甘肃省高速公路智慧隧道综合管控系统探析＊

罗 婷，贾彦党

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州730000；甘肃省智慧交通重点实验室，甘肃 兰州730000）

甘肃省高速公路建设起步较晚，但发展迅速，特别是随着“交通强国”战略的实施，高速公路建设向山区推进、长大隧道的数量和规模也在不断提升，截至2019年底，全国公路隧道19 067处，1 896.66万m，其中特长隧道1 175处，521.75万m，长隧道4 785处，826.31万m[1]。隧道内具有空间密闭、视野范围小、能见度低等一系列特点，导致隧道内行车存在安全隐患大、出现故障难排查，其次，隧道内由于机电设施种类多，系统构成繁杂，隧道机电设施各个系统独立，缺乏联动控制，信息孤立、没有统一的系统对隧道机电设施设备进行统一的监测和远程管控手段，遇到突发事件和安全事故时，存在信息可信度低、信息传达更新不及时等问题，因此，有必要建立统一的隧道综合管控系统，提升隧道运行情况的监测能力和对突发事件的应急处置水平，推动传统监控迈向智慧运营管理的新高度，让运营管理更高效、公众出行更安全、交通运输更畅通。

1 隧道机电系统现状

公路隧道机电系统隧道基层单元建设包括区域控制系统、隧道供配电系统、隧道通风系统、隧道照明系统、视频监控系统、交通监控系统、火灾报警系统、环境监测系统、电力监控系统、隧道供配电系统、隧道消防系统等，隧道管理站直接负责对所辖隧道的日常监控和管理，接收隧道区段监控设备采集的各种信息，经综合分析、处理后形成控制方案，并由隧道管理站向隧道区段的控制设备下达控制命令。当事故发生时，隧道管理站可与附近的部门如交警、医疗、消防建立联系，相互协调完成隧道内的救援以及后续的事故处理工作。此外，隧道管理站还负责向分中心上传隧道监控数据和图像，并在必要时可由路段监控分中心接管对隧道的监控。但由于目前缺乏管理需求与信息资源的有限结合，没有将整个隧道机电系统从整体上来考虑，割裂地应用每个系统，难以发挥整体优势，直接造成信息分析处理弱化及联动控制管理效果减低[2]，而且很多隧道的信息化、智慧化水平落后，造成隧道内安全事故频发。

2 系统建设的意义

为提高隧道（群）监控运营的安全性和高效性，有力提升隧道管理与服务的智能化水平，以实际业务需求为导向，结合甘肃省数字交通发展的需求，引入“动态化、平台化、自动化、智慧化”的四化交通思维，以“数字隧道、绿色隧道、安全隧道”为建设目标，采用物联网、边缘计算、大数据分析、人工智能、机器视觉、数字孪生等新一代信息技术，以隧道机电设施与网络资源为基础，增设相应的雷达、边缘计算、路侧单元等智能设备，构建涵盖高精度地图、隧道综合监控、重点运营车辆跟踪监控、智能分析与辅助决策、交通事件应急处置、数字资产管理与智慧运维、车路协同创新应用等子系统的智慧隧道（群）全业务一体化监管平台。

3 系统建设的主要内容

智慧隧道一体化综合管控平台充分贯彻顶层设计、集成整合理念，全方位布局隧道交通感知系统，旨在全面提升甘肃省隧道出行安全预警与风险管控、协同服务水平。智慧隧道运营管控一体化平台采用省中心、分中心、隧管站三级组织结构，自下而上传递监测数据，满足不同层级的业务管理和协作要求。

将隧道综合监控系统、应急处置系统、数字资产与智慧运维系统和智能分析与辅助决策系统集成在一个平台，实现一体化管控。凭借隧道内所用到的机电设备，在此基础上采集机电基础设施的数据，获取数据信息，经过数据处理和集成，利用智慧管控系统实现数据联动分析和设备联动控制，最后通过监控中心的大屏幕、可变信息标志、隧道智能广播、车载终端等将信息发布出去[3]。

3.1 总体架构

隧道的综合管控主要由智慧隧道（群）全业务一体化监管平台实现，平台设计贯彻顶层设计、集成整合，全方位布局隧道交通感知系统，实现资源整合、信息共享，全面提升隧道综合管控与风险管控能力，保障出行安全，提高服务水平。智慧隧道（群）全业务一体化监管平台能够基于高精度地图、三维建模和智慧基站融合感知技术构建隧道智慧应用，实现隧道全域范围下数字孪生，以直观可视方式展示现场交通情况、运行数据、事件预警等信息。基于多元数据融合算法的边缘计算和系统阈值设定，集成各大业务系统于一个平台，实现机电设备的联动控制、辅助决策和综合管控，智慧隧道总体架构如图1所示。

智慧隧道（群）全业务一体化监管平台总体架构分为4层。

第一层为感知层，主要由隧道各类机电设备和智慧化设备构成，主要对隧道内的各类信息数据进行采集，实现对人、车、路、环境等交通要素的感知和状态数据采集，包括摄像机、雷达、照明、风机、紧急电话、CO/VI检测器、可变情报板及智慧基站等设备。

