高速公路隧道智慧一體化管控系統研究

摘 要：簡要介紹了高速公路隧道智慧一體化管控系統，分析了系統建設的意義、現狀及項目總體需求，從而針對隧道一體化管控系統建設的主要內容進行了深入探討，通過高速公路隧道智慧一體化管控系統建設，大大提升了隧道管控的質量，確保了隧道行車的安全性、節能性和舒適性。

關鍵詞：高速公路隧道;一體化;可視化;無線網絡

1? ? 高速公路隧道智慧一體化管控系統概述

智慧隧道營運一體化解決方案主要以大數據、物聯網、移動互聯網等先進技術為手段，針對隧道營運管理中涉及的安全、暢通、節能、養護等業務需求，搭建軟硬件一體化的隧道智能營運管理平臺，實現隧道日常監控、事故應急、安全監測、節能減排、日常養護等全方位業務的管理，打破業務之間的阻隔，實現資源的有效整合、資源共享、業務協同、集中數據分析，助力營運管理，幫助公路隧道管理單位提高隧道安全性，降低營運成本，并逐步向“智慧管理”邁進。

2? ? 系統建設的意義

高速公路隧道機電系統安裝部署了交通監控系統、火災報警系統、電力監控系統、環境監測系統等子系統，但上述子系統大部分為獨立工作狀態，并沒有實現數據的共享以及聯動。為了更好地發揮系統功能，有必要建立一套隧道行車安全管理大數據與可視化系統，完善各子系統信息服務能力，在營運中心建立數據倉庫，實時采集各子系統數據，通過二次建模，進行數據分析，最終實現隧道行車安全管理目標。

3? ? 現狀分析

高速公路隧道在建設時就非常重視行車安全，布設了多個與行車安全監測相關的子系統，主要包括：視頻事件自動監測系統、交通監控系統、火災報警系統、電力監控系統、環境監測系統。上述已經建成的子系統可以提供大部分與行車安全相關的原始數據，本系統需要將這些數據進行分類、匯總、挖掘以及展現。

高速公路目前安裝的硬件設備還存在以下不足之處，很可能導致安全事故不能及時發現的隱患。

（1）火災報警系統采用雙波長綜合盤以及感溫光纖監測系統，在車輛發生較大明火之前無法發現火災情況，無法做到災前預警。

（2）目前部署的視頻事件監測由于隧道內攝像機安裝高度達不到要求（要求為5.5～6 m），且光線條件變化大，造成誤報頻繁以及漏報的情況。

（3）現有系統無法對進入隧道內的車輛信息進行監測與記錄。

（4）現有監控系統沒有聯動電力監控系統。

4? ? 項目總體需求

根據調研總結，高速公路營運管理單位對于隧道安全管理的需求主要有以下幾點：

（1）通過現場監控設備的升級改造，采用新技術、新設備、新架構提高隧道安全管控以及應急指揮能力。

（2）通過實時信息展現，全面掌握隧道運營狀態。

（3）對于各種報警信息能及時采集、展示并建立應急預案。

（4）能對歷史數據進行綜合分析，并能進行智能化預測。

（5）能實現照明通風的智能化控制，在保障安全行車的前提下實現節能減排。

系統功能需求包括以下幾個方面：

（1）全面準確掌握隧道整體交通狀況。

（2）快速準確掌握事故發生點的位置信息，并能聯動視頻監控系統。

（3）掌握分析交通救援歷史數據。

（4）匯總分析歷史和實時氣象數據，掌握不同環境條件下交通狀況變化。

（5）匯總關鍵系統設備故障報修數據。

（6）構建完善、實用、可行的隧道應急指揮預案。

5? ? 系統建設的主要內容

隧道智慧一體化管控系統的設計內容主要包括5.8G無線網絡通信系統、隧道本地智慧管控服務器、智能分布式本地控制系統、火災移動偵測系統、行車安全比對系統、雷達視頻融合事件監測系統、智慧隧道一體化管控平臺軟件等。搭建軟硬件一體化的隧道智能營運管理平臺，其能實現隧道日常監控、事故應急、安全監測、節能減排、日常養護等全方位業務的管理。

智慧隧道營運一體化解決方案的核心目標是讓隧道營運更安全、更暢通、更節能、更易維。

5.1? ? 系統總體結構

系統前端采用分布式智能采集控制器接入各種監控設備，通過工業級無線網絡進行通信，數據上傳監控中心專用數據庫，最后實現大數據高分可視化展示，實現各種管理功能。系統總體架構如圖1所示。

5.2? ? 5.8G無線網絡通信系統

采用新一代5.8G通信技術的高速高帶寬無線物聯通信技術，是軟硬件、底層協議構成的一整套分布式高速無線組網核心原創技術，形成物與物之間的無線分布式高速連接。通電即用，自動連接，部署過程極其快捷，無須進行挖溝占道等施工，可免除大量相關施工許可申請及工程成本。

5.3? ? 隧道本地智慧管控服務器

為實現“讓隧道管理好自己”的目標，在隧道配電房部署隧道智慧管控服務器，它可實現與監控中心上位監控軟件的數據對接，但能獨立于上位機監控軟件運行，不受通信故障影響，確保系統功能充分穩定發揮。智慧運維及能耗管控系統高度集成，具備邊緣計算能力。隧道智慧系統架構如圖2所示。

