蔡小平

(廣東廣樂高速公路有限公司，廣東 廣州 510000)

基于高速公路隧道的特殊性，對高速公路隧道的建設、管理、養(yǎng)護提出了更高的要求，傳統(tǒng)的高速公路隧道監(jiān)控平臺無法滿足嚴格的管理需求[2-3]。各個管理單元之間沒有有效的數(shù)據(jù)交互，無法對高速公路隧道進行綜合管控；嚴重依賴人工手段對異常情況進行判斷，無法實現(xiàn)智能化的指揮調(diào)度；缺乏多維度管理機制，管理人員無法實時掌握隧道的運行情況以及設備的狀態(tài)[4]。鑒于此，有必要對高速公路智慧隧道監(jiān)控平臺進行深入研究。本文基于建筑信息模型(BIM)和地理信息系統(tǒng)(GIS)，融入了設備的實時信息，對高速公路隧道進行數(shù)字化、立體化、智能化監(jiān)控，保證了監(jiān)控的維度的多元化、信息處理的可視化、監(jiān)控的智能化，提升了高速公路隧道監(jiān)控的智能化程度，提高了管理效率[5-6]。

1 建筑信息模型與地理信息系統(tǒng)

1.1 建筑信息模型

建筑信息模型顧名思義就是以建筑項目的相關數(shù)據(jù)為基礎進行模型的搭建，以數(shù)學模型的形式對建筑物的相關信息進行模擬。建筑信息模型能夠體現(xiàn)出建筑物數(shù)據(jù)的完整性、關聯(lián)性、一致性，并且能夠通過可視界面將建筑物形象的展現(xiàn)出來[7]。

1.2 地理信息系統(tǒng)

地理信息系統(tǒng)是一項結(jié)合計算機軟硬件技術的系統(tǒng)，它能夠?qū)⒌乩砜臻g中的相關數(shù)據(jù)進行采集、存儲、運算、分析、顯示，專門用于解決與空間相關聯(lián)的問題[8-9]。地理信息系統(tǒng)中描述的物件位置由經(jīng)度、緯度、海拔3個參數(shù)來描述，即：

ALoc=(x,y,z)

(1)

1.3 建筑信息模型與地理信息系統(tǒng)的關聯(lián)性

用于隧道監(jiān)控的機電設備信息量十分豐富，其本身屬性需要通過建筑信息模型來描述。但是，地理信息系統(tǒng)是專門針對于宏觀地理信息的，顯示物體的空間屬性。建筑信息模型是地理信息系統(tǒng)的重要信息來源，通過數(shù)據(jù)將建筑信息模型和地理信息系統(tǒng)關聯(lián)起來[10]。

2 高速公路智慧隧道監(jiān)控平臺功能需求

隧道是高速公路的特殊組成部分，其處于封閉環(huán)境中，光線較常規(guī)線路存在不足，因此隧道的安全風險要高于常規(guī)線路。一旦隧道中發(fā)生事故，會出現(xiàn)信息傳遞困難，救援不易到達等問題，容易造成嚴重后果[11-12]。因此智慧隧道監(jiān)控平臺需要以下功能需求：

(1)集成化監(jiān)控需求：將功能獨立的子單元統(tǒng)一接入到主控單元中，對隧道中的車流、通風、照明等進行全范圍、全時段、多角度的無死角監(jiān)控，并通過機電設備進行遠程操控。這一點是智慧隧道監(jiān)控的最基本要求；

(2)異常事件的智能化診斷需求：傳統(tǒng)的采用人工監(jiān)控的手段效率低下，嚴重影響了事件的處理效率。將信息技術、人工智能技術等新興技術應用到高速公路隧道監(jiān)控中，能夠提升隧道異常事件的自主診斷能力，實現(xiàn)了隧道的智能化高效監(jiān)控；

(3)高效應急處置需求：能夠根據(jù)異常事件的類型及嚴重程度進行合理分級，并進行有效響應，啟動與異常事件相對應的應急預案，實現(xiàn)信息的快速流轉(zhuǎn)，提高異常事件的處置效率，這一點是隧道監(jiān)控的最核心需求。

3 高速公路智慧隧道監(jiān)控平臺架構(gòu)與功能

本文所研究的高速公路智慧隧道監(jiān)控平臺，能夠?qū)⒔煌ㄔO施、監(jiān)控設備、通風設備等進行統(tǒng)一接入，以高速公路隧道監(jiān)控為核心目標，提供“監(jiān)測、管控、處理、調(diào)度”為一體的管理方式，形成業(yè)務閉環(huán)控制，提高高速公路隧道的監(jiān)控效率，實現(xiàn)高速公路隧道運營的“可測、可視、可控”[13-14]。

3.1 監(jiān)控平臺架構(gòu)

本文所研究的高速公路智慧隧道監(jiān)控平臺架構(gòu)可以劃分為6個層次，即監(jiān)測層、通信層、數(shù)據(jù)層、支撐層、業(yè)務層、顯示層[15]，具體的架構(gòu)分布如圖1所示。

