基于物聯感知的高速公路隧道機電一體化智能管控系統研究及應用

文/王旭東、耿亮、申林山

1 前言

河南省交通運輸廳明確提出，要強化隧道一體化緊急救援系統建設，保障實現火災報警、通風、消防等設施聯動聯控的任務，并安排組織實施隧道機電安全一體化管控試點項目。河南省交通運輸發展集團有限公司深入貫徹部省戰略部署，選取南陽分公司轄區4 座高速公路長隧道為試點，加大新技術的應用創新，開展高速公路隧道機電一體化管控系統應用研究，推進高速公路隧道管理提質升級。

2 管理現狀及問題

河南省交通運輸發展集團有限公司南陽分公司運營管理221Km 高速公路，管轄滬陜高速南陽至豫陜省界段（2007年10月建成通車，全長150.5Km）和呼北高速南陽段（2015年12月建成通車，全長70.5Km）兩段高速公路，轄區共有32 座隧道，隧道全長31.93Km，其中長度超過1000m 的長隧道7 座，分布在所轄呼北高速南陽段。

現高速公路隧道管理普遍存在數字化管理能力不足以及系統集成、關聯度不高，且各系統軟件普遍存在孤島化、碎片化等問題。隧道管理所設置有視頻監控、照明、通風、交通誘導控制、火災報警等系統，每個系統軟件單獨控制各自系統，在事故發生時需要人工操作各系統，操作過程機械化、重復化，事故處置效率低、易出錯；隧道發生突發事件的交通誘導、人員疏散方案較多地依賴人的主觀判斷，一旦處置不當或判斷失誤就會造成嚴重后果；機電設備狀態監測未建立故障檢測、診斷及維護一體的響應機制；隧道運維養護主要精力、財力在路面養護方面，對機電養護關注不夠，往往在系統出現問題后采取補救措施。

3 高速公路隧道機電一體化綜合管控平臺方案

為保證試點項目“先進性、實用性”，隧道機電管控平臺提出了“1 平臺、2 探索、3 應用”的總體建設思路。

“1 平臺”是指建設一個隧道機電綜合管控平臺，統籌管理試點隧道群外場及隧道管理所設備，由綜合管控平臺實現聯動及協同處置功能。

“2 探索”是探索兩項示范試點應用：一是嘗試依托公共云平臺的應用系統部署，利用云平臺的虛擬化、分布式計算、負載均衡等技術，合理分配計算與存儲資源，實現隧道管理所運維“節能、高效、簡化管理”的需求；二是試點應用隧道機電設備聯動應急預案管理，將應急預案電子化，實現機電設施一體化聯動控制，高效有序地應對突發性事故，使得應急救援工作由經驗型向科學型轉化，全面提升高速公路隧道突發事件的應急管理能力。

“3 應用”是指結合隧道管理所運維中的需求，建設三套應用系統：隧道安全運營監測系統、隧道機電設備健康監測系統、隧道機電養護管理系統[1]。

3.1 系統架構設計

3.1.1 設備數據采集架構（見圖1）

圖1 設備數據采集架構圖

3.1.2 軟件架構設計（見圖2）

圖2 軟件架構設計圖

3.2 隧道安全運營監測系統

3.2.1 隧道機電一體化

平臺運用先進物聯網技術，建立市面主流廠家設備的通信協議棧，同時應用面向隧道機電系統物聯網網關，建立隧道機電設施物聯感知網絡，實現對隧道各類機電設備的通信連接，將之前相互獨立的視頻監控、照明、通風、交通誘導等控制系統、火災報警、消防監測、交通與環境檢測、緊急電話與廣播等8 大系統集成于一個平臺，從而實現隧道機電系統“管、控、養”一體化。

3.2.2 通風智能控制系統

通風智能控制系統根據檢測到的能見度數據、CO 濃度數據、交通量數據，控制風機的運行臺數、風機風向和運行時間，實現節能運行和保持風機較佳壽命的控制運行；同時，在火災發生時根據不同原因、不同地點、不同火源進行相應的火災排煙送風處理，以保證隧道的安全及運行環境的舒適性。

