大公路隧道機(jī)電設(shè)計(jì)研究

大連市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 韓 丹

1 引言

我國(guó)地域廣闊地理環(huán)境復(fù)雜，諸多大公路的建設(shè)過程中都需要進(jìn)行隧道施工以保證整個(gè)高速的連接性和整體性。但整體而言，大公路隧道處于復(fù)雜的環(huán)境中，且其本身的結(jié)構(gòu)也具備一定的特殊性，因此整個(gè)隧道機(jī)電系統(tǒng)要解決的不僅僅是簡(jiǎn)單的照明、通風(fēng)和配電，同樣也肩負(fù)著監(jiān)控、消防以及交通控制的任務(wù)。近年來，智慧化交通建設(shè)興起，各種信息技術(shù)也逐漸融入到隧道機(jī)電設(shè)計(jì)當(dāng)中，在保證隧道安全運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)之上進(jìn)行隧道運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了安全預(yù)警、安全評(píng)價(jià)、聯(lián)動(dòng)控制以及養(yǎng)護(hù)管理等功能的聯(lián)合，是智慧交通建設(shè)體系的重要構(gòu)成，也實(shí)現(xiàn)了大公路隧道運(yùn)營(yíng)的可持續(xù)發(fā)展。

2 大公路隧道機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 大公路隧道機(jī)電系統(tǒng)構(gòu)成

光照條件差、空氣質(zhì)量差、內(nèi)部空間有限是公路隧道的典型特征，而這些特征導(dǎo)致隧道內(nèi)部環(huán)境整體低于外部環(huán)境，不僅容易誘發(fā)交通事故，且在交通事故產(chǎn)生過程中將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的交通堵塞，難以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)救援和交通疏導(dǎo)。隧道機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)置不僅保證了基本的使用功能同時(shí)也能夠完成對(duì)隧道內(nèi)多種情況的監(jiān)測(cè)。整個(gè)隧道內(nèi)的電系統(tǒng)由隧道監(jiān)控系統(tǒng)、高低壓供配電系統(tǒng)、隧道照明系統(tǒng)，隧道通風(fēng)系統(tǒng)以及隧道消防系統(tǒng)五個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，這五個(gè)系統(tǒng)擁有不同的功能和適用范圍，詳見表1，設(shè)計(jì)過程中需要結(jié)合具體功能完成設(shè)計(jì)目標(biāo)和設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的探討，同時(shí)結(jié)合隧道建設(shè)參數(shù)經(jīng)過綜合化的評(píng)價(jià)和分析來保證整個(gè)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的科學(xué)性[1]。

表1 大公路隧道機(jī)電系統(tǒng)構(gòu)成、主要功能和設(shè)計(jì)需求

2.2 大公路隧道系統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分對(duì)外界的各種干擾因素以及系統(tǒng)自身的運(yùn)營(yíng)情況進(jìn)行綜合考慮，通過有效措施消除外界干擾以及不利因素的影響。選用先進(jìn)的技術(shù)和材料，在保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定的過程中實(shí)現(xiàn)使用壽命的延長(zhǎng)。另外，整個(gè)機(jī)電系統(tǒng)在后期的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)的過程中涉及成本支出較大，因此設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮整個(gè)機(jī)電系統(tǒng)的成本問題，選擇各種節(jié)能設(shè)備、通過優(yōu)化布置來保證滿足使用需求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)資源的節(jié)約。因此，整個(gè)大公路隧道系統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合綠色工程理念以及智慧化交通建設(shè)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，在保證系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)提升系統(tǒng)運(yùn)行的智能化和信息化[2]。

3 大公路隧道機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 大公路隧道機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

傳統(tǒng)的隧道機(jī)電控制構(gòu)成較為簡(jiǎn)單，其作為各個(gè)子系統(tǒng)的中樞能，夠針對(duì)性地完成各子系統(tǒng)所傳輸?shù)男盘?hào)和數(shù)據(jù)處理，保證機(jī)電系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。但在日常管理程中由隧道機(jī)電子系統(tǒng)的獨(dú)立性較強(qiáng)，所以一旦發(fā)生安全事件，需要通過人工來完成各系統(tǒng)的操作，且各系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)和協(xié)調(diào)工作難以實(shí)現(xiàn)。另外，傳統(tǒng)的隧道機(jī)電控制系統(tǒng)并未設(shè)置故障檢測(cè)以及診斷維護(hù)一體的響應(yīng)機(jī)制，一旦機(jī)電設(shè)備發(fā)生故障則很難保證高效地響應(yīng)和處理。因此為了有效突破該種弊端，在進(jìn)行繼電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)充分結(jié)合據(jù)技術(shù)以及化互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，完成信息化機(jī)電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該控制系統(tǒng)不僅能夠通過智能聯(lián)動(dòng)控制平臺(tái)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)隧道機(jī)電各個(gè)子系統(tǒng)的管控一體化，同時(shí)在先進(jìn)技術(shù)的輔助之下依托數(shù)字化機(jī)電設(shè)備完成在線檢測(cè)以及遠(yuǎn)程巡檢，以保證對(duì)整個(gè)機(jī)電的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并在完善突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案的輔助下實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備故障的處理速度的提升。另外，該智能控制系統(tǒng)在應(yīng)用的，依托大數(shù)據(jù)技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)預(yù)防性養(yǎng)護(hù)。

