长大隧道的智慧系统解决方案研究

摘要： 通过国家智慧化建设政策梳理，分析当前城市长大隧道痛点问题。以深圳妈湾跨海隧道为例，提出长大隧道智慧系统总体解决方案。以大数据、物联网、移动互联网等先进技术为手段，针对隧道营运管理中涉及的安全、畅通、节能、养护等业务需求，构建智慧运维管控一体化平台、结构多维监测系统、智慧隧道全息感知系统、智能巡检机器人系统、消防设施智能监测系统，实现隧道日常监控、事故应急、安全监测、节能减排、日常养护等全方位业务的管理，帮助隧道管理单位提高隧道安全性，降低营运成本。关键词： 智慧系统; 智慧管理; 智慧运营; 长大隧道

中图分类号： TU855文献标志码： A文章编号： 1674-8417（2024）10-0025-06

DOI： 10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.10.005

0引言

随着社会经济的发展，交通流量迅速增长。传统的隧道机电和管理系统已难以满足新时代隧道运营管理、维护的需求。传统的隧道管理系统未形成统一、互通的平台，功能较为单一，只能进行简单的数据统计与管理应用［1］。同时，各系统之间数据不互通，信息孤岛现象严重，无法有效支撑隧道管控的辅助决策应用。隧道管理站/所仍然以人工巡检、确认、控制的方式为主。传统管理系统自动化程度不高，在交通监控、事件识别与预警、信息服务、运营维护、应急救援与处置等方面存在着诸多不足。

近年，国内建设的跨海、跨江特长隧道都已经采用智慧化方案提升数字化运维管理能力。例如数字化港珠澳大桥海底隧道项目，是广东交通“十四五”规划的重点项目和“新基建”建设的代表性项目。港珠澳大桥海底隧道全长5.6 km，是世界最长的公路沉管隧道和唯一的深埋沉管隧道，也是我国第一条外海沉管隧道，最大水深超过40 m。立足于港珠澳大桥海底隧道的实际运营需求，以数字化为驱动，从信息感知、结构评估、维养决策、交通运行、安全管控等方面入手，引入物联网、大数据、人工智能等新技术，建立数字化运维标准及技术方法体系，打造一流的智能化运维平台。

1工程概况

妈湾跨海隧道位于珠江入海口东岸、深圳市西部港区，是深圳市西部主要疏港通道，也是深圳重点建设项目。妈湾跨海主线为城市快速路，辅路为城市主干路。设计速度主线为80 km/h，辅路40 km/h。主辅路均为双向六车道，车道宽度3.75 m。工程全长约8.05 km，隧道长度6.33 km，其中海域盾构隧道全长2.06 km;明挖隧道长4.27 km;全线设置主线出入口2处，匝道出入口3处。妈湾跨海隧道位置示意图如图1所示。

2智慧隧道总体建设方案

针对特长跨海隧道结构复杂、交通安全管理要求高、运维任务重的特点，应用人工智能、数字孪生、物联网、雷视融合感知等新技术实现智慧化管理。结合隧道实际情况，综合考虑隧道日常运营管理的需求，提出了“1+3+4”智慧隧道系统建设维度的总体架构。

（1） 平台：建立基于BIM和GIS为基础的综合性基础管理平台，构建智慧隧道大脑，实现全息感知、深度融合、优化决策、协同控制、高效管理的智慧型隧道平台。

（2） 支撑：作为智慧隧道平台运营的基础支撑条件，包括5G网络建设、应用设计和感知设施，做好基础设施服务和数据的公共服务支撑，为智慧隧道建设打下坚实基础。

（3） 应用系统：根据地下道路智慧建设服务交通使用者和管理部门的不同需求，提出了结构多维监测、智慧隧道全息感知、智能巡检机器人、消防设施智能监测系统等四大系统建设。

2.1智慧运维管控一体化平台

管控平台将从“结构安全、交通管理、应急处置、智慧运维”4方面完善工程的智慧施工、运营和运维能力，提高工程整体智慧化水平。

结构安全：建设复杂建设环境下的隧道全生命周期健康监测系统，对施工、运营、养护阶段的全过程监测，全面采集结构监测数据，做到提前预警、动态评价、趋势预测、养护建议。确保项目尤其结构不出现安全事故，保证国家财产和人民生命安全。

