基于物聯(lián)感知的高速公路隧道機(jī)電一體化智能管控系統(tǒng)研究及應(yīng)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(qiáng)化隧道一體化緊急救援系統(tǒng)建設(shè)，保障實現(xiàn)火災(zāi)報警、通風(fēng)、消防等設(shè)施聯(lián)動聯(lián)控的任務(wù)，并安排組織實施隧道機(jī)電安全一體化管控試點項目。河南省交通運輸發(fā)展集團(tuán)有限公司深入貫徹部省戰(zhàn)略部署，選取南陽分公司轄區(qū)4 座高速公路長隧道為試點，加大新技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)新，開展高速公路隧道機(jī)電一體化管控系統(tǒng)應(yīng)用研究，推進(jìn)高速公路隧道管理提質(zhì)升級。

2 管理現(xiàn)狀及問題

河南省交通運輸發(fā)展集團(tuán)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(qū)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(xiàn)高速公路隧道管理普遍存在數(shù)字化管理能力不足以及系統(tǒng)集成、關(guān)聯(lián)度不高，且各系統(tǒng)軟件普遍存在孤島化、碎片化等問題。隧道管理所設(shè)置有視頻監(jiān)控、照明、通風(fēng)、交通誘導(dǎo)控制、火災(zāi)報警等系統(tǒng)，每個系統(tǒng)軟件單獨控制各自系統(tǒng)，在事故發(fā)生時需要人工操作各系統(tǒng)，操作過程機(jī)械化、重復(fù)化，事故處置效率低、易出錯；隧道發(fā)生突發(fā)事件的交通誘導(dǎo)、人員疏散方案較多地依賴人的主觀判斷，一旦處置不當(dāng)或判斷失誤就會造成嚴(yán)重后果；機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測未建立故障檢測、診斷及維護(hù)一體的響應(yīng)機(jī)制；隧道運維養(yǎng)護(hù)主要精力、財力在路面養(yǎng)護(hù)方面，對機(jī)電養(yǎng)護(hù)關(guān)注不夠，往往在系統(tǒng)出現(xiàn)問題后采取補(bǔ)救措施。

3 高速公路隧道機(jī)電一體化綜合管控平臺方案

為保證試點項目“先進(jìn)性、實用性”，隧道機(jī)電管控平臺提出了“1 平臺、2 探索、3 應(yīng)用”的總體建設(shè)思路。

“1 平臺”是指建設(shè)一個隧道機(jī)電綜合管控平臺，統(tǒng)籌管理試點隧道群外場及隧道管理所設(shè)備，由綜合管控平臺實現(xiàn)聯(lián)動及協(xié)同處置功能。

“2 探索”是探索兩項示范試點應(yīng)用：一是嘗試依托公共云平臺的應(yīng)用系統(tǒng)部署，利用云平臺的虛擬化、分布式計算、負(fù)載均衡等技術(shù)，合理分配計算與存儲資源，實現(xiàn)隧道管理所運維“節(jié)能、高效、簡化管理”的需求；二是試點應(yīng)用隧道機(jī)電設(shè)備聯(lián)動應(yīng)急預(yù)案管理，將應(yīng)急預(yù)案電子化，實現(xiàn)機(jī)電設(shè)施一體化聯(lián)動控制，高效有序地應(yīng)對突發(fā)性事故，使得應(yīng)急救援工作由經(jīng)驗型向科學(xué)型轉(zhuǎn)化，全面提升高速公路隧道突發(fā)事件的應(yīng)急管理能力。

“3 應(yīng)用”是指結(jié)合隧道管理所運維中的需求，建設(shè)三套應(yīng)用系統(tǒng)：隧道安全運營監(jiān)測系統(tǒng)、隧道機(jī)電設(shè)備健康監(jiān)測系統(tǒng)、隧道機(jī)電養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)[1]。

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

3.1.1 設(shè)備數(shù)據(jù)采集架構(gòu)（見圖1）

圖1 設(shè)備數(shù)據(jù)采集架構(gòu)圖

3.1.2 軟件架構(gòu)設(shè)計（見圖2）

圖2 軟件架構(gòu)設(shè)計圖

3.2 隧道安全運營監(jiān)測系統(tǒng)

3.2.1 隧道機(jī)電一體化

平臺運用先進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立市面主流廠家設(shè)備的通信協(xié)議棧，同時應(yīng)用面向隧道機(jī)電系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，建立隧道機(jī)電設(shè)施物聯(lián)感知網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對隧道各類機(jī)電設(shè)備的通信連接，將之前相互獨立的視頻監(jiān)控、照明、通風(fēng)、交通誘導(dǎo)等控制系統(tǒng)、火災(zāi)報警、消防監(jiān)測、交通與環(huán)境檢測、緊急電話與廣播等8 大系統(tǒng)集成于一個平臺，從而實現(xiàn)隧道機(jī)電系統(tǒng)“管、控、養(yǎng)”一體化。

3.2.2 通風(fēng)智能控制系統(tǒng)

