大連市市政設(shè)計研究院有限責任公司 韓 丹

1 引言

我國地域廣闊地理環(huán)境復雜，諸多大公路的建設(shè)過程中都需要進行隧道施工以保證整個高速的連接性和整體性。但整體而言，大公路隧道處于復雜的環(huán)境中，且其本身的結(jié)構(gòu)也具備一定的特殊性，因此整個隧道機電系統(tǒng)要解決的不僅僅是簡單的照明、通風和配電，同樣也肩負著監(jiān)控、消防以及交通控制的任務。近年來，智慧化交通建設(shè)興起，各種信息技術(shù)也逐漸融入到隧道機電設(shè)計當中，在保證隧道安全運營的基礎(chǔ)之上進行隧道運營狀態(tài)的監(jiān)測，同時實現(xiàn)了安全預警、安全評價、聯(lián)動控制以及養(yǎng)護管理等功能的聯(lián)合，是智慧交通建設(shè)體系的重要構(gòu)成，也實現(xiàn)了大公路隧道運營的可持續(xù)發(fā)展。

2 大公路隧道機電系統(tǒng)設(shè)計

2.1 大公路隧道機電系統(tǒng)構(gòu)成

光照條件差、空氣質(zhì)量差、內(nèi)部空間有限是公路隧道的典型特征，而這些特征導致隧道內(nèi)部環(huán)境整體低于外部環(huán)境，不僅容易誘發(fā)交通事故，且在交通事故產(chǎn)生過程中將會導致嚴重的交通堵塞，難以在短時間內(nèi)實現(xiàn)救援和交通疏導。隧道機電系統(tǒng)的設(shè)置不僅保證了基本的使用功能同時也能夠完成對隧道內(nèi)多種情況的監(jiān)測。整個隧道內(nèi)的電系統(tǒng)由隧道監(jiān)控系統(tǒng)、高低壓供配電系統(tǒng)、隧道照明系統(tǒng)，隧道通風系統(tǒng)以及隧道消防系統(tǒng)五個子系統(tǒng)構(gòu)成，這五個系統(tǒng)擁有不同的功能和適用范圍，詳見表1，設(shè)計過程中需要結(jié)合具體功能完成設(shè)計目標和設(shè)計細節(jié)的探討，同時結(jié)合隧道建設(shè)參數(shù)經(jīng)過綜合化的評價和分析來保證整個機電系統(tǒng)設(shè)計的科學性[1]。

表1 大公路隧道機電系統(tǒng)構(gòu)成、主要功能和設(shè)計需求

2.2 大公路隧道系統(tǒng)機電系統(tǒng)設(shè)計要點

設(shè)計過程中應充分對外界的各種干擾因素以及系統(tǒng)自身的運營情況進行綜合考慮，通過有效措施消除外界干擾以及不利因素的影響。選用先進的技術(shù)和材料，在保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定的過程中實現(xiàn)使用壽命的延長。另外，整個機電系統(tǒng)在后期的運營和維護的過程中涉及成本支出較大，因此設(shè)計中應充分考慮整個機電系統(tǒng)的成本問題，選擇各種節(jié)能設(shè)備、通過優(yōu)化布置來保證滿足使用需求的同時實現(xiàn)資源的節(jié)約。因此，整個大公路隧道系統(tǒng)機電系統(tǒng)設(shè)計應結(jié)合綠色工程理念以及智慧化交通建設(shè)進行合理設(shè)計，在保證系統(tǒng)運行經(jīng)濟性的同時提升系統(tǒng)運行的智能化和信息化[2]。

3 大公路隧道機電控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 大公路隧道機電控制系統(tǒng)設(shè)計目標

傳統(tǒng)的隧道機電控制構(gòu)成較為簡單，其作為各個子系統(tǒng)的中樞能，夠針對性地完成各子系統(tǒng)所傳輸?shù)男盘柡蛿?shù)據(jù)處理，保證機電系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。但在日常管理程中由隧道機電子系統(tǒng)的獨立性較強，所以一旦發(fā)生安全事件，需要通過人工來完成各系統(tǒng)的操作，且各系統(tǒng)之間的聯(lián)動和協(xié)調(diào)工作難以實現(xiàn)。另外，傳統(tǒng)的隧道機電控制系統(tǒng)并未設(shè)置故障檢測以及診斷維護一體的響應機制，一旦機電設(shè)備發(fā)生故障則很難保證高效地響應和處理。因此為了有效突破該種弊端，在進行繼電控制系統(tǒng)設(shè)計的過程中應充分結(jié)合據(jù)技術(shù)以及化互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，完成信息化機電控制系統(tǒng)的設(shè)計。該控制系統(tǒng)不僅能夠通過智能聯(lián)動控制平臺的應用實現(xiàn)隧道機電各個子系統(tǒng)的管控一體化，同時在先進技術(shù)的輔助之下依托數(shù)字化機電設(shè)備完成在線檢測以及遠程巡檢，以保證對整個機電的實時監(jiān)控，并在完善突發(fā)事件應急預案的輔助下實現(xiàn)機電設(shè)備故障的處理速度的提升。另外，該智能控制系統(tǒng)在應用的，依托大數(shù)據(jù)技術(shù)也可以實現(xiàn)預防性養(yǎng)護。