第二层为通信层，各类感知设备可借助光纤通信、4G/5G网络、C-V2X等将实时数据传输至后端平台中。

第三层为支撑层，主要将前端设备的数据进行汇聚、处理，确保各类数据有效传输和高效处理，为业务应用提供支撑，同时借助高精度地图对车辆进行高精定位和三维表征。

第四层为应用层，主要由隧道综合监控系统、数字资产与智慧运维系统、智能分析与辅助决策系统、应急处置系统和重点车辆运营监控系统构成，各个系统为隧道管理运维及公众提供高效的管理模式和优质的服务。

3.2 隧道综合监控系统

基于隧道机电工程设施及组网环境，将隧道监控的各类子系统（区域控制监控、交通监控、通风照明监控、视频监控、环境监测、火灾报警、紧急电话与广播、电力监控、消防监控）的监测控制数据及功能融合集成到统一的处理平台中，该平台不仅能够实现各类设备的状态监测与控制，还可根据交通量、洞内外环境等参数实时计算隧道照明和通风需要，实现按需照明和通风，以减少能耗，并且各个子系统之间能够数据共享、联动控制，全面提高隧道运营协同监测、智能诱导、联动控制能力和服务水平。

3.2.1 交通监控系统

交通监控系统主要包括交通事件检测、交通控制及诱导设施，具体包括车辆检测器、交通信号灯、车道指示器、可变情报板、路面激光投影等。隧道内交通事件检测采用视频事件分析服务器、火灾探测器、能见度检测器、智慧基站、车辆检测器等多元数据经过边缘计算预处理后进入监控系统，内置阈值系统和融合分析算法，对于异常事件能够弹出报警提示，通过交通异常事件研判，可以在平台上展示事件结果，控制台操作员确认后，下发执行联动预案，将信息推送到监控大屏上。

3.2.2 照明控制系统

隧道照明系统可以改善隧道内的视环境，为隧道内通行提供视觉享受，减轻驾驶员疲劳，有利于提高隧道通行能力，保证交通安全。隧道照明控制系统通过洞内、外设置的亮度检测器，实时获取车辆检测器、事件检测服务器数据，调用气象部门数据，实现不同天气、不同时段、不同交通量参数条件下影响隧道区域内不同段落照明环境的自动、逐级、健康调控。并根据车辆检测器，智能判定在一定时间内无车辆经过时，自动切换为节能模式。此外系统能够根据时段、月份车流情况进行大数据分析，提供时序或自动控制方案，由人员确认后实施。照明系统同时为应急处置系统提供指令接口。

3.2.3 通风监控系统

隧道通风设施通过改变隧道内空气的化学组成和气候条件，满足人员工作、车辆运行的卫生和安全要求，保证隧道正常运营。通风控制系统由隧道站通风管理计算机、隧道设备室区域控制器、通风控制柜、现场控制箱、风机、CO/VI检测器、风速风向检测器、电缆等组成。根据设置在隧道内的CO/VI检测器、风速风向检测器检测到的隧道内CO浓度、能见度和风速风向情况。系统以检测到的CO浓度、能见度数据、风速风向值、交通量、有害物质点位、密度为依据，前置边缘计算服务器将多源数据进行清理、筛选、融合形成算法所需数据，控制风机运转，包括风机运行台数、运行时间、转速转向的控制，有自动、手动控制。设在隧道墙壁的现场控制箱能够完成风机本地的人工控制。自动控制将一个断面上的2台风机作为一组进行控制，由通风监控系统返回每台风机的状态信号，即风机的正转、反转、停止、故障等信号[5]。通风系统能够根据风险等级和事件类型启动排风方案，并为照明控制、消防监控、视频监控等提供数据接口和消息指令。

3.2.4 消防监控系统

隧道消防设施用于隧道内发生火灾时，提供给行车人员、隧道管理和消防人员前期火灾灭火设施。为实现消防系统智慧化升级，需在现有洞内消防设备箱、水泵房、洞内水池、电伴热等关键节点处增设电子流量计、液位传感器、压力传感器、温度传感器等设备，不间断采集消防系统管网和设备的运行状态数据。一旦水井缺水或水位不达标，启用电力控制系统，启动水泵注水至设计水位。电伴热管道采用的传感器能够实时监控管道水量，一旦发生无水空热，会及时切断电源，并将信号反馈至监控系统，预留短信、APP通知服务。

3.2.5 火灾报警监控系统

火灾自动检测报警系统独立运行，在使用者触动手动报警、双波长火焰探测器检测到火灾信号、摄像头检测到火灾条件下，可在火灾报警控制器上显示出报警点或失火位置，监控显示器或大屏自动切换距离最近的3台摄像机视频信号，监控火灾或报警点，同时启动视频本地自动录像。管理人员通过视频监控确认险情后，启动信息发布系统，推送信息到已经处置系统，开启应急预案，减低事故受害者、其他驾驶人员和救援者的伤亡率，缩短救援时间，防止二次事故发生。