通風(fēng)智能控制系統(tǒng)根據(jù)檢測到的能見度數(shù)據(jù)、CO 濃度數(shù)據(jù)、交通量數(shù)據(jù)，控制風(fēng)機(jī)的運行臺數(shù)、風(fēng)機(jī)風(fēng)向和運行時間，實現(xiàn)節(jié)能運行和保持風(fēng)機(jī)較佳壽命的控制運行；同時，在火災(zāi)發(fā)生時根據(jù)不同原因、不同地點、不同火源進(jìn)行相應(yīng)的火災(zāi)排煙送風(fēng)處理，以保證隧道的安全及運行環(huán)境的舒適性。

3.2.3 照明智能控制系統(tǒng)

照明智能控制系統(tǒng)根據(jù)《公路隧道照明設(shè)計細(xì)則》要求，結(jié)合照明設(shè)施現(xiàn)狀及節(jié)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(qiáng)檢測器的洞外光強(qiáng)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)對隧道內(nèi)出入口加強(qiáng)照明、洞內(nèi)的基本照明、洞外引道照明進(jìn)行聯(lián)動控制，從而調(diào)節(jié)洞內(nèi)各照明段的亮度，消除司乘人員在出入隧道時出現(xiàn)黑洞或炫目的安全隱患，以保證行車安全。

3.2.4 應(yīng)急預(yù)案管理系統(tǒng)

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

3.3 隧道機(jī)電設(shè)備健康監(jiān)測系統(tǒng)

隧道機(jī)電設(shè)備健康監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測隧道機(jī)電設(shè)備運行狀態(tài)。故障發(fā)現(xiàn)由過去的人工巡檢上報轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃宇A(yù)警提示，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時，主動預(yù)警、精確診斷，并針對診斷結(jié)果提出專家排查處理建議，解決故障后，同時記錄在系統(tǒng)維護(hù)經(jīng)驗庫，形成不斷自我學(xué)習(xí)完善的智慧化監(jiān)測系統(tǒng)。

3.4 隧道機(jī)電養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)

3.4.1 設(shè)備信息化

系統(tǒng)能夠根據(jù)錄入設(shè)備基本信息，進(jìn)而對隧道設(shè)備進(jìn)行全生命周期管理。從設(shè)備的選型、進(jìn)場、聯(lián)調(diào)、運行、維護(hù)、保養(yǎng)一直到報廢，自動生成該設(shè)備二維碼信息，同時用戶可通過手持終端，掃描隧道現(xiàn)場設(shè)備二維碼，從而獲取設(shè)備的關(guān)鍵信息，同時可進(jìn)行設(shè)備日常巡檢、故障設(shè)備上報等功能操作，操作完成后工作數(shù)據(jù)上傳至后臺，形成管理臺賬。

3.4.2 養(yǎng)護(hù)任務(wù)管理

根據(jù)當(dāng)前養(yǎng)護(hù)工作模式，系統(tǒng)將日常巡檢、清潔維護(hù)、定期檢查、報維修等養(yǎng)護(hù)工作任務(wù)信息化處置。通過提前設(shè)置安排養(yǎng)護(hù)任務(wù)及操作方法，定期提醒養(yǎng)護(hù)人員，按照系統(tǒng)指示養(yǎng)護(hù)任務(wù)依次執(zhí)行，并對“養(yǎng)護(hù)工作痕跡”進(jìn)行記錄，自動生成標(biāo)準(zhǔn)化的檔案資料。

3.4.3 通知管理

手機(jī)端能夠?qū)崟r接收平臺發(fā)出的異常告警信息、遠(yuǎn)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(jī)電設(shè)施運行狀況，做到異常設(shè)備及時發(fā)現(xiàn)、及時通知，及時處理[2]。

4 新技術(shù)應(yīng)用

4.1 先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

管控平臺運用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，自主研發(fā)一套面向隧道機(jī)電系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)集成市面主流廠家設(shè)備的通信協(xié)議，輕松實現(xiàn)對各類隧道機(jī)電設(shè)備的通信連接。

4.2 強(qiáng)大的預(yù)案配置引擎

預(yù)案配置結(jié)合國內(nèi)最新隧道應(yīng)急預(yù)案研究，依據(jù)車型橫洞將隧道劃分為多個隧道事故區(qū)域，每個事故區(qū)域依據(jù)所處位置、事故類型配置不同機(jī)電設(shè)備聯(lián)動控制。

4.3 智能的主動防御技術(shù)

管控平臺的在線監(jiān)測系統(tǒng)不依賴隧道機(jī)電設(shè)施自身上報的故障信息，而是利用大數(shù)據(jù)處理技術(shù)和異常檢測算法，實現(xiàn)隧道機(jī)電設(shè)施主動防御技術(shù)。

5 結(jié)語

隧道機(jī)電綜合管控平臺成功應(yīng)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(yīng)高速公路技術(shù)與管理發(fā)展新趨勢，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)在隧道運行監(jiān)測、行業(yè)管理和社會服務(wù)領(lǐng)域的深度融合與應(yīng)用，加強(qiáng)了隧道管理所機(jī)電系統(tǒng)的一體化監(jiān)測與管理，提升了隧道聯(lián)動及協(xié)同處置能力，有力推動了高速公路信息化建設(shè)，促進(jìn)高速公路隧道管理和服務(wù)水平再上新臺階，實現(xiàn)了提質(zhì)增效的目標(biāo)。