高速公路隧道智能管控現狀及管控模式需求分析

摘要：針對目前高速公路隧道管控系統設備信息采集功能單一，設備數字化率低以及與各平臺之間的相關數據互通性差、安全事故檢測手段單一、應急管控效率低等現狀進行分析，并針對高速公路隧道智能管控模式和需求進行研究，提出了基于高速公路隧道運行狀態監測、交通監控、安全管控、應急管控和智慧運維的智能管控模式，以及隧道內設施設備全要素實時動態監測、全生命周期設施設備運維管理和全過程事件事故跟蹤處理的高速公路隧道智能管控需求。

關鍵詞：智能管控；狀態監測；交通監控；安全管控；應急管控；智慧運維

中圖分類號：U495文獻標志碼：A

0引言

高速公路隧道作為重要交通建筑設施，在縮短運行距離、提高運輸能力等方面起到了重要作用。高速公路隧道在交通狀態方面具有交通流量大、行車速度快的特點，隧道在內部環境方面含有大量照明燈具、風機、消防水泵、指示器、情報板、供配電等機電設施設備。為實現隧道的智能管控，部分高速公路隧道配備有 AR 實景監測系統、隧道進出口照明優化、隧道滅火器、消防栓、高低位水池的在線監測系統等新型技術，但是總體上當前隧道信息化建設仍相對不足，加上隧道安全風險感知薄弱、應急救援效率低，當隧道內發生交通事故或設施設備故障等緊急情況時將會對隧道內人員安全及交通運輸帶來重大安全隱患。

為促進高速公路隧道的信息化建設，實現隧道智能管控，文章從隧道綜合監控的智慧基礎設施出發，針對高速公路隧道管控系統現狀進行分析，基于隧道全要素采集的智慧感知，隧道安全提升的智慧化應用需求進行分析研究，構建集合隧道運行狀態監測、交通監控、安全管控、應急管控和智慧運維的智能管控模式[1-3]。

1隧道設備物聯及數據集成

隧道智能管控系統應實現設備物聯與孿生對應的設備管理模塊與綜合監控模塊。通過集成對接隧道本地控制器模塊、隧道消防模塊、隧道照明模塊、隧道通風模塊、隧道信息發布模塊、隧道電房與機房等模塊，并將各類設備標注于三維底座，實現對設備在線狀態、在線率及設備運行的實時監測和控制[4-5]。

1.1隧道本地控制器模塊

目前隧道內普遍采用集中控制模式的 PLC 控制柜，由于運行時間較長，加上PLC控制柜本身的密閉性不足，導致故障率較高，而且目前使用的 PLC 控制柜多為進口產品，備品備件售后周期較長，增加了隧道本地控制系統的維護難度。若采用國產分布式物聯網控制器替代損壞的PLC，逐步完成隧道現場控制系統，則能夠有效解決傳統PLC控制柜面臨的難題。

1.2隧道消防模塊

傳統消防系統主要包含感溫光纖、雙波長火焰探測器、消防水池液位儀等，存在系統預警閾值高且不可配置、準確度較低、誤差幾率高等問題，而預警條件多設置于明火出現后，無法及時對隱患車輛進行管控。隧道消防模塊在傳統消防系統基礎上添加多光譜移動火焰探測器、紅外溫度探測器，并針對不同的隧道場景、環境因素、預警閾值可靈活配置，能夠有效提高火災事件檢測精度，并實現明火潛伏期檢測的預警功能。

1.3隧道照明模塊

傳統隧道照明系統模式較為單一，照明燈具普遍在最高功率下工作，導致設備損壞率高，生命周期短，能耗巨大。而隧道照明模塊照明燈組的控制及調光則是通過平臺操作或自動調光預案來下發控制指令到調光服務器，調光服務器收到相關控制指令后通過調光控制器對燈組進行調光。

1.4隧道通風模塊

傳統的風機控制器只是提供風機的啟動及故障信號，所有管控動作均依賴電力監控軟件或上位機軟件完成，風機本身無法對電流電壓、故障、運轉時間、疲勞度、能耗等數據進行采集、分析、存儲，導致無法判斷風機的真實狀況，難以對風機進行實時監測及有效的養護。而隧道通風模塊智能調風控制器內置邊緣計算器，采用變頻技術作為替代，讓風機運行在40 Hz（交通事故）甚至在30 Hz（施工作業），能夠有效節省能耗，降低對風機軸承的損傷，增加風機壽命。

1.5隧道信息發布模塊

隧道智能管控系統通過采集視頻事件檢測、交通監控等數據，對隧道內可變標志信息進行智能發布。在交通擁堵時，監控系統檢測到現場狀況，管理人員確認現場情況屬實，可一鍵下發指令，可變標志更改為引導現場交通信息，并開啟隧道廣播，實現各個系統的聯動。同時實時顯示情報板狀態、發布內容，車道指示燈的狀態、信號燈的狀態。

