高速公路隧道聯網運行監測平臺研究

摘要：為打破高速公路隧道機電信息壁壘，解決無法匯聚管理、數據共享、聯網運行的問題，文章采用大數據方法、微服務軟件架構、統一的設備編碼、數據傳輸規則、數據接入要求、數據安全策略，建立了高速公路隧道聯網運行監測平臺，形成了交通狀態全掌握、突發事件及時處置、設備運行全感知、隧道資產全量盤點等業務模塊，全方位掌握了隧道運營狀態，實現了數據聯網共享下的跨部門聯動和調度。該平臺輔助管理決策，構建了高速公路隧道監控一張網，推動了智慧隧道的發展。

關鍵詞：隧道聯網運行；數據標準化；智慧運營

中圖分類號：TP319文獻標志碼：A

0引言

山西省地勢東北高西南低，河谷縱橫，地貌類型復雜多樣，其中山地和丘陵面積占全省總面積的801%，因此山西高速公路隧道多，長度長，部分區域呈現隧道群。隧道內部空間狹窄、相對封閉，部分路段隧道車流量處于滿負荷，是重載車輛和危化品車輛通行的必經路段，再加上近年來山西旅游熱，兩客車輛在路段上的占比也比較大，極易導致隧道安全問題頻發，嚴重影響公眾安全出行，這些都對高速公路隧道運營的安全性提出了考驗。目前站級隧道監控管理系統軟件是隧道監控管理重要輔助工具，匯聚了隧道內各類機電設施數據，形成隧管站集中監控模式，緊急情況下可執行應急處置方案，有效聯動隧道內各類機電設備。通過控制誘導類機電設施，引導隧道路網車流，發布異常事件信息，警示和提醒公眾行車安全，滿足站級日常監控和應急處置的要求［1-3］。但各個隧道的機電運行信息是信息孤島，隧道間無法聯網進行信息交互，無法匯聚管理，導致站級以上管理者獲取隧道運營信息相對比較滯后，無法綜合統計分析，不利于隧道運營決策和管理［4-5］。另外，按照國家對數字交通、智慧高速的要求，隧道數據須要聯網運行，實現信息互聯互通、整體管理運營決策，相關重要數據須共享，打破部門間“信息壁壘”，提升應急管理下協同調度能力，實現跨系統跨業務的聯動［6-7］。因此，本文提出了通過建立統一的設備編碼、數據傳輸規則、數據接入要求、數據安全策略，采用大數據技術、微服務架構，搭建省級高速公路隧道聯網運行監測平臺，實現隧道監控數據的聯網運行，構建數字化隧道，助力不同層級管理者實時掌握隧道運營情況，輔助決策管理和績效考核，推動隧道的智慧化運營，同時具有數據共享功能，實現跨部門間的應急聯動，增強應急聯動能力。

1整體架構

高速公路隧道聯網運行監測平臺采用“省平臺-站級系統-隧道終端”三級數據架構模式。隧道機電設備運行、檢測、監測數據經站級核心匯聚節點匯入站級隧道監控系統軟件，經清洗、分類、分析、處理后把隧道基礎信息、設備基礎信息、設備運行狀態、設備操作記錄、異常事件、車流量等數據通過交通專網流轉入省級高速公路隧道聯網運行監測平臺，形成不同業務場景模塊，實現全省高速公路隧道聯網運行監測。這種數據架構模式采用了最小模塊且碎片化拼接的聯網形式，可按照管理需求任意調整，有效避免了多層管理數據落地導致的數據不一致以及管理職能的轉變導致的架構調整。各層級管理者按照管理權限訪問其權限范圍內的隧道運營數據，實時掌握隧道路網運行情況，輔助管理者進行事件預防、養護決策和應急調度。為保障站級應急控制的絕對責任權限，機電設備控制權限在站級隧道監控系統中具有優先控制權，頂層管理通常只監不控。整個平臺數據架構如圖1所示。

高速公路隧道聯網運行監測平臺具有監控態勢、智慧分析、資產管理、用戶管理、應急管理、心跳拓撲6大功能模塊，采用微服務的軟件架構，軟件架構和功能如圖2所示。根據微服務松耦合、組件化的思想，把平臺主要功能拆解成多個不同功能的微服務。