圖1 監(jiān)控平臺架構(gòu)Fig.1 Monitoring platform architecture

(1)監(jiān)測層：該層能夠?qū)崿F(xiàn)交通流監(jiān)測、交通事件監(jiān)測、交通設備監(jiān)測、交通環(huán)境監(jiān)測等，其設備必須具備網(wǎng)絡通信能力，能夠?qū)⒏兄降男畔崟r傳輸?shù)街骺刂行模?/p>

(2)通信層：該層由多種網(wǎng)絡通信設備構(gòu)成，提供數(shù)據(jù)傳輸通道，通過通信網(wǎng)絡完成數(shù)據(jù)傳輸，需要配置安全認證機制強化數(shù)據(jù)的安全防護，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。在進行數(shù)據(jù)傳輸時，還需要對數(shù)據(jù)進行加密處理，可以通過式(2)實現(xiàn)。x為明文；p1，p2，…，pn為加密算子；φ(x)為經(jīng)過加密處理后得到的密文。

(2)

(3)數(shù)據(jù)層：該層提供數(shù)據(jù)標準格式，實現(xiàn)各種類型數(shù)據(jù)的對接。

(4)支撐層：該層提供工作流引擎、GIS引擎、數(shù)據(jù)交換引擎、日志服務、同一用戶管理等，為上層服務提供應用支持。

(5)業(yè)務層：該層包含了二維地圖、三維地圖、報警分析、狀態(tài)巡檢、設備控制、實時視頻，狀態(tài)解析等；

(6)顯示層：該層要根據(jù)用戶的實際需求出發(fā)，分為了隧道三維全景展現(xiàn)、二維平面監(jiān)控、監(jiān)控曲線報表、運維管理、資產(chǎn)管理、事件響應及處理。顯示層中還會用到虛擬三維場景技術，這里涉及到坐標系的變換。需要進行注意的是VRML三維坐標系中x、y、z坐標軸3DS MAX坐標系中的坐標軸指向有所區(qū)別，VRML和3DS MAX坐標系定義如圖2所示。

圖2 VRML與3D MAX三維坐標示意圖Fig.2 Schematic diagram of three-dimensional coordinates of VRML and 3D MAX

進行模型平移的方法：

設A位置坐標為(xA,yA,zA)，移動到目標位置B，AB之間的距離D坐標為(xD,yD,zD)，方向向量為L(Nx,Ny,Nz)，則B位置坐標(xB,yB,zB)可以表示為：

(3)

即：

(4)

3.2 監(jiān)控平臺功能

基于該監(jiān)控平臺，能夠通過多種方式完成對機電設備的控制，即全自動、半自動、手動3種方式。該平臺能夠十分直觀的將隧道狀態(tài)、隧道機電設備狀態(tài)等以二維、三維的形式呈現(xiàn)給用戶；在隧道現(xiàn)場出現(xiàn)異常情況時，能夠進行智能化的診斷分析，自主提出應對預案；能夠進行異常情況的模擬演練；對隧道本身及隧道機電設備進行定期智能化巡檢，降低運營維護成本。

(1)二維、三維一體化展示：基于建筑信息模型和地理信息系統(tǒng)，在同一監(jiān)控平臺下，進行統(tǒng)一管控，能夠?qū)λ淼肋M行平面化、立體化、可視化的監(jiān)控；

(2)設備管理智能化：設備的基本信息、技術資料、維護保養(yǎng)記錄等全部錄入監(jiān)控平臺，需要時從中調(diào)取。實現(xiàn)設備的智能管理；

(3)多維度智能化監(jiān)控：對設備進行管控時，設備的三維場景能夠進行實時動態(tài)顯示，同時顯示設備所處的實時位置及其他相關數(shù)據(jù)，實現(xiàn)信息的多維度呈現(xiàn)。

(4)應急聯(lián)動機制：具備交通事故、火災及其他異常情況下的事件聯(lián)動機制，能夠保證以最快速度發(fā)現(xiàn)異常情況、定位異常情況，并對事件進行科學有效的處理。

(5)異常情況模擬演練：能夠在平臺正常運行的情況下，動態(tài)模擬異常情況發(fā)生后的聯(lián)動機制執(zhí)行流程，為異常情況的應急處理做好準備；

(6)數(shù)據(jù)整合能力：能夠?qū)煌?、火災、消防、照明、視頻的多種事物產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行有效的整合處理，并且將數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入到監(jiān)控平臺，提升了隧道運營的綜合監(jiān)控效率；

(7)視頻輪詢：能夠?qū)σ曨l的輪詢功能進行自主化定義，包括輪詢分組、輪詢定時等。

3.3 智能預案管理

(1)交通預案：該預案保證車輛在隧道內(nèi)安全通行，最大限度降低交通事故的發(fā)生概率，提高高速公路的運營效率；

(2)照明預案：該預案以最低的能源消耗保證隧道出入口的亮度柔和變化，提高駕駛員的駕駛舒適度和安全性。根據(jù)環(huán)境狀況靈活調(diào)節(jié)照明，具體的照明方案可以通過監(jiān)控平臺配置或根據(jù)周圍環(huán)境變化自主配置；