1.6隧道電房與機房模塊

隧道電房與機房模塊通過電力監控管控軟件的對接協議或接口，與隧道機房環境檢測設備對接，采集隧道機房內各配電柜實時數據。主要包括不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）、配電柜狀態、電流、電壓、功率因數、有功功率、無功功率、頻率等，并采集機房濕度數據以及對發電機的遠程管控。

2隧道數字孿生系統

數字孿生基于視頻或雷視一體機分析，通過研究隧道低視角監控場景相機非現場自動標定技術、跨相機多目標檢測跟蹤與時空分布信息高精度重構，隧道全過程車輛軌跡時空分布建模與實況交通時空特征分析技術等，建立隧道全時空交通監控全景圖，實現高精度數字孿生[6-7]。

數字孿生可視化模塊將全隧道空間重建和車輛全過程軌跡重建信息進行可視化顯示，對事故車輛、事故車流場景進行模擬仿真回溯，車流量仿真效果如圖1。

3隧道事故安全管控

3.1交通事故

隧道交通事故管控系統根據事件檢測子系統將交通事故實時報警數據推送至隧道智能管控系統，通過雷視一體融合檢測攝像頭及隧道入口安全預警機器人對隧道全域進行視頻事件檢測，采用人工神經網絡、多目標跟蹤等技術路線，結合高精度AI算法實現24 h 的不間斷監測。該事件檢測子系統支持逆行、違停、擁堵、變道、拋灑物、行人等事件檢測功能，目標檢測準確率達95%以上。依靠隧道入口及出口安裝的安全管控門架系統對進出隧道的車輛進行抓拍、識別及跟蹤，及時發現隧道內交通事故，并掌握隧道內的車輛數量、車型分類等；安全管控門架系統包含了高清卡口設備、ETC、高音廣播設備、三色警燈設備、測溫熱成像攝像機設備等；其中高清卡口設備用于抓拍進出隧道的車輛（車牌、車型、顏色、品牌等特征），并進行信息對比，發現有車輛滯留隧道內立即進行報警。

檢測到交通事故事件后，通過在報警彈出框點擊報警處置按鈕并進入報警處置頁面，通過報警圖片、視頻、監控畫面判斷報警內容是否屬實，確認后會根據報警位置、報警類型對隧道內的交通異常情況進行歸檔記錄并及時發出報警，制定不同的聯動管控策略，然后一鍵執行下發控制指令。事故處置流程執行完畢，現場交通狀況恢復正常后，一鍵執行隧道正常營運預案，并將設備恢復非事故管控狀態。

3.2火災事故

隧道火災事故管控系統在傳統感溫光纖和雙波長火焰探測器基礎上，增加新一代多光譜移動火焰探測器，能夠在火災潛伏期溫度緩慢上升過程中及時發現火災隱患，同時在隧道入口和緊急停車帶安裝測溫型紅外溫度探測器，對進入隧道的車輛及停靠在緊急停車帶的車輛進行溫度測量，發現溫度超限，進行預警及視頻聯動跟蹤。為保證隧道內消防設備正常使用及減少人工檢測頻率，隧道消防滅火器采用物聯網智能滅火器壓力傳感器，集滅火器壓力監測、設備自檢等功能于一體，降低了人工巡檢成本，準確掌握滅火器狀態。

當檢測到火災事件后，通過報警彈出框點擊報警處置按鈕進入報警處置頁面，通過報警圖片、視頻、監控畫面判斷報警內容是否屬實，確認后會根據報警位置、報警類型自動篩選相關管控預案，同時進行事件填報，然后選擇相應的事故處置流程進行處置。火災事故處置流程執行完畢，且現場交通、路面、環境等各方面指標恢復正常后，一鍵執行隧道正常營運預案，并將設備恢復非事故管控狀態。

3.3?；肥鹿?/p>

隧道?；肥鹿使芸叵到y通過高清卡口，ETC、?；奋囕v識別儀對進入隧道的車輛進行車型和車牌識別，判斷是否為?；奋囕v，實時掌控并跟蹤隧道內?；奋嚵髁啃畔ⅰＭ瑫r對隧道入口?；奋囕v信息與出口車輛信息比對，判斷?；奋嚋魰r長是否超出合理范圍，通過環境及可燃性氣體檢測數據判斷隧道內是否存在危化品泄露風險，如果相關數據超出預警范圍則報警提醒管理人員，提前作出應對措施。

若確認?；沸孤?，在隧道預案模塊中篩選危化品泄露事故的設備聯動預案，一鍵執行下發控制指令。危化品泄露事故處置流程執行完畢，并且現場交通、路面、環境等各方面指標恢復正常后，一鍵執行隧道正常營運預案將，并設備恢復非事故管控狀態。

