楊正波，魏海洋

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308）

0 引言

市政隧道作為城市地下道路，對改善道路交通環(huán)境、緩解交通擁堵具有重要的意義。由于隧道是特殊的地下管狀構造物，存在著結構健康、能源消耗、易出事故、導航盲區(qū)等問題，例如今年鄭州受強降雨影響，京廣北路隧道遭遇迅速沒頂造成多人傷亡便是極大教訓，而智慧隧道能夠利用先進的云計算、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術和智能感知設施設備，對隧道結構、環(huán)境、能耗、交通等信息數(shù)據(jù)進行處理和分析，完成對隧道系統(tǒng)的自動管理和控制，實現(xiàn)災害預警預報、安全高效和綠色建設，因此有必要對既有老舊隧道和新建隧道進行智慧化建設。目前國內大部分市政隧道由于建設年代的局限，監(jiān)管技術手段落后，運營管理存在不重視預防性和主動性養(yǎng)護、數(shù)據(jù)系統(tǒng)性和連續(xù)性不足、檢查指標和技術手段先進性不夠、缺少運營服務水平評價體系、維修養(yǎng)護措施缺乏指導性標準、缺乏優(yōu)化配置養(yǎng)護資金使用方法和理念等問題，主要表現(xiàn)為：

（1）故障響應被動。隧道的結構健康狀態(tài)、設備運行狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)的獲取，大多數(shù)依靠人工定期巡測和抽檢為主要發(fā)現(xiàn)問題或故障的手段，沒有足夠的預防措施，耗時耗力且無法保障頻率和精度。

（2）養(yǎng)護巡檢記錄缺失。目前多數(shù)隧道的日常養(yǎng)護、巡查，多以紙質或口頭（對講機）安排工作人員進行巡檢、維修、保養(yǎng)及匯報工作結果，養(yǎng)護巡檢的制定、傳輸、存儲和調閱非常困難。

（3）能源管理粗放。隧道中設置風機、水泵、照明等能耗設備，由于目前粗放式的管理方式，不能根據(jù)實際情況動態(tài)調整設備運行方式，存在能源浪費嚴重的情況。

（4）缺乏養(yǎng)護數(shù)據(jù)支撐。隧道良好的服役狀態(tài)是養(yǎng)護的最終目的，服役狀態(tài)的綜合評價需要以自動化、半自動化的數(shù)據(jù)為基礎，形成適應不同養(yǎng)護單元的評價項、指標項，將其服役狀態(tài)量化分析，一方面評估與預測隧道的服務水準和性能，另一方面為隧道預測性的養(yǎng)護模式提供決策支持，制定完善的養(yǎng)護策略。目前大部分隧道缺乏海量養(yǎng)護數(shù)據(jù)的支撐。

為了盡可能解決以上幾方面的痛點，各地都在提高隧道工程建設的信息化水平，努力朝“智能及智慧隧道”方向發(fā)展。表1為國內部分隧道的信息化應用情況。

表1 國內部分隧道信息化應用情況介紹Tab.1 Introduction of information application of some tunnels in China

由表1可以看出，雖然隨著時間推移、技術進步，各種監(jiān)測管理系統(tǒng)逐步地應用于隧道工程建設中，但各系統(tǒng)一是監(jiān)測不全面，二是基本上還是各成系統(tǒng)，系統(tǒng)之間沒有實現(xiàn)互聯(lián)互通，信息不能共享，影響整體效能的發(fā)揮。因此，建成具有全信息監(jiān)測感知、多源數(shù)據(jù)深度挖掘分析、智能控制、科學決策、高效運行的智慧化系統(tǒng)十分必要。

1 智慧隧道功能需求分析

智慧隧道的功能定位為：全方位、全過程、全天候。為了便于分析說明，將市政隧道劃分為老舊隧道智慧化改造工程（簡稱改造工程）和新建隧道智慧化工程（簡稱新建工程）。

1.1 隧道改造工程功能需求

對于改造工程，由于其受既有土建及設備安裝條件限制，其智慧功能需求為根據(jù)隧道既有設備設施及系統(tǒng)使用情況，有針對性地選擇改造方案，選擇其中某一方面，或多個方面，甚至全部，以達到智慧化運維管理的目的。以鄭州京廣北路隧道為例，當日鄭州降雨量達到201.9 mm，約30萬 m3的積水在不到3 h迅速灌滿隧道，使隧道遭遇沒頂，積水最深處達13 m左右。盡管城市紅色暴雨預警不斷連續(xù)發(fā)布，但京廣北路隧道缺少環(huán)境健康安全監(jiān)測，道路水位無法進行判斷，沒有預警信號發(fā)出。如果隧道設置環(huán)境健康監(jiān)測措施，在事故發(fā)生前能及時發(fā)布預警信息，或許能將安全風險降到最低。

1.1.1 隧道機電監(jiān)控改造需求

（1）智能調光控制。隧道內交通流量不大時，傳統(tǒng)方法通過燈具間隔開啟或關閉一側燈具的方式節(jié)約能源。改造傳統(tǒng)燈具，采用智能調光系統(tǒng)，實現(xiàn)對隧道各段高精度、高效率調光，更加合理地對燈具進行控制，保障隧道光環(huán)境質量，實現(xiàn)綠色節(jié)能。