交通管理：结合BIM底座，通过全息交通感知设备，实现基于交通全息感知与数字孪生的无死角驾驶护航，实现对重点车辆自动识别，启动轨迹跟踪视角，进行车辆的全程护航引导。通过AI+BIM建模技术，对隧道交通环境实时还原分析。保证项目交通运行效率与安全。

应急处置：打造数字化应急处置体系，提高响应精度，实现突发事件的及时响应和快速处置，最大限度降低损失，避免二次事故。以及“事后”处置归档与流程优化，持续提升管理方式。全流程保障交通安全，最大限度地降低民众生命和公共财产损失。

智慧运维：构建1套基于人工智能知识决策辅助的具有诊断系统的全生命周期机电设备监测系统。确保隧道发生应急事件时设施设备可用，保障隧道应急事件处置。

2.2系统支撑架构

总体架构图如图2所示。

感知层：负责隧道内各类数据的采集，是隧道建设的基础。数据感知层主要包括交通视频监控设备、交通流量采集设备、信息发布设备、定位导航设备、紧急呼叫设备、火灾探测设备、智能化消防联动设备等。通过智能化外场设备的布设，实现对隧道人、车、路、隧道和环境信息的全息感知。

通信层：基础设施方面，依托云平台资源和本地专用硬件设备等，用于承载数据、公共信息平台和业务应用的正常运行。包括计算、存储、网络、安全、云服务等IT基础设施设备;通过多种网络通信能力实现终端、设备、数据、应用等互联互通，涉及互联网、物联网、视频专网以及其他专网等，让隧道各业务部门协同互通。

应用层：构建智慧交通运行管控、智慧交通引导、智慧隧道防灾、智慧养护管理四大智慧隧

道子系统。通过对隧道内各类感知数据及政府交管数据的进一步融合处理，实现以下功能：① 智慧化、科学化的隧道内交通运行管理，提高交通运行效率;② 隧道内交通实时、精准引导，实现地面地下交通无缝诱导;③ 实时火灾探测及应急救援;④ 隧道内设备、结构的实时监测及养护。

2.3应用系统方案

（1） 结构多维监测系统。

根据隧道工程地质条件及隧道结构设计特点，通过有限元软件精确分析，分析隧道施工、运营期可能发生的病害和风险，同时在总结相关经验的基础上，结合传感器技术发展现状，确定监测内容和监测位置。

根据综合分析结果，确定隧道健康监测指标包括五大类。隧道健康监测内容如表1所示。

直径收敛：隧道收敛监测采用激光测距仪，激光测距仪具有测量速度快、测量精度高、产品体积小，使用方便等特点，可运用于隧道拱顶沉降及收敛监测。隧道变形缝位移：变形缝/接缝位移监测采用双向位移计进行监测。隧道整体沉降/不均匀沉降：隧道不均匀沉降采用静力水准仪监测。拱顶、拱腰应变：拱顶、拱腰应变监测采用振弦式应变计进行监测。渗漏水监测：渗漏监测采用加热型铠装测温光缆监测。

结合妈湾通道隧道沿线工程、水文地质条件、工程平纵线形方案以及潜在外部作业影响，除标准断面设置必要沉降监测点外，重点考虑结构安全薄弱点（隧道螺栓、管片接头等），在突出重点的基础上，兼顾全线范围，选取能综合反映隧道运营期主体结构受力的典型断面作为监测对象。典型监测断面选取原则如下：① 特殊结构处。盾构段螺栓、管片接头等特殊连接件以及工作井和盾构隧道连接段。工作井和盾构隧道连接段是隧道纵向由刚性连接过渡到柔性连接的过渡段，对结构纵向受力有较大影响，应重点关注。② 荷载明显变化处。包括两侧岸堤、海域航道处、埋深最大等，应重点关注。③ 重要风险源处。隧道与既有、在建重要建构筑物相交处，断裂带对变形相对敏感，应设置监测断面动态监测相互影响;隧道与已明确规划的重要建构筑物相交处，应设置监测断面动态监测后期项目的建设对隧道的影响。④ 纵向间距尽量均匀布置，且左右线均衡。

