劉飛、李桂林

（江西省交通運輸科學(xué)研究院有限公司，江西南昌330200）

0 引言

傳統(tǒng)公路隧道機電設(shè)施的種類較多，系統(tǒng)設(shè)施獨立且繁雜，各系統(tǒng)之間缺乏聯(lián)動控制，缺少統(tǒng)一的系統(tǒng)對公路隧道機電設(shè)施進(jìn)行管控和監(jiān)測。當(dāng)公路隧道遇到安全事故或突發(fā)事件時，存在信息傳達(dá)不及時、信息可信度低等問題。因此，對智慧隧道管控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)展開研究，構(gòu)建隧道綜合管控系統(tǒng)，對于提高公路隧道運行監(jiān)測能力和突發(fā)事件的處理能力有重要意義。

1 智慧隧道的概念

智慧隧道是指將移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)應(yīng)用于公路隧道管理中，通過動態(tài)感知技術(shù)獲取公路要素信息，同時構(gòu)建隧道全景信息環(huán)境，并結(jié)合多源數(shù)據(jù)融合、三維可視化、圖像分析、人工智能、可見光通信、火災(zāi)數(shù)值模擬、有限元分析、交通仿真和太陽能利用等技術(shù)，實現(xiàn)隧道、人、環(huán)境、路和車的系統(tǒng)管理，進(jìn)一步提升隧道的通行能力，提高隧道運行安全水平。智慧隧道可以通過智能傳感、射頻識別、圖像分析和激光掃描等設(shè)備全面感知隧道中的車輛、公路、人員和環(huán)境等信息，解決了傳統(tǒng)隧道運行管理過程中存在的數(shù)據(jù)無法共享、要素不完整、信息不對稱等問題，有利于進(jìn)一步加強隧道的管理水平。

智慧隧道融入了大數(shù)據(jù)和云計算等先進(jìn)技術(shù)，可以實現(xiàn)對海量數(shù)據(jù)的分析、存儲和處理，同時也可以對隧道動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行利用和挖掘，進(jìn)而轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)隧道管理的思維和理念，即由經(jīng)驗式、粗放式管理向精細(xì)化管理轉(zhuǎn)變，由設(shè)備集成管理模式向業(yè)務(wù)集成管理模式轉(zhuǎn)變[1]。

2 智慧隧道管控硬件系統(tǒng)架構(gòu)

智慧隧道管控系統(tǒng)主要包括兩部分，即上位機隧道管理軟件、下位機隧道調(diào)度控制和信息采集平臺，下位機隧道調(diào)度控制和信息采集平臺包括能見度儀、車檢器、車道指示器等設(shè)備。下位機隧道調(diào)度控制和信息采集平臺如圖1所示。智慧隧道管控系統(tǒng)硬件系統(tǒng)主要包括控制單元、車道指示器子系統(tǒng)、隧道數(shù)據(jù)采集方式、通信方式和控制模式。其中：控制單元負(fù)責(zé)采集公路隧道信息和控制車道基礎(chǔ)功能；車道指示器子系統(tǒng)主要用于顯示相應(yīng)標(biāo)識；隧道數(shù)據(jù)采集主要采用能見度儀、車檢器和指示器三種設(shè)備；智慧隧道管控系統(tǒng)通信方式包括CAN總線通信和RS485總線通信；智慧隧道管控系統(tǒng)控制模式分為自動控制和人工控制。

圖1 智慧隧道管控系統(tǒng)下位機隧道調(diào)度控制和信息采集平臺

2.1 控制單元

智慧隧道控制單元主要具備隧道信息采集功能和車道控制功能，其控制邏輯和功能如下：

其一，根據(jù)隧道控制單元參數(shù)采集車道、環(huán)境和車輛信息，并利用多源異構(gòu)數(shù)據(jù)管理技術(shù)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和存儲，以此為車道管理提供參考依據(jù)。其二，解析控制單元中輸入?yún)?shù)，并對隧道內(nèi)的車流量進(jìn)行統(tǒng)計和分析，同時根據(jù)公路凝冰風(fēng)險模型劃分公路凝冰風(fēng)險等級，最終計算出隧道車輛行駛速度。其三，將采集的環(huán)境、隧道、人員和車輛等信息直觀地顯示在終端系統(tǒng)中，以便于管理人員對隧道運行情況和車輛行駛情況進(jìn)行管理和監(jiān)控。

2.2 車道指示器子系統(tǒng)

