羅 婷，賈彥黨

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設計院股份有限公司，甘肅 蘭州730000；甘肅省智慧交通重點實驗室，甘肅 蘭州730000）

甘肅省高速公路建設起步較晚，但發(fā)展迅速，特別是隨著“交通強國”戰(zhàn)略的實施，高速公路建設向山區(qū)推進、長大隧道的數(shù)量和規(guī)模也在不斷提升，截至2019年底，全國公路隧道19 067處，1 896.66萬m，其中特長隧道1 175處，521.75萬m，長隧道4 785處，826.31萬m[1]。隧道內具有空間密閉、視野范圍小、能見度低等一系列特點，導致隧道內行車存在安全隱患大、出現(xiàn)故障難排查，其次，隧道內由于機電設施種類多，系統(tǒng)構成繁雜，隧道機電設施各個系統(tǒng)獨立，缺乏聯(lián)動控制，信息孤立、沒有統(tǒng)一的系統(tǒng)對隧道機電設施設備進行統(tǒng)一的監(jiān)測和遠程管控手段，遇到突發(fā)事件和安全事故時，存在信息可信度低、信息傳達更新不及時等問題，因此，有必要建立統(tǒng)一的隧道綜合管控系統(tǒng)，提升隧道運行情況的監(jiān)測能力和對突發(fā)事件的應急處置水平，推動傳統(tǒng)監(jiān)控邁向智慧運營管理的新高度，讓運營管理更高效、公眾出行更安全、交通運輸更暢通。

1 隧道機電系統(tǒng)現(xiàn)狀

公路隧道機電系統(tǒng)隧道基層單元建設包括區(qū)域控制系統(tǒng)、隧道供配電系統(tǒng)、隧道通風系統(tǒng)、隧道照明系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、交通監(jiān)控系統(tǒng)、火災報警系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、隧道供配電系統(tǒng)、隧道消防系統(tǒng)等，隧道管理站直接負責對所轄隧道的日常監(jiān)控和管理，接收隧道區(qū)段監(jiān)控設備采集的各種信息，經(jīng)綜合分析、處理后形成控制方案，并由隧道管理站向隧道區(qū)段的控制設備下達控制命令。當事故發(fā)生時，隧道管理站可與附近的部門如交警、醫(yī)療、消防建立聯(lián)系，相互協(xié)調完成隧道內的救援以及后續(xù)的事故處理工作。此外，隧道管理站還負責向分中心上傳隧道監(jiān)控數(shù)據(jù)和圖像，并在必要時可由路段監(jiān)控分中心接管對隧道的監(jiān)控。但由于目前缺乏管理需求與信息資源的有限結合，沒有將整個隧道機電系統(tǒng)從整體上來考慮，割裂地應用每個系統(tǒng)，難以發(fā)揮整體優(yōu)勢，直接造成信息分析處理弱化及聯(lián)動控制管理效果減低[2]，而且很多隧道的信息化、智慧化水平落后，造成隧道內安全事故頻發(fā)。

2 系統(tǒng)建設的意義

為提高隧道（群）監(jiān)控運營的安全性和高效性，有力提升隧道管理與服務的智能化水平，以實際業(yè)務需求為導向，結合甘肅省數(shù)字交通發(fā)展的需求，引入“動態(tài)化、平臺化、自動化、智慧化”的四化交通思維，以“數(shù)字隧道、綠色隧道、安全隧道”為建設目標，采用物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算、大數(shù)據(jù)分析、人工智能、機器視覺、數(shù)字孿生等新一代信息技術，以隧道機電設施與網(wǎng)絡資源為基礎，增設相應的雷達、邊緣計算、路側單元等智能設備，構建涵蓋高精度地圖、隧道綜合監(jiān)控、重點運營車輛跟蹤監(jiān)控、智能分析與輔助決策、交通事件應急處置、數(shù)字資產(chǎn)管理與智慧運維、車路協(xié)同創(chuàng)新應用等子系統(tǒng)的智慧隧道（群）全業(yè)務一體化監(jiān)管平臺。

