5 m-1顯示黃色，表示洞內有輕霧做出預警。

c）煙霧濃度K≥0.007 5 m-1顯示紅色，表示洞內空氣呈霧狀，發出警告，并通知管理人員采取措施。

d）煙霧濃度K≥0.012 m-1顯示深紅色，能見度嚴重不足，應按采取交通管制等措施考慮。

2.1.2 一氧化碳濃度

根據JTJ 026.1—1999《公路隧道通風照明設計規范》以及隧道設計文件，系統設計的CO濃度報警值范圍如下：

a）CO濃度≤245 ppm顯示綠色，表示洞內空氣清潔，CO濃度在安全范圍內。

b）245 ppm＜CO濃度＜250 ppm顯示黃色，表示洞內CO濃度增高，做出預警通知。

c）CO濃度≥250 ppm顯示紅色，表示洞內CO濃度超標，發出警告，并通知管理人員采取措施。

2.1.3 洞外亮度

根據JTJ 026.1—1999《公路隧道通風照明設計規范》以及設計文件，照明照度報警值范圍如下（經計算該隧道設計洞外亮度標準約為4 114 cd/m2）：

a）當洞外亮度L20(S)≥4 114 cd/m2時，顯示深紅色，入口段、過渡段以及出口段所有加強照明燈具調到最大光通量。

b）當洞外亮度2 057 cd/m2≤L20(S)＜4 114 cd/m2時，顯示紅色，入口段、過渡段以及出口段燈具根據需求降低加強照明燈具50%～100%光通量。

c）當洞外亮度1 028.5 cd/m2≤L20(S)＜2 057 cd/m2時，顯示黃色，入口段、過渡段以及出口段燈具根據需求降低加強照明燈具25%～50%光通量。

d）當洞外亮度534.82 cd/m2≤L20(S)＜1 028.5 cd/m2時，顯示綠色，入口段、過渡段以及出口段燈具根據需求降低加強照明燈具13%～25%光通量。

e）當洞外亮度0 cd/m2（夜間）≤L20(S)＜534.82 cd/m2時，顯示深綠色入口段、過渡段以及出口段燈具根據需求關閉或者降低0%～13%光通量。

2.2 隧道監控

隧道監控功能是智能隧道管理平臺的核心，包括隧道交通監控、隧道照明監控、隧道通風監控、隧道消防監控、隧道視頻監控、隧道電力監控、隧道事件檢測以及隧道信息發布等子功能模塊，每個子功能模塊通過與設備數據交換，獲取設備的實時運行參數，如測量值、設備運行狀態、設備通信狀態等，同時，可通過平臺對設備進行遠程控制，如啟動、停止、運行狀態切換等。

系統設計的隧道監控功能除傳統的2D監控技術外，還基于3D可視化圖形引擎node.js和Three.js開發了基于3D實景展示技術的3D隧道監控功能，該模塊可實現設備的遠程控制和運行狀態監測，可進行應急預案演示，還可實現隧道內實景漫游以及視角切換、場景切換等功能[15]。

3 應用實例及系統測試

2020年6月系統在山西省呂梁市薛公嶺隧道實施，系統運行期間，邀請權威第三方檢測機構對系統進行綜合評價，測試環境如表2。主要對系統進行功能和性能兩方面的測試。

表2 測試環境

3.1 測試

3.1.1 功能測試

對系統的所有功能模塊進行操作測試，例如在3D隧道監控界面，查看了隧道的三維畫面，并進行視角切換操作，此外對隧道內的車道指示標志設備下發“禁行”控制指令，查看該設備是否正確執行操作并收到正確的狀態反饋。

3.1.2 性能測試

性能測試包括系統的信息安全性、可靠性、維護性、易用性、可移植性，對系統的性能進行綜合測試和評估。

3.2 測試結果

3.2.1 功能方面

系統設計的功能符合且優于用戶需求，能夠滿足隧道運營管理工作需求，系統功能運行良好，所有操作能夠被正確執行，并且有正確的反饋。

3.2.2 性能方面

系統運行穩定可靠，具有信息保密機制，操作容易，可移植性強，運行期間未出現異常退出和死機等問題。

總之系統不論功能還是性能都符合且優于用戶需求和相關規定。

4 結論

智慧隧道監控系統將數據層與數據表現層分離，通過數據接口層實現數據層和數據表現層的數據交換，其中數據層采用C/S架構基于OPC Server開發，將設備專有協議向OPC Server UA標準化、規范化工業通用協議轉化，實現隧道內多終端、多通信方式、多通信協議、多存儲格式數據的融合，保障數據采集的實時、準確、可靠。數據表現層基于B/S架構采用Java開發語言開發，在傳統隧道監控系統功能基礎上集成先進的數據可視化技術和三維實景展示技術，將先進的互聯網技術引入隧道監控系統，提供更加“智慧的”隧道信息化管理工具，提供更加友好的用戶交互體驗。系統測試結果表明隧道監控系統功能設置合理且所有功能能夠被正確執行，其次系統信息安全性、可靠性、可維護性、易用性、可移植性均符合且優于用戶需求和相關規定。在山西省呂梁市薛公嶺隧道實際運行期間系統運行穩定可靠，系統功能設置能夠滿足隧道管理人員的管理需求。系統設計有效解決了隧道監控系統長期存在的技術瓶頸，具有重要的實際意義。