3.2 信息化機電控制系統(tǒng)整體設(shè)計框架

大數(shù)據(jù)隧道信息化機電控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)加以及云計算，整個系統(tǒng)包括五個基本層次，如圖1所示。這五個層次擁有不同的功能作用，且建立了緊密的聯(lián)系，在相互依托和相互輔助的過程中實現(xiàn)機電控制系統(tǒng)的一體化管理，在保證隧道機電設(shè)備聯(lián)動控制下完成各信息指標的收集，進而動態(tài)感知各設(shè)備的健康狀態(tài)。

圖1 大公路隧道機電控制系統(tǒng)整體設(shè)計框架

系統(tǒng)設(shè)計中確認了1平臺、2探索以及3應用的整體思路，通過隧道機電控制系統(tǒng)一體化綜合管理控制平臺的建設(shè)來實現(xiàn)整個隧道管理設(shè)備的統(tǒng)籌；通過云服務系統(tǒng)的部署探索隧道機電系統(tǒng)管理過程中的節(jié)能高效以及高質(zhì)量管理需求，現(xiàn)在完善應急預案的設(shè)置下，探索應急救援工作的科學化轉(zhuǎn)型；通過隧道安全管控系統(tǒng)、隧道機電設(shè)備養(yǎng)護管理系統(tǒng)以及隧道機電設(shè)備健康監(jiān)測系統(tǒng)的建立，應用了先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使用了強大的預案配置引擎，同時通過智能主動防御技術(shù)的使用，真正實現(xiàn)隧道機電系統(tǒng)“管、控、養(yǎng)”一體化。

3.3 功能實現(xiàn)

整個控制系統(tǒng)包含隧道安全、機電設(shè)備養(yǎng)護管理以及機電設(shè)備健康監(jiān)測三個部分，不同控制系統(tǒng)的功能實現(xiàn)如下。

一是隧道安全管控系統(tǒng)。隧道安全管控系統(tǒng)能夠完成各項運營子系統(tǒng)的檢測信息采集，通過交通檢測器以及數(shù)據(jù)采集終端實時地對隧道內(nèi)的車流量、風向風速以及光照強度等數(shù)據(jù)信息進行采集，在詳細的數(shù)據(jù)計算和分析的基礎(chǔ)之上結(jié)合系統(tǒng)預定的方案和管理控制指令完成隧道內(nèi)的交通控制和引導輔助。且該控制系統(tǒng)能夠保證在隧道應急事件發(fā)生之后進行主動的監(jiān)測和報警，及時將應急事件的信息傳輸，根據(jù)應急事件發(fā)生位置和區(qū)域制定交通擁堵、交通事故、危險品泄漏以及火災等緊急預案，通過清晰化預案流程的指導完成事故的處理，確保縮短應急處置時間，縮小應急事件影響范圍。

二是隧道機電設(shè)備養(yǎng)護管理系統(tǒng)。隧道機電設(shè)備養(yǎng)護管理系統(tǒng)設(shè)計的過程中，堅持的是預防為主防治結(jié)合的基本原則，結(jié)合相關(guān)的管理技術(shù)規(guī)范完成隧道規(guī)模、交通流量以及公路等級的劃分，從而確定設(shè)備養(yǎng)護的等級。在大數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)之上進行機電設(shè)備的檢測，一旦在養(yǎng)護管理的過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，應給予重點的關(guān)注并通過整個養(yǎng)護計劃的及時調(diào)整來保證養(yǎng)護工作更具合理性和針對性。