3 系統(tǒng)建設的主要內容

智慧隧道一體化綜合管控平臺充分貫徹頂層設計、集成整合理念，全方位布局隧道交通感知系統(tǒng)，旨在全面提升甘肅省隧道出行安全預警與風險管控、協(xié)同服務水平。智慧隧道運營管控一體化平臺采用省中心、分中心、隧管站三級組織結構，自下而上傳遞監(jiān)測數(shù)據(jù)，滿足不同層級的業(yè)務管理和協(xié)作要求。

將隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)、應急處置系統(tǒng)、數(shù)字資產(chǎn)與智慧運維系統(tǒng)和智能分析與輔助決策系統(tǒng)集成在一個平臺，實現(xiàn)一體化管控。憑借隧道內所用到的機電設備，在此基礎上采集機電基礎設施的數(shù)據(jù)，獲取數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和集成，利用智慧管控系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)聯(lián)動分析和設備聯(lián)動控制，最后通過監(jiān)控中心的大屏幕、可變信息標志、隧道智能廣播、車載終端等將信息發(fā)布出去[3]。

3.1 總體架構

隧道的綜合管控主要由智慧隧道（群）全業(yè)務一體化監(jiān)管平臺實現(xiàn)，平臺設計貫徹頂層設計、集成整合，全方位布局隧道交通感知系統(tǒng)，實現(xiàn)資源整合、信息共享，全面提升隧道綜合管控與風險管控能力，保障出行安全，提高服務水平。智慧隧道（群）全業(yè)務一體化監(jiān)管平臺能夠基于高精度地圖、三維建模和智慧基站融合感知技術構建隧道智慧應用，實現(xiàn)隧道全域范圍下數(shù)字孿生，以直觀可視方式展示現(xiàn)場交通情況、運行數(shù)據(jù)、事件預警等信息?；诙嘣獢?shù)據(jù)融合算法的邊緣計算和系統(tǒng)閾值設定，集成各大業(yè)務系統(tǒng)于一個平臺，實現(xiàn)機電設備的聯(lián)動控制、輔助決策和綜合管控，智慧隧道總體架構如圖1所示。

智慧隧道（群）全業(yè)務一體化監(jiān)管平臺總體架構分為4層。

第一層為感知層，主要由隧道各類機電設備和智慧化設備構成，主要對隧道內的各類信息數(shù)據(jù)進行采集，實現(xiàn)對人、車、路、環(huán)境等交通要素的感知和狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，包括攝像機、雷達、照明、風機、緊急電話、CO/VI檢測器、可變情報板及智慧基站等設備。

第二層為通信層，各類感知設備可借助光纖通信、4G/5G網(wǎng)絡、C-V2X等將實時數(shù)據(jù)傳輸至后端平臺中。

第三層為支撐層，主要將前端設備的數(shù)據(jù)進行匯聚、處理，確保各類數(shù)據(jù)有效傳輸和高效處理，為業(yè)務應用提供支撐，同時借助高精度地圖對車輛進行高精定位和三維表征。

第四層為應用層，主要由隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)字資產(chǎn)與智慧運維系統(tǒng)、智能分析與輔助決策系統(tǒng)、應急處置系統(tǒng)和重點車輛運營監(jiān)控系統(tǒng)構成，各個系統(tǒng)為隧道管理運維及公眾提供高效的管理模式和優(yōu)質的服務。

3.2 隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)

基于隧道機電工程設施及組網(wǎng)環(huán)境，將隧道監(jiān)控的各類子系統(tǒng)（區(qū)域控制監(jiān)控、交通監(jiān)控、通風照明監(jiān)控、視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、火災報警、緊急電話與廣播、電力監(jiān)控、消防監(jiān)控）的監(jiān)測控制數(shù)據(jù)及功能融合集成到統(tǒng)一的處理平臺中，該平臺不僅能夠實現(xiàn)各類設備的狀態(tài)監(jiān)測與控制，還可根據(jù)交通量、洞內外環(huán)境等參數(shù)實時計算隧道照明和通風需要，實現(xiàn)按需照明和通風，以減少能耗，并且各個子系統(tǒng)之間能夠數(shù)據(jù)共享、聯(lián)動控制，全面提高隧道運營協(xié)同監(jiān)測、智能誘導、聯(lián)動控制能力和服務水平。

