區域級高速公路隧道集中管控架構研究與實現

郝建明，劉天鵬

（中遠海運科技股份有限公司，上海 200135）

0 引言

截至2021年底，全國公路隧道23268處、2469.89萬延米，其中特長隧道1599處、717.08萬延米，長隧道6211處、1084.43萬延米。隨著高速公路通車隧道里程的日益增多，高速公路運行、組織和管理的難度與日俱增，對于隧道的運行、安全、保暢、應急等有著更加迫切的現實需求。2019年，交通運輸部印發了《促進公路隧道提質升級行動方案》和《公路隧道提質升級行動技術指南》，在全國實施促進公路隧道提質升級行動，更好地為公眾提供安全便捷的出行服務。

隧道監控軟件是隧道運營管理、保通保暢、保障安全的重要信息化支撐手段。對于隧道信息化管理方面的研究，李旭華提出C/S架構和B/S架構相結合的隧道監控系統，保障數據采集實時性的同時兼容先進信息化技術；黃文彬等提出將多元融合感知技術應用于高速公路隧道信息化建設，實現隧道的精細化管理；劉志輝等提出基于物聯網技術的智慧隧道運營管控系統，實現隧道各系統互聯互通、集中管控、綠色節能、安全防控、服務協同；馬慶祿等為了從整體上實現隧道群的區域性控制，提出面向交通安全的隧道群區域性聯測聯控理念。

綜上所述，雖然隧道信息化管理取得了一些應用成果，但軟件系統基本以傳統的“綜合監控”管理模式為設計原則，僅實現對單個隧道或少量相鄰隧道群的集成監控。為了縮減管理中間環節，降低人員運營成本及配套設施成本，提高系統響應效率，現階段各省市正在大力推進基于數據化的“集中監控”管理模式，將監控管理與現場救援分離，在區域中心開展轄區內所有隧道的日常監控管理工作，隧管所僅設置救援站。本文結合行業發展趨勢，設計區域級高速公路隧道集中管控平臺，實現對大批量隧道的集中監控管理，解決海量數據采集處置延遲高、標準不統一、數據缺失等問題，在優化資源配置的基礎上提升隧道運營管控和服務水平。

1 需求分析

1.1 傳統隧道管理體制

目前各省市自治區基本采用“隧管所-（路段分中心）-區域中心-省級路網中心”的隧道運營管理體制，如圖1所示。傳統的“綜合監控”管理模式下，隧管所負責隧道日常運營、設備維護、突發事件處置及信息上報等工作，是隧道安全管理的主要主體；路段分中心、區域中心、省級路網中心負責對隧道運營養護工作進行監管和考核，以及對涉及跨區域的突發事件進行協調處置。而在“集中監控”管理模式下，隧道日常監控管理、突發事件接警處置及指揮調度等均由區域中心負責，隧管所根據區域中心調度指令開展現場應急救援工作。

圖1 隧道運營管理體制框架圖

1.2 隧道信息化現狀

當前，隧管所已經獨立建設有照明、視頻監控、信息發布、緊急電話等子系統，有些隧道監控軟件已實現隧管所級的各子系統集成聯動，但還有較多隧管所各子系統處于分散部署的狀態。隧道管理系統一體化程度不高、綜合管控功能不足、設備數據共享能力薄弱，且上一級部門無法對隧道內的照明、環境監控、風機等機電系統運行情況進行監管監控，從而降低了交通事件應急處理的及時性，延長了應急處置時間，加劇了意外事件造成的影響。

隧道內發生突發事件時，需要緊急調配各類應急資源，特別是相當一部分應急資源還屬于社會化資源。但是，隧管所級的監控系統無法實現跨區域、跨職能范圍的應急資源管理和調配，交通誘導也需要上級部門統一組織。目前此類工作大多以線下方式為主，現場處置、中心調度、決策指揮等工作相對獨立，缺乏統一的縱向、橫向間的指揮調度體系。

