智慧市政隧道功能需求及實施方案探討

楊正波，魏海洋

（中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300308）

0 引言

市政隧道作為城市地下道路，對改善道路交通環(huán)境、緩解交通擁堵具有重要的意義。由于隧道是特殊的地下管狀構(gòu)造物，存在著結(jié)構(gòu)健康、能源消耗、易出事故、導(dǎo)航盲區(qū)等問題，例如今年鄭州受強降雨影響，京廣北路隧道遭遇迅速沒頂造成多人傷亡便是極大教訓(xùn)，而智慧隧道能夠利用先進(jìn)的云計算、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)和智能感知設(shè)施設(shè)備，對隧道結(jié)構(gòu)、環(huán)境、能耗、交通等信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，完成對隧道系統(tǒng)的自動管理和控制，實現(xiàn)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報、安全高效和綠色建設(shè)，因此有必要對既有老舊隧道和新建隧道進(jìn)行智慧化建設(shè)。目前國內(nèi)大部分市政隧道由于建設(shè)年代的局限，監(jiān)管技術(shù)手段落后，運營管理存在不重視預(yù)防性和主動性養(yǎng)護(hù)、數(shù)據(jù)系統(tǒng)性和連續(xù)性不足、檢查指標(biāo)和技術(shù)手段先進(jìn)性不夠、缺少運營服務(wù)水平評價體系、維修養(yǎng)護(hù)措施缺乏指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)、缺乏優(yōu)化配置養(yǎng)護(hù)資金使用方法和理念等問題，主要表現(xiàn)為：

（1）故障響應(yīng)被動。隧道的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)、設(shè)備運行狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)的獲取，大多數(shù)依靠人工定期巡測和抽檢為主要發(fā)現(xiàn)問題或故障的手段，沒有足夠的預(yù)防措施，耗時耗力且無法保障頻率和精度。

（2）養(yǎng)護(hù)巡檢記錄缺失。目前多數(shù)隧道的日常養(yǎng)護(hù)、巡查，多以紙質(zhì)或口頭（對講機）安排工作人員進(jìn)行巡檢、維修、保養(yǎng)及匯報工作結(jié)果，養(yǎng)護(hù)巡檢的制定、傳輸、存儲和調(diào)閱非常困難。

（3）能源管理粗放。隧道中設(shè)置風(fēng)機、水泵、照明等能耗設(shè)備，由于目前粗放式的管理方式，不能根據(jù)實際情況動態(tài)調(diào)整設(shè)備運行方式，存在能源浪費嚴(yán)重的情況。

（4）缺乏養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)支撐。隧道良好的服役狀態(tài)是養(yǎng)護(hù)的最終目的，服役狀態(tài)的綜合評價需要以自動化、半自動化的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，形成適應(yīng)不同養(yǎng)護(hù)單元的評價項、指標(biāo)項，將其服役狀態(tài)量化分析，一方面評估與預(yù)測隧道的服務(wù)水準(zhǔn)和性能，另一方面為隧道預(yù)測性的養(yǎng)護(hù)模式提供決策支持，制定完善的養(yǎng)護(hù)策略。目前大部分隧道缺乏海量養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)的支撐。

為了盡可能解決以上幾方面的痛點，各地都在提高隧道工程建設(shè)的信息化水平，努力朝“智能及智慧隧道”方向發(fā)展。表1為國內(nèi)部分隧道的信息化應(yīng)用情況。

表1 國內(nèi)部分隧道信息化應(yīng)用情況介紹Tab.1 Introduction of information application of some tunnels in China

由表1可以看出，雖然隨著時間推移、技術(shù)進(jìn)步，各種監(jiān)測管理系統(tǒng)逐步地應(yīng)用于隧道工程建設(shè)中，但各系統(tǒng)一是監(jiān)測不全面，二是基本上還是各成系統(tǒng)，系統(tǒng)之間沒有實現(xiàn)互聯(lián)互通，信息不能共享，影響整體效能的發(fā)揮。因此，建成具有全信息監(jiān)測感知、多源數(shù)據(jù)深度挖掘分析、智能控制、科學(xué)決策、高效運行的智慧化系統(tǒng)十分必要。