4隧道應急管控

4.1應急管控預案

交通流智慧感知依靠各種先進的交通流監測設備、氣象監測設備、隧道環境監測設備、5G 網絡通訊設備，系統采集上述數據并采用智能分析算法對數據進行綜合分析，并提出控制策略。在交通事故、火災事故、?；肥鹿实染o急情況下，根據事件位置、事件類型、事故等級等信息，實現隧道事件預警及視頻監控聯動策略，對隧道內交通監控設備、通風、照明、可變情報板、視頻監控、緊急電話及廣播等設備進行控制聯動[8-9]。

系統根據車道信號燈、風機、人行橫洞、車行橫洞等分布距離將隧道劃分為多個管控區域，每個管控區域對應不同的管控策略與措施，并結合隧道所在路段前后相關站點，互通、立交等設施設備，根據各安全專家調研分析的結果制定針對不同隧道、不同事故情況的各類控制策略，為不同事故情況下的人員、車輛的疏導、逃生提供安全保障。應急疏散逃生預覽如圖2所示。

4.2交通事件處置及態勢推演

交通事件處置可跟蹤各種事故處置相關數據的變化趨勢，并上報各種事故處理進展信息；其中顯示信息包括事故點前后影響范圍、路政車輛、交警車輛、傷亡情況，擁堵距離等現場信息，以及事故從發現、填報、處置措施、信息報送、處置結果等完整流程。

同時基于大數據分析及智能檢測視覺分析技術，從海量歷史安全道路事件數據中挖掘相關信息，為實現事件態勢的實時分析與跟蹤，對其進行干預和消解，分析匯總事件數據與安全風險態勢的關聯及多相映射機制，展示隧道內事故態勢的演化趨勢[10-11]。

5隧道智慧運維

5.1隧道實時安全評估

隧道實時安全評估模塊首先將隧道調研的風險源清單、評估體系等成果通過編譯模塊化算法封裝植入管控系統，該算法包含對風險源清單的調用、評估體系流程的數據自動輸入與結果輸出；其次利用該算法實時評估設備物聯等方法采集的數據并計算當前數據所反映的安全風險等級；最后在隧道智能管控系統中實現公路隧道運營安全風險源實時顯示。該隧道風險源清單數據庫，支持源的增加、刪除、更改及權重配置等功能；隧道風險源評價體系算法模塊，具備封裝性能，執行輸入輸出功能；超限風險源標識與預警，實時顯示隧道安全狀態[12-13]，安全評估因子如圖3所示。

5.2隧道智能巡檢

傳統隧道巡檢主要依靠人工來實現隧道狀態檢查，而且在事故發生時巡檢人員無法即時到位，影響安全運營效率。隧道智能巡檢可通過安裝隧道智能巡檢機器人，基于隧道專網、移動互聯網實現平臺之間的信息共享和業務協作。通過管理平臺來接收隧道設施故障信息，根據設施位置、故障信息等實現處理結果上報、跟蹤，并通過圖片、視頻等手段上報隧道現場情況。利用語音廣播、設備對講等實現巡查設施、監控員與維修人員之間的語音溝通及信息共享。

6結語

通過隧道智能管控系統的應用，高速公路隧道運營單位可以有效利用管控系統實現對各機電系統的監督，當隧道內發生安全問題或意外事故時，運營單位可以及時準確發現，并進行快速處置，從而保證隧道內的行車安全。

隧道信息化建設作為重點發展方向，由于隧道機電系統組成部分眾多，新技術新設備應用較多等，而現場采集端設備是隧道信息化的基礎，現場采集端設備運行監測是否穩定、數據是否準確是值得進一步研究的問題。

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Analysis of the Current Situation and Demand for Intelligent ControlModes in Highway Tunnels

ZHANG Yanlong1，2，WANG Chenchen1，2，LIN Sen1，2，CHEN Jingyu1，2，GUO Jiacheng1，2

（1.GuangdongHualuTransportTechnology Co.，Ltd.，GuangzhouGuangdong 510420，China；2.GuangdongProvincialKeyLaboratoryofTunnelSafetyandEmergencySupportTechnologyamp;Equipment ，GuangzhouGuangdong 510420，China）

Abstract：An analysis was conducted on the current situation of single information collection function， low digi? tization rate of equipment， poor data interoperability with various platforms， single safety accident detection meth ? ods， and low efficiency of emergency control in the highway tunnel control system equipment. Research was con ? ducted on the intelligent control mode and requirements of highway tunnels， and a proposal was proposed based on the operation status monitoring， traffic monitoring， and safety control of highway tunnels. The intelligent manage ? ment and control mode of emergency control and intelligent operation and maintenance proposes the intelligent man ? agement and control requirements for highway tunnels， including real-time dynamic monitoring of all elements offa ? cilities and equipment in tunnels， operation and maintenance management of facilities and equipment throughout the entire lifecycle， and tracking and handling of incidents and accidents throughout the entire process.

Key words： intelligent control; status monitoring; traffic monitoring; safety control; emergency control; intelli? gent operation and maintenance