3.2.3 照明智能控制系統

照明智能控制系統根據《公路隧道照明設計細則》要求，結合照明設施現狀及節能原則，將照明智能控制模式分為白天模式和夜晚模式，白天模式又可分為晴天、云天、陰天、重陰天等4 種模式。通過實時采集洞外光強檢測器的洞外光強數據，系統對隧道內出入口加強照明、洞內的基本照明、洞外引道照明進行聯動控制，從而調節洞內各照明段的亮度，消除司乘人員在出入隧道時出現黑洞或炫目的安全隱患，以保證行車安全。

3.2.4 應急預案管理系統

應急預案管理系統依據車型橫洞將隧道劃分為多個隧道事故區域，每個事故區域依據所處位置、事故類型配置不同機電設備聯動控制。目前平臺已具備配置隧道火災、交通事故、危化品泄漏、交通擁堵等4 種應急處置方案；同時，還具備清晰明了的流程化預案處置，流程依次為：事故自動報警、事故點視頻確認、聯動設備控制、救援單位通知、一鍵恢復正常通行等一整套事故處置流程。

3.3 隧道機電設備健康監測系統

隧道機電設備健康監測系統實時監測隧道機電設備運行狀態。故障發現由過去的人工巡檢上報轉變為主動預警提示，當設備出現異常數據時，主動預警、精確診斷，并針對診斷結果提出專家排查處理建議，解決故障后，同時記錄在系統維護經驗庫，形成不斷自我學習完善的智慧化監測系統。

3.4 隧道機電養護管理系統

3.4.1 設備信息化

系統能夠根據錄入設備基本信息，進而對隧道設備進行全生命周期管理。從設備的選型、進場、聯調、運行、維護、保養一直到報廢，自動生成該設備二維碼信息，同時用戶可通過手持終端，掃描隧道現場設備二維碼，從而獲取設備的關鍵信息，同時可進行設備日常巡檢、故障設備上報等功能操作，操作完成后工作數據上傳至后臺，形成管理臺賬。

3.4.2 養護任務管理

根據當前養護工作模式，系統將日常巡檢、清潔維護、定期檢查、報維修等養護工作任務信息化處置。通過提前設置安排養護任務及操作方法，定期提醒養護人員，按照系統指示養護任務依次執行，并對“養護工作痕跡”進行記錄，自動生成標準化的檔案資料。

3.4.3 通知管理

手機端能夠實時接收平臺發出的異常告警信息、遠程巡檢報告以及日報、周報等通知信息，管理人員及運維人員可隨時隨地獲知隧道機電設施運行狀況，做到異常設備及時發現、及時通知，及時處理[2]。

4 新技術應用

4.1 先進的物聯網技術

管控平臺運用先進的物聯網技術，自主研發一套面向隧道機電系統物聯網網關，網關集成市面主流廠家設備的通信協議，輕松實現對各類隧道機電設備的通信連接。

4.2 強大的預案配置引擎

預案配置結合國內最新隧道應急預案研究，依據車型橫洞將隧道劃分為多個隧道事故區域，每個事故區域依據所處位置、事故類型配置不同機電設備聯動控制。

4.3 智能的主動防御技術

管控平臺的在線監測系統不依賴隧道機電設施自身上報的故障信息，而是利用大數據處理技術和異常檢測算法，實現隧道機電設施主動防御技術。

5 結語

隧道機電綜合管控平臺成功應用于呼北高速南陽段西坪至寺灣段南部四條試點隧道，適應高速公路技術與管理發展新趨勢，實現了物聯網等信息技術在隧道運行監測、行業管理和社會服務領域的深度融合與應用，加強了隧道管理所機電系統的一體化監測與管理，提升了隧道聯動及協同處置能力，有力推動了高速公路信息化建設，促進高速公路隧道管理和服務水平再上新臺階，實現了提質增效的目標。