運營高速公路隧道機電系統現狀及提質升級研究

王辰晨 林森 陳勁宇 郭佳城

摘 ?要：隨著交通強國建設以及智慧交通的推進，高速公路隧道運營管理面臨著諸多問題及壓力。面對日益增加的交通量及出行安全壓力，調研廣東省部分路段高速公路，歸納總結出隧道機電系統存在系統繁多且分散、事件發生報警及時性及準確性差、事件處置效率低下等問題。針對當前存在的問題，結合國內新技術新方法的發展及創新探索，提出隧道機電系統提質升級建議，并以實際工程為案例介紹基于實體試驗隧道建設的公路隧道三維可視化智能管控系統，對隧道現有機電系統進行集成與升級，解決當前存在的問題并為推動隧道智慧化發展提供技術支撐。

關鍵詞：高速公路隧道；機電系統；現狀；提質升級；智能管控系統

中圖分類號：U458 ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2024）14-0124-05

Abstract： With the construction of traffic power and the promotion of smart transportation， the operation and management of highway tunnel is facing many problems and pressures. In the face of the increasing traffic volume and travel safety pressure， some expressways in Guangdong Province are investigated. It is concluded that there are many problems in the tunnel electromechanical system， such as numerous and scattered systems， poor timeliness and accuracy of incident alarm， low efficiency of incident disposal and so on. In view of the existing problems， combined with the development and innovative exploration of new technologies and methods in China， some suggestions for upgrading the tunnel electromechanical system are put forward. Taking the actual project as a case， this paper introduces the three-dimensional visual smart management and control system of highway tunnel based on physical experimental tunnel construction， integrates and upgrades the existing mechanical and electrical system of the tunnel， solves the existing problems and provides technical support for promoting the smart development of the tunnel.

Keywords： highway tunnel; electromechanical system; present situation; quality upgrading; intelligent control system

我國交通建設正處于快速發展的階段，特別是隨著國家實施“交通強國”戰略以來，一大批高速公路走向崇山峻嶺，跨江跨海通道項目的建設也日益增多，山嶺隧道和海底沉管隧道的建設也面臨著諸多技術挑戰。截至2022年底，全國公路隧道24 850處、2 678.43萬延米，較上年增加1 582處、208.54萬延米，同比增長6.80%、8.44%。高速公路隧道機電系統作為隧道重要組成部分，目前機電系統仍存在種類多、構成復雜、相互獨立的問題，制約著隧道智慧化水平發展。為提升隧道運營安全及應急處置能力，有必要對現有隧道機電系統進行提質升級，建立統一的隧道運營管理系統，實現隧道內各系統之間應急聯動，打造更高效、更安全的隧道智慧化運營管理系統，提高隧道交通安全通行能力[1-3]。

1 ?機電系統概述

根據高速公路隧道運營使用功能及需求，隧道內配備了必要的通風設施、照明設施、消防設施、監控設施和供配電設施[4]。

1.1 ?通風設施

由于高速公路隧道處在半封閉的特殊環境下，在交通量的積累下，隧道內會積聚大量的汽車尾氣，尾氣中通常含有CO等有毒氣體，會對人體造成重大傷害。另外，隧道內視線差易發生交通事故，交通事故導致的火災也會產生大量的濃煙，為控制煙霧擴散以及被吸入人體，需要通過風機風速和風向的控制，將煙霧快速排出。總結而言，隧道通風設施具備排氣、排煙、排塵的作用，并向隧道內部注入新鮮空氣。隧道通風設施如圖1所示。

圖1 ?隧道通風設施

1.2 ?照明設施

隧道照明是一直需要的，根據隧道不同位置和區段，將隧道照明分為入口段照明、過渡段照明、基本段照明和出口段照明，此外還有洞外引道照明和洞內車行橫洞人行橫洞照明。照明設施為隧道交通運行安全提供保障，滿足人們從隧道外部進入隧道和駛出隧道時視覺適應特性。目前，已有結合隧道交通安全及節能角度考慮，進行隧道照明智慧調光研究。隧道照明設施如圖2所示。

圖2 ?隧道照明設施

1.3 ?消防設施

消防設施是隧道內預防發生火災事故而設置的，消防系統設計時考慮火災發生時消除火災的及時性和有效性。根據相關規范，在隧道內通常設置足夠數量的消防設施供隧道應急使用。消防設施主要包括消防栓、高低位水池、滅火器和消防逃生設施等。隧道消防設施如圖3所示。

1.4 ?監控設施

隧道監控設施相對復雜，包含較多子系統，如交通視頻監控系統、緊急電話系統、廣播系統、信息發布系統、照明控制系統、通風控制系統和環境監測系統等。各子系統間相互獨立和分散，共同組成高速公路隧道監控系統，對隧道進行監控與管理。