（2）智能交通監(jiān)控。通過視頻+雷達等設備，實現(xiàn)交通運行狀態(tài)和交通違法事件的監(jiān)測，包括交通流量、車輛特征、排隊狀態(tài)、車速、行駛車道、駕乘人員臉部特征、駕駛員行為、周圍環(huán)境等信息的實時監(jiān)測。

（3）智能通風控制?；谒淼繡O/VI環(huán)境監(jiān)測的智能通風監(jiān)控系統(tǒng)，當隧道中一氧化碳和能見度數(shù)據(jù)超限時，按照風機啟停策略進行智能控制，保障隧道內的行車舒適度。

（4）智能給排水管道監(jiān)控?；诜植际焦饫w傳感器監(jiān)控給排水管道的漏損，智能控制機械閥門的通斷，減少水資源的浪費。

通過對各機電系統(tǒng)的改造部署，打通機電系統(tǒng)的狀態(tài)、報警燈監(jiān)測數(shù)據(jù)匯聚，為智慧管養(yǎng)提供數(shù)據(jù)接口。

1.1.2 隧道健康監(jiān)測改造需求

隧道健康監(jiān)測主要包括結構健康、設備健康及環(huán)境健康三方面的監(jiān)測。改造工程的需求為根據(jù)既有隧道的監(jiān)測情況，有針對性地設置相應的監(jiān)測裝置，對相關項目進行監(jiān)測，一是服務于設施結構本身，實時監(jiān)測結構安全；二是基于數(shù)據(jù)的養(yǎng)護決策，服務于設施養(yǎng)護部門，協(xié)助定位設施關注點，作為養(yǎng)護重點動態(tài)調整養(yǎng)護計劃；三是基于狀態(tài)分析的設施監(jiān)管，服務于管理單位。隧道健康總體監(jiān)測項目見表2。

表2 隧道健康總體監(jiān)測項目Tab.2 Overall monitoring project of tunnel health

1.2 隧道新建工程功能需求

對于新建工程，其智慧化建設的需求由于不受既有條件限制，考慮在項目總體規(guī)劃階段，系統(tǒng)地進行建設實施。

（1）智慧機電監(jiān)控系統(tǒng)的建設需求

在新建工程中通過物聯(lián)網(wǎng)傳感+信息化技術+在線運維服務的模式，自動完成隧道內機電設備設施與空間環(huán)境日常巡檢工作，自動判斷風險并預警，自動進行聯(lián)動控制，通過視頻圖像遠程監(jiān)督與指導事件處置。表3為其基本功能需求場景描述。

表3 智慧機電監(jiān)控系統(tǒng)功能場景需求Tab.3 Functional scene requirements of intelligent electromechanical monitoring system

（2）全生命智能監(jiān)測與管養(yǎng)的建設需求

“智慧隧道”意味著工程在施工和運維期間，會應用物聯(lián)網(wǎng)等智能設備收集大量自動感知數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行分析。BIM 是物聯(lián)網(wǎng)應用的基礎數(shù)據(jù)模型。沒有BIM，物聯(lián)網(wǎng)的應用就會受到限制，就無法深入建筑物的內核。因此針對城市隧道，有必要打造設計、施工、運營的全生命周期BIM智慧管理平臺，實現(xiàn)全生命期各參與方在同一多維信息模型基礎上的數(shù)據(jù)共享，同時支持對工程環(huán)境、能耗、經(jīng)濟、質量、安全等方面的分析、檢查和模擬，為項目全過程的方案優(yōu)化和科學決策提供依據(jù)；支持各專業(yè)協(xié)同工作、項目的虛擬建造和精細化管理；與運營養(yǎng)護對接，實現(xiàn)信息的可持續(xù)利用。BIM在隧道全生命期各階段的應用點包括：

①以能夠容納城市級GIS基礎數(shù)據(jù)與全項目精細BIM模型的三維可視化引擎為基礎，融合與工程建設相關的各類空間數(shù)據(jù)。

②在設計階段，通過BIM技術，以三維可視化方式集成模型、圖紙、現(xiàn)有建筑、管線、地質等多種數(shù)據(jù)，在設計過程中幫助設計人員更為全面地把握過程、控制成果，及時發(fā)現(xiàn)沖突和隱患。

③在施工階段，在平臺中通過BIM數(shù)據(jù)集成施工進度、質量、安全、監(jiān)測、人員、設備、檔案等信息，有效解決傳統(tǒng)施工管理中信息分散、可視化程度低等問題，幫助項目參建各方更好地管理施工過程。

④在運維階段，通過BIM和GIS數(shù)據(jù)描述隧道養(yǎng)護、維修過程中的各類信息，并接入智慧隧道結構、環(huán)境、交通等各類感知和監(jiān)測信息，幫助用戶更加直觀地查看運維業(yè)務信息，及時發(fā)現(xiàn)隱患，制定措施，為道路長期健康運行提供支持。