微服務之間、前后端之間采用輕量級的通信機制進行協作，有效提高了平臺程序的靈活性、可擴展性、可維護性和獨立性，可任意擴展功能，提升了用戶體驗的一致性。省平臺和站級軟件之間通過RocketMQ進行通信，將消息發送和接收進行異步解耦、異步通信，有效解決了高并發、高可靠性的消息通信，提高了平臺的吞吐量和性能，提升了系統的響應速度，保證了整個數據周轉的穩定性和可伸縮性。平臺設置有多個數據傳輸節點，負載平衡管理多個節點通道，最大限度地保障數據吞吐，可有效避免單節點失效帶來的數據丟失問題。

2接入要求

21設備編碼

隧道機電設備種類繁多，數量龐大，日常管理上面臨諸多挑戰。隧道機電設備通常包括供配電設施、通風設施、照明設施、監控與通信設施、消防設施這五大類。為實現隧道內各設施設備聯網運行數據匯聚，必須保證聯網機電設備具有唯一標識符，避免因設備名稱相同或相似而產生混淆。本系統在建設過程中，采用隧道編碼和設備編碼進行設備唯一編碼。設備編碼由設備類型、上下行、擴充位以及設備編號組成，其中擴充位針對改擴建路段進行標識，設備編號按照車輛行進方向依次遞增進行編號。設備唯一標識符采用UUID4（通用唯一識別碼）進行生成。設備編碼的使用能夠幫助記錄設備的維修保養情況，有助于進行設備的統計和生命周期管理。

22聯網設備IP劃分

為了保障具有IP地址的隧道機電設備聯網運行而不發生IP沖突和網絡風暴，對全省高速公路不同管理路段進行了IP地址段的劃分，其中每個管理路段又規劃了6個子網段，分別用于通信設備、中心管理設備、視頻監控設備、外場采集設備、信息發布設備以及預留部分。外場采集設備IP段進一步細分為核心監控設備、照明設備、交通控制設備、通風設備等8個小類，確保高速公路監控網絡中一個IP地址對應一臺隧道監控設備。合理的IP地址分配也可以提高網絡的可管理性、可擴展性及安全性。

23數據聯網規則約定

隧道機電設備數據主要分為動態數據和靜態數據。動態數據以異常事件信息、環境狀態信息、設備狀態信息、設備操作記錄信息為主，靜態數據以管理單位信息、隧道基礎信息、機電設備信息為主。各站級隧道監控系統按照約定的JSON數據格式與高速公路隧道聯網運行監測平臺進行數據傳輸和交互。數據接收方和發送方之間采用反饋機制進行確認，確保了數據傳輸的準確性和完整性，而且為錯誤恢復提供了靈活性。對實時性要求較高的數據如異常事件、交通流量、設備狀態變化值等信息采用站級主動推送方式，保障數據的及時傳送以及信息可被第一時間處理。

24數據傳輸加密

隧道聯網節點分布地域較廣，通信鏈路較長，隧道數據本身較為敏感，一旦發生數據泄密問題，極易引起不良的社會效應。為保障數據聯網傳輸的機密性和完整性，不被惡意截獲、篡改、重放，聯網運行數據在發送節點采用非對稱加密算法加密處理，使用密文進行傳輸，在終節點采用密鑰進行解密，有效確保隧道關鍵重要數據的安全性，降低了數據被濫用的風險。除數據本身加密外，整個傳輸網絡具有多層安全防護，數據指向路徑較窄，從另外一個途徑有效保護了數據傳輸的安全性。

25數據質量校驗

數據質量校驗主要是進行數據完整性校驗和數據合理性校驗。數據完整性校驗是為了避免因網絡中斷、服務中斷等原因導致站級和省級數據不一致。站級隧道監控系統軟件按照傳輸異常數據清單定時向省級平臺推送數據，補全不一致數據。省級平臺每日定時進行各類數據總量的比對，找出差異，分析研判數據不完整性的原因，及時做出補救。數據合理性校驗用于解決數據明顯不可靠性問題。系統對零值、空值、關聯值等數據進行檢查，結合歷史數據，推演數據變化規律，對異常數據進行預警，確保數據可靠，避免臟數據。數據質量的校驗能夠極大地提高數據質量，保證系統數據在處理過程中能夠得到正確的驗證和修復。