1.5 ?供配電設施

供配電設施是隧道的核心組成部分，一般設置在隧道口或隧道內獨立的機房里，負責整座隧道的供電和配電，確保隧道內部照明、通風等正常運轉。隧道供配電設施主要包括高壓配電柜、低壓配電柜、應急備用電源和發電機等。隧道供配電設施如圖4所示。

圖3 ?隧道消防設施

圖4 ?隧道供配電設施

2 ?機電系統現狀及存在問題

基于廣東省部分路段高速公路進行調研，在此基礎上歸納總結高速公路隧道機電系統現狀及存在的主要問題。

2.1 ?機電系統多、運行獨立

受設計思路影響，目前路段高速公路隧道內各監控系統及平臺繁多，且系統與系統之間獨立運行，同一系統及平臺的各機電設施設備功能也獨立運行。

2.2 ?不容易主動發現異常事件

路段高速公路隧道日常管理主要靠人工巡檢和視頻輪巡監控的方式以盡量能夠及時發現隧道內的事故或異常事件。此種方式由于具有時效性以及主觀性，稍微不及時或者不注意，很難主動發現事故或異常事件。

2.3 ?事故應急處置效率低

當路段高速公路隧道突發事故時，事故監控、指揮調度、設施設備操控和信息報送等目前都基于人工操作。人工操作時各機電系統切換頻繁、缺乏聯動控制、操作低效不便捷，非常容易出錯。

3 ?機電系統提質升級建議

針對上述運營路段調研中存在的問題，提出基于現有條件能進一步對機電系統提質升級的建議。本文僅梳理了部分提質升級建議措施，針對高速公路隧道運營交通安全機電系統可以開展的工作還有很多，不再一一闡述。

3.1 ?建立事件檢測系統

當前國內事件檢測技術水平比之前已經進步很多，已可以實現事故準確報警、應急智能聯動響應。建議統一建設高速公路隧道智能管理平臺，輔助監控人員應對隧道內各種突發事件。

3.2 ?更新升級機電系統硬件

完善現有隧道機電系統相關硬件，通過部署前在專業場所或實際隧道進行實際工況測試的方式選取并采用可靠的各類隧道機電設備，如火災報警系統進行火災煙霧模擬測試，環境監測系統進行氣體能見度模擬測試，事件檢測系統進行停車事故模擬測試等，以保證各類報警數據的準確性。

3.3 ?設施設備在線狀態監測

隧道機電系統內所有監控設施設備均能在線巡檢并反饋實時工作狀態，如有異常及時通知運維管理人員。

3.4 ?設置系統報警閥值

隧道運營管理系統應對隧道環境監測設施設備設定規定的報警閥值。當隧道環境監測設施設備檢測到超過規定閥值或者其他各類報警時，如事件檢測、緊急電話摘機、火災報警等，系統應及時切換至大屏幕并有聲光報警。

3.5 ?建立三維可視化系統

建議提高監控大屏的硬件指標，建立隧道三維可視化顯示，通過隧道的三維可視化系統將隧道內機電系統設施設備設置情況、逃生通道、消防設施等進行還原，并準確顯示設施設備所在的位置信息、設備狀態和事件發生的情況等，以便為指揮調度的決策提供清晰的現場情況，同時通過Web端和手機端實現云端信息共享。

3.6 ?智能運營管控系統

未來，隧道運營管理系統應做到高度集成，路段監控中心原則上只操作一個系統軟件。系統應能對隧道各個機電系統進行統一控制，且能將隧道應急預案融入隧道智能運營管控系統。當異常事件出現后，系統能按照隧道應急預案的步驟和要求，如更改情報板提示信息、切換交通指示燈、開關風機和開啟廣播等一系列動作，主動提示工作人員完成每一步驟的操作。在工作人員確認每一步操作時，系統能快速地控制隧道內每個機電系統，從而達到系統之間聯動的功能。

3.7 ?ETC門架車牌識別

充分利用ETC門架的車牌識別功能判別進入隧道的車輛是否已駛離隧道，否則要在監控中心予以報警提示。

3.8 ?調頻廣播系統

建設調頻廣播系統，出現異常事件后通過強切來往車輛的收音機功能提示和指揮隧道內車輛。

4 ?機電系統提質升級工程應用

依托廣東交通集團隧道工程長期安全實體試驗場建立公路隧道三維可視化智能管控系統，將隧道已有交通監控子系統、火災報警子系統、通風及照明子系統、緊急電話機廣播子系統、高清視頻監控子系統和環境監測子系統等機電子系統進行集成與升級，實現隧道在日常監控、事故應急、安全監測、節能減排和日常養護等全方位業務的管理，打破業務之間的阻隔，實現資源的有效整合、資源共享、業務協同、集中數據分析及助力營運管理，幫助公路隧道管理單位提高隧道安全性，降低營運成本，并逐步向“智慧管理”邁進。公路隧道三維可視化智能管控系統頁面如圖5所示。