5.4? ? 智能分布式本地控制系統

用新一代分布式智能物聯控制器替代原PLC控制柜，以分布就近接入以及產品化的思路解決施工麻煩、成本高以及后期維護難的痛點。新一代分布式智能物聯控制器可實現隧道內監控設備的數據采集與控制接入，支持設備包括車道指示燈、交通信號燈、CO/VI、LI/LO、風速風向檢測器、卷簾門、風機控制柜、照明控制柜等。它內置嵌入式核心單元及無線通信模塊，可自主采集設備工作數據、狀態數據以及故障數據，并可通過有線或無線通信方式傳輸到上級管理系統。

5.5? ? 火災移動偵測系統

多光譜移動火焰探測器采用點型紅外火焰探測器原理，是雙波長到N個波長的延伸應用，它是為滿足各類公路隧道火災動態探測需求而研發的高速火災探測器。多光譜移動火焰探測器的傳感器可以感知近紅外以及遠紅外幾乎全部光譜信號，精度高，響應速度快，可以有效識別火災發生初期的光譜特征。

5.6? ? 行車安全比對系統

為實現隧道行車安全管控，隧道出入口可部署隧道安全管控一體化門架系統，其包含多種監測設備與交通預警控制設備，可對進出隧道的車流量、車輛信息、車輛狀態等進行精準監測和比對。

隧道安全管控一體化門架系統由可維護門架、全彩可變情報板、高清卡口設備、測溫型熱成像攝像機（可選）、微波車輛檢測器、高音廣播喇叭、高音警鈴、隧道安全一體化管控機柜等設備組成，其示意圖如圖3所示。

功能描述：

（1）交通事故與車輛滯留及時感知。

（2）利用高清卡口與微波車輛檢測器的檢測數據實現截面車流量與平均車速的數據采集，發現數據超限則預警，并聯動視頻監控系統進行確認，查看是否發生交通事故。

（3）比對隧道入口車流量與出口車流量，比對數值超出合理范圍則預警，并聯動視頻監控系統進行確認，查看是否發生交通事故。

（4）比對高清卡口以及微波車檢的客貨比數據，比對數值超出合理范圍則預警。

（5）比對隧道入口車牌信息與出口車牌信息，發現車流進入后沒有在合理時間內駛出隧道則預警，并聯動視頻監控系統進行確認，查看是否發生交通事故或車輛滯留。

5.7? ? 雷達視頻融合事件監測系統

雷達視頻融合事件監測系統把雷達事件監測系統的全天候、精度高、定位準的特點與視頻事件監測系統的可視化特點相結合，實現隧道內高精度的事件監測，其準確率高，受環境影響小，是新一代事件監測技術的發展方向。雷達視頻融合事件監測系統架構如圖4所示。

5.8? ? 一體化管控平臺軟件

傳統的隧道機電子系統一般包括交通監控子系統、火災報警子系統、通風及照明子系統、緊急電話機廣播子系統、高清視頻監控子系統、環境監測子系統等，智慧隧道一體化管控系統不僅能融合傳統的機電子系統，還從“更安全、更暢通、更節能、更易維”的隧道營運管理總體目標出發，引入了先進的理念、先進的技術、先進的產品，實現交通狀況全天候感知、隧道安全全方位管控、設備運維全周期管理、隧道能耗全時段管控。

5.9? ? 移動應用

本系統提供云端存儲與移動APP應用，可讓管理者隨時隨地獲取隧道安全營運狀況，并及時作出決策。

6? ? 結語

綜上所述，經過對隧道一體化管控系統的探討，將隧道施工整合為可視、可控的統一系統，有效提高了工程施工管理水平，實現了工程良好的經濟效益和社會效益。管控一體化系統的應用，不僅能融合傳統的機電子系統，還從“更安全、更暢通、更節能、更易維”的隧道營運管理總體目標出發，引入了先進的理念、先進的技術、先進的產品，實現交通狀況全天候感知、隧道安全全方位管控和設備運維全周期管理。實踐發現，隧道一體化管控系統在技術上和管理上是可行的。接下來可以依托計算機信息技術的迅猛發展，以管控一體化為基礎平臺，構建施工企業信息化系統，推進施工企業信息化建設。

[參考文獻]

[1] 公路隧道設計規范 第二冊 交通工程與附屬設施：JTG D70/2—2014[S].

[2] 夏永旭.公路隧道運營管理手冊[M].北京：人民交通出版社，2017.

[3] 朱晗，彭東領.公路建設項目目標管控體系構建研究[J].公路，2017，62（12）：217-222.

[4] 韓直，楊榮尚，易富君，等.公路隧道運營安全技術[M].北京：人民交通出版社，2012.

[5] 張明友，汪學剛.雷達系統[M].2版.北京：電子工業出版社，2006.

收稿日期：2021-03-26

作者簡介：王偉華（1982—），男，廣東河源人，工程師，研究方向：高速公路隧道智慧一體化管控系統。