26國產化運行環境

為降低國外軟硬件技術的依賴，避免技術壁壘，系統采用國產信創產品進行開發、部署和運行，具體涉及數據庫、操作系統、中間件、服務器。系統整體國產化率達到95%以上，基本實現了系統的自主可控、可持續發展，增強了技術自主性和信息安全，提升了核心競爭力，推進了隧道數字化轉型的進程。

3核心功能

31事件主動推送

當隧道AI視頻事件檢測系統檢測到異常事件后，主動向省中心推送異常事件信息。高速公路隧道聯網運行監測平臺可實時查看異常事件圖片、過程影像和視頻，直接調取隧道異常事件點的實時視頻，及時掌握異常事件點及周邊隧道路網情況。對重大異常事件，可立即啟動應急方案，做出異常事件處理決策，加快處置流程。通過對全省隧道異常事件的統計分析，可有效明確易發事件的路段、時間段以及事件類型，為隧道養護安全運營管理決策提供數據支撐。

32交通流量監測

隧道交通流量數據來自微波車檢器、線圈車檢器、雷達、卡口設備或AI視頻事件檢測器，可按照小型客車、中大型客車、貨車、其他4大分類進行統計。站級軟件按照每15 min的頻率向省級平臺推送各隧道交通流量、車速和交通占有率等數據，按照日交通流量、交通占有率進行排名并展示，可及時發現道路上的交通擁堵現象，及時進行干預，保障隧道安全通行。通過分析交通流量數據，能夠有效識別事故多發和易發路段，為交通系統優化、安全實施投入、道路使用效率提高、出行安全保障等提供關鍵支持。

33?；奋囕v監管

隧道出入口每個車道安裝有高清卡口，通過AI智能算法，精確識別出危化品車輛，記錄?；奋囕v車牌和運行速度。采用數字孿生模型，推演危化品車輛在隧道內的運行軌跡。當?；奋囕v進入隧道后，及時將相關信息推送到省級平臺并以事件形式進行提醒。當?；奋囕v離開隧道后，省級平臺警示信息解除。當?；奋囕v未被出口卡口捕獲時，省級平臺發出預警，人為干預尋找異常原因，及時啟動應急預案。通過數據的整合和分析，可以識別出潛在的風險、發現安全隱患、評估管理效果，提高監管效率與安全性，保障公共安全，降低隧道事故發生率。

34能耗監測

隧道供電線路上安裝有智能電表，通過協議對接方式，定期將電力數據推送到省級平臺，實時監測、記錄和分析各隧道用電能耗情況。通過折算為每公里能耗，可以準確反映各隧道的能源消耗情況。對能源消耗大的隧道，分析識別系統或設備中的能效低下環節，及時采取相應措施調整運行模式，提高用能效率，降低能源損失，實現隧道運營管理的降本增效。精準的能耗監測有助于評估隧道的碳排放情況，推進隧道綠色低碳發展。

35設備運行狀態監測

設備運行狀態監測實時反映各隧道各類機電設備運行狀態，對故障設備標明具體的故障原因和離線時間。按照隧道每個在用設備的在離線情況，逐級統計每類設備、每座隧道、每個隧道管理站、每個運營公司以及省中心的設備實時在線率情況。依據每個設備月離線時長和月應工作時長，計算每個設備的月度完好率，逐級向上計算，形成不同層級的月度完好率，可作為省中心對隧道運營考核指標，督促各級管理單位做好日常維護和維修。

36設備操作分析

隧道機電設備被控制后，產生設備操作記錄，尤其是當隧道內發生異常事件時所產生的操作記錄，可有效指導隧道應急處置方案的制定和修訂。省級平臺匯聚全省隧道機電設備操作記錄，分析和評估各個隧道的運營監控管理情況。此外，通過統計隧道內每個可控機電設備控制情況，研判機電設備使用狀態是否滿足隧道機電養護規范，督促各隧管站完成自檢，及時維護維修損壞的設備，確?？煽卦O備一直處于可用狀態。

