智慧隧道管控系統關鍵技術研究

劉飛、李桂林

（江西省交通運輸科學研究院有限公司，江西南昌330200）

0 引言

傳統公路隧道機電設施的種類較多，系統設施獨立且繁雜，各系統之間缺乏聯動控制，缺少統一的系統對公路隧道機電設施進行管控和監測。當公路隧道遇到安全事故或突發事件時，存在信息傳達不及時、信息可信度低等問題。因此，對智慧隧道管控系統的關鍵技術展開研究，構建隧道綜合管控系統，對于提高公路隧道運行監測能力和突發事件的處理能力有重要意義。

1 智慧隧道的概念

智慧隧道是指將移動互聯網、云計算、大數據和物聯網等信息技術應用于公路隧道管理中，通過動態感知技術獲取公路要素信息，同時構建隧道全景信息環境，并結合多源數據融合、三維可視化、圖像分析、人工智能、可見光通信、火災數值模擬、有限元分析、交通仿真和太陽能利用等技術，實現隧道、人、環境、路和車的系統管理，進一步提升隧道的通行能力，提高隧道運行安全水平。智慧隧道可以通過智能傳感、射頻識別、圖像分析和激光掃描等設備全面感知隧道中的車輛、公路、人員和環境等信息，解決了傳統隧道運行管理過程中存在的數據無法共享、要素不完整、信息不對稱等問題，有利于進一步加強隧道的管理水平。

智慧隧道融入了大數據和云計算等先進技術，可以實現對海量數據的分析、存儲和處理，同時也可以對隧道動態數據進行利用和挖掘，進而轉變傳統隧道管理的思維和理念，即由經驗式、粗放式管理向精細化管理轉變，由設備集成管理模式向業務集成管理模式轉變[1]。

2 智慧隧道管控硬件系統架構

智慧隧道管控系統主要包括兩部分，即上位機隧道管理軟件、下位機隧道調度控制和信息采集平臺，下位機隧道調度控制和信息采集平臺包括能見度儀、車檢器、車道指示器等設備。下位機隧道調度控制和信息采集平臺如圖1所示。智慧隧道管控系統硬件系統主要包括控制單元、車道指示器子系統、隧道數據采集方式、通信方式和控制模式。其中：控制單元負責采集公路隧道信息和控制車道基礎功能；車道指示器子系統主要用于顯示相應標識；隧道數據采集主要采用能見度儀、車檢器和指示器三種設備；智慧隧道管控系統通信方式包括CAN總線通信和RS485總線通信；智慧隧道管控系統控制模式分為自動控制和人工控制。

圖1 智慧隧道管控系統下位機隧道調度控制和信息采集平臺

2.1 控制單元

智慧隧道控制單元主要具備隧道信息采集功能和車道控制功能，其控制邏輯和功能如下：

其一，根據隧道控制單元參數采集車道、環境和車輛信息，并利用多源異構數據管理技術對采集的數據進行處理、分析和存儲，以此為車道管理提供參考依據。其二，解析控制單元中輸入參數，并對隧道內的車流量進行統計和分析，同時根據公路凝冰風險模型劃分公路凝冰風險等級，最終計算出隧道車輛行駛速度。其三，將采集的環境、隧道、人員和車輛等信息直觀地顯示在終端系統中，以便于管理人員對隧道運行情況和車輛行駛情況進行管理和監控。

2.2 車道指示器子系統

智慧隧道管控系統的車道指示器子系統結構如圖2所示。車道指示器子系統運行使用的電源主要由隧道供電系統提供，供電系統提供的電源為AC220V，通過開關電源AC-DC轉換及降壓得到DC5V，通過穩壓芯片對電壓進行再次減壓后，得到DC3.3V電源，可以為外圍電氣、MCU等電器提供DC5V和DC3.3V穩定電壓。車道指示器子系統的主控單元主要采用STM32系列芯片，同時結合外圍電路組成單片機系統，該系統的主控單元可以直接與溫度采集模塊、濕度采集模塊、有線通信模塊、LED顯示模塊、紅外接收模塊和繼電器等模塊進行交互，同時通過通信模塊與能見度儀、車檢器和隧道控制主機進行實時通信。

圖2 智慧隧道管控系統車道指示器系統結構

主控單元主要利用溫度和濕度采集模塊收集隧道路面溫度以及環境數據，然后對其進行初步處理后為管理人員提供參考；利用有線通信總線獲取隧道能見度數據和車流量數據，然后通過通信模塊將收集的數據傳輸至管理中心上位機；通過對LED模塊發送控制指令，使LED顯示相應內容。當隧道無法使用，或者正在施工維修過程中，管理人員開啟管理系統的維護模式，并控制車道指示器指引駕駛人員駛入可以正常通行的公路。