(3)通風預案：該預案保證向隧道內(nèi)輸入新鮮的空氣，并且將隧道內(nèi)的空氣污染物排出，改善隧道中的空氣質(zhì)量。降低隧道內(nèi)出現(xiàn)起火等異常情況時，熱和煙對人員帶來的危害；

(4)排水預案：該預案實時監(jiān)控消防水池的水位變化，自動對消防水池進行控制，維持水位平衡。及時處理污水池中的污水；

(5)應急預案：該預案主要針對能見度低下、強風、交通事故等惡劣的異常情況。這些異常情況發(fā)生時，監(jiān)控平臺會自動調(diào)取與異常情況相對應的應急預案。自動提示給用戶，由用戶進行確認，如果用戶確認合理，則直接下發(fā)；如果用戶確認不合理，則進行修改后下發(fā)。

4 應用實例

4.1 隧道概況

某高速公路隧道全長約4.2 km，其中隧道工程約3.5 km，道路等級為雙向4車道高速公路。自2016年高速公路通車起，高速公路隧道監(jiān)控平臺隨之投入運行,隧道實景如圖3所示。

圖3 高速公路隧道實景Fig.3 Real scene of highway tunnel

4.2 隧道設備運用現(xiàn)狀

隧道設備主要包括：綜合管線、供配電線路、通信設備、監(jiān)控設備、照明設備、通風設備、消防設備、排水設備、控制單元等組成。由于隧道中設備的運行環(huán)境較差，對設備的正常運行造成了一定程度的影響，故障率較高，因此對設備進行了升級改造。監(jiān)控設備已經(jīng)從模擬視頻監(jiān)控升級為網(wǎng)絡數(shù)字化高清視頻監(jiān)控，視頻數(shù)據(jù)還可以通過網(wǎng)絡直接傳送到公安機關的交通管理平臺。

4.3 監(jiān)控平臺應用效果

對隧道及隧道設備的基礎性信息進行維護管理，并通過二維、三維模型將隧道及隧道設備的實際狀態(tài)進行實時顯示；同時隧道中的多種設備都接入到監(jiān)控平臺中。

監(jiān)控平臺主要包括：隧道配置與控制模塊、隧道及設備實時監(jiān)測模塊、異常情況處理模塊、異常情況診斷模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測、管控、處理、調(diào)度為一體的閉環(huán)流程；隧道及設備實時監(jiān)測模塊能夠?qū)λ淼涝O備的狀態(tài)以及隧道環(huán)境信息進行實時監(jiān)測。一旦出現(xiàn)異常情況，異常情況診斷模塊就會觸發(fā)診斷功能，自動調(diào)取相關視頻信息，快速確定異常情況的處理方案，開啟應急聯(lián)動機制進行有效的處理，提高高速公路隧道的運行效率；高速公路隧道的實時監(jiān)控圖4所示。

圖4 高速公路隧道實時監(jiān)控界面Fig.4 Real-time monitoring interface of highway tunnel

結(jié)合隧道的實際運行情況，通過高速公路智慧隧道監(jiān)控平臺，能夠?qū)⒐δ塥毩ⅰ⒎稚⒌膯卧M行有效整合，真正實現(xiàn)了高速公路隧道的一體化管控，減少了日常監(jiān)控、異常情況處理中需要用到的人力和物力，實現(xiàn)了運營管理效率的提升。

5 結(jié)語

本文從高速公路隧道運營管理現(xiàn)狀的角度出發(fā)，分析了構(gòu)建高速公路智慧隧道監(jiān)控平臺的重要意義。對高速公路智慧隧道監(jiān)控平臺的功能需求進行了深入分析，提出了監(jiān)控平臺的基本架構(gòu)以及能夠?qū)崿F(xiàn)的具體功能，將設計出的監(jiān)控平臺在某高速公路隧道進行了試點應用。監(jiān)控平臺實現(xiàn)了從實時監(jiān)測、異常情況診斷、異常情況預警、異常情況決策、應急聯(lián)動機制的閉環(huán)業(yè)務流程，實現(xiàn)了從傳統(tǒng)的單一方面管理向綜合一體化監(jiān)控的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)了子功能單元的單一化建設向綜合集成一體化建設的轉(zhuǎn)變，將子功能單元進行了有效的功能集成，解決了子單元各自工作，之間沒有數(shù)據(jù)交互、運營效率低、管控水平差的問題，能夠有效促進高速公路智慧隧道監(jiān)控技術的發(fā)展，對提升隧道的運營安全程度有著促進作用，對于隧道管理單位實現(xiàn)智能化管理的轉(zhuǎn)變具有重要意義。