黃武 羅瑜 湯永成

廣東飛達(dá)交通工程有限公司 廣東 廣州 510000

引言

國(guó)家有關(guān)安全生產(chǎn)工作重要指示批示精神的貫徹落實(shí)。通過(guò)全面提升公路隧道防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)能力，預(yù)防和減少公路隧道交通事故特別是重特大交通事故的發(fā)生。近5年，交通運(yùn)輸部先后開(kāi)展全國(guó)公路隧道安全隱患排查治理、安全風(fēng)險(xiǎn)防控、提質(zhì)升級(jí)3次專項(xiàng)行動(dòng)，體現(xiàn)了以提高發(fā)展質(zhì)量和效益為中心，推動(dòng)公路隧道質(zhì)量評(píng)價(jià)由追求“合格率”向追求“滿意度”躍升。隧道行車(chē)安全是交通運(yùn)輸行業(yè)深化交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的具體舉措之一。為建設(shè)具有國(guó)際先進(jìn)水平的高品質(zhì)公路基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略目標(biāo)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖1 隧道安全設(shè)施一覽圖

1 隧道安全問(wèn)題總結(jié)

1.1 公路隧道運(yùn)營(yíng)管理工作面臨巨大的壓力

隨著我國(guó)公路隧道由大規(guī)模建設(shè)時(shí)期向運(yùn)營(yíng)管理階段的逐步過(guò)渡，公路隧道運(yùn)營(yíng)管理工作面臨巨大的壓力和嚴(yán)峻。我國(guó)從公路隧道大國(guó)邁向公路隧道強(qiáng)國(guó)，最需要補(bǔ)運(yùn)營(yíng)管理這塊短板，與歐洲和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，公路隧道運(yùn)營(yíng)管理水平存在較大差距。運(yùn)營(yíng)好、維護(hù)好、管理好數(shù)以萬(wàn)計(jì)的公路隧道，對(duì)促進(jìn)我國(guó)公路交通運(yùn)輸事業(yè)又好又快發(fā)展具有十分重要的意義。

1.2 傳統(tǒng)隧道監(jiān)控的天生不足

目前我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，機(jī)動(dòng)化水平仍將快速提高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010年汽車(chē)保有量為9086萬(wàn)輛，2015年為1.5億輛，到2020年預(yù)計(jì)超過(guò)2億輛，在十年間汽車(chē)保有量翻了一倍。目前制約著機(jī)動(dòng)化進(jìn)程發(fā)展的條件是能源和交通安全兩大塊。截至2017年底，公路網(wǎng)總里程達(dá)477.35萬(wàn)公里，高速公路13.65萬(wàn)公里，2018年底高速公路更是達(dá)14.1萬(wàn)公里。高速公路為骨架、普通公路為主體的公路網(wǎng)基本形成。即使機(jī)電系統(tǒng)在支撐高速公路營(yíng)運(yùn)方面發(fā)揮了巨大作用，但總體智能運(yùn)營(yíng)管理水平不高，監(jiān)而不控或可監(jiān)而不可控問(wèn)題普遍存在，主要表現(xiàn)之一包括有視頻、收費(fèi)數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)資源比較豐富，挖掘分析綜合利用率卻不高，“平臺(tái)思維”、“用戶思維”等互聯(lián)網(wǎng)思維缺乏；突發(fā)事件、惡劣氣象發(fā)現(xiàn)困難，異常狀態(tài)的影響分析與預(yù)警缺乏，救援保障能力問(wèn)題突出；目前高速公路隧道上基本上以視頻監(jiān)控、火災(zāi)檢測(cè)、環(huán)境檢測(cè)為主，但由于布設(shè)原因，還存在著很多盲區(qū)。況且現(xiàn)時(shí)隧道行車(chē)安全已越來(lái)越顯得重要，在車(chē)流量激增時(shí)維護(hù)好現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，目前只能采取的辦法是定期地進(jìn)行人工現(xiàn)場(chǎng)巡檢。人工現(xiàn)場(chǎng)巡檢最大的弊端就是實(shí)時(shí)性不夠強(qiáng)，人工巡檢的手段較為簡(jiǎn)單，一般為目測(cè)，而且在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巡檢時(shí)會(huì)增加工作人員及行經(jīng)隧道的社會(huì)車(chē)輛的不安全因素[1]。