2.3 隧道數據采集方式

智慧隧道管控系統主要通過安裝于隧道車道上方的車檢器、能見度儀和車道指示器采集隧道內部的環境信息、車輛信息和路面信息。

2.3.1 車檢器

車檢器主要用于采集隧道內行駛車輛的速度、車道等，通過對上述數據進行分析和處理后獲得隧道內部的車流量數據。當隧道內部的車輛較多時，智慧隧道管控系統會提醒駛入車輛保持車距，避免發生交通事故。

2.3.2 能見度儀

能見度儀主要采集隧道內部的能見度參數，同時根據該數據調整隧道指示器的亮度，確保隧道能見度較低時，司機可以清晰觀察到隧道內部的指示標志。

2.3.3 車道指示器

車道指示器主要負責采集隧道內部溫度和濕度，然后對溫濕度數據進行分析和處理，獲取隧道內部凝冰風險等級。

2.4 通信方式

智慧隧道管理系統通信方式包括CAN總線通信和RS485總線通信兩種。

CAN總線通信接口不僅集成了CAN通信協議數據鏈路層和物理層，還采用120Ω特性阻抗的雙絞屏蔽電纜作為通信傳輸電纜。此外，該總線具備總線仲裁機制，可以同時對多個單元發送數據，并根據信息優先級判斷數據傳輸順序，避免了數據傳輸過程中的干擾問題。

RS485總線通信方式采用ModBus通信協議，RS485接口采用屏蔽雙絞線傳輸。為進一步延長智慧隧道的通信傳輸距離，在通信模塊中加入了信號中繼器，使通信信號可以覆蓋整個隧道。

2.5 控制模式

智慧隧道管控系統包括自動控制模式和人工管理模式。在通常情況下，智慧隧道管控系統主要在自動控制模式下運行，管理人員不需要對系統進行人工干預。當隧道發生交通事故或者進行隧道維護等作業時，智慧隧道管控系統會切換為人工管理模式，由管理人員進行人工操作。

3 智慧隧道管控系統關鍵技術

3.1 多源異構數據管理技術

不同系統終端在應用智慧隧道管控數據時對于數據的格式有不同的要求，為滿足不同用戶和終端系統的使用需求，需要建立隧道空間數據采集、共享和更新機制，同時將分散的隧道空間數據進行集成和整合，進而實現多源異構空間信息的動態查詢、訪問、決策和分析。在多源異構隧道空間數據集成和訪問過程中存在異構數據集成、防風結構、空間數據多尺度、資源選擇和數據安全等問題。為解決上述問題，在構建智慧隧道管控系統過程中，需要對隧道數據語義融合、轉換、共享、集成和檢索等功能進行研究，構建以元數據為基礎的目錄服務，進而實現對智慧隧道管控系統語義級、結構級和語法級異構空間數據的分布式維護、集成和管理，該技術所涉及關鍵技術如下。

3.1.1 隧道空間數據存儲與檢索技術

該技術主要用于探索異構隧道空間數據元模型，建立以數據網格為基礎的分布式數據存儲模式，實現對隧道異構空間數據的分布式存儲、統一描述和在線訪問。

3.1.2 隧道空間數據集成技術

隧道空間目標的集成以及對隧道目標進行分析和應用是國內外前沿性的研究課題。為了實現隧道空間數據的無縫集成，就需要基于計算機可視化技術、地理信息系統技術等構建隧道無縫集成空間模型，實現隧道空間的一體化集成。

3.1.3 多源空間數據融合技術

該技術是一個多層次、多級別數據處理過程，涉及多源信息和數據的互聯、綜合、探測和估計。該技術涉及多源空間模型表達、估計和統一技術，以OGC網絡處理服務為基礎的柵格數據融合，以語義特征和幾何特征為基礎的矢量數據融合技術，柵格數據和矢量數據表達技術和復合融合技術，多源空間數據不確定評估模型。

3.1.4 以網格環境為基礎的隧道信息協同和共享技術

為滿足隧道信息協同和共享的需求，智慧隧道管控系統采用分類節點對信息資源進行部署和管理，同時在網格環境下將數據節點劃分為管理節點、門戶節點和服務節點等。服務節點可以為WCS、WFS和WMS等信息提供不同標準的網格服務。

