基于物联感知的高速公路隧道机电一体化智能管控系统研究及应用

文/王旭东、耿亮、申林山

1 前言

河南省交通运输厅明确提出，要强化隧道一体化紧急救援系统建设，保障实现火灾报警、通风、消防等设施联动联控的任务，并安排组织实施隧道机电安全一体化管控试点项目。河南省交通运输发展集团有限公司深入贯彻部省战略部署，选取南阳分公司辖区4 座高速公路长隧道为试点，加大新技术的应用创新，开展高速公路隧道机电一体化管控系统应用研究，推进高速公路隧道管理提质升级。

2 管理现状及问题

河南省交通运输发展集团有限公司南阳分公司运营管理221Km 高速公路，管辖沪陕高速南阳至豫陕省界段（2007年10月建成通车，全长150.5Km）和呼北高速南阳段（2015年12月建成通车，全长70.5Km）两段高速公路，辖区共有32 座隧道，隧道全长31.93Km，其中长度超过1000m 的长隧道7 座，分布在所辖呼北高速南阳段。

现高速公路隧道管理普遍存在数字化管理能力不足以及系统集成、关联度不高，且各系统软件普遍存在孤岛化、碎片化等问题。隧道管理所设置有视频监控、照明、通风、交通诱导控制、火灾报警等系统，每个系统软件单独控制各自系统，在事故发生时需要人工操作各系统，操作过程机械化、重复化，事故处置效率低、易出错；隧道发生突发事件的交通诱导、人员疏散方案较多地依赖人的主观判断，一旦处置不当或判断失误就会造成严重后果；机电设备状态监测未建立故障检测、诊断及维护一体的响应机制；隧道运维养护主要精力、财力在路面养护方面，对机电养护关注不够，往往在系统出现问题后采取补救措施。

3 高速公路隧道机电一体化综合管控平台方案

为保证试点项目“先进性、实用性”，隧道机电管控平台提出了“1 平台、2 探索、3 应用”的总体建设思路。

“1 平台”是指建设一个隧道机电综合管控平台，统筹管理试点隧道群外场及隧道管理所设备，由综合管控平台实现联动及协同处置功能。

“2 探索”是探索两项示范试点应用：一是尝试依托公共云平台的应用系统部署，利用云平台的虚拟化、分布式计算、负载均衡等技术，合理分配计算与存储资源，实现隧道管理所运维“节能、高效、简化管理”的需求；二是试点应用隧道机电设备联动应急预案管理，将应急预案电子化，实现机电设施一体化联动控制，高效有序地应对突发性事故，使得应急救援工作由经验型向科学型转化，全面提升高速公路隧道突发事件的应急管理能力。

“3 应用”是指结合隧道管理所运维中的需求，建设三套应用系统：隧道安全运营监测系统、隧道机电设备健康监测系统、隧道机电养护管理系统[1]。

3.1 系统架构设计

3.1.1 设备数据采集架构（见图1）

图1 设备数据采集架构图

3.1.2 软件架构设计（见图2）

图2 软件架构设计图

3.2 隧道安全运营监测系统

3.2.1 隧道机电一体化

平台运用先进物联网技术，建立市面主流厂家设备的通信协议栈，同时应用面向隧道机电系统物联网网关，建立隧道机电设施物联感知网络，实现对隧道各类机电设备的通信连接，将之前相互独立的视频监控、照明、通风、交通诱导等控制系统、火灾报警、消防监测、交通与环境检测、紧急电话与广播等8 大系统集成于一个平台，从而实现隧道机电系统“管、控、养”一体化。

3.2.2 通风智能控制系统

通风智能控制系统根据检测到的能见度数据、CO 浓度数据、交通量数据，控制风机的运行台数、风机风向和运行时间，实现节能运行和保持风机较佳寿命的控制运行；同时，在火灾发生时根据不同原因、不同地点、不同火源进行相应的火灾排烟送风处理，以保证隧道的安全及运行环境的舒适性。

3.2.3 照明智能控制系统

照明智能控制系统根据《公路隧道照明设计细则》要求，结合照明设施现状及节能原则，将照明智能控制模式分为白天模式和夜晚模式，白天模式又可分为晴天、云天、阴天、重阴天等4 种模式。通过实时采集洞外光强检测器的洞外光强数据，系统对隧道内出入口加强照明、洞内的基本照明、洞外引道照明进行联动控制，从而调节洞内各照明段的亮度，消除司乘人员在出入隧道时出现黑洞或炫目的安全隐患，以保证行车安全。

3.2.4 应急预案管理系统

应急预案管理系统依据车型横洞将隧道划分为多个隧道事故区域，每个事故区域依据所处位置、事故类型配置不同机电设备联动控制。目前平台已具备配置隧道火灾、交通事故、危化品泄漏、交通拥堵等4 种应急处置方案；同时，还具备清晰明了的流程化预案处置，流程依次为：事故自动报警、事故点视频确认、联动设备控制、救援单位通知、一键恢复正常通行等一整套事故处置流程。

3.3 隧道机电设备健康监测系统

隧道机电设备健康监测系统实时监测隧道机电设备运行状态。故障发现由过去的人工巡检上报转变为主动预警提示，当设备出现异常数据时，主动预警、精确诊断，并针对诊断结果提出专家排查处理建议，解决故障后，同时记录在系统维护经验库，形成不断自我学习完善的智慧化监测系统。

3.4 隧道机电养护管理系统

3.4.1 设备信息化

系统能够根据录入设备基本信息，进而对隧道设备进行全生命周期管理。从设备的选型、进场、联调、运行、维护、保养一直到报废，自动生成该设备二维码信息，同时用户可通过手持终端，扫描隧道现场设备二维码，从而获取设备的关键信息，同时可进行设备日常巡检、故障设备上报等功能操作，操作完成后工作数据上传至后台，形成管理台账。

3.4.2 养护任务管理

根据当前养护工作模式，系统将日常巡检、清洁维护、定期检查、报维修等养护工作任务信息化处置。通过提前设置安排养护任务及操作方法，定期提醒养护人员，按照系统指示养护任务依次执行，并对“养护工作痕迹”进行记录，自动生成标准化的档案资料。

3.4.3 通知管理

手机端能够实时接收平台发出的异常告警信息、远程巡检报告以及日报、周报等通知信息，管理人员及运维人员可随时随地获知隧道机电设施运行状况，做到异常设备及时发现、及时通知，及时处理[2]。

4 新技术应用

4.1 先进的物联网技术

管控平台运用先进的物联网技术，自主研发一套面向隧道机电系统物联网网关，网关集成市面主流厂家设备的通信协议，轻松实现对各类隧道机电设备的通信连接。

4.2 强大的预案配置引擎

预案配置结合国内最新隧道应急预案研究，依据车型横洞将隧道划分为多个隧道事故区域，每个事故区域依据所处位置、事故类型配置不同机电设备联动控制。

4.3 智能的主动防御技术

管控平台的在线监测系统不依赖隧道机电设施自身上报的故障信息，而是利用大数据处理技术和异常检测算法，实现隧道机电设施主动防御技术。

5 结语

隧道机电综合管控平台成功应用于呼北高速南阳段西坪至寺湾段南部四条试点隧道，适应高速公路技术与管理发展新趋势，实现了物联网等信息技术在隧道运行监测、行业管理和社会服务领域的深度融合与应用，加强了隧道管理所机电系统的一体化监测与管理，提升了隧道联动及协同处置能力，有力推动了高速公路信息化建设，促进高速公路隧道管理和服务水平再上新台阶，实现了提质增效的目标。