摘要 文章以奉建高速特長隧道小營隧道機(jī)電設(shè)備為依托，針對隧道內(nèi)的重要機(jī)電設(shè)備，采用5G+光纖、物聯(lián)網(wǎng)等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集傳輸，BIM建模進(jìn)行展示和控制、AI控制算法等技術(shù)，開展特長公路隧道通風(fēng)優(yōu)化及關(guān)鍵設(shè)備智能運維集成應(yīng)用的研究。在最新智能設(shè)備的算法基礎(chǔ)上，納入更多的影響參數(shù)對智能設(shè)備進(jìn)行算法優(yōu)化，從而降低特長公路隧道能耗成本和人員維護(hù)費用，提升應(yīng)急管理效率。

關(guān)鍵詞 特長公路隧道；智能集成；機(jī)電設(shè)備；控制算法優(yōu)化

中圖分類號 F552 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）07-0015-03

0 引言

目前我國公路隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)等機(jī)電設(shè)備的運行方式及維護(hù)仍采用傳統(tǒng)的計劃定時啟動和定頻運行模式。隧道照明普遍采用普通照明加強(qiáng)照明的方式，由人員手工操作或定時操作，智能化則能較好地根據(jù)光照進(jìn)行調(diào)節(jié)。隧道內(nèi)監(jiān)控只用于巡查和錄像功能，少量隧道安裝事件檢測設(shè)備，但缺乏與其他設(shè)備或系統(tǒng)的聯(lián)動。因此，傳統(tǒng)的隧道營運管理方式帶有很大的盲目性，導(dǎo)致資源浪費，尤其在電力和人力資源方面浪費嚴(yán)重。

以交通運輸部印發(fā)的《交通運輸部關(guān)于推動交通運輸領(lǐng)域新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見》和《重慶市綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要（2021—2035年）》為依據(jù)[1]，以促進(jìn)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能化升級，建設(shè)安全可靠、智能先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)高效、順暢便捷的新型交通運輸方式為指導(dǎo)思想[2]，將重要的隧道機(jī)電設(shè)備在建設(shè)和使用的過程中進(jìn)行智能化整合，運用信息化手段，提升隧道機(jī)電設(shè)備巡檢和管理的工作效能，增強(qiáng)路網(wǎng)運行動態(tài)跟蹤和主動防控能力及安全監(jiān)管能力，提升全路網(wǎng)精細(xì)化管理水平。

1 特長公路隧道機(jī)電設(shè)備智能化集成的意義

1.1 安全

通過不間斷地獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)和采集終端實時反饋的數(shù)據(jù)，計算相應(yīng)的偏差；及時控制相應(yīng)風(fēng)機(jī)和凈化設(shè)備的運轉(zhuǎn)，迅速改變隧道內(nèi)的通風(fēng)環(huán)境，改善隧道內(nèi)的運行環(huán)境，保證人員安全和維護(hù)的安全。通過集成隧道內(nèi)的機(jī)電設(shè)備，制定應(yīng)急預(yù)案，統(tǒng)一進(jìn)行緊急情況處置，提高應(yīng)急效率。

1.2 節(jié)能

利用多設(shè)備采集到的各項數(shù)據(jù)，動態(tài)控制和模擬技術(shù)，實現(xiàn)風(fēng)機(jī)、凈化吸塵和照明設(shè)備的按需控制，精準(zhǔn)控制以及節(jié)能減排。

1.3 經(jīng)濟(jì)

通過建立動態(tài)模型，尋找最優(yōu)的通風(fēng)配置數(shù)據(jù)模型，根據(jù)環(huán)境情況，智能控制通風(fēng)設(shè)備運轉(zhuǎn)，降低設(shè)備運行電力成本，同時減少人工巡查的成本。

2 集成系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)功能介紹

該研究項目主要通過傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等高新技術(shù)將隧道中風(fēng)機(jī)、照明、UPS、攝像機(jī)、通行指示燈、車檢器、消防設(shè)備、環(huán)境檢測設(shè)備等重要機(jī)電設(shè)備進(jìn)行集成，通過5G+光纖作為傳輸網(wǎng)絡(luò)，將各設(shè)備數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)酱鎯ο到y(tǒng)中，然后由設(shè)置的智能控制模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由系統(tǒng)AI自動根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境情況調(diào)整各個設(shè)備的運行狀態(tài)，并通過BIM模型將各個設(shè)備的運行情況和重要指標(biāo)通過可視化展示給管理人員，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到隧道環(huán)境或機(jī)電設(shè)備運行情況異常，將會自動觸發(fā)相應(yīng)的預(yù)案管理，從而降低了機(jī)電設(shè)備能耗，減少隧道管理成本，提升隧道應(yīng)急搶險效率。