（3）智能巡檢機器人的建設需求

城市隧道的安全巡檢耗費大量的人力物力，而且人工檢測無法排除由于疏忽大意帶來的安全隱患。人工智能巡檢機器人的介入，能節(jié)省人力，實現(xiàn)人機配合、安全無死角的檢測效果。其系統(tǒng)具備特點見表4。

表4 智能巡檢機器人系統(tǒng)特點Tab.4 Characteristics of intelligent inspection robot system

1.3 城市隧道群集中監(jiān)控需求

為了適應交通量增長，城市中許多主干路正在進行快速化改造，在改造過程中，建設了許多城市隧道。為了適應隧道建設及每個隧道的運行維護管理，有必要建設城市隧道群管理中心，對隧道群的運營情況進行統(tǒng)一監(jiān)控管理，以實現(xiàn)既能滿足隧道運營管理需求，又能節(jié)省工程投資、降低運營成本的目的。

（1）管理要求

從管理要求出發(fā)，每個監(jiān)控中心都需要整套的運營管理人員，而且監(jiān)控系統(tǒng)的管理和監(jiān)控又具有很強的專業(yè)性，從一個普通技術人員到成為一個監(jiān)控室管理人員，需要花費較長時間進行培訓。如果每條隧道都設置一個監(jiān)控中心，則管理規(guī)模將非常龐大，運營成本也將大大提高。建立統(tǒng)一的監(jiān)控中心，可以大大減少人員編制規(guī)模，從而大幅降低運營成本。

（2）節(jié)省投資

城市寸土寸金，如果每條隧道都設置獨立的監(jiān)控中心，各自為政，不僅占用了寶貴的土地資源，而且每條隧道都需要投入大量的監(jiān)控中心設備。而如果采用統(tǒng)一的監(jiān)控中心，不僅可以節(jié)省建筑面積，還可以將所有監(jiān)控設備進行集中設置，實現(xiàn)設備共享，從而節(jié)省設備總量。

（3）美化環(huán)境

盡管隧道是地下設施，但作為管理人員的場所，不管從辦公環(huán)境還是消防逃生方面考慮，監(jiān)控中心宜設置在地面以上。如果每條隧道旁設置一個孤立的監(jiān)控管理中心，顯然和城市美化不相協(xié)調。而如果采用集中的管理中心，則每條隧道只需要設置簡單的無人監(jiān)控站，而無人監(jiān)控站可結合地下變電所聯(lián)合設置，從而節(jié)省設施占地面積，減少對環(huán)境美化的影響。

2 智慧市政隧道實施方案建議

2.1 智慧市政隧道建設方案配置原則

（1）老舊隧道智慧化改造原則

由于老舊隧道受建設年代及信息化發(fā)展水平限制，機電設備的智能化控制、結構安全及機電設備的監(jiān)測等鮮有設置，因此在智慧化改造過程中本著保證基本智慧化功能需求、盡量減少工程量的原則，在工程預算的范圍內針對性地解決關鍵性問題配置智慧化建設項目。

（2）新建隧道智慧化建設原則

隨著信息化技術的大力發(fā)展，在新建工程中本著緊跟或超前最新信息技術的原則，運用人工智能和大數(shù)據(jù)分析技術，利用云計算或超級計算機，將BIM、數(shù)據(jù)融合、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代前沿信息技術應用到工程建設過程中，實現(xiàn)智慧市政隧道的建設和運營。

2.2 隧道改造工程配置方案建議

根據(jù)老舊隧道智慧化改造的原則，提出基礎配置方案和升級配置方案建議（見表5），在工程實施工程中，可結合項目實際情況選擇相應的配置方案。

表5 隧道改造工程配置方案建議Tab.5 Suggestions on configuration scheme of tunnel reconstruction project

2.3 隧道新建工程配置方案建議

根據(jù)新建隧道智慧化建設的原則，提出基礎配置方案和升級配置方案建議（見表6），在工程實施工程中，可結合項目實際情況選擇相應的配置方案。

表6 隧道新建工程配置方案建議Tab.6 Suggestions on configuration scheme of new tunnel project

2.4 智慧市政隧道建設解決方案路徑

根據(jù)老舊隧道智慧化改造和新建隧道智慧化建設的工程特點及方案配置原則，其解決方案按照圖1路徑執(zhí)行。

圖1 智慧市政隧道建設解決方案路徑Fig.1 Solution path of smart municipal tunnel construction

3 結論

“發(fā)展智慧交通，為交通賦能”已成為工程建設各方及運營單位的共同關注點。隨著信息技術的進一步發(fā)展，未來隧道智慧化建設勢必迎來更深入的發(fā)展，上文所述的改造需求和新建需求會進一步調整。因此，在項目實施過程中，老舊隧道需要本著保證基本智慧化功能需求、盡量減少工程量的原則，在工程預算的范圍內針對性地解決關鍵性問題配置智慧化建設項目；新建隧道則應本著緊跟或超前最新信息技術的原則，運用人工智能和大數(shù)據(jù)分析技術，利用云計算或超級計算機，將BIM、數(shù)據(jù)融合、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代前沿信息技術應用到工程建設過程中，實現(xiàn)智慧市政隧道的建設，從而達到智慧化運維管理的目的。