3.2.6 视频监控系统

隧道视频监控系统由隧道外场摄像机、图像传输设备、中控室内闭路电视监控设备等组成。视频监控系统通过接入摄像机图像，集中显示隧道不同点、段车辆运行情况，便于隧道管理人员及时掌握隧道交通运行情况，可以将数据与通风监控系统、电力监控系统、信息发布系统、火灾报警监控系统等进行数据共享，根据外接设备采集到隧道内的实时信息，将视频数据推送到平台界面，可以实现隧道内各个系统联动控制，如通过屏幕提示、报警联动、指定录像等各种方式将报警信息发送给管理人员、直管单位、联动单位等，视频监控系统能够接入应急救援系统联动控制交通设施。本次设计视频监控摄像机主要复用重点运营车辆监控系统中智慧基站的相关摄像机。

3.2.7 电力监控系统

系统可以对隧道供电设施实现设备用电监测、故障报警、异常事件、能源动态监测等功能。使用智能控制柜准确掌控用电设备断电、断网、雷击、环境检测、开箱动作等记录。系统提供报表生成、数据打印、历史数据、越限及故障报警信息、数据报表等功能，能够分析不同月份、节假日、天气状况下的电力统计曲线图，预判未来供电需求，为养护决策提供数据支撑。

3.2.8 信息发布系统

信息发布系统可以最大化地发挥视频和实时路况等综合交通信息的价值，根据平台后端采集到的信息，发布交通信息，并实时管理发布的信息。以情报板显示消息及时提醒驾驶员道路行车条件及天气条件。实现远程语音讲话、交通指挥、路况提示等功能，及时发布驾驶安全信息，减少交通事故；隧道内发生异常事件时，应急处置系统接收到可变信息标志推送的信息，开启预案，减低事故的发生率。

3.3 重点运营车辆监控

重点车辆运营监控系统主通过设置车辆识别、雷达监测、边缘计算、路侧单元等智能设备，利用高精度地图和GNSS时钟授时，采用车辆动态数字孪生技术，实现“两客一危”等重点运营车辆在隧道内的全域实时可视化跟踪监控，并通过智能分析与辅助决策系统，提前预警隧道内重点运营车辆可能发生的交通事故。在事故发生时，可及时调用应急处置系统，对隧道进行有效管控和事故及时处置，有效避免二次事故发生，提高隧道运营安全主动防控能力。重点车辆运营监控系统功能架构如图2所示。

3.4 应急处置系统

应急处置系统根据隧道影响区域、路网影响区域不同设置综合防控范围，针对隧道内的各种突发情况，制定应对措施，结合不同的突发事件的内容，通过智慧隧道一体化综合管控平台，结合高精度地图和边缘计算等技术手段对发生事件和交通态势进行研判，根据不同的突发事故以及事件的严重程度，自动弹出告警信息，提示用户是否执行报警预案，用户确定执行相应的应急预案，展开实时、高效、规范应急处置。

应急处置系统应包括对隧道内所有常见的事件场景，按照“一事件一措施”的原则，对每个事件场景设置相应的处置预案，具体的应急处置系统功能架构如图3所示。

图3 应急处置系统功能架构图

3.5 数字资产管理与智慧运维系统

高速公路所使用的机电设备种类繁多，数量庞大，传统的机电设备管理方式难以对机电设备的使用以及故障信息进行精准分析，难以全面、及时、准确掌握机电系统资产信息，同时机电设备分布广泛，机电运维质量严重依赖个人的能力和意愿，运维投入的有效性、合理性难以评估。为了提升机电设备的精细化管理和智慧化运维，通过大数据、高精图地图、物联网等前沿技术构建数字资产与智慧运维管理系统，对隧道机电硬件设施实现数据化管理、全方位监测，对机电设施故障实现自动巡检、自动报修，对设备养护维修的全过程进行监督。该平台总体架构采用大数据、云、智能终端的信息系统架构，系统主要功能结构如图4所示。

图4 数字资产管理与智慧运维系统功能结构图

3.6 智能分析与辅助决策系统

智能分析与辅助决策系统通过收集隧道内设备、车辆、环境的实时信息，实现对隧道内运行状况进行智能分析，并结合隧道管理工作的需求以及当前的运行状态来确定隧道运行的管控策略。系统中预设了事件匹配预案，可以对隧道内事件发生的事前、事中、事后都进行全方位管理，并进一步明确隧道事件处置流程，智能分析与辅助决策技术架构如图5所示。

图5 智能分析与辅助决策技术架构图

4 结论

综上所述，针对目前隧道运营管理方面存在的不足，用信息化手段优化现有业务机制和管理过程，从隧道综合监控系统、应急处置系统、数字资产与智慧运维系统以及智能分析决策系统等方面的技术探索，将各个系统集成在一个平台，实现隧道运营一体化管控，大幅度提升公路隧道安全预警能力、事件处理能力和决策指挥能力，降低隧道管控人力成本，提升隧道管控效率，减少隧道安全事故带来的经济损失。