1.3 隧道集中管控需求

高速公路隧道需要建立集中的管控平臺，實現區域級或省級范圍內隧道的統一管理，便于統一監控預警、統一指揮調度。具體業務需求包括：

1.3.1 集中管理

對區域內各隧管所的設備運行狀況和人員進行集中管理，通過信息化手段形成統一的隧道管理模式，實現精簡人員、權責分明、決策迅速的目標。

1.3.2 簡化流程

通過管理界面整合簡化操作，做到監控數據和設備控制一屏全包，所有監控數據一屏掌握，基于數據挖掘提供各類輔助決策支持。

1.3.3 資源共享

實現對各隧管所通風、照明、交通、消防等數據的實時采集和監控，通過數據融合、質量提升，可進一步向其他部門共享分發。

1.3.4 統一接入

基于統一協議和數據接口進行數據采集和交換，將原本分散的基礎數據和運行數據進行融合處理，滿足接口標準化、隧道統一接入的要求。

1.3.5 運維高效

實時監管隧道機電設備運行情況，綜合評定隧道運營水平，為隧道運維人員提供數據支撐，提升隧道機電運維和巡檢工作的效率。

1.3.6 提升安全

應急預案數字化，根據事件類型及嚴重程度實現事件分級響應，一鍵式啟動應急預案，調用大范圍應急資源并進行協同處置與指揮。通過信息無縫流轉，實現各系統快速聯動，提高事件處置效率，減低事故損失。

2 平臺關鍵技術

2.1 海量實時數據處理

隧道內監控設備數量較多，單條隧道的開關量、模擬量和結構化數據的規模通常在幾千條/秒左右，區域級隧道管控平臺對于數據監測和指令控制的響應時間要求是1～3秒。因此，隨著區域內接入隧道數量的增加，基于傳統架構設計的數據交換平臺已不能滿足相應性能要求。

平臺基于分布式消息隊列（Kafka）和分布式實時大數據處理系統（Storm）搭建大規模消息分發和實時數據流處理系統，滿足海量實時數據的采集和處理需求。Kafka作為中間件為數據提供緩沖機會，有效緩解數據采集和數據分析不同步的問題；Storm是一套開源的分布式實時計算系統，處理速度非常快，單節點可以達到百萬個元組每秒，可以完成數據的實時計算處理。平臺邏輯層次架構如圖2所示。

圖2 實時數據流處理邏輯層次架構圖

如圖2所示，首先使用Nginx支撐的應用服務來實現對隧管所監控系統上傳海量數據的實時接收；然后Kafka集群將采集的數據放置到消息隊列中，實現數據緩沖，防止因數據量過大或者處理數據的集群效率不高而丟失數據；由Storm從Kafka集群消息隊列拉取數據，對數據進行計算處理；最終，計算結果一方面存入Redis結果緩存中，提供前端應用實時展示；另一方面持久化存儲進分布式數據庫MySQL中，用于前端歷史數據統計分析展示。

2.2 數據接入標準接口

為規范不同隧道數據的統一接入，需要制定平臺數據接入的標準接口。各隧管所監控系統作為下級平臺，負責對各自管理隧道設備的數據進行統一匯聚，并按照標準接口接入區域中心平臺。

2.2.1 通信連接方式

中心平臺與下級平臺網絡通信采用TCP/IP方式，基于Socket方式建立連接，連接建立后持續保持，采用這種方式可減少網絡傳輸耗時。Socket連接由下級平臺作為客戶端，中心平臺作為服務端。中心平臺啟動后處于等待連接狀態，下級平臺主動發起連接請求，連接成功后雙方進行雙工通訊，實現數據發送和接收。網絡中斷恢復后應重新建立連接。

2.2.2 通信報文規范

通信數據報文采用二進制格式，允許使用字符串和各種長整型數據，浮點數以字符串表示，不包含小數點，末兩位為小數，存在字節順序問題的數據類型一律統一到網絡字節順序（低址高字節），避免跨平臺通信時出現問題。報文數據需要進行合規性校驗，具體規則包括：版本號和幀頭長度的合規性；報文中數據長度與實際報文計算長度是否一致；機構編碼和保留字中的機構代碼是否存在；加密方式是否符合要求。

2.2.3 報文傳輸要求

大數據包設計為分包發送，如果數據包與擴展數據包的長度大于65400字節則采用分包發送，即65535字節減去報文頭103字節和預留的32字節。壓縮報文的數據包長度為壓縮后的長度，數據包為壓縮后的包，壓縮算法采用標準的GZIP壓縮算法。報文傳輸前應進行加密、壓縮、分包處理，報文接收完畢后再反向處理，分包傳輸時應按順序發送。