1 智慧隧道功能需求分析

智慧隧道的功能定位為：全方位、全過程、全天候。為了便于分析說明，將市政隧道劃分為老舊隧道智慧化改造工程（簡稱改造工程）和新建隧道智慧化工程（簡稱新建工程）。

1.1 隧道改造工程功能需求

對于改造工程，由于其受既有土建及設(shè)備安裝條件限制，其智慧功能需求為根據(jù)隧道既有設(shè)備設(shè)施及系統(tǒng)使用情況，有針對性地選擇改造方案，選擇其中某一方面，或多個方面，甚至全部，以達(dá)到智慧化運維管理的目的。以鄭州京廣北路隧道為例，當(dāng)日鄭州降雨量達(dá)到201.9 mm，約30萬 m3的積水在不到3 h迅速灌滿隧道，使隧道遭遇沒頂，積水最深處達(dá)13 m左右。盡管城市紅色暴雨預(yù)警不斷連續(xù)發(fā)布，但京廣北路隧道缺少環(huán)境健康安全監(jiān)測，道路水位無法進(jìn)行判斷，沒有預(yù)警信號發(fā)出。如果隧道設(shè)置環(huán)境健康監(jiān)測措施，在事故發(fā)生前能及時發(fā)布預(yù)警信息，或許能將安全風(fēng)險降到最低。

1.1.1 隧道機電監(jiān)控改造需求

（1）智能調(diào)光控制。隧道內(nèi)交通流量不大時，傳統(tǒng)方法通過燈具間隔開啟或關(guān)閉一側(cè)燈具的方式節(jié)約能源。改造傳統(tǒng)燈具，采用智能調(diào)光系統(tǒng)，實現(xiàn)對隧道各段高精度、高效率調(diào)光，更加合理地對燈具進(jìn)行控制，保障隧道光環(huán)境質(zhì)量，實現(xiàn)綠色節(jié)能。

（2）智能交通監(jiān)控。通過視頻+雷達(dá)等設(shè)備，實現(xiàn)交通運行狀態(tài)和交通違法事件的監(jiān)測，包括交通流量、車輛特征、排隊狀態(tài)、車速、行駛車道、駕乘人員臉部特征、駕駛員行為、周圍環(huán)境等信息的實時監(jiān)測。

（3）智能通風(fēng)控制?；谒淼繡O/VI環(huán)境監(jiān)測的智能通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)，當(dāng)隧道中一氧化碳和能見度數(shù)據(jù)超限時，按照風(fēng)機啟停策略進(jìn)行智能控制，保障隧道內(nèi)的行車舒適度。

（4）智能給排水管道監(jiān)控?；诜植际焦饫w傳感器監(jiān)控給排水管道的漏損，智能控制機械閥門的通斷，減少水資源的浪費。

通過對各機電系統(tǒng)的改造部署，打通機電系統(tǒng)的狀態(tài)、報警燈監(jiān)測數(shù)據(jù)匯聚，為智慧管養(yǎng)提供數(shù)據(jù)接口。

1.1.2 隧道健康監(jiān)測改造需求

隧道健康監(jiān)測主要包括結(jié)構(gòu)健康、設(shè)備健康及環(huán)境健康三方面的監(jiān)測。改造工程的需求為根據(jù)既有隧道的監(jiān)測情況，有針對性地設(shè)置相應(yīng)的監(jiān)測裝置，對相關(guān)項目進(jìn)行監(jiān)測，一是服務(wù)于設(shè)施結(jié)構(gòu)本身，實時監(jiān)測結(jié)構(gòu)安全；二是基于數(shù)據(jù)的養(yǎng)護(hù)決策，服務(wù)于設(shè)施養(yǎng)護(hù)部門，協(xié)助定位設(shè)施關(guān)注點，作為養(yǎng)護(hù)重點動態(tài)調(diào)整養(yǎng)護(hù)計劃；三是基于狀態(tài)分析的設(shè)施監(jiān)管，服務(wù)于管理單位。隧道健康總體監(jiān)測項目見表2。

表2 隧道健康總體監(jiān)測項目Tab.2 Overall monitoring project of tunnel health

1.2 隧道新建工程功能需求

對于新建工程，其智慧化建設(shè)的需求由于不受既有條件限制，考慮在項目總體規(guī)劃階段，系統(tǒng)地進(jìn)行建設(shè)實施。

（1）智慧機電監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)需求

在新建工程中通過物聯(lián)網(wǎng)傳感+信息化技術(shù)+在線運維服務(wù)的模式，自動完成隧道內(nèi)機電設(shè)備設(shè)施與空間環(huán)境日常巡檢工作，自動判斷風(fēng)險并預(yù)警，自動進(jìn)行聯(lián)動控制，通過視頻圖像遠(yuǎn)程監(jiān)督與指導(dǎo)事件處置。表3為其基本功能需求場景描述。