37網絡連通分析

省中心、各隧管站、隧道機電設備通過唯一的IP地址接入交通專網，形成分布式隧道一張運行網。省級平臺通過長鏈接的方式與各關鍵通信節點進行連接，實時監測各節點的網絡心跳信號，來判斷兩者之間的通信鏈路情況，保障隧道監控數據可及時互傳。通過統計分析一段時間內的網絡連通率，可有效評估當前監控網絡結構的可靠性、穩定性、效率以及故障容忍能力，輔助管理者在監控網絡設計、故障恢復和優化提供有力支持。

38應急管理

省級平臺匯聚各管理層級的綜合預案、專項預案和應急處置方案，形成電子檔案，用于日常和應急下的檢索和查看。平臺內所有應急方案可相互共享和查看，輔助各級管理者互相借鑒學習，完善和修訂自身應急預案。平臺具有人員管理模塊，可精確定位不同崗位人員，便于人事和應急管理。平臺具有發文模塊，可將上級指示文件和應急指令一鍵下達，加快信息傳達速度，提升應急處理能力和效率。

39資產管理

隧道基礎信息主要包括隧道編號、隧道名稱、管養路段、管養公司、隧道長度等，按照隧道數量、里程或者類型分別進行統計，反映隧道管理的整體分布情況。隧道機電設備信息主要包括設施類型、設備類型、設備名稱、品牌、型號等，按照設備類型、管理公司分別進行統計，反映機電資產分布特性。隧道及隧道機電設備資產的電子化管理提升了資產管理效率，加速推進了數字化賦能成效。

310心跳拓撲

以單個機電設備為末端節點，按照數據流轉方向，采用星狀拓撲結構，逐級匯聚，形成層次化的設備網絡拓撲結構。拓撲上的每個節點定期發送心跳信號，用于監測節點設備的在離線情況，確認自身的可用性。在星狀拓撲中，準確反映了不同管理層的隧道管理情況以及資產分布情況。通過心跳在離線情況，及時做出維修和養護計劃，保障隧道機電設施處于穩定可控狀態。

4工程應用

為積極貫徹關于交通強國、數字交通、智慧隧道、安全運營等工作要求，以“管理、運維、監測、控制、指揮、調度”一體化協同管理模式，組織實施了高速公路特長隧道機電系統聯網運行監測工程和高速公路長、中、短隧道機電系統聯網運行監測工程。依托于這2個工程，對全省高速公路隧道損壞的關鍵基礎設施進行了更換，整合和規劃了全省監控網絡，部署了統一的站級隧道智能監控系統軟件。在此基礎上，高速公路隧道聯網運行監測平臺整體統籌，約定接入要求，對具備條件的隧道進行了聯網運行接入。截至2024年12月，平臺共接入334座隧道機電運行、檢測、監測數據，涉及88座特長隧道、60座長隧道、80座中隧道、106座短隧道。高速公路隧道聯網運行監測平臺實現了交通狀態全掌握、突發事件及時處置、設備運行全感知、隧道資產全量盤點等業務管理，形成了“省中心-管理公司-隧管站”管理模式，全方位掌握了高速公路隧道運營狀態，同時輔助管理者制定了完好率、自檢率、連通率、交通異常事件、交通流量等運營考核指標，打造數字化、智慧化隧道運營綜合管理體系，構建了山西高速公路隧道監控一張網。此外，高速公路隧道聯網運行監測平臺以數據共享的方式為山西省交通運輸廳和山西省公安廳交通管理局提供了高速公路隧道實時視頻以及隧道異常事件數據，實現了跨部門的信息共享，進一步推動了跨部門的應急聯動開展。

5結語

高速公路隧道聯網運行監測平臺的應用提升了運營效率，節省了維護成本，提高了應急響應能力，提升了隧道安全性，支持綠色發展和智能化管理。平臺在山西的成功應用不僅為隧道管理帶來了智能化、精準化的運營模式，也為高速公路隧道聯網運行提供了重要樣板。以此為基礎，進一步加深物聯網、大數據、人工智能、云計算等技術在隧道內的應用，深入探索隧道智能化控制、智慧化管理、便捷化養護等新型模態，全面構建智慧隧道，全方位提升隧道本質安全，提質公眾通行環境，提高日常和應急服務能力，推進高速公路隧道的高質量發展。

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（編輯沈強）