特長公路隧道中機電設備的智能集成應用研究

摘要 文章以奉建高速特長隧道小營隧道機電設備為依托，針對隧道內的重要機電設備，采用5G+光纖、物聯網等進行數據采集傳輸，BIM建模進行展示和控制、AI控制算法等技術，開展特長公路隧道通風優化及關鍵設備智能運維集成應用的研究。在最新智能設備的算法基礎上，納入更多的影響參數對智能設備進行算法優化，從而降低特長公路隧道能耗成本和人員維護費用，提升應急管理效率。

關鍵詞 特長公路隧道；智能集成；機電設備；控制算法優化

中圖分類號 F552 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）07-0015-03

0 引言

目前我國公路隧道內風機等機電設備的運行方式及維護仍采用傳統的計劃定時啟動和定頻運行模式。隧道照明普遍采用普通照明加強照明的方式，由人員手工操作或定時操作，智能化則能較好地根據光照進行調節。隧道內監控只用于巡查和錄像功能，少量隧道安裝事件檢測設備，但缺乏與其他設備或系統的聯動。因此，傳統的隧道營運管理方式帶有很大的盲目性，導致資源浪費，尤其在電力和人力資源方面浪費嚴重。

以交通運輸部印發的《交通運輸部關于推動交通運輸領域新型基礎設施建設的指導意見》和《重慶市綜合立體交通網規劃綱要（2021—2035年）》為依據[1]，以促進交通基礎設施智能化升級，建設安全可靠、智能先進、經濟高效、順暢便捷的新型交通運輸方式為指導思想[2]，將重要的隧道機電設備在建設和使用的過程中進行智能化整合，運用信息化手段，提升隧道機電設備巡檢和管理的工作效能，增強路網運行動態跟蹤和主動防控能力及安全監管能力，提升全路網精細化管理水平。

1 特長公路隧道機電設備智能化集成的意義

1.1 安全

通過不間斷地獲取現場數據和采集終端實時反饋的數據，計算相應的偏差；及時控制相應風機和凈化設備的運轉，迅速改變隧道內的通風環境，改善隧道內的運行環境，保證人員安全和維護的安全。通過集成隧道內的機電設備，制定應急預案，統一進行緊急情況處置，提高應急效率。

1.2 節能

利用多設備采集到的各項數據，動態控制和模擬技術，實現風機、凈化吸塵和照明設備的按需控制，精準控制以及節能減排。

1.3 經濟

通過建立動態模型，尋找最優的通風配置數據模型，根據環境情況，智能控制通風設備運轉，降低設備運行電力成本，同時減少人工巡查的成本。

2 集成系統

2.1 系統功能介紹

該研究項目主要通過傳感器、物聯網、人工智能等高新技術將隧道中風機、照明、UPS、攝像機、通行指示燈、車檢器、消防設備、環境檢測設備等重要機電設備進行集成，通過5G+光纖作為傳輸網絡，將各設備數據快速傳輸到存儲系統中，然后由設置的智能控制模型對數據進行分析，由系統AI自動根據現場環境情況調整各個設備的運行狀態，并通過BIM模型將各個設備的運行情況和重要指標通過可視化展示給管理人員，當系統監測到隧道環境或機電設備運行情況異常，將會自動觸發相應的預案管理，從而降低了機電設備能耗，減少隧道管理成本，提升隧道應急搶險效率。

整個特長隧道（奉建高速小營隧道）機電設備智能集成系統分為智能送風子系統、照明管理子系統、設備感知子系統、環境感知子系統、巡檢機器人子系統和預案管理子系統等模塊。各個模塊之間數據互通，相互關聯，例如環境感知系統監測到隧道內CO濃度超過閾值，會直接觸發智能送風系統將風機運行頻率調大，氣體濃度恢復正常后，風機頻率也會相應降低，保證了隧道空氣質量始終保持在最適合的狀態，同時也降低了風機能耗。

通過對整個奉建高速小營隧道點云掃描，對隧道結構進行建模，通過BIM技術進行展示。在BIM模型上加入各項設備，并進行數據互通關聯，可以很直觀地查看各項設備的基礎信息、當前運行數據和歷史記錄。基礎信息包括設備名稱、設備廠家和設備質保期等。歷史記錄包括安裝時間、維修記錄和維修意見等。

BIM技術對特長隧道進行管理的優勢體現：一是可以更直觀地查看隧道內結構特點和需要注意的地方；二是可以在后續維護上更方便地確定各設備的位置，并在模型上可以直接查看設備的歷史信息等；三是在發生緊急情況時，可以更直觀地查看整個隧道的情況和隧道應急設施的位置，方便進行應急指揮。