智慧隧道管控系統(tǒng)的車道指示器子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。車道指示器子系統(tǒng)運行使用的電源主要由隧道供電系統(tǒng)提供，供電系統(tǒng)提供的電源為AC220V，通過開關(guān)電源AC-DC轉(zhuǎn)換及降壓得到DC5V，通過穩(wěn)壓芯片對電壓進(jìn)行再次減壓后，得到DC3.3V電源，可以為外圍電氣、MCU等電器提供DC5V和DC3.3V穩(wěn)定電壓。車道指示器子系統(tǒng)的主控單元主要采用STM32系列芯片，同時結(jié)合外圍電路組成單片機系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主控單元可以直接與溫度采集模塊、濕度采集模塊、有線通信模塊、LED顯示模塊、紅外接收模塊和繼電器等模塊進(jìn)行交互，同時通過通信模塊與能見度儀、車檢器和隧道控制主機進(jìn)行實時通信。

圖2 智慧隧道管控系統(tǒng)車道指示器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

主控單元主要利用溫度和濕度采集模塊收集隧道路面溫度以及環(huán)境數(shù)據(jù)，然后對其進(jìn)行初步處理后為管理人員提供參考；利用有線通信總線獲取隧道能見度數(shù)據(jù)和車流量數(shù)據(jù)，然后通過通信模塊將收集的數(shù)據(jù)傳輸至管理中心上位機；通過對LED模塊發(fā)送控制指令，使LED顯示相應(yīng)內(nèi)容。當(dāng)隧道無法使用，或者正在施工維修過程中，管理人員開啟管理系統(tǒng)的維護(hù)模式，并控制車道指示器指引駕駛?cè)藛T駛?cè)肟梢哉Ｍㄐ械墓贰?/p>

2.3 隧道數(shù)據(jù)采集方式

智慧隧道管控系統(tǒng)主要通過安裝于隧道車道上方的車檢器、能見度儀和車道指示器采集隧道內(nèi)部的環(huán)境信息、車輛信息和路面信息。

2.3.1 車檢器

車檢器主要用于采集隧道內(nèi)行駛車輛的速度、車道等，通過對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理后獲得隧道內(nèi)部的車流量數(shù)據(jù)。當(dāng)隧道內(nèi)部的車輛較多時，智慧隧道管控系統(tǒng)會提醒駛?cè)胲囕v保持車距，避免發(fā)生交通事故。

2.3.2 能見度儀

能見度儀主要采集隧道內(nèi)部的能見度參數(shù)，同時根據(jù)該數(shù)據(jù)調(diào)整隧道指示器的亮度，確保隧道能見度較低時，司機可以清晰觀察到隧道內(nèi)部的指示標(biāo)志。

2.3.3 車道指示器

車道指示器主要負(fù)責(zé)采集隧道內(nèi)部溫度和濕度，然后對溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，獲取隧道內(nèi)部凝冰風(fēng)險等級。

2.4 通信方式

智慧隧道管理系統(tǒng)通信方式包括CAN總線通信和RS485總線通信兩種。

CAN總線通信接口不僅集成了CAN通信協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，還采用120Ω特性阻抗的雙絞屏蔽電纜作為通信傳輸電纜。此外，該總線具備總線仲裁機制，可以同時對多個單元發(fā)送數(shù)據(jù)，并根據(jù)信息優(yōu)先級判斷數(shù)據(jù)傳輸順序，避免了數(shù)據(jù)傳輸過程中的干擾問題。

RS485總線通信方式采用ModBus通信協(xié)議，RS485接口采用屏蔽雙絞線傳輸。為進(jìn)一步延長智慧隧道的通信傳輸距離，在通信模塊中加入了信號中繼器，使通信信號可以覆蓋整個隧道。

2.5 控制模式

智慧隧道管控系統(tǒng)包括自動控制模式和人工管理模式。在通常情況下，智慧隧道管控系統(tǒng)主要在自動控制模式下運行，管理人員不需要對系統(tǒng)進(jìn)行人工干預(yù)。當(dāng)隧道發(fā)生交通事故或者進(jìn)行隧道維護(hù)等作業(yè)時，智慧隧道管控系統(tǒng)會切換為人工管理模式，由管理人員進(jìn)行人工操作。

3 智慧隧道管控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)管理技術(shù)