根据上述原则，每条盾构隧道健康监测断面共布设11个断面，左、右线隧道均设。预留2个监测断面（每条隧道预留1个监测断面）的传感器设备，布置在施工阶段易出现问题的位置（例如长期停顿、隧道变形过大等）。

（2） 智慧隧道全息感知系统。

隧道全息感知系统主要由毫米波雷达、车牌抓拍单元、可燃气体检测仪、VOC气体检测仪、氯化氢气体检测仪、过氧化氢气体检测仪、氨气气体检测仪、氟化氢气体检测仪，以及边缘时空大数据融合节点等主要设备组成。通过深度融合雷达、可见光视频、抓拍单元、设备端传感器等多类传感器对隧道内外交通信息进行动态感知，实时采集隧道内外包括交通状态运行实时数据、交通流数据、过车数据、交通突发事件在内的多类应用数据，以丰富的高精数据资源支撑隧道车道级精细管理。

隧道全息感知系统能持续获取车辆轨迹信息，实现了车辆在不同场景中不同目标车辆位置的持续追踪。平台内可将车辆位置映射到高精地图的统一坐标系中，在虚拟化地图中显示路网中所选隧道的交通实时状态与交通事件信息。隧道全息感知系统如图3所示。

通过对于运动目标实时坐标的分析计算，结合目标点位周边的目标行为分析、比对，能够精准地定位交通异常事件位置，并通过分析具体目标运动状态和趋势，即可快速锁定事件源头。通过平台弹窗报警，所在虚拟化路段提醒并联动监控画面显示。支持的检测交通事件包括行人和非机动车闯入检测、车辆异常停车检测、拥堵检测、流量检测。主要应用有交通在线仿真、交通事件识别等，具体如下：

交通在线仿真：系统基于实时路况信息采集，实时感知隧道交通运行状态，实时监测交通异常事件，通过数据传输到平台，实现基于实时数据交通仿真，模拟多路径选择与驾驶行为，仿真与历史实时数据融合矫正，海量数据学习迭代，自主优化，实现交通状态短时预测，数据分析实时推演交通发展趋势，辅助隧道管理部门预先掌握交通态势，为主动交通诱导提供较为精确的判据。

交通事件识别：实现隧道内人、车、物等异常行为事件监测，包括隧道行人、异常停车、车辆逆行、车辆拥堵、车辆事故、抛洒物、越线行驶等异常事件。

通过前端安装卡口抓拍单元、危化品气体检测设备，实现车辆特征数据、危化品数据的提取与融合，结合边缘节点对危化品运输车辆智能分类，在车辆未进入隧道之前及隧道内行驶全程跟踪监测，异常情况实时告警。

（3） 智能巡检机器人系统。

智能巡检机器人系统如图4所示。人工巡检主要采用简单设备进行监测，效率低准确度不高，检频率较低，不容易发现存在的安全隐患，并且当隧道内发生高压电缆或设备起火时，无法做到快速灭火处置。基于以上原因，本工程拟设置智能巡检机器人系统。智能机器人系统结合目前的网络技术能实时对隧道内进行巡检作业。

智能巡检机器人系统主要包括：智能巡检机器人供电系统、轨道系统、分布式充电系统、机器人通信系统，轨道机器人每2～3 km布设1台，整套轨道机器人公用1套管理平台。利用智慧线搭建的无线网络安装吊轨型机器人实现实时的智能巡视，可大大地减少人员成本，提高运维效率。机器人可搭载一氧化碳，氧气，氢气等环境传感器，以及双光谱热成像摄像头，数据实时传回监控中心，为运维人员提供数据支持。

自动巡检功能：智能巡检机器人可进行自动巡检，能不间断地对隧道进行反复巡检，并实现对隧道状态的连续、动态采集。智能巡检机器人搭载多种检测设备，可自动对隧道内的各种设备，如摄像机、检测器、电缆接头、配电箱、各种给排水、消防管道等设施，以及辅助设备的外观检查、温度诊断、气体检测等工作，并对隧道整体运行环境状态进行实时监测，将巡检数据自动传输到软件平台保存，生成检测分析报告。

