高速公路隧道智慧化改造需求分析及设计初探

娄刃

摘 要：本文通过对隧道营运需求的分析，重新设计了智慧化隧道的系统架构，构建了系统基本功能和技术指标，并对其应用效果进行了定性的阐述。本文构建的智慧化隧道包含六大系统、十八项功能既涵盖了现有隧道机电系统设计的基本内容，又前瞻性的提出了今后隧道机电系统发展内容，为公路隧道智慧化改造提供了探索性研究的创新思路。

关键词：智慧隧道;机电系统;车路协同;智慧化;高速公路

中图分类号：U457 文献标识码：A

0 引言

我国正处于高速公路建设的迅猛发展时期，且高速公路建设逐渐由经济相对发达的平原地区向经济相对欠发达的山地地区转移，隧道作为公路的特殊路段也相应地得到了迅速发展，我国已成为世界上公路隧道规模最大、里程最长和发展最迅速的国家。隧道作为路段的一种特殊组成部分，與普通路段的公路环境相比具有内外亮度差异大、空间小、纵深较大、出入口数量少、封闭性强等特点，再加上近年来车辆迅速增加，日益恶化的交通拥挤，各种交通事故频繁发生，隧道的安全问题越来越为隧道建设者和运营管理者所关注。相较于公路路段发生的各类交通事故，隧道交通事故的数量虽然较少，但其危害性更大。高速公路隧道是高速公路环境下机电设备最为集中的区域。原有高速公路隧道建设标准是基于十几年前的技术条件下制定的，子系统的设计、系统功能的要求，设备的技术标准已经无法满足当前营运管理的普遍要求。在当前“智慧高速”建设大发展时期，对于高速公路隧道机电系统提出新的目标、要求，成为势在必行的重要工作。

1 隧道营运需求分析

1.1 实时了解和改善隧道交通运行状况的需求

原有体系按照这一需求建立隧道机电体系架构，如交通流信息采集（车辆检测器）、自然环境信息采集（气象检测器、环境检测器设备）、隧道空气环境改善（通风设施）、隧道照明环境改善（照明设施）、隧道应急事故事件处置应对（消防设施、紧急电话、报警与诱导设施）。在新的体系架构中原有的内容将作为基本功能要求体现。

1.2 实时了解隧道设备运行状态的需求

原有隧道体系对设备运行状态的监测无明确要求，本文将对该部分内容进行研究，确定设备运行状态监测的具体内容和要求。

1.3 实时了解隧道能耗情况的需求

原有体系架构中隧道低压供配电涉及到隧道设备设施用电问题，但对能耗及节能相关内容并未涉及。在刚需的推动下，大量隧道实施了电力监控系统，给体系架构调整夯实了现实意义。本次研究将对隧道能耗采集内容、范围、频次以及行业基准能耗进行研究，实现隧道能耗信息采集以及隧道能耗在行业基准能耗比对下的可改善情况分析。

1.4 实时了解目前隧道交通运行状况的问题或者隐患

在目前隧道交通运行的状况下分析交通流情况，对交通事故风险水平，火灾状况下应急处理能力水平分析，以及改善提高的情况分析。

1.5 实时了解目前隧道设备运行情况的问题或者隐患

根据对设备运行时间、状态、日常更换维护进行记录，分析设备运行寿命，提供更换维保建议，对于风险等级较高的设备设施进行提示。

1.6 为公众提供道路信息的需求

随着车辆与道路智慧化程度越来越高，车路之间的信息交互也越来越频繁，原有通过可变信息标志、广播等单向、低效的信息交互手段，逐渐不适应车辆对于信息的需求，因此为车辆提供高信息量、数据化的信息服务，也越来越成为营运单位要考虑的重要需求。

2 智慧隧道系统设计与指标构建

在根据确定的需求后，重新研究设计隧道机电体系和各个功能子系统，摒弃原有体系按照设备划分的方式，转而采用根据业务需求的划分方式，面向未来发展需求，将隧道机电系统整体性考虑和设计。将原有设备构成系统的理念转变为设备与软件构成系统，强化软件在隧道机电体系框架中的功能和作用，明确出实际业务需求在新的隧道机电体系框架中的位置。

系统设计及功能指标构建如下：

2.1 通行环境监测系统

将车辆检测、气象检测器、环境检测设备（含通风设施中COVI、风速仪与照明设施中亮度照度检测仪）、闭路电视监视系统整合，增加事故事件检测分析设施成为通行环境监测系统，将隧道行车环境统筹考虑，并利用多维度数据通过软件技术产生分析后数据，如行车舒适度指数、行车风险等级等综合性状态数据。

系统功能及技术指标：

（1）车辆信息采集。具备每一车辆独立信息采集功能，采集基础参数包括：车辆当前位置，精度10 cm±1 cm，采集频率≤1 s;车型，类型包括客车小、中、大三类，货车包括1-5类，危货车一类、异型车一类，准确度≥98%;车牌，准确度≥99%。

具备数据分析功能，可根据基础参数计算得出每一车辆车速，秒级时间颗粒度;自定义空间区间平均车速;自定义时间区间平均车速。采集的基础参数具备结构化数据显示、存储功能。