3.2.1 交通監(jiān)控系統(tǒng)

交通監(jiān)控系統(tǒng)主要包括交通事件檢測、交通控制及誘導設施，具體包括車輛檢測器、交通信號燈、車道指示器、可變情報板、路面激光投影等。隧道內交通事件檢測采用視頻事件分析服務器、火災探測器、能見度檢測器、智慧基站、車輛檢測器等多元數(shù)據(jù)經(jīng)過邊緣計算預處理后進入監(jiān)控系統(tǒng)，內置閾值系統(tǒng)和融合分析算法，對于異常事件能夠彈出報警提示，通過交通異常事件研判，可以在平臺上展示事件結果，控制臺操作員確認后，下發(fā)執(zhí)行聯(lián)動預案，將信息推送到監(jiān)控大屏上。

3.2.2 照明控制系統(tǒng)

隧道照明系統(tǒng)可以改善隧道內的視環(huán)境，為隧道內通行提供視覺享受，減輕駕駛員疲勞，有利于提高隧道通行能力，保證交通安全。隧道照明控制系統(tǒng)通過洞內、外設置的亮度檢測器，實時獲取車輛檢測器、事件檢測服務器數(shù)據(jù)，調用氣象部門數(shù)據(jù)，實現(xiàn)不同天氣、不同時段、不同交通量參數(shù)條件下影響隧道區(qū)域內不同段落照明環(huán)境的自動、逐級、健康調控。并根據(jù)車輛檢測器，智能判定在一定時間內無車輛經(jīng)過時，自動切換為節(jié)能模式。此外系統(tǒng)能夠根據(jù)時段、月份車流情況進行大數(shù)據(jù)分析，提供時序或自動控制方案，由人員確認后實施。照明系統(tǒng)同時為應急處置系統(tǒng)提供指令接口。

3.2.3 通風監(jiān)控系統(tǒng)

隧道通風設施通過改變隧道內空氣的化學組成和氣候條件，滿足人員工作、車輛運行的衛(wèi)生和安全要求，保證隧道正常運營。通風控制系統(tǒng)由隧道站通風管理計算機、隧道設備室區(qū)域控制器、通風控制柜、現(xiàn)場控制箱、風機、CO/VI檢測器、風速風向檢測器、電纜等組成。根據(jù)設置在隧道內的CO/VI檢測器、風速風向檢測器檢測到的隧道內CO濃度、能見度和風速風向情況。系統(tǒng)以檢測到的CO濃度、能見度數(shù)據(jù)、風速風向值、交通量、有害物質點位、密度為依據(jù)，前置邊緣計算服務器將多源數(shù)據(jù)進行清理、篩選、融合形成算法所需數(shù)據(jù)，控制風機運轉，包括風機運行臺數(shù)、運行時間、轉速轉向的控制，有自動、手動控制。設在隧道墻壁的現(xiàn)場控制箱能夠完成風機本地的人工控制。自動控制將一個斷面上的2臺風機作為一組進行控制，由通風監(jiān)控系統(tǒng)返回每臺風機的狀態(tài)信號，即風機的正轉、反轉、停止、故障等信號[5]。通風系統(tǒng)能夠根據(jù)風險等級和事件類型啟動排風方案，并為照明控制、消防監(jiān)控、視頻監(jiān)控等提供數(shù)據(jù)接口和消息指令。

3.2.4 消防監(jiān)控系統(tǒng)

