基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧隧道運營管控系統(tǒng)

劉志輝 孫振飛

（湖南聯(lián)智科技股份有限公司 湖南省長沙市 410215）

截止到2018年，全國公路隧道17738 處，總長1723.61 萬米，已成為世界上公路隧道規(guī)模最大、數(shù)量最多、發(fā)展速度最快的國家[1]。目前隧道內(nèi)各機電設(shè)施管控系統(tǒng)相互獨立，難以實現(xiàn)各類設(shè)施的聯(lián)動控制，且未實現(xiàn)與交警、消防、醫(yī)療等應(yīng)急救援機構(gòu)的信息共享，隧道運營狀況的實時動態(tài)監(jiān)測與高效智能控制已成為隧道運營的重要課題。段華勇提出通過加強監(jiān)管措施來改善隧道運營安全的問題[2]；彭洪濤針對各監(jiān)控系統(tǒng)自動化、信息化程度不高的問題，建立了一套隧道行車安全綜合管理系統(tǒng)[3]；周蘭蘭針對隧道設(shè)備的維修養(yǎng)護，提出了一種基于信息化技術(shù)的隧道遠程監(jiān)管系統(tǒng)[4]；任栓哲等人根據(jù)信息化技術(shù)建立了高速隧道監(jiān)控聯(lián)動管理系統(tǒng)[5]。

本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建設(shè)智慧隧道運營管控系統(tǒng)，保障隧道對異常事件的精準定位和及時預(yù)警，提升“監(jiān)測、預(yù)警、處置、控制、誘導(dǎo)”等環(huán)節(jié)的鏈式管理能力，平時為隧道運營管理工作提供支撐，事故時聯(lián)動各種設(shè)施按照預(yù)案快速處置。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

智慧隧道運營管控系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)，基于集中監(jiān)控、對安裝的系統(tǒng)和設(shè)備實施分布式控制理念，將綜合監(jiān)控子系統(tǒng)、應(yīng)急救援子系統(tǒng)、養(yǎng)護管理子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析與輔助決策子系統(tǒng)集成在一個平臺，實現(xiàn)一體化管控。針對前端感知設(shè)備實時動態(tài)采集的隧道環(huán)境參數(shù)、設(shè)施狀態(tài)信息，實施數(shù)據(jù)挖掘、處理和集成，確認發(fā)生異常事件后，對各系統(tǒng)中隧道運營設(shè)備實施控制，自動執(zhí)行預(yù)設(shè)好的應(yīng)急預(yù)案。

架構(gòu)主體分為感知層、數(shù)據(jù)處理層、應(yīng)用層和信息發(fā)布層。依托隧道所有機電設(shè)備，建立物聯(lián)網(wǎng)感知網(wǎng)絡(luò)，從中獲取數(shù)據(jù)信息，實施數(shù)據(jù)挖掘、處理和集成，應(yīng)用到各個子系統(tǒng)，最后通過監(jiān)控中心屏幕、可變信息標志、隧道智能廣播、車載終端等發(fā)布出去。智慧隧道運營管控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

2.1 綜合監(jiān)控子系統(tǒng)

綜合監(jiān)控子系統(tǒng)實現(xiàn)交通參數(shù)實時動態(tài)采集、照明監(jiān)控、通風(fēng)監(jiān)控、消防監(jiān)控、視頻監(jiān)控和信息發(fā)布的功能，實現(xiàn)遠程監(jiān)測與控制功能，系統(tǒng)根據(jù)具體需求定制模塊化聯(lián)動控制預(yù)案。

圖1：智慧隧道運營管控系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.1.1 交通事件監(jiān)測

通過與視頻事件檢測器、火災(zāi)探測器、車輛檢測器等設(shè)備對接，利用嵌套算法自動快速判斷車輛逆行、違章停車、灑落物、行人、火災(zāi)等交通異常事件，在平臺中展示異常事件報警提示，經(jīng)過管理人員確認后，一鍵式進行部門協(xié)同、信息發(fā)布、系統(tǒng)聯(lián)動等事件應(yīng)急協(xié)同處置，變被動管理為主動高效管理。

2.1.2 照明監(jiān)控

照明監(jiān)控與隧道內(nèi)交通事件監(jiān)測、消防監(jiān)控等實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，根據(jù)檢測到的隧道洞內(nèi)外實時亮度、交通量、氣象、交通事件、能見度等交通環(huán)境參數(shù)的變化，自適應(yīng)控制隧道照明，同時對洞內(nèi)照明以及照明控制設(shè)備的狀況進行監(jiān)測，保證行車安全，達到節(jié)能降耗的目的。照明監(jiān)控模塊運行原理如圖2所示。

2.1.3 通風(fēng)監(jiān)控

通風(fēng)監(jiān)控實時監(jiān)測隧道內(nèi)的一氧化碳、能見度、交通事故等信息，基于多源大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果和系統(tǒng)內(nèi)預(yù)設(shè)不同排風(fēng)方案，實現(xiàn)隧道不同環(huán)境耦合條件下通風(fēng)設(shè)備自動運行功能，改變隧道內(nèi)空氣的化學(xué)組成，使其滿足道路使用者駕車行駛、隧道養(yǎng)護管理人員管養(yǎng)工作的安全和衛(wèi)生需求，同時提高通風(fēng)設(shè)備的使用壽命，降低由風(fēng)機全功率工作造成的能源浪費。通風(fēng)監(jiān)控模塊運行原理如圖3所示。