（2）环境信息采集。具备道路环境采集功能，采集基础参数包括气温，气温精度0.5级，采集密度≤1 000 m，采集频率≤10 min。

气压，气压精度0.5级，采集密度≤1 000 m，采集频率≤10 min。

空气湿度，空气湿度精度0.5级，采集密度≤1 000 m，采集频率≤10 min。

粉尘浓度，精度0.5级，采集密度≤1 000 m，采集频率≤10 min。

路面温度，精度0.5级，采集密度≤300 m，采集频率≤1 min。

路面湿度（100最大，积水状态），精度0.5级，采集密度≤300米，采集频率≤1 min。

路面结冰厚度，精度0.5级，采集密度≤300 m，采集频率≤1 min。

路面亮度，精度0.5级，采集密度≤300 m，采集频率≤1 min。

有害气体含量（碳氧化合物、氮氧化合物、碳氢化合物），精度0.5级，采集密度≤300 m，采集频率≤1 min。所有采集参数数据均使用数字信号传输。

（3）图像信息采集。具备高清彩色图像采集功能，图像分辨率≥700万像素，采集密度≤150 m;特殊结构区域增设图像采集设备。

（4）事件识别能力。利用上述采集参数，具备事件分析功能，可对交通违法事件（超速、超限、违规变道、掉头、倒车、违规停车）、特殊事件（异物占道、行人、异常天气、基础设施异常）、交通事故（撞车、起火、）、交通特殊运行状态（拥堵、缓行）进行自动判别，准确率≥98%。

2.2 通行环境改善系统

将通风设施、照明设施整合为通行环境改善系统，与上述1）子系统形成闭环自控，通过机器深度学习、决策辅助，可实现无人值守环境下的程序自我优化。

系统功能及技术指标：

（1）排烟功能。具备独立烟道的排烟功能，排烟能力≥10 m3/s且可调，排烟口密度≤250 m;洞口具备柔性隔离装置，用于隧道内空气隔绝，抑制燃烧。具备根据粉尘浓度自动调节排烟功能的能力。

（2）送风功能。具备独立送风通道，送风能力≥10 m3/s

且可调，送风口密度≤250 m，具备条件的可以增加新风温、湿度调节功能和空气净化功能，具备根据有害气体浓度自动调节送风功能的能力。

（3）照明功能。具备连续提供照明能力，洞口区域路面亮度要求满足人眼对于光线过渡变化不产生黑洞白洞效应为准，洞内区域路面亮度要求满足200 m范围分辨0.001 m3大小物体的需要;每个照明独立控制单位内发光强度连续可调。具备根据路面亮度自动调节照明功能的能力。

2.3 应急报警与处置系统

将紧急电话系统、报警诱导设施、消防设施、可变标志整合为应急处置系统，根据营运单位应急预案固化在软件中，满足全自动化运作能力。

系统功能及技术指标：

（1）应急报警功能。具备事件当事人主动向管理单位报告事件的能力，具备自动识别异常事件的能力（完全独立于通行环境监测系统中的事件识别能力），异常事件包括起火、撞车、拥堵（缓行）、违规停车、异物占道，识别准确率≥98%。该自动识别异常事件的能力与通行环境监测系统中的事件识别能力相互验证后，形成最终报警指令，并触发处置系统。

（2）应急处置功能。具备交通诱导能力，包括降低隧道车流量的能力，可实现5 min内从当前车流量降为0车流量。具备在触发处置系统30 s内，向后方所有车辆提供应急事件信息的能力。

具备车辆疏散能力，疏散指令可让每一个隧道内密闭车窗的车内司机清晰接收。

具备独立通道的人员疏散能力，疏散指令可让每一个隧道内人员清晰接收。人员疏散通道入口间距≤50 m，入口隔离装置具备自常闭能力，隔热、防火、空气密闭性强，双向可开启。

具备起火点50 m内提供明显标识的灭火设施、自备电源照明设施、基础逃生设施的能力。

（3）预案联动功能。具备自定义预案并自动根据事件类型联动控制通行环境改善系统的能力，具备自动联络交警、路政、急救、施救等部门，并提供事件具体地点、事件类型的能力。事件处置结束后，具备恢复联动前状态的能力，具备自动联络交警、路政、急救、施救等部门提供事件处置结束信息的能力。

2.4 能源监控系统

将低压供配电扩展为能源监控系统，增加能耗监测与统计功能，包括电能监测分析、发电机柴油消耗监测分析，通过软件技术分析能耗趋势，通过比对行业基准能耗，分析排查高于基准的耗能设备，有助于持续性节能优化改造的实施，协助完成政府对于节能减排的指标考核要求。

系统功能及技术指标：

（1）能源监测功能。具备对汽柴油用量、电能长期在线监测的能力，监测最小单位为每个独立供能通道。

（2）能耗数据分析功能。具备对能耗数据突变、渐变、局部过高（低）等异常情况自动分析能力。

2.5 基础设施监测系统

将结构物、机电设备、软件及能耗的运行状态进行监测，实时了解结构物和机电设备、各类软件的运行状态，提高基础设施维护的准确性和及时性，保障基础设施的稳定运行。

2.6 公众服务系统

将隧道内扩展定位服务、隧道内车路协同服务、隧道内通信网络服务整合为公众服务系统，为公众提供必要的信息。

3 预期应用效果

根据本文上述内容的分析与设计，基本完整的构建了智慧化隧道的雏形，既满足管理单位的管理需求，又满足车辆的驾驶需求;既解决了正常运营状态下的一般需求，又解决了应急状态下诱导处置需求。随着技术的成熟，指标满足度提高后，完全可实现隧道营运无人化。

参考文献：

[1]浙江省交通建设指南[S].ZJ/ZN 2020-01《智慧高速公路建设指南（暂行）》.

[2]公路工程质量检验评定标准第二册[S].JTG F80/2-2004.

[3]公路隧道機电系统的机构划分及有效度评价[J].