整個特長隧道（奉建高速小營隧道）機(jī)電設(shè)備智能集成系統(tǒng)分為智能送風(fēng)子系統(tǒng)、照明管理子系統(tǒng)、設(shè)備感知子系統(tǒng)、環(huán)境感知子系統(tǒng)、巡檢機(jī)器人子系統(tǒng)和預(yù)案管理子系統(tǒng)等模塊。各個模塊之間數(shù)據(jù)互通，相互關(guān)聯(lián)，例如環(huán)境感知系統(tǒng)監(jiān)測到隧道內(nèi)CO濃度超過閾值，會直接觸發(fā)智能送風(fēng)系統(tǒng)將風(fēng)機(jī)運行頻率調(diào)大，氣體濃度恢復(fù)正常后，風(fēng)機(jī)頻率也會相應(yīng)降低，保證了隧道空氣質(zhì)量始終保持在最適合的狀態(tài)，同時也降低了風(fēng)機(jī)能耗。

通過對整個奉建高速小營隧道點云掃描，對隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，通過BIM技術(shù)進(jìn)行展示。在BIM模型上加入各項設(shè)備，并進(jìn)行數(shù)據(jù)互通關(guān)聯(lián)，可以很直觀地查看各項設(shè)備的基礎(chǔ)信息、當(dāng)前運行數(shù)據(jù)和歷史記錄?；A(chǔ)信息包括設(shè)備名稱、設(shè)備廠家和設(shè)備質(zhì)保期等。歷史記錄包括安裝時間、維修記錄和維修意見等。

BIM技術(shù)對特長隧道進(jìn)行管理的優(yōu)勢體現(xiàn)：一是可以更直觀地查看隧道內(nèi)結(jié)構(gòu)特點和需要注意的地方；二是可以在后續(xù)維護(hù)上更方便地確定各設(shè)備的位置，并在模型上可以直接查看設(shè)備的歷史信息等；三是在發(fā)生緊急情況時，可以更直觀地查看整個隧道的情況和隧道應(yīng)急設(shè)施的位置，方便進(jìn)行應(yīng)急指揮。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)模型

奉建高速小營隧道機(jī)電設(shè)備智能集成系統(tǒng)架構(gòu)模型分為五層，物聯(lián)感知層、網(wǎng)絡(luò)通信層、數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)及服務(wù)支持層和智慧應(yīng)用層。每一層的作用和運用的相關(guān)技術(shù)如下：

2.2.1 物聯(lián)感知層

物聯(lián)感知層主要通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提供對隧道環(huán)境的智能感知能力，通過各種信息采集設(shè)備、各類傳感器、高清監(jiān)控攝像機(jī)等實現(xiàn)對隧道內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施、光照、空氣質(zhì)量、車流量等方面信息采集、識別和監(jiān)測。整個系統(tǒng)使用了多種傳感器和監(jiān)測設(shè)備。具體如下：

（1）PLC（可編程控制器）。主要用在對照明系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的電流電壓、電源等指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總，并通過編程對照明系統(tǒng)亮度和風(fēng)機(jī)運行頻率進(jìn)行控制。

（2）高清事件監(jiān)測攝像機(jī)。隧道攝像機(jī)采用的是具有事件監(jiān)測功能的高清攝像機(jī)，可以實時監(jiān)測隧道內(nèi)車輛行駛情況和車流量、車道拋灑物、火災(zāi)等信息，對違規(guī)駕駛情況進(jìn)行及時發(fā)現(xiàn)和預(yù)警，為管理人員提供清晰的現(xiàn)場圖像。