2.2.4 報文定義

通信管理類報文：包括心跳檢測、公鑰獲取、加密傳輸、校正時間消息。

下級平臺上傳業務報文：包括氣象數據、交通流量數據、環境監測數據、風速風向數據、照度亮度數據、設備狀態數據、情報板播放內容、限速標志數據、廣播音區狀態數據、視頻事件檢測數據、火災報警數據、液位數據、電力數據等設備監測數據，以及突發事件、養護施工、交通管制等上報信息。

中心平臺下發業務報文：包括設備操作指令、情報板信息發布指令、廣播音區控制指令、歷史數據上傳指令、預警消息、通知消息等。

2.2.5 平臺數據對接流程

中心平臺向申請接入的下級平臺分配11位單元編碼，按照接入標準開展對接調試，平臺間數據流向如圖3所示。

圖3 平臺間數據流向圖

2.3 缺失數據補全

由于網絡通信偶發性中斷、設備數據采集失敗、數據解析出錯等原因，會導致隧道監控數據在采集過程中出現缺失。數據缺失極大地影響后續數據分析的準確性，因此需要對缺失值進行處理，缺失值處理方法可采用策略包括刪除、填充、不處理。

隧道監控數據根據數據類型進行分類，分別采用不同的數據缺失處理方法：

（1）對于定時采集的設備狀態及開關量數據，主要用于設備狀態監測。當出現數據缺失時，下一周期采集的數據可繼續反映設備當前情況，前一周期缺失數據不影響監測功能。此類含有缺失值的數據采用簡單刪除法直接刪除即可。

（2）數據缺失有多種填充方法，根據數據特征情況主要采用均值填充和聚類填充兩種方法。

1）均值填充。對于一氧化碳濃度、風速、液位等單一模擬量數據，數據一般是線性變化的，因此適合采用均值填充法補全缺失數據。可選取缺失項前后各3個采樣周期的數據，計算數學均值填充到缺失樣本。

2）聚類填充。對于交通流量、車速、占有率等結構化數據包類型的數據，由于和歷史數據相比有較大的類似性，因此適合采用聚類填充法補全缺失數據。選取前后一段時間及歷史相同時間段的數據，用非缺失字段作為特征值，對特征數據歸一化后，采用K-means算法進行聚類分析，然后計算缺失數據與每個聚類簇中心的相似度，選取最相似的簇的屬性均值填充給該缺失項。

（3）缺失數據不處理是指在原數據上直接進行數據挖掘，采用貝葉斯網絡、人工神經網絡、粗糙集等方法，由于模型過程復雜，存在指數爆炸的危險，本文不涉及此類方法。

3 平臺系統設計

3.1 邏輯架構設計

平臺采用分層架構設計，包括設備層、網絡層、數據層、支撐層、應用層、用戶層，以及信息安全保障體系和接口通信標準規范保障體系，如圖4所示。

圖4 平臺邏輯架構圖

（1）設備層。包含隧管所內各類系統和隧道前端采集設備，如：攝像頭、風機、照明、一氧化碳能見度檢測器、車道指示器、火警檢測器、車檢器等。

（2）網絡層。主要通過光纖網、視頻專網等完成數據傳輸，為數據層提供數據傳輸通道。

（3）數據層。實現對隧管所現有系統數據的采集、存儲與數據交換，為應用層提供數據支撐。

（4）支撐層。提供統一用戶管理、數據交換引擎、日志服務、安全管理等功能，為各類應用提供基礎支撐。

（5）應用層。主要實現各類應用及分析功能，為用戶提供統一的可視化監控平臺。

（6）用戶層。是平臺的使用對象，平臺可根據權限在管理公司、區域中心和隧管所分級使用。

信息安全保障體系是支撐平臺安全運行的各類措施，接口通信標準規范保障體系用于統一數據接口和數據交互標準。

3.2 物理架構設計

平臺設計至少采用15臺服務器，組成局域以太環網（采用TCP/IP通信協議），部署在高速公路區域中心或省中心，通過高速公路監控專網與各隧管所監控系統進行數據交互。服務器使用實體物理機或虛擬機均可，采用分布式架構，可根據接入隧道的數量動態擴充。平臺物理架構如圖5所示。