2.2 系統架構模型

奉建高速小營隧道機電設備智能集成系統架構模型分為五層，物聯感知層、網絡通信層、數據存儲層、數據及服務支持層和智慧應用層。每一層的作用和運用的相關技術如下：

2.2.1 物聯感知層

物聯感知層主要通過物聯網技術，提供對隧道環境的智能感知能力，通過各種信息采集設備、各類傳感器、高清監控攝像機等實現對隧道內基礎設施、光照、空氣質量、車流量等方面信息采集、識別和監測。整個系統使用了多種傳感器和監測設備。具體如下：

（1）PLC（可編程控制器）。主要用在對照明系統和風機系統的電流電壓、電源等指標進行數據匯總，并通過編程對照明系統亮度和風機運行頻率進行控制。

（2）高清事件監測攝像機。隧道攝像機采用的是具有事件監測功能的高清攝像機，可以實時監測隧道內車輛行駛情況和車流量、車道拋灑物、火災等信息，對違規駕駛情況進行及時發現和預警，為管理人員提供清晰的現場圖像。

（3）巡檢機器人。隧道上方搭建軌道并安裝巡檢機器人。巡檢機器人可以實現隧道內全線的智能巡檢，包括火災檢測、車輛事故等等。巡檢機器人具有三種狀態，第一是可以按照預先設置的巡檢計劃進行全線的自動巡查；第二是可以停在休息區進行充電操作等；第三是接收到其他系統發送的事件信息進行緊急事件處置。巡檢機器人可以與其他系統聯動，其他系統發現事故時可將事故信息發送到巡檢機器人，巡檢機器人可進行前期的一些救助活動，極大地提高隧道的安全性。

（4）CO/VI傳感器。對隧道內的CO濃度、VI能見度值進行監測，作為隧道內空氣質量評價指標。

（5）其他。除了以上傳感器和監測設備外，該項目中還涉及亮度傳感器、車感器、磁阻傳感器、光照傳感器等多種傳感器，實現了對隧道口環境信息的全面感知。

由于系統涉及的傳感器和監測設備種類復雜，數量眾多，為了便于管理和維護，系統對各種機電設備、傳感器進行分類管理，并提供對應接口，如果有新的設備及傳感器接入，在對應的項目中添加設備信息，選擇相應接口即可接入到系統。

2.2.2 網絡通信層

網絡通信層是連接物聯感知層和數據存儲層之間的橋梁，主要是將物聯感知層中各種傳感器收集的環境信息準確、快速地傳輸到存儲設備中，并將數據及服務支持層分析出的控制指令下達給對應設備。由于是特長隧道，數據種類多（包含有大量視頻數據），為確保信號穩定，傳輸速率快，采用了5G+光纖模式的新型數據傳輸通道，與傳統網絡相比，具有高速低延遲、高利用率、通信容量大、抗磁干擾能力強和保密性高等優勢。

2.2.3 數據存儲層

數據存儲層包含軟件資源、計算資源和存儲資源，為隧道機電設備智能集成提供數據存儲和計算，保障上層對于數據匯聚的相關要求。數據存儲層接收到網絡通信層傳輸過來的數據，首先對數據進行清洗，將不能使用的壞數據清洗掉，然后對數據進行分類歸納，減少數據冗余，提升上層的計算效率。系統隨時間的變化，數據量會不斷加大，在建設初期就需要考慮到數據存儲的可擴容性。該系統采用NAS存儲技術，支持即插即用，可以在網絡的任一位置建立存儲，并基于Web管理，從而使設備的安裝、使用和管理更加容易，可以很經濟地解決存儲容量擴容的問題。

2.2.4 數據及服務支持層

數據及服務支持層主要是通過構建多種AI分析模型，將數據存儲層中的數據帶入到模型中，分析出隧道中各子系統的運行情況，并根據相應情況下達對應的指令，調整各子系統狀態，保證隧道處于最優的運行狀態。數據及服務支持層中構建的AI分析模型主要有設備運行狀態模型、隧道環境分析模型和設備運行智能控制技術等。

（1）設備運行狀態模型。根據設備自帶接口或其他采集終端獲取設備運行狀態，建立設備運行感知模型，自動分析設備運行態勢，合理安排設備維護，提高設備維護的及時性，降低巡查的人力成本。

（2）隧道環境分析模型。對風機運行頻率、車流量等因素對隧道空氣質量情況的影響進行分析，對隧道照明設備耗能與光照強度的影響關系進行分析，建立分析模型，根據隧道實際情況，分析出風機系統和照明系統運行的最佳狀態。

（3）設備運行智能控制技術。根據智能分析模型分析出結果對隧道風機、照明、攝像機等設備進行自動化控制集成，由系統AI自動根據現場環境情況調整設備運行狀態。

2.2.5 智慧應用層

智慧應用層主要是將各子系統的相關信息進行整合，通過可視化方式展示給管理人員，便于管理人員應用和操作。智慧應用層應該滿足直觀、操作便捷、智能等特點。該系統融合BIM技術，建立了隧道、隧道內機電、水電風、性能模擬、環境和基礎設施模型。BIM模型是整個智能集成的基礎，通過可視化展示隧道機電設備運行狀態、指標參數和提供控制界面等信息化模型，當相關設備處于異常狀態，系統會自動提示報警信息，減輕管理人員的管理難度。