公路隧道三維可視化智能管控系統在傳統隧道機電系統的基礎上，通過引進新架構、新技術、新產品，結合智慧隧道智能一體化管控平臺，實現隧道在智慧交通管控、智慧安全監測預警、智慧事故應急處置、智慧運維、基于GIS+三維模型的公路隧道數字化模型、數據分析、第三方接口和平臺配置等全方位業務的管理。系統功能邏輯架構如圖6所示。

主要的功能模塊包括以下內容。

4.1 ?三維模型與高精度數字底圖構建

本模塊將打造隧道3D數字底座，建設隧道實體結構三維數字可視化模型，建立一個統一坐標系的時空數據庫，打造融合基礎地理信息、靜態高精度地圖、動態高精度地圖、三維模型和傾斜攝影等數據的1∶1隧道數字底座。通過場景空間位置信息還原，構建數字孿生世界里的隧道真實場景的細節刻畫，實現道路標線、道路區域、設施設備的真實紋理模型搭建，此部分主要針對隧道的靜態結構進行數字化。

4.2 ?設備物聯控制及狀態三維數字化展示

推進隧道內現有各類設備的智能化管理，建設設備物聯與孿生對應的設備管理模塊與綜合監控模塊。實現隧道全面交通狀況感知與綜合展示，隧道內設備設施全面狀態監測及反饋，隧道三維結構及設備設施可視化展示及控制。

圖5 ?公路隧道三維可視化智能管控系統頁面

4.3 ?交通監控

基于視頻監控、毫米波雷達、雷視一體攝像機、激光雷達、高清卡口、ETC和環境監控等手段，實時動態仿真與監測隧道內交通流、環境等信息。建立數字孿生場景，實現隧道全時空的交通監控，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。

4.4 ?安全管控

建立事件檢測子系統。事件檢測子系統可將實時報警數據推送至隧道平臺。通過雷視一體融合檢測攝像頭以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、拋灑物和行人等事件檢測功能，目標檢測準確率達95%以上。

另外，在傳統感溫光纖和雙波長火災檢測儀的基礎上，增加新一代的多光譜移動火焰探測器，能夠在火災潛伏期溫度緩慢上升的過程中即時發現火災隱患。在隧道入口和緊急停車帶安裝測溫型紅外溫度探測器，對進入隧道的車輛以及停靠在緊急停車帶上的車輛進行溫度測量，發現溫度超限，則進行預警及視頻聯動跟蹤。同時采集高/低位消防水池水位狀態，發現水位過低立即進行聲光報警。一旦發生火災，系統會立即彈出火災報警提示框，立即聯動視頻監控系統，切換報警點視頻，并且座席端平臺會發出聲光報警。

4.5 ?應急管控

針對高速公路隧道建立火災、重大交通事故、交通管制等突發或異常交通事件情況下所制定的路段機電設備的應急反應實施方案。當災害或事故發生時，能夠迅速、有序、高效地組織各種突發或異常事件的應急反應行動，充分發揮高速公路隧道各種監控設備的作用，提高路段的整體救災能力，最大限度減少災害造成的損失，切實有效預防“二次事故”的發生，保障司乘人員及救災人員生命財產安全。

4.6 ?智慧運維

建立隧道實時安全評估三維可視化系統，將風險源清單、評估體系等成果通過編譯模塊化的算法并封裝植入管控系統，該算法將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手段采集的數據并計算當前數據所反映的安全風險等級。最后，使用標記在三維模型中實現公路隧道運營安全風險源實時顯示。

另外，建立綜合能耗管控系統，對所有智能儀表設備的耗電量、電流、電壓等數據進行采集與分析。

5 ?結束語

在交通強國背景下，智慧交通已步入快速發展賽道。高速公路隧道結合人工智能、大數據、物聯網和云計算等信息化手段逐步實現隧道智慧管控，先后建立了隧道機電智能管控系統，極大地提升了隧道管理及應急處置的能力，促進高速公路管理及服務水平提升，實現提質增效的目標[5-6]。

參考文獻：

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[6] 董真，張真.交通強國背景下借助新技術融合打造智慧交通[J].中國教育技術裝備，2023（18）：31-33.