不同系統(tǒng)終端在應(yīng)用智慧隧道管控數(shù)據(jù)時對于數(shù)據(jù)的格式有不同的要求，為滿足不同用戶和終端系統(tǒng)的使用需求，需要建立隧道空間數(shù)據(jù)采集、共享和更新機制，同時將分散的隧道空間數(shù)據(jù)進(jìn)行集成和整合，進(jìn)而實現(xiàn)多源異構(gòu)空間信息的動態(tài)查詢、訪問、決策和分析。在多源異構(gòu)隧道空間數(shù)據(jù)集成和訪問過程中存在異構(gòu)數(shù)據(jù)集成、防風(fēng)結(jié)構(gòu)、空間數(shù)據(jù)多尺度、資源選擇和數(shù)據(jù)安全等問題。為解決上述問題，在構(gòu)建智慧隧道管控系統(tǒng)過程中，需要對隧道數(shù)據(jù)語義融合、轉(zhuǎn)換、共享、集成和檢索等功能進(jìn)行研究，構(gòu)建以元數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的目錄服務(wù)，進(jìn)而實現(xiàn)對智慧隧道管控系統(tǒng)語義級、結(jié)構(gòu)級和語法級異構(gòu)空間數(shù)據(jù)的分布式維護(hù)、集成和管理，該技術(shù)所涉及關(guān)鍵技術(shù)如下。

3.1.1 隧道空間數(shù)據(jù)存儲與檢索技術(shù)

該技術(shù)主要用于探索異構(gòu)隧道空間數(shù)據(jù)元模型，建立以數(shù)據(jù)網(wǎng)格為基礎(chǔ)的分布式數(shù)據(jù)存儲模式，實現(xiàn)對隧道異構(gòu)空間數(shù)據(jù)的分布式存儲、統(tǒng)一描述和在線訪問。

3.1.2 隧道空間數(shù)據(jù)集成技術(shù)

隧道空間目標(biāo)的集成以及對隧道目標(biāo)進(jìn)行分析和應(yīng)用是國內(nèi)外前沿性的研究課題。為了實現(xiàn)隧道空間數(shù)據(jù)的無縫集成，就需要基于計算機可視化技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)等構(gòu)建隧道無縫集成空間模型，實現(xiàn)隧道空間的一體化集成。

3.1.3 多源空間數(shù)據(jù)融合技術(shù)

該技術(shù)是一個多層次、多級別數(shù)據(jù)處理過程，涉及多源信息和數(shù)據(jù)的互聯(lián)、綜合、探測和估計。該技術(shù)涉及多源空間模型表達(dá)、估計和統(tǒng)一技術(shù)，以O(shè)GC網(wǎng)絡(luò)處理服務(wù)為基礎(chǔ)的柵格數(shù)據(jù)融合，以語義特征和幾何特征為基礎(chǔ)的矢量數(shù)據(jù)融合技術(shù)，柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)表達(dá)技術(shù)和復(fù)合融合技術(shù)，多源空間數(shù)據(jù)不確定評估模型。

3.1.4 以網(wǎng)格環(huán)境為基礎(chǔ)的隧道信息協(xié)同和共享技術(shù)

為滿足隧道信息協(xié)同和共享的需求，智慧隧道管控系統(tǒng)采用分類節(jié)點對信息資源進(jìn)行部署和管理，同時在網(wǎng)格環(huán)境下將數(shù)據(jù)節(jié)點劃分為管理節(jié)點、門戶節(jié)點和服務(wù)節(jié)點等。服務(wù)節(jié)點可以為WCS、WFS和WMS等信息提供不同標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)格服務(wù)。

3.1.5 多維可視化技術(shù)

智慧隧道管控系統(tǒng)利用具備可量算、立體化、可分析、逼真化的可視系統(tǒng)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)直觀地展示在用戶眼前。另外，隧道內(nèi)部空間和結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為滿足隧道精細(xì)化管理，智慧隧道可視化系統(tǒng)需要提升至四維空間，同時結(jié)合穿越隧道的時間特性，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，對隧道內(nèi)部的行駛車輛、車禍等災(zāi)害進(jìn)行仿真模擬，以此為隧道的管理提供參考。

3.2 智能服務(wù)技術(shù)

以云計算結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)為基礎(chǔ)的智慧隧道管控系統(tǒng)可以對隧道內(nèi)不同對象進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制等，實現(xiàn)隧道集成化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化管理。而智慧隧道建設(shè)的重點在于“智慧”，基于該需求，在建設(shè)智慧隧道管控系統(tǒng)的過程中，需要實現(xiàn)隧道運行管理的自動化風(fēng)險評估、自動化預(yù)警、自動化決策等服務(wù)。

3.2.1 自動預(yù)警監(jiān)測技術(shù)