表3 智慧機電監(jiān)控系統(tǒng)功能場景需求Tab.3 Functional scene requirements of intelligent electromechanical monitoring system

（2）全生命智能監(jiān)測與管養(yǎng)的建設(shè)需求

“智慧隧道”意味著工程在施工和運維期間，會應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)等智能設(shè)備收集大量自動感知數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。BIM 是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型。沒有BIM，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用就會受到限制，就無法深入建筑物的內(nèi)核。因此針對城市隧道，有必要打造設(shè)計、施工、運營的全生命周期BIM智慧管理平臺，實現(xiàn)全生命期各參與方在同一多維信息模型基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)共享，同時支持對工程環(huán)境、能耗、經(jīng)濟、質(zhì)量、安全等方面的分析、檢查和模擬，為項目全過程的方案優(yōu)化和科學(xué)決策提供依據(jù)；支持各專業(yè)協(xié)同工作、項目的虛擬建造和精細(xì)化管理；與運營養(yǎng)護(hù)對接，實現(xiàn)信息的可持續(xù)利用。BIM在隧道全生命期各階段的應(yīng)用點包括：

①以能夠容納城市級GIS基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與全項目精細(xì)BIM模型的三維可視化引擎為基礎(chǔ)，融合與工程建設(shè)相關(guān)的各類空間數(shù)據(jù)。

②在設(shè)計階段，通過BIM技術(shù)，以三維可視化方式集成模型、圖紙、現(xiàn)有建筑、管線、地質(zhì)等多種數(shù)據(jù)，在設(shè)計過程中幫助設(shè)計人員更為全面地把握過程、控制成果，及時發(fā)現(xiàn)沖突和隱患。

③在施工階段，在平臺中通過BIM數(shù)據(jù)集成施工進(jìn)度、質(zhì)量、安全、監(jiān)測、人員、設(shè)備、檔案等信息，有效解決傳統(tǒng)施工管理中信息分散、可視化程度低等問題，幫助項目參建各方更好地管理施工過程。

④在運維階段，通過BIM和GIS數(shù)據(jù)描述隧道養(yǎng)護(hù)、維修過程中的各類信息，并接入智慧隧道結(jié)構(gòu)、環(huán)境、交通等各類感知和監(jiān)測信息，幫助用戶更加直觀地查看運維業(yè)務(wù)信息，及時發(fā)現(xiàn)隱患，制定措施，為道路長期健康運行提供支持。

（3）智能巡檢機器人的建設(shè)需求

城市隧道的安全巡檢耗費大量的人力物力，而且人工檢測無法排除由于疏忽大意帶來的安全隱患。人工智能巡檢機器人的介入，能節(jié)省人力，實現(xiàn)人機配合、安全無死角的檢測效果。其系統(tǒng)具備特點見表4。

表4 智能巡檢機器人系統(tǒng)特點Tab.4 Characteristics of intelligent inspection robot system

1.3 城市隧道群集中監(jiān)控需求

為了適應(yīng)交通量增長，城市中許多主干路正在進(jìn)行快速化改造，在改造過程中，建設(shè)了許多城市隧道。為了適應(yīng)隧道建設(shè)及每個隧道的運行維護(hù)管理，有必要建設(shè)城市隧道群管理中心，對隧道群的運營情況進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控管理，以實現(xiàn)既能滿足隧道運營管理需求，又能節(jié)省工程投資、降低運營成本的目的。

（1）管理要求

從管理要求出發(fā)，每個監(jiān)控中心都需要整套的運營管理人員，而且監(jiān)控系統(tǒng)的管理和監(jiān)控又具有很強的專業(yè)性，從一個普通技術(shù)人員到成為一個監(jiān)控室管理人員，需要花費較長時間進(jìn)行培訓(xùn)。如果每條隧道都設(shè)置一個監(jiān)控中心，則管理規(guī)模將非常龐大，運營成本也將大大提高。建立統(tǒng)一的監(jiān)控中心，可以大大減少人員編制規(guī)模，從而大幅降低運營成本。