2.1.4 消防監(jiān)控

消防監(jiān)控整合傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，預(yù)設(shè)不同地點、不同火勢的聯(lián)動逃生救援模式，構(gòu)建智慧消防、物聯(lián)網(wǎng)一體化云平臺。平臺通過連接消防系統(tǒng)主機，采集消防滅火系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)、消防設(shè)施狀態(tài)數(shù)據(jù)、消防報警系統(tǒng)數(shù)據(jù)、動態(tài)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)等，實時監(jiān)控火災(zāi)情況，上傳數(shù)據(jù)至控制中心，系統(tǒng)自動報警。隧道監(jiān)控中心管理人員通過視頻監(jiān)控確認險情，利用多系統(tǒng)聯(lián)動的運行模式，自動啟用消防監(jiān)控-逃生誘導(dǎo)設(shè)施-滅火設(shè)施-消防救援等救援方案，降低二次事故發(fā)生的概率，縮短救援時間。

2.1.5 視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控接入攝像頭圖像，同時共享于隧道交通事件監(jiān)測、通風(fēng)監(jiān)控、照明監(jiān)控和消防監(jiān)控等，將隧道內(nèi)發(fā)生的異常事件圖像直接推送至主界面，實現(xiàn)多系統(tǒng)聯(lián)動功能。

2.1.6 信息發(fā)布

信息發(fā)布模塊接入智能廣播、可變信息標志、隧道監(jiān)控中心屏幕和移動終端等，接收平臺下發(fā)的信息發(fā)布指令，進行相關(guān)信息發(fā)布與管理。在正常行車條件下告知駕駛員前方道路行車條件及天氣條件；在隧道內(nèi)發(fā)生異常事件時，根據(jù)相應(yīng)策略系統(tǒng)自動控制可變信息標志顯示道路交通環(huán)境信息，隧道管理人員通過廣播系統(tǒng)及時誘導(dǎo)隧道內(nèi)被困人員，選擇合理逃生路徑，減少人員傷亡，提高救援效率。

2.2 應(yīng)急救援子系統(tǒng)

系統(tǒng)結(jié)合不同突發(fā)事件的嚴重程度等級，設(shè)置應(yīng)急救援預(yù)案，同時對應(yīng)急資源進行記錄管理，預(yù)案主要采用手動、詢問、觸發(fā)三種方式執(zhí)行。系統(tǒng)對隧道風(fēng)險進行分級預(yù)防和管控，將車輛運行情況、隧道環(huán)境信息、氣象信息等進行采集整合，綜合研判隧道的交通態(tài)勢，采用嵌套算法對隧道的整體運行安全狀況進行預(yù)測評估，結(jié)合突發(fā)事件不同的嚴重程度等級，啟動對應(yīng)的應(yīng)急救援預(yù)案，展開應(yīng)急救援，實現(xiàn)突發(fā)事件的實時、高效、規(guī)范處置。應(yīng)急救援子系統(tǒng)運行原理如圖4所示。

2.3 養(yǎng)護管理子系統(tǒng)

設(shè)備設(shè)施的正常運行是隧道運營的根本，針對隧道基礎(chǔ)設(shè)施、機電設(shè)施設(shè)備、交通安全設(shè)施設(shè)備的基礎(chǔ)信息和養(yǎng)護信息進行存檔保管，實現(xiàn)數(shù)據(jù)流程化操作，結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范要求將機電設(shè)施檢查、交通安全設(shè)施檢查等各類報表活化；根據(jù)實際養(yǎng)護程序，記錄養(yǎng)護環(huán)節(jié)產(chǎn)生的各類報表文件，并實現(xiàn)歷史查詢功能；結(jié)合GIS、BIM等工具多樣化展示養(yǎng)護管理數(shù)據(jù)。

2.4 數(shù)據(jù)分析與輔助決策子系統(tǒng)

通過對監(jiān)測的各類數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、歸納、對比和分析，形成規(guī)定格式或者自定義格式的各類報表，根據(jù)養(yǎng)護報表、檢查報表、維修報表數(shù)據(jù)，綜合分析設(shè)備質(zhì)量，生成分析報告；根據(jù)異常事件的場景、相關(guān)聯(lián)的機電設(shè)備，生成交通組織方案，輔助決策；根據(jù)報表數(shù)據(jù)，對養(yǎng)護任務(wù)、計劃執(zhí)行情況進行追蹤，并生成養(yǎng)護質(zhì)量追蹤報告；根據(jù)近期報表數(shù)據(jù)，備件統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對備件的需求進行預(yù)測，定期生成備件需求報告。

3 結(jié)論

圖2：照明監(jiān)控模塊運行原理圖

圖3：通風(fēng)監(jiān)控運模塊行原理圖

圖4：應(yīng)急救援子系統(tǒng)運行原理圖

本文結(jié)合當(dāng)前隧道運營管控系統(tǒng)發(fā)展趨勢及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提出了一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧隧道運營管控系統(tǒng)，實現(xiàn)隧道各系統(tǒng)互聯(lián)互通、集中管控、綠色節(jié)能、安全防控、服務(wù)協(xié)同。平時對各種設(shè)施進行管理控制，事故時聯(lián)動各種設(shè)施按照預(yù)案快速處置，保障隧道異常事件的精準識別、定位和及時預(yù)警，指揮調(diào)度保障隧道事故應(yīng)急處置的分析研判與高效處置，為隧道運營安全管控系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。