3 關鍵創新

3.1 智能照明

傳統隧道照明系統由人工進行控制或根據環境光線強度進行控制，很難全面地根據環境變化進行實時調節[3]。在奉建高速小營隧道機電設備智能集成系統中，為照明系統添加了場景控制模式，隧道內的照明根據車流量監測模塊和環境監測模塊監測的隧道內車流量、照明度、時間、其他設備或系統發現的事件信息等實時數據，構建的AI分析模型分析的結果自動調節相應的燈組，從而降低了人工管理成本和照明系統的能耗。這種方式相比于目前智能照明設備的單一亮度控制參數，具有數據來源廣（包含了其他系統或設備采集的數據）、控制更合理等優勢。

3.2 智能風機

隧道機電設備智能集成系統中，風機系統可根據環境進行變頻運行。影響風機控制算法的因素包括氣體環境的變化、隧道車流量、隧道事件情況等。系統通過構建的AI分析模型進行分析，當分析結果達到設置的閾值，系統將聯動風機PLC控制子系統將風機控制到特定的運行頻率，從而實現隧道內風機的精準控制，按需運行，始終保持隧道內的空氣質量處在最合適的狀態，并降低風機系統能耗。

3.3 應急管理

傳統的隧道應急采用的是人員上報然后進行預案處置，這導致反應時間較長，而且由于人員緊張、事件緊急等原因，還會出現遺漏重要信息等情況。部分隧道安裝智能設備，但各項設備各自獨立，沒有進行相應的數據互通，容易出現誤報等情況。為提高緊急事件的檢測準確性和反應效率，我們將奉建高速小營隧道各項設備進行集成，一個設備發現事件，其他設備或系統進行確認，并根據預案設置通知人員的范圍、通知方式（系統告警提示、短信、電話）等等。如當巡檢機器人發現了火災事故，系統會立刻發送事件信息給監控人員，展示附近的攝像機監控畫面，并關聯預備預案，由監控人員進行確認事故并確定是否執行系統的預案，極大地提高了事件檢測的準確性和應急事件處置的及時性。

4 經濟效益和安全性

目前在多隧道管理中，大多采用獨立管理的模式，一般的集成也只是將多隧道在一個系統中進行展示和管理，缺乏各隧道的聯動和數據的有效利用。在多隧道管理時，可以采用Sass云端部署的方式進行，提高管理效率和安全性。通過Sass可以實現多隧道的統一管理，可以將各隧道的基礎數據進行匯總，實現更多的數據積累，為控制算法提供更多的數據支撐。

隧道內的集成管控對安全性要求較高，如出現重大問題，可能導致交通事故等情況發生。為保障系統穩定運行，在網絡部署上，應盡量采用內外網部署的方式。內網進行各項設備的數據采集和控制，外網負責數據的展示工作。內外網的安全標準需要滿足等保三級標準。內外網間防火墻采用數據內網向外網的單向傳輸模式，必要的時候設置中轉機，進行數據擺渡以提高系統的安全性。Sass云端部署的方式也可以降低安全設備的采購成本，提高整體服務的安全性。

在收費模式上，也可以根據系統節約的成本來進行分成。該系統通過測算分析，將在隧道的日常經營過程中降低維護費用，在經濟效益方面也可以取得不錯的成績。

（1）通過精準智能控制，按需運行減少風機、照明燈具等機電設備的耗能，預估能降低使用成本10%；特別是在照明上實測降低29%。小營隧道現場數據如表1《照明前后對比》、表2《前后能耗對比》：

（2）減少隧道設備健康狀況現場檢查次數，降低人力和車輛使用成本，營運管理人員減少30%左右。

（3）有利于經營管理人員實時監督，有利于行業主管部門減少管理費用；對環境的風機、燈光設備提升反應速度；提高30%的應急管理反應效率。

5 結語

奉建高速特長隧道小營隧道機電設備為依托，從安全、節能、經濟等方面為目標進行了重要研究。通過對隧道內各設備的智能集成，信息互通，提高了事件檢測的準確性和及時性；通過集成納入更多參數對智能設備進行控制算法優化，達到了節能的目的；通過對風機和照明等隧道用電大戶的智能化控制，降低了用電量，節約了成本。根據研究結果，形成新的一套隧道設備接入標準，為后續高速隧道的機電設備建設和維護提供參考。

參考文獻

[1]周國光. 投融資體制改革再思考[J]. 中國公路， 2016

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[3]方陽生. 隧道電氣設計中應注意的幾個問題[J]. 科技資訊， 2006（27）： 37-39.