圖5 平臺物理架構圖

3.3 功能設計

平臺的主要功能包括應急待辦、運營展示、隧道監控、智慧應急、養護巡檢、運維管理、統計分析、平臺管理、數據接入等。

3.3.1 應急待辦

通過統一認證服務和統一應用授權，將日常工作按照應辦和待辦分類進行集中展示和提醒。

3.3.2 運營展示

對隧道設備運行情況、人員運維養護情況、應急指揮數據、過車數據和重點區域氣象數據匯聚融合，通過線形圖、圓餅圖、折線圖等綜合數據展示方式，形成隧道運營管理“一張圖”。

3.3.3 隧道監控

實現對隧道各子系統的集成監控，根據隧道內監控數據，調控相關設備的運行狀況，包括隧道交通監控、環境監控、視頻監控、火災監控及消防、照明監控、電力監控等。

3.3.4 智慧應急

實現應急預案的統一管理，包括救援預案、繞行預案、協同預案、應急資源管理和預案評價等功能。提供隧道內智能監測報警及其他相關單位報警事件的接收及確認，事件等級研判、事件跟蹤、應急預案聯動、指揮協調調度、應急信息發布、應急處置評估等功能。

3.3.5 養護巡檢

對隧道日常和專項養護工作進行管理，包括養護項目管理、養護計劃制定、養護排班、巡檢工作記錄及考核、工程檔案管理、養護知識庫等功能。

3.3.6 運維管理

實現對隧道機電設備的故障監測、資產管理、保養維修、備件管理等。

3.3.7 統計分析

根據不同業務應用場景，通過圖表全方位分析隧道運行情況，為運營決策和應急處置提供數據支撐。

3.3.8 平臺管理

提供組織結構管理、用戶權限管理、部署及流程管理、操作日志記錄等平臺基礎管理功能。

3.3.9 數據接入

對隧道監控設備的數據編碼、數據標準、數據格式、通信傳輸接口等進行統一規范，通過平臺與各隧管所監控系統的數據交互，實現數據采集、過濾、存儲及指令發布。

4 平臺實現

4.1 軟硬件配置

服務器、系統軟件、開發環境清單如表1所示。

表1 服務器、系統軟件、開發環境清單

4.2 實現效果

平臺在寧夏、青海等省份實際落地應用。寧夏和青海均采用“隧管所-區域中心-省級路網中心”的運營管理體制，寧夏高速公路隧道集中管控平臺接入全自治區高速公路隧道29座，青海高速公路隧道集中管控平臺接入全省高速公路隧道81座，區域中心負責對轄區內的隧道進行集中監控，省中心負責全省隧道運營工作監管和跨區域協同調度。平臺綜合運營分析功能界面如圖6所示，在寧夏高速公路隧道集中管控場景的應用測試數據如圖7所示。

圖6 寧夏高速公路隧道集中管控平臺綜合運營分析軟件界面

圖7 寧夏高速公路隧道集中車流量及數據處理時間

經實際應用測試，在采用8核16G服務器，Nginx、Kafka、Redis、MySQL、前端應用各分配2臺服務器，Storm分配3臺服務器的環境下，每秒處理一百萬條消息時，服務器CPU占用率平均在30%左右，消息響應延時1秒左右，如圖7所示單日通過隧道的車流量比較穩定，車輛通過時系統對數據的處理時間保持比較穩定的狀態，完全滿足平臺運營需求。

5 結語

本文結合隧道“集中監控”管理模式，設計區域級高速公路隧道集中管控平臺，實現對大批量隧道的集中監控管理，滿足高速公路區域中心、省中心隧道運營集中管理業務需求。通過實際項目驗證表明，本文設計的區域級高速公路隧道集中管控平臺可有效解決海量數據采集處置延遲高、標準不統一、數據缺失等問題，在功能、性能等方面均可滿足技術要求，可切實提升隧道運營管控和服務水平。下一步，將結合數字孿生、雷視融合、事件智能檢測、多源感知等技術開展研究，提升隧道智能化管控能力。