因此，一整套智能巡檢系統(tǒng)，采用大物聯(lián)網(wǎng)（專網(wǎng)）智能傳感器+原來(lái)設(shè)備數(shù)據(jù)采集+大數(shù)分析管理平臺(tái)的方式，可以低成本、高效率地替代大部分人工巡檢。并提供另一獨(dú)立途徑的檢測(cè)手段對(duì)已有系統(tǒng)進(jìn)行多重校核。

2 行業(yè)痛點(diǎn)及需求分析

在高速公路隧道中，機(jī)電設(shè)備相當(dāng)密集，而且運(yùn)行環(huán)境較差，但隧道機(jī)電設(shè)備，尤其是隧道消防設(shè)施，對(duì)于行車(chē)安全尤為重要。在日常養(yǎng)護(hù)中，各路段業(yè)主都對(duì)隧道消防設(shè)施的巡檢要求很高，雖如此，但實(shí)際在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中還是存在著以下的一些問(wèn)題：

隧道巡檢的成本相對(duì)較高，特別像類似廣樂(lè)、廣韶等山區(qū)高速公路隧道群眾多的情況下，巡檢一次往往需花費(fèi)一周的時(shí)間。

消防栓、滅火器往往有被盜或違規(guī)他用的情況，單靠平常的巡檢頻次太低，發(fā)生缺失或失壓時(shí)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，存在著安全風(fēng)險(xiǎn)，恰好遇上火災(zāi)事故時(shí)安全管理責(zé)任重大。

水消防管網(wǎng)沒(méi)有做自動(dòng)監(jiān)測(cè)，出現(xiàn)水壓異常時(shí)未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

消防水池、消防門(mén)、通風(fēng)風(fēng)機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等雖然在機(jī)電工程中已安裝有相關(guān)傳感器，但未作冗余設(shè)計(jì)，出現(xiàn)數(shù)值異常時(shí)，都要手工現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，耗時(shí)耗力。

在原有隧道消防系統(tǒng)出現(xiàn)報(bào)警信息時(shí)，無(wú)法從遠(yuǎn)程去驗(yàn)證，大量的誤報(bào)都要去現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)時(shí)徒增工作量。

原有傳感器的不準(zhǔn)確導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制。

本系統(tǒng)設(shè)置就是專門(mén)針對(duì)上述行業(yè)痛點(diǎn)，解決廣大業(yè)主普遍遇到的問(wèn)題去開(kāi)發(fā)的一個(gè)軟、硬件綜合解決的平臺(tái)，作為提高業(yè)主管理管理效率的一種技術(shù)手段及輔助工具。

3 關(guān)鍵技術(shù)

該系統(tǒng)設(shè)置中，一共采用了三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，分別是超低功耗智能傳感器技術(shù)、LoRa容錯(cuò)無(wú)線傳輸技術(shù)、智慧運(yùn)維平臺(tái)技術(shù)：

3.1 超低功耗智能傳感器技術(shù)

能夠應(yīng)用在高速公路隧道環(huán)境的可靠智能傳感器，采用流行的基于ARM內(nèi)核的低功耗系統(tǒng)芯片再加上自有的低功耗電源管理、無(wú)線通信協(xié)議技術(shù)、低功耗無(wú)線傳感器技術(shù)，總體實(shí)現(xiàn)單依靠自帶電池可以繼續(xù)工作五年的目標(biāo)。

圖2 智能傳感器結(jié)構(gòu)圖

3.2 向前糾錯(cuò)的LoRa無(wú)線傳輸技術(shù)

3.2.1 LoRa無(wú)線通信的特性。LoRa（Long Range Radio）網(wǎng)絡(luò)易于建設(shè)和部署，已成為當(dāng)前最為普遍應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)專用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，發(fā)展形勢(shì)如火如荼。

低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中占據(jù)重要位置，因此芯片廠商、運(yùn)營(yíng)商、大型設(shè)備商都開(kāi)始對(duì)這個(gè)領(lǐng)域熱衷起來(lái)。隨著中國(guó)LoRa應(yīng)用聯(lián)盟(CLAA)的成立，LoRa技術(shù)的CLAA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)系統(tǒng)已經(jīng)形成，國(guó)內(nèi)LoRa網(wǎng)絡(luò)部署全面起跑。

圖3 使用DSSS擴(kuò)頻技術(shù)示意圖

傳輸距離：城市可達(dá)2-5Km，郊區(qū)可達(dá)15 Km；

工作頻率：ISM 頻段 包括433、868、915 MHz等；

標(biāo)準(zhǔn)：IEEE 802.15.4g；

調(diào)制方式：基于擴(kuò)頻技術(shù)，線性調(diào)制擴(kuò)頻（CSS）的一個(gè)變種，具有前向糾錯(cuò)（FEC）能力，這在高速公路復(fù)雜環(huán)境下使用有很大幫助；