（3）巡檢機(jī)器人。隧道上方搭建軌道并安裝巡檢機(jī)器人。巡檢機(jī)器人可以實現(xiàn)隧道內(nèi)全線的智能巡檢，包括火災(zāi)檢測、車輛事故等等。巡檢機(jī)器人具有三種狀態(tài)，第一是可以按照預(yù)先設(shè)置的巡檢計劃進(jìn)行全線的自動巡查；第二是可以停在休息區(qū)進(jìn)行充電操作等；第三是接收到其他系統(tǒng)發(fā)送的事件信息進(jìn)行緊急事件處置。巡檢機(jī)器人可以與其他系統(tǒng)聯(lián)動，其他系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)事故時可將事故信息發(fā)送到巡檢機(jī)器人，巡檢機(jī)器人可進(jìn)行前期的一些救助活動，極大地提高隧道的安全性。

（4）CO/VI傳感器。對隧道內(nèi)的CO濃度、VI能見度值進(jìn)行監(jiān)測，作為隧道內(nèi)空氣質(zhì)量評價指標(biāo)。

（5）其他。除了以上傳感器和監(jiān)測設(shè)備外，該項目中還涉及亮度傳感器、車感器、磁阻傳感器、光照傳感器等多種傳感器，實現(xiàn)了對隧道口環(huán)境信息的全面感知。

由于系統(tǒng)涉及的傳感器和監(jiān)測設(shè)備種類復(fù)雜，數(shù)量眾多，為了便于管理和維護(hù)，系統(tǒng)對各種機(jī)電設(shè)備、傳感器進(jìn)行分類管理，并提供對應(yīng)接口，如果有新的設(shè)備及傳感器接入，在對應(yīng)的項目中添加設(shè)備信息，選擇相應(yīng)接口即可接入到系統(tǒng)。

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)通信層

網(wǎng)絡(luò)通信層是連接物聯(lián)感知層和數(shù)據(jù)存儲層之間的橋梁，主要是將物聯(lián)感知層中各種傳感器收集的環(huán)境信息準(zhǔn)確、快速地傳輸?shù)酱鎯υO(shè)備中，并將數(shù)據(jù)及服務(wù)支持層分析出的控制指令下達(dá)給對應(yīng)設(shè)備。由于是特長隧道，數(shù)據(jù)種類多（包含有大量視頻數(shù)據(jù)），為確保信號穩(wěn)定，傳輸速率快，采用了5G+光纖模式的新型數(shù)據(jù)傳輸通道，與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比，具有高速低延遲、高利用率、通信容量大、抗磁干擾能力強(qiáng)和保密性高等優(yōu)勢。

2.2.3 數(shù)據(jù)存儲層

數(shù)據(jù)存儲層包含軟件資源、計算資源和存儲資源，為隧道機(jī)電設(shè)備智能集成提供數(shù)據(jù)存儲和計算，保障上層對于數(shù)據(jù)匯聚的相關(guān)要求。數(shù)據(jù)存儲層接收到網(wǎng)絡(luò)通信層傳輸過來的數(shù)據(jù)，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，將不能使用的壞數(shù)據(jù)清洗掉，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類歸納，減少數(shù)據(jù)冗余，提升上層的計算效率。系統(tǒng)隨時間的變化，數(shù)據(jù)量會不斷加大，在建設(shè)初期就需要考慮到數(shù)據(jù)存儲的可擴(kuò)容性。該系統(tǒng)采用NAS存儲技術(shù)，支持即插即用，可以在網(wǎng)絡(luò)的任一位置建立存儲，并基于Web管理，從而使設(shè)備的安裝、使用和管理更加容易，可以很經(jīng)濟(jì)地解決存儲容量擴(kuò)容的問題。

2.2.4 數(shù)據(jù)及服務(wù)支持層

數(shù)據(jù)及服務(wù)支持層主要是通過構(gòu)建多種AI分析模型，將數(shù)據(jù)存儲層中的數(shù)據(jù)帶入到模型中，分析出隧道中各子系統(tǒng)的運行情況，并根據(jù)相應(yīng)情況下達(dá)對應(yīng)的指令，調(diào)整各子系統(tǒng)狀態(tài)，保證隧道處于最優(yōu)的運行狀態(tài)。數(shù)據(jù)及服務(wù)支持層中構(gòu)建的AI分析模型主要有設(shè)備運行狀態(tài)模型、隧道環(huán)境分析模型和設(shè)備運行智能控制技術(shù)等。

（1）設(shè)備運行狀態(tài)模型。根據(jù)設(shè)備自帶接口或其他采集終端獲取設(shè)備運行狀態(tài)，建立設(shè)備運行感知模型，自動分析設(shè)備運行態(tài)勢，合理安排設(shè)備維護(hù)，提高設(shè)備維護(hù)的及時性，降低巡查的人力成本。