（2）節(jié)省投資

城市寸土寸金，如果每條隧道都設(shè)置獨立的監(jiān)控中心，各自為政，不僅占用了寶貴的土地資源，而且每條隧道都需要投入大量的監(jiān)控中心設(shè)備。而如果采用統(tǒng)一的監(jiān)控中心，不僅可以節(jié)省建筑面積，還可以將所有監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行集中設(shè)置，實現(xiàn)設(shè)備共享，從而節(jié)省設(shè)備總量。

（3）美化環(huán)境

盡管隧道是地下設(shè)施，但作為管理人員的場所，不管從辦公環(huán)境還是消防逃生方面考慮，監(jiān)控中心宜設(shè)置在地面以上。如果每條隧道旁設(shè)置一個孤立的監(jiān)控管理中心，顯然和城市美化不相協(xié)調(diào)。而如果采用集中的管理中心，則每條隧道只需要設(shè)置簡單的無人監(jiān)控站，而無人監(jiān)控站可結(jié)合地下變電所聯(lián)合設(shè)置，從而節(jié)省設(shè)施占地面積，減少對環(huán)境美化的影響。

2 智慧市政隧道實施方案建議

2.1 智慧市政隧道建設(shè)方案配置原則

（1）老舊隧道智慧化改造原則

由于老舊隧道受建設(shè)年代及信息化發(fā)展水平限制，機電設(shè)備的智能化控制、結(jié)構(gòu)安全及機電設(shè)備的監(jiān)測等鮮有設(shè)置，因此在智慧化改造過程中本著保證基本智慧化功能需求、盡量減少工程量的原則，在工程預(yù)算的范圍內(nèi)針對性地解決關(guān)鍵性問題配置智慧化建設(shè)項目。

（2）新建隧道智慧化建設(shè)原則

隨著信息化技術(shù)的大力發(fā)展，在新建工程中本著緊跟或超前最新信息技術(shù)的原則，運用人工智能和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，利用云計算或超級計算機，將BIM、數(shù)據(jù)融合、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代前沿信息技術(shù)應(yīng)用到工程建設(shè)過程中，實現(xiàn)智慧市政隧道的建設(shè)和運營。

2.2 隧道改造工程配置方案建議

根據(jù)老舊隧道智慧化改造的原則，提出基礎(chǔ)配置方案和升級配置方案建議（見表5），在工程實施工程中，可結(jié)合項目實際情況選擇相應(yīng)的配置方案。

表5 隧道改造工程配置方案建議Tab.5 Suggestions on configuration scheme of tunnel reconstruction project

2.3 隧道新建工程配置方案建議

根據(jù)新建隧道智慧化建設(shè)的原則，提出基礎(chǔ)配置方案和升級配置方案建議（見表6），在工程實施工程中，可結(jié)合項目實際情況選擇相應(yīng)的配置方案。

表6 隧道新建工程配置方案建議Tab.6 Suggestions on configuration scheme of new tunnel project

2.4 智慧市政隧道建設(shè)解決方案路徑

根據(jù)老舊隧道智慧化改造和新建隧道智慧化建設(shè)的工程特點及方案配置原則，其解決方案按照圖1路徑執(zhí)行。

圖1 智慧市政隧道建設(shè)解決方案路徑Fig.1 Solution path of smart municipal tunnel construction

3 結(jié)論

“發(fā)展智慧交通，為交通賦能”已成為工程建設(shè)各方及運營單位的共同關(guān)注點。隨著信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，未來隧道智慧化建設(shè)勢必迎來更深入的發(fā)展，上文所述的改造需求和新建需求會進(jìn)一步調(diào)整。因此，在項目實施過程中，老舊隧道需要本著保證基本智慧化功能需求、盡量減少工程量的原則，在工程預(yù)算的范圍內(nèi)針對性地解決關(guān)鍵性問題配置智慧化建設(shè)項目；新建隧道則應(yīng)本著緊跟或超前最新信息技術(shù)的原則，運用人工智能和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，利用云計算或超級計算機，將BIM、數(shù)據(jù)融合、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代前沿信息技術(shù)應(yīng)用到工程建設(shè)過程中，實現(xiàn)智慧市政隧道的建設(shè)，從而達(dá)到智慧化運維管理的目的。