容量：一個(gè)LoRa網(wǎng)關(guān)可以連接上千上萬(wàn)個(gè)LoRa節(jié)點(diǎn)；

電池壽命：電池壽命長(zhǎng)。LoRa模塊的接收電流10MA,休眠電流小于200NA，電池壽命一般可長(zhǎng)達(dá)10年；

安全：AES128加密。

3.2.2 主流物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信技術(shù)的比較。目前主流應(yīng)用的比較有前景的無(wú)距離物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信技術(shù)主要有NB-IoT和LoRa，兩種的技術(shù)特點(diǎn)非常相似，都是低功耗、廣覆蓋，適合海量連接場(chǎng)景。但是，NB-IoT是運(yùn)營(yíng)商建網(wǎng)和提供服務(wù)，而LoRa是自建網(wǎng)絡(luò)。它們的對(duì)比如下表：

圖4 NB-IoT和LoRa 對(duì)比效果圖

圖5 LoRaWan的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

3.3 智慧運(yùn)維平臺(tái)技術(shù)

對(duì)設(shè)備整個(gè)生命周期進(jìn)行完整的實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)，能夠及時(shí)預(yù)測(cè)設(shè)備失效及故障時(shí)及時(shí)告警。

平臺(tái)可提供標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，給任意的廠家新增加設(shè)備的接入，也可通過(guò)各種對(duì)接協(xié)議及轉(zhuǎn)換器，把已有的非標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備接入到運(yùn)維平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器中。一般可以接入消防報(bào)警系統(tǒng)、通風(fēng)控制系統(tǒng)，防火門(mén)控制系統(tǒng)、水消防系統(tǒng)，通過(guò)這些外部平臺(tái)獲取到它們包含的種種傳感的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

4 亮點(diǎn)

本套系統(tǒng)中，最大的高點(diǎn)是采用了滅火器智能欠壓檢測(cè)技術(shù)，采用該技術(shù)可以大大節(jié)省繁多的滅火器一個(gè)個(gè)巡檢的問(wèn)題，且人工巡檢間隔時(shí)間太長(zhǎng)，當(dāng)有滅火器漏氣而沒(méi)及時(shí)發(fā)現(xiàn)，又剛好發(fā)生火災(zāi)時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)很?chē)?yán)重的后果。

4.1 智能監(jiān)控、操作可溯源

4.2 AI+云計(jì)算

4.3 物聯(lián)網(wǎng)消防預(yù)警、自動(dòng)巡防系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)消防預(yù)警系統(tǒng)隨時(shí)提供給使用者、管理者和消防部門(mén)設(shè)備周邊環(huán)境數(shù)據(jù)，當(dāng)出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)監(jiān)控中心、相關(guān)管理部門(mén)負(fù)責(zé)人手機(jī)、客戶端管理平臺(tái)、客戶端App做出多次提醒（包括自動(dòng)語(yǔ)音提醒）及視頻聯(lián)動(dòng)、視頻推送等，及早發(fā)現(xiàn)防患于未然。

自動(dòng)巡防系統(tǒng)：用戶可針對(duì)隧道不同區(qū)域、設(shè)備類型、時(shí)間段設(shè)置自動(dòng)巡檢策略，自動(dòng)生成巡檢報(bào)告，并通過(guò)App一鍵派單給對(duì)應(yīng)的人員。軟件包括管理端App、微信服務(wù)號(hào)、PC管理平臺(tái)，結(jié)合“檢”和“管”實(shí)現(xiàn)即時(shí)上下行管理的系統(tǒng)。

5 隧道無(wú)線網(wǎng)布設(shè)

圖6 隧道無(wú)線網(wǎng)布設(shè)示意圖

6 智慧消防管理平臺(tái)

圖7 智慧消防管理平臺(tái)

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)紫惠高速隧道消防設(shè)施智慧巡檢關(guān)鍵技術(shù)分析，科學(xué)有效地解決了有關(guān)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了紫惠高速隧道消防的安全運(yùn)營(yíng)管理。實(shí)現(xiàn)智慧巡檢的目的。值得借鑒和推廣應(yīng)用。為建設(shè)具有國(guó)際先進(jìn)水平的高品質(zhì)公路基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略目標(biāo)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。