（2）隧道環(huán)境分析模型。對風(fēng)機(jī)運行頻率、車流量等因素對隧道空氣質(zhì)量情況的影響進(jìn)行分析，對隧道照明設(shè)備耗能與光照強(qiáng)度的影響關(guān)系進(jìn)行分析，建立分析模型，根據(jù)隧道實際情況，分析出風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和照明系統(tǒng)運行的最佳狀態(tài)。

（3）設(shè)備運行智能控制技術(shù)。根據(jù)智能分析模型分析出結(jié)果對隧道風(fēng)機(jī)、照明、攝像機(jī)等設(shè)備進(jìn)行自動化控制集成，由系統(tǒng)AI自動根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境情況調(diào)整設(shè)備運行狀態(tài)。

2.2.5 智慧應(yīng)用層

智慧應(yīng)用層主要是將各子系統(tǒng)的相關(guān)信息進(jìn)行整合，通過可視化方式展示給管理人員，便于管理人員應(yīng)用和操作。智慧應(yīng)用層應(yīng)該滿足直觀、操作便捷、智能等特點。該系統(tǒng)融合BIM技術(shù)，建立了隧道、隧道內(nèi)機(jī)電、水電風(fēng)、性能模擬、環(huán)境和基礎(chǔ)設(shè)施模型。BIM模型是整個智能集成的基礎(chǔ)，通過可視化展示隧道機(jī)電設(shè)備運行狀態(tài)、指標(biāo)參數(shù)和提供控制界面等信息化模型，當(dāng)相關(guān)設(shè)備處于異常狀態(tài)，系統(tǒng)會自動提示報警信息，減輕管理人員的管理難度。

3 關(guān)鍵創(chuàng)新

3.1 智能照明

傳統(tǒng)隧道照明系統(tǒng)由人工進(jìn)行控制或根據(jù)環(huán)境光線強(qiáng)度進(jìn)行控制，很難全面地根據(jù)環(huán)境變化進(jìn)行實時調(diào)節(jié)[3]。在奉建高速小營隧道機(jī)電設(shè)備智能集成系統(tǒng)中，為照明系統(tǒng)添加了場景控制模式，隧道內(nèi)的照明根據(jù)車流量監(jiān)測模塊和環(huán)境監(jiān)測模塊監(jiān)測的隧道內(nèi)車流量、照明度、時間、其他設(shè)備或系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的事件信息等實時數(shù)據(jù)，構(gòu)建的AI分析模型分析的結(jié)果自動調(diào)節(jié)相應(yīng)的燈組，從而降低了人工管理成本和照明系統(tǒng)的能耗。這種方式相比于目前智能照明設(shè)備的單一亮度控制參數(shù)，具有數(shù)據(jù)來源廣（包含了其他系統(tǒng)或設(shè)備采集的數(shù)據(jù)）、控制更合理等優(yōu)勢。

3.2 智能風(fēng)機(jī)

隧道機(jī)電設(shè)備智能集成系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)可根據(jù)環(huán)境進(jìn)行變頻運行。影響風(fēng)機(jī)控制算法的因素包括氣體環(huán)境的變化、隧道車流量、隧道事件情況等。系統(tǒng)通過構(gòu)建的AI分析模型進(jìn)行分析，當(dāng)分析結(jié)果達(dá)到設(shè)置的閾值，系統(tǒng)將聯(lián)動風(fēng)機(jī)PLC控制子系統(tǒng)將風(fēng)機(jī)控制到特定的運行頻率，從而實現(xiàn)隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)的精準(zhǔn)控制，按需運行，始終保持隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量處在最合適的狀態(tài)，并降低風(fēng)機(jī)系統(tǒng)能耗。