另外該過程中機電系統(tǒng)設(shè)備可靠性的指標也是設(shè)備養(yǎng)護管理的核心，該指標是機電系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)備在正常使用環(huán)境以及一定時間范圍內(nèi)的使用概率，所以對于機電系統(tǒng)設(shè)備而言，使用概率越高，則表明該設(shè)備的可靠性越高。該指標具有較大的設(shè)備養(yǎng)護參考價值，能夠結(jié)合設(shè)備養(yǎng)護管理的各項檢測指標進行機電設(shè)備運行狀態(tài)、技術(shù)狀況的綜合判斷評價?？梢酝ㄟ^公路隧道機電設(shè)備可靠性評價模型的建立，綜合確定設(shè)備的完好率、成新率以及相應的使用狀態(tài)進行評價[3]。

該評價模型中的檢測項目完好率表達式：

機電設(shè)備完好率表達式：

機電設(shè)備成新率的表達式：

故得出機電設(shè)備可靠性表達式：

式中，K為機電設(shè)備可靠性；W為機電設(shè)備完好率；C為機電設(shè)備成新率；y為已使用年限；Y為有效年限；Q1為機電設(shè)備完好率權(quán)值；Q2為機電設(shè)備成新率權(quán)值；Q11、Q12…Q1n為檢測項目權(quán)值；Q111、Q112…Q11n為檢測子項權(quán)值；W1、W2…Wn為檢測項目完好率；W11、W12…W1n為檢測子項完好率。

三是隧道機電設(shè)備健康監(jiān)測系統(tǒng)：顧名思義隧道機電設(shè)備健康監(jiān)測系統(tǒng)的最終任務在于完成隧道內(nèi)各機電設(shè)備健康狀態(tài)的檢測，并對各機電設(shè)備的異常進行響應。整個監(jiān)測過程中包括運行狀況檢測、遠程巡檢，同樣也包括設(shè)備故障報警和故障率的分析。所以在系統(tǒng)設(shè)計的過程中會通過一個閾值的設(shè)置來進行判斷比較，若所監(jiān)測的數(shù)據(jù)在正常的區(qū)域值內(nèi)浮動，則可以確定設(shè)備的正常運行，若超出設(shè)置的閾值，需要進一步確定判斷是否出現(xiàn)設(shè)備故障或者安全隱患。另外，傳統(tǒng)的機電設(shè)備巡檢需要消耗較大的勞動力，遠程巡檢功能的設(shè)置能夠通過監(jiān)控中心完成對隧道內(nèi)機電設(shè)備的檢測，因此在設(shè)計過程中，要保證各設(shè)備檢測的順序和規(guī)則，進而在自動巡檢中生成巡檢報告并完成正常運轉(zhuǎn)或者是風險狀態(tài)的標記，提供排查建議。

3.4 緊急處理方案設(shè)計

大公路隧道信息化點控制系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，所以一旦出現(xiàn)網(wǎng)絡中斷的情況，便會導致各業(yè)務系統(tǒng)無法訪問。為有效解決該種問題，可以通過前置服務器的設(shè)置與保證即便發(fā)生網(wǎng)絡中斷，依舊可以通過備用地參與到應用來參與到無須云計算服務參加的系統(tǒng)控制工作中來[4]。所以前置服務器作為網(wǎng)絡中斷時的關(guān)鍵保障，可以對接收到的數(shù)據(jù)樣本進行基本的分析，即便云服務器失聯(lián)依舊能夠保證隧道機電設(shè)備的聯(lián)動控制。而其在進行聯(lián)動控制的過程中，會將接收到的數(shù)據(jù)信息進行緩存打包，保證在網(wǎng)絡正常連接之后重新進行數(shù)據(jù)到云服務器的上傳。

4 結(jié)語

大公路隧道機電系統(tǒng)設(shè)計是公路隧道建設(shè)的重點內(nèi)容，其設(shè)計質(zhì)量直接決定著隧道后期的運營維護質(zhì)量。根據(jù)隧道機電系統(tǒng)“建、管、養(yǎng)”的轉(zhuǎn)變趨勢，傳統(tǒng)的機電系統(tǒng)存在著數(shù)字化建設(shè)程度不高，系統(tǒng)集成以及關(guān)聯(lián)度不強的根本性問題，且各個機電子系統(tǒng)之間難以實現(xiàn)協(xié)同管理，在一定程度上造成了資源的浪費。將物聯(lián)網(wǎng)以及云計算等技術(shù)融合到公路隧道機電系統(tǒng)設(shè)計當中，能夠保證在信息化建設(shè)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)機電系統(tǒng)的管控一體化，提升隧道機電系統(tǒng)應用效果，促使公路隧道管理和服務邁向全新的臺階。