3.1.5 多維可視化技術

智慧隧道管控系統利用具備可量算、立體化、可分析、逼真化的可視系統，將監測數據直觀地展示在用戶眼前。另外，隧道內部空間和結構較為復雜，為滿足隧道精細化管理，智慧隧道可視化系統需要提升至四維空間，同時結合穿越隧道的時間特性，利用虛擬現實技術，對隧道內部的行駛車輛、車禍等災害進行仿真模擬，以此為隧道的管理提供參考。

3.2 智能服務技術

以云計算結合物聯網等先進技術為基礎的智慧隧道管控系統可以對隧道內不同對象進行動態監測、遠程控制等，實現隧道集成化、網絡化和信息化管理。而智慧隧道建設的重點在于“智慧”，基于該需求，在建設智慧隧道管控系統的過程中，需要實現隧道運行管理的自動化風險評估、自動化預警、自動化決策等服務。

3.2.1 自動預警監測技術

隧道在長期使用過程中，其地質變化、結構失穩等問題會對隧道的正常運營產生影響，同時也會帶來安全隱患。自動預警監測技術在智慧隧道管控系統中的應用，進一步保證了隧道運營的安全性。自動預警監測技術通過結合隧道空間信息，利用設備檢測、位移監測、智能巡檢、應力監測和實時預警等技術，構建自動化程度高、體系合理完善、結構易擴充的智能化隧道預警體系，可以及時發現隧道內部存在的損傷情況，通過評估隧道的健康狀態，編制相應的隧道維護計劃，以便加強隧道的維護和管理。

3.2.2 風險評估技術

在隧道勘察設計階段，智慧隧道管控系統可以根據隧道地質情況評估隧道風險等級，進而為施工單位完善隧道施工方案和設計方案提供參考。在隧道施工階段，依托隧道施工信息對施工中存在的風險問題進行評估，同時將風險評估工作貫穿于整個施工過程，以此保證隧道施工的安全性。此外，隧道管理單位也需要實時采集隧道拱頂下沉、支護圍巖、洞口周邊收斂、地表下沉和超前物探等信息，并根據上述數據構建隧道風險評估模型，以此應對隧道施工階段可能發生的隧道變形、塌方等災害。

在隧道運營和維護階段，隧道安全風險評估主要針對隧道各構件應力、荷載能力和結構性損傷等情況；隧道構件耐久性評估包括隧道構件腐蝕、裂縫等耐久性損傷；隧道適用性評估，即功能性評估，針對隧道燈具、隧道表面、隧道拱頂等設施的功能性損傷進行評估。隧道風險評估是貫穿于整個隧道生命周期的一個系統性和復雜性的過程，影響隧道風險評估的因素較多，需要構建隧道風險評估模型，并利用評估體系、風險聚類分級、評估指標確定、評估結果分析和評估模型修正等方法，對隧道整個生命周期存在的安全風險進行全面評估，以此保證隧道的運行安全。交通隧道作為城市交通網絡的重要節點，隧道的耐久性、安全性和適用性一直是隧道管理企業關注的重點，加強對隧道全生命周期的風險評估，改善隧道運行狀態，提高隧道服務水平和管理水平，對于提高隧道經濟效益和社會效益具有重要意義。

3.2.3 輔助決策技術

智慧隧道管控系統集成了風險評估技術、云計算技術、智能決策技術、智能化感知技術和預警監測技術，具備智能預警聯動、資源共享互動、綜合信息接入、綜合決策支持等服務功能。智慧隧道管控系統輔助決策主要包括以下內容：一是自動生成應急預案模型，智慧隧道管控系統會根據預案體系自動定義不同風險的處置方法，同時幫助管理人員編制可執行的風險預案框架，最后通過應急場景模擬對處置方法的可行性和有效性進行檢驗；二是智慧隧道管控系統可以通過構建新型隧道服務模式或提供新型服務的系統框架，利用新型系統對隧道感知數據進行分析、處理等，進而為用戶提供不同要求、不同層次的高效智能化服務。

4 結語

智慧隧道是傳統公路隧道功能的拓展和升級，同時也是傳統隧道的智能化發展。本文闡述了智慧隧道的概念，并分析了智慧隧道管控系統的基本結構，最后研究了智慧隧道管控系統的關鍵技術，包括多源異構數據組織管理和可視化技術、智能服務技術。智慧隧道作為信息時代發展的產物，不僅降低了公路隧道運營管理成本，而且也推動了公路隧道向生態化、社會化和經濟化方向發展。