3.3 應(yīng)急管理

傳統(tǒng)的隧道應(yīng)急采用的是人員上報然后進(jìn)行預(yù)案處置，這導(dǎo)致反應(yīng)時間較長，而且由于人員緊張、事件緊急等原因，還會出現(xiàn)遺漏重要信息等情況。部分隧道安裝智能設(shè)備，但各項設(shè)備各自獨立，沒有進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)互通，容易出現(xiàn)誤報等情況。為提高緊急事件的檢測準(zhǔn)確性和反應(yīng)效率，我們將奉建高速小營隧道各項設(shè)備進(jìn)行集成，一個設(shè)備發(fā)現(xiàn)事件，其他設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行確認(rèn)，并根據(jù)預(yù)案設(shè)置通知人員的范圍、通知方式（系統(tǒng)告警提示、短信、電話）等等。如當(dāng)巡檢機(jī)器人發(fā)現(xiàn)了火災(zāi)事故，系統(tǒng)會立刻發(fā)送事件信息給監(jiān)控人員，展示附近的攝像機(jī)監(jiān)控畫面，并關(guān)聯(lián)預(yù)備預(yù)案，由監(jiān)控人員進(jìn)行確認(rèn)事故并確定是否執(zhí)行系統(tǒng)的預(yù)案，極大地提高了事件檢測的準(zhǔn)確性和應(yīng)急事件處置的及時性。

4 經(jīng)濟(jì)效益和安全性

目前在多隧道管理中，大多采用獨立管理的模式，一般的集成也只是將多隧道在一個系統(tǒng)中進(jìn)行展示和管理，缺乏各隧道的聯(lián)動和數(shù)據(jù)的有效利用。在多隧道管理時，可以采用Sass云端部署的方式進(jìn)行，提高管理效率和安全性。通過Sass可以實現(xiàn)多隧道的統(tǒng)一管理，可以將各隧道的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，實現(xiàn)更多的數(shù)據(jù)積累，為控制算法提供更多的數(shù)據(jù)支撐。

隧道內(nèi)的集成管控對安全性要求較高，如出現(xiàn)重大問題，可能導(dǎo)致交通事故等情況發(fā)生。為保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行，在網(wǎng)絡(luò)部署上，應(yīng)盡量采用內(nèi)外網(wǎng)部署的方式。內(nèi)網(wǎng)進(jìn)行各項設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和控制，外網(wǎng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的展示工作。內(nèi)外網(wǎng)的安全標(biāo)準(zhǔn)需要滿足等保三級標(biāo)準(zhǔn)。內(nèi)外網(wǎng)間防火墻采用數(shù)據(jù)內(nèi)網(wǎng)向外網(wǎng)的單向傳輸模式，必要的時候設(shè)置中轉(zhuǎn)機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)擺渡以提高系統(tǒng)的安全性。Sass云端部署的方式也可以降低安全設(shè)備的采購成本，提高整體服務(wù)的安全性。

在收費模式上，也可以根據(jù)系統(tǒng)節(jié)約的成本來進(jìn)行分成。該系統(tǒng)通過測算分析，將在隧道的日常經(jīng)營過程中降低維護(hù)費用，在經(jīng)濟(jì)效益方面也可以取得不錯的成績。

（1）通過精準(zhǔn)智能控制，按需運行減少風(fēng)機(jī)、照明燈具等機(jī)電設(shè)備的耗能，預(yù)估能降低使用成本10%；特別是在照明上實測降低29%。小營隧道現(xiàn)場數(shù)據(jù)如表1《照明前后對比》、表2《前后能耗對比》：

（2）減少隧道設(shè)備健康狀況現(xiàn)場檢查次數(shù)，降低人力和車輛使用成本，營運管理人員減少30%左右。

（3）有利于經(jīng)營管理人員實時監(jiān)督，有利于行業(yè)主管部門減少管理費用；對環(huán)境的風(fēng)機(jī)、燈光設(shè)備提升反應(yīng)速度；提高30%的應(yīng)急管理反應(yīng)效率。

5 結(jié)語

奉建高速特長隧道小營隧道機(jī)電設(shè)備為依托，從安全、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)等方面為目標(biāo)進(jìn)行了重要研究。通過對隧道內(nèi)各設(shè)備的智能集成，信息互通，提高了事件檢測的準(zhǔn)確性和及時性；通過集成納入更多參數(shù)對智能設(shè)備進(jìn)行控制算法優(yōu)化，達(dá)到了節(jié)能的目的；通過對風(fēng)機(jī)和照明等隧道用電大戶的智能化控制，降低了用電量，節(jié)約了成本。根據(jù)研究結(jié)果，形成新的一套隧道設(shè)備接入標(biāo)準(zhǔn)，為后續(xù)高速隧道的機(jī)電設(shè)備建設(shè)和維護(hù)提供參考。

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