隧道在長期使用過程中，其地質(zhì)變化、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等問題會對隧道的正常運營產(chǎn)生影響，同時也會帶來安全隱患。自動預(yù)警監(jiān)測技術(shù)在智慧隧道管控系統(tǒng)中的應(yīng)用，進(jìn)一步保證了隧道運營的安全性。自動預(yù)警監(jiān)測技術(shù)通過結(jié)合隧道空間信息，利用設(shè)備檢測、位移監(jiān)測、智能巡檢、應(yīng)力監(jiān)測和實時預(yù)警等技術(shù)，構(gòu)建自動化程度高、體系合理完善、結(jié)構(gòu)易擴(kuò)充的智能化隧道預(yù)警體系，可以及時發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)部存在的損傷情況，通過評估隧道的健康狀態(tài)，編制相應(yīng)的隧道維護(hù)計劃，以便加強隧道的維護(hù)和管理。

3.2.2 風(fēng)險評估技術(shù)

在隧道勘察設(shè)計階段，智慧隧道管控系統(tǒng)可以根據(jù)隧道地質(zhì)情況評估隧道風(fēng)險等級，進(jìn)而為施工單位完善隧道施工方案和設(shè)計方案提供參考。在隧道施工階段，依托隧道施工信息對施工中存在的風(fēng)險問題進(jìn)行評估，同時將風(fēng)險評估工作貫穿于整個施工過程，以此保證隧道施工的安全性。此外，隧道管理單位也需要實時采集隧道拱頂下沉、支護(hù)圍巖、洞口周邊收斂、地表下沉和超前物探等信息，并根據(jù)上述數(shù)據(jù)構(gòu)建隧道風(fēng)險評估模型，以此應(yīng)對隧道施工階段可能發(fā)生的隧道變形、塌方等災(zāi)害。

在隧道運營和維護(hù)階段，隧道安全風(fēng)險評估主要針對隧道各構(gòu)件應(yīng)力、荷載能力和結(jié)構(gòu)性損傷等情況；隧道構(gòu)件耐久性評估包括隧道構(gòu)件腐蝕、裂縫等耐久性損傷；隧道適用性評估，即功能性評估，針對隧道燈具、隧道表面、隧道拱頂?shù)仍O(shè)施的功能性損傷進(jìn)行評估。隧道風(fēng)險評估是貫穿于整個隧道生命周期的一個系統(tǒng)性和復(fù)雜性的過程，影響隧道風(fēng)險評估的因素較多，需要構(gòu)建隧道風(fēng)險評估模型，并利用評估體系、風(fēng)險聚類分級、評估指標(biāo)確定、評估結(jié)果分析和評估模型修正等方法，對隧道整個生命周期存在的安全風(fēng)險進(jìn)行全面評估，以此保證隧道的運行安全。交通隧道作為城市交通網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點，隧道的耐久性、安全性和適用性一直是隧道管理企業(yè)關(guān)注的重點，加強對隧道全生命周期的風(fēng)險評估，改善隧道運行狀態(tài)，提高隧道服務(wù)水平和管理水平，對于提高隧道經(jīng)濟(jì)效益和社會效益具有重要意義。

3.2.3 輔助決策技術(shù)

智慧隧道管控系統(tǒng)集成了風(fēng)險評估技術(shù)、云計算技術(shù)、智能決策技術(shù)、智能化感知技術(shù)和預(yù)警監(jiān)測技術(shù)，具備智能預(yù)警聯(lián)動、資源共享互動、綜合信息接入、綜合決策支持等服務(wù)功能。智慧隧道管控系統(tǒng)輔助決策主要包括以下內(nèi)容：一是自動生成應(yīng)急預(yù)案模型，智慧隧道管控系統(tǒng)會根據(jù)預(yù)案體系自動定義不同風(fēng)險的處置方法，同時幫助管理人員編制可執(zhí)行的風(fēng)險預(yù)案框架，最后通過應(yīng)急場景模擬對處置方法的可行性和有效性進(jìn)行檢驗；二是智慧隧道管控系統(tǒng)可以通過構(gòu)建新型隧道服務(wù)模式或提供新型服務(wù)的系統(tǒng)框架，利用新型系統(tǒng)對隧道感知數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理等，進(jìn)而為用戶提供不同要求、不同層次的高效智能化服務(wù)。

4 結(jié)語

智慧隧道是傳統(tǒng)公路隧道功能的拓展和升級，同時也是傳統(tǒng)隧道的智能化發(fā)展。本文闡述了智慧隧道的概念，并分析了智慧隧道管控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，最后研究了智慧隧道管控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，包括多源異構(gòu)數(shù)據(jù)組織管理和可視化技術(shù)、智能服務(wù)技術(shù)。智慧隧道作為信息時代發(fā)展的產(chǎn)物，不僅降低了公路隧道運營管理成本，而且也推動了公路隧道向生態(tài)化、社會化和經(jīng)濟(jì)化方向發(fā)展。