遥测巡检功能：在智能巡检机器人自主巡检过程中如检测到设备、环境状态异常并向运维人员告警时，运维人员可以在第一时间操控机器人快速到达异常设备位置，及时对异常设备进行查看并核实报警信息，以便迅速制定响应策略。

（4） 消防设施智能监测系统。

消防设施智能监测系统如图5所示。妈湾跨海通道由于其特殊的海下隧道特性，一旦隧道内发生火灾事故，海底隧道外部消防力量的响应速度小于路面公路隧道，海底隧道人员疏散速度也远小于路面公路隧道。因此，须对妈湾跨海通道消防系统做智慧化提升，实现消防系统设备状态数据实时采集、消防系统设备数据联网，构建消防系统数字孪生体，改变以往隧道消防系统数据无法采集、无法远程控制的情况，打造消防系统养运业务全流程数字化，确保隧道消防系统时刻处于完备状态，杜绝出现应急状态下消防栓无水、消防水泵故障、消防水池无水等状况。

消防监测系统主要由消防栓压力监测仪、消防泵压力监测仪、视频采集仪、边缘数据接入与监测一体机、泵房运行环境监控系统，以及消防泵房采集控制系统组成。

消防监测系统在隧道消防系统各关键节点处（如消防栓、消防泵、消防水池等）加装消防栓压力监测仪、消防泵压力监测仪、水池水位检测仪，实现对整体消防水系统的数据在线监测、故障实时报警、巡查报表导出等功能。

隧道日常管理：实现设备故障状态实时监测、实时上报，故障报警实时推送至管理人员移动终端;实现水压、水位数据自动上报，方便管理人员实时掌握消防系统运行状况;实现泵房环境视频监控及异常人员闯入监测，帮助隧道管理人员快速发现病害、故障，精准定位，快速处理，提高隧道管理效率。

隧道应急状况：消防系统作为应急管控流程中重要的部分，为应急管控提供支持，保证隧道应急管控流程的精准、高效。

3结语

人工智能、自动化、数字化的手段替代或辅助传统的人工管理作业，已被反复证明可有效降低不可控因素带来的风险。隧道智慧提升带来可预防结构安全事故，减少民众生命财产损失;增强防灾减灾能力，提升交通安全水平;确保隧道设备设施可用性，保障良好的隧道运行环境;更好地缓解交通拥堵，提升民众出行体验。此外，智慧隧道的建设可以实现4个转变：应用功能从经验驱动向数据驱动转变;管理流程从人工管理向智慧化管理转变;操作模式从独立系统向多系统联动转变;支撑底座从文字报表向依托BIM底座的数字孪生转变。

［1］陈宏，付立家，尚康，等.基于雷视融合感知技术的公路隧道交通管控系统研究［J］.公路交通技术，2023，39（6）：153-159.

收稿日期： 20240524

Research on Wisdom System Design Scheme for Long Tunnel

ZHAN Pengyu

（Beijing General Municipal Engineering Design＆Research Institute Co.， Ltd.， Beijing 100082， China）

Abstract： This article analyzes the pain points of current urban long tunnels through the sorting of national wisdom construction policies，and proposes an overall solution for the wisdom system of long tunnels based on the Shenzhen Mawan Cross Sea Tunnel.Using advanced technologies such as big data，the Internet of Things，and mobile Internet，we will build an integrated intelligent operation and maintenance management platform，a multi-dimensional structural monitoring system，an intelligent tunnel holographic sensing system，an intelligent patrol robot system，and an intelligent monitoring system for fire-fighting facilities，to meet the operational needs of safety，unimpeded traffic，energy conservation，and maintenance in tunnel operation and management.To achieve comprehensive management of tunnel daily monitoring，accident emergency response，safety monitoring，energy conservation and emission reduction，daily maintenance and other businesses，help tunnel management units improve tunnel safety，reduce operating costs.

Key words： wisdom system; wisdom management; wisdom operations; long tunnel