隧道消防設施用于隧道內發(fā)生火災時，提供給行車人員、隧道管理和消防人員前期火災滅火設施。為實現(xiàn)消防系統(tǒng)智慧化升級，需在現(xiàn)有洞內消防設備箱、水泵房、洞內水池、電伴熱等關鍵節(jié)點處增設電子流量計、液位傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器等設備，不間斷采集消防系統(tǒng)管網(wǎng)和設備的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)。一旦水井缺水或水位不達標，啟用電力控制系統(tǒng)，啟動水泵注水至設計水位。電伴熱管道采用的傳感器能夠實時監(jiān)控管道水量，一旦發(fā)生無水空熱，會及時切斷電源，并將信號反饋至監(jiān)控系統(tǒng)，預留短信、APP通知服務。

3.2.5 火災報警監(jiān)控系統(tǒng)

火災自動檢測報警系統(tǒng)獨立運行，在使用者觸動手動報警、雙波長火焰探測器檢測到火災信號、攝像頭檢測到火災條件下，可在火災報警控制器上顯示出報警點或失火位置，監(jiān)控顯示器或大屏自動切換距離最近的3臺攝像機視頻信號，監(jiān)控火災或報警點，同時啟動視頻本地自動錄像。管理人員通過視頻監(jiān)控確認險情后，啟動信息發(fā)布系統(tǒng)，推送信息到已經(jīng)處置系統(tǒng)，開啟應急預案，減低事故受害者、其他駕駛人員和救援者的傷亡率，縮短救援時間，防止二次事故發(fā)生。

3.2.6 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

隧道視頻監(jiān)控系統(tǒng)由隧道外場攝像機、圖像傳輸設備、中控室內閉路電視監(jiān)控設備等組成。視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過接入攝像機圖像，集中顯示隧道不同點、段車輛運行情況，便于隧道管理人員及時掌握隧道交通運行情況，可以將數(shù)據(jù)與通風監(jiān)控系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、信息發(fā)布系統(tǒng)、火災報警監(jiān)控系統(tǒng)等進行數(shù)據(jù)共享，根據(jù)外接設備采集到隧道內的實時信息，將視頻數(shù)據(jù)推送到平臺界面，可以實現(xiàn)隧道內各個系統(tǒng)聯(lián)動控制，如通過屏幕提示、報警聯(lián)動、指定錄像等各種方式將報警信息發(fā)送給管理人員、直管單位、聯(lián)動單位等，視頻監(jiān)控系統(tǒng)能夠接入應急救援系統(tǒng)聯(lián)動控制交通設施。本次設計視頻監(jiān)控攝像機主要復用重點運營車輛監(jiān)控系統(tǒng)中智慧基站的相關攝像機。

3.2.7 電力監(jiān)控系統(tǒng)

系統(tǒng)可以對隧道供電設施實現(xiàn)設備用電監(jiān)測、故障報警、異常事件、能源動態(tài)監(jiān)測等功能。使用智能控制柜準確掌控用電設備斷電、斷網(wǎng)、雷擊、環(huán)境檢測、開箱動作等記錄。系統(tǒng)提供報表生成、數(shù)據(jù)打印、歷史數(shù)據(jù)、越限及故障報警信息、數(shù)據(jù)報表等功能，能夠分析不同月份、節(jié)假日、天氣狀況下的電力統(tǒng)計曲線圖，預判未來供電需求，為養(yǎng)護決策提供數(shù)據(jù)支撐。

3.2.8 信息發(fā)布系統(tǒng)

信息發(fā)布系統(tǒng)可以最大化地發(fā)揮視頻和實時路況等綜合交通信息的價值，根據(jù)平臺后端采集到的信息，發(fā)布交通信息，并實時管理發(fā)布的信息。以情報板顯示消息及時提醒駕駛員道路行車條件及天氣條件。實現(xiàn)遠程語音講話、交通指揮、路況提示等功能，及時發(fā)布駕駛安全信息，減少交通事故；隧道內發(fā)生異常事件時，應急處置系統(tǒng)接收到可變信息標志推送的信息，開啟預案，減低事故的發(fā)生率。

3.3 重點運營車輛監(jiān)控

重點車輛運營監(jiān)控系統(tǒng)主通過設置車輛識別、雷達監(jiān)測、邊緣計算、路側單元等智能設備，利用高精度地圖和GNSS時鐘授時，采用車輛動態(tài)數(shù)字孿生技術，實現(xiàn)“兩客一?！钡戎攸c運營車輛在隧道內的全域實時可視化跟蹤監(jiān)控，并通過智能分析與輔助決策系統(tǒng)，提前預警隧道內重點運營車輛可能發(fā)生的交通事故。在事故發(fā)生時，可及時調用應急處置系統(tǒng)，對隧道進行有效管控和事故及時處置，有效避免二次事故發(fā)生，提高隧道運營安全主動防控能力。重點車輛運營監(jiān)控系統(tǒng)功能架構如圖2所示。

3.4 應急處置系統(tǒng)

應急處置系統(tǒng)根據(jù)隧道影響區(qū)域、路網(wǎng)影響區(qū)域不同設置綜合防控范圍，針對隧道內的各種突發(fā)情況，制定應對措施，結合不同的突發(fā)事件的內容，通過智慧隧道一體化綜合管控平臺，結合高精度地圖和邊緣計算等技術手段對發(fā)生事件和交通態(tài)勢進行研判，根據(jù)不同的突發(fā)事故以及事件的嚴重程度，自動彈出告警信息，提示用戶是否執(zhí)行報警預案，用戶確定執(zhí)行相應的應急預案，展開實時、高效、規(guī)范應急處置。

應急處置系統(tǒng)應包括對隧道內所有常見的事件場景，按照“一事件一措施”的原則，對每個事件場景設置相應的處置預案，具體的應急處置系統(tǒng)功能架構如圖3所示。

圖3 應急處置系統(tǒng)功能架構圖

3.5 數(shù)字資產(chǎn)管理與智慧運維系統(tǒng)

高速公路所使用的機電設備種類繁多，數(shù)量龐大，傳統(tǒng)的機電設備管理方式難以對機電設備的使用以及故障信息進行精準分析，難以全面、及時、準確掌握機電系統(tǒng)資產(chǎn)信息，同時機電設備分布廣泛，機電運維質量嚴重依賴個人的能力和意愿，運維投入的有效性、合理性難以評估。為了提升機電設備的精細化管理和智慧化運維，通過大數(shù)據(jù)、高精圖地圖、物聯(lián)網(wǎng)等前沿技術構建數(shù)字資產(chǎn)與智慧運維管理系統(tǒng)，對隧道機電硬件設施實現(xiàn)數(shù)據(jù)化管理、全方位監(jiān)測，對機電設施故障實現(xiàn)自動巡檢、自動報修，對設備養(yǎng)護維修的全過程進行監(jiān)督。該平臺總體架構采用大數(shù)據(jù)、云、智能終端的信息系統(tǒng)架構，系統(tǒng)主要功能結構如圖4所示。

圖4 數(shù)字資產(chǎn)管理與智慧運維系統(tǒng)功能結構圖

3.6 智能分析與輔助決策系統(tǒng)

智能分析與輔助決策系統(tǒng)通過收集隧道內設備、車輛、環(huán)境的實時信息，實現(xiàn)對隧道內運行狀況進行智能分析，并結合隧道管理工作的需求以及當前的運行狀態(tài)來確定隧道運行的管控策略。系統(tǒng)中預設了事件匹配預案，可以對隧道內事件發(fā)生的事前、事中、事后都進行全方位管理，并進一步明確隧道事件處置流程，智能分析與輔助決策技術架構如圖5所示。

圖5 智能分析與輔助決策技術架構圖

4 結論

綜上所述，針對目前隧道運營管理方面存在的不足，用信息化手段優(yōu)化現(xiàn)有業(yè)務機制和管理過程，從隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)、應急處置系統(tǒng)、數(shù)字資產(chǎn)與智慧運維系統(tǒng)以及智能分析決策系統(tǒng)等方面的技術探索，將各個系統(tǒng)集成在一個平臺，實現(xiàn)隧道運營一體化管控，大幅度提升公路隧道安全預警能力、事件處理能力和決策指揮能力，降低隧道管控人力成本，提升隧道管控效率，減少隧道安全事故帶來的經(jīng)濟損失。