3.2 信息化機(jī)電控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架

大數(shù)據(jù)隧道信息化機(jī)電控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)加以及云計(jì)算，整個(gè)系統(tǒng)包括五個(gè)基本層次，如圖1所示。這五個(gè)層次擁有不同的功能作用，且建立了緊密的聯(lián)系，在相互依托和相互輔助的過程中實(shí)現(xiàn)機(jī)電控制系統(tǒng)的一體化管理，在保證隧道機(jī)電設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制下完成各信息指標(biāo)的收集，進(jìn)而動(dòng)態(tài)感知各設(shè)備的健康狀態(tài)。

圖1 大公路隧道機(jī)電控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中確認(rèn)了1平臺(tái)、2探索以及3應(yīng)用的整體思路，通過隧道機(jī)電控制系統(tǒng)一體化綜合管理控制平臺(tái)的建設(shè)來實(shí)現(xiàn)整個(gè)隧道管理設(shè)備的統(tǒng)籌；通過云服務(wù)系統(tǒng)的部署探索隧道機(jī)電系統(tǒng)管理過程中的節(jié)能高效以及高質(zhì)量管理需求，現(xiàn)在完善應(yīng)急預(yù)案的設(shè)置下，探索應(yīng)急救援工作的科學(xué)化轉(zhuǎn)型；通過隧道安全管控系統(tǒng)、隧道機(jī)電設(shè)備養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)以及隧道機(jī)電設(shè)備健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立，應(yīng)用了先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使用了強(qiáng)大的預(yù)案配置引擎，同時(shí)通過智能主動(dòng)防御技術(shù)的使用，真正實(shí)現(xiàn)隧道機(jī)電系統(tǒng)“管、控、養(yǎng)”一體化。

3.3 功能實(shí)現(xiàn)

整個(gè)控制系統(tǒng)包含隧道安全、機(jī)電設(shè)備養(yǎng)護(hù)管理以及機(jī)電設(shè)備健康監(jiān)測(cè)三個(gè)部分，不同控制系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)如下。

一是隧道安全管控系統(tǒng)。隧道安全管控系統(tǒng)能夠完成各項(xiàng)運(yùn)營(yíng)子系統(tǒng)的檢測(cè)信息采集，通過交通檢測(cè)器以及數(shù)據(jù)采集終端實(shí)時(shí)地對(duì)隧道內(nèi)的車流量、風(fēng)向風(fēng)速以及光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，在詳細(xì)的數(shù)據(jù)計(jì)算和分析的基礎(chǔ)之上結(jié)合系統(tǒng)預(yù)定的方案和管理控制指令完成隧道內(nèi)的交通控制和引導(dǎo)輔助。且該控制系統(tǒng)能夠保證在隧道應(yīng)急事件發(fā)生之后進(jìn)行主動(dòng)的監(jiān)測(cè)和報(bào)警，及時(shí)將應(yīng)急事件的信息傳輸，根據(jù)應(yīng)急事件發(fā)生位置和區(qū)域制定交通擁堵、交通事故、危險(xiǎn)品泄漏以及火災(zāi)等緊急預(yù)案，通過清晰化預(yù)案流程的指導(dǎo)完成事故的處理，確?？s短應(yīng)急處置時(shí)間，縮小應(yīng)急事件影響范圍。

二是隧道機(jī)電設(shè)備養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)。隧道機(jī)電設(shè)備養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，堅(jiān)持的是預(yù)防為主防治結(jié)合的基本原則，結(jié)合相關(guān)的管理技術(shù)規(guī)范完成隧道規(guī)模、交通流量以及公路等級(jí)的劃分，從而確定設(shè)備養(yǎng)護(hù)的等級(jí)。在大數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)之上進(jìn)行機(jī)電設(shè)備的檢測(cè)，一旦在養(yǎng)護(hù)管理的過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，應(yīng)給予重點(diǎn)的關(guān)注并通過整個(gè)養(yǎng)護(hù)計(jì)劃的及時(shí)調(diào)整來保證養(yǎng)護(hù)工作更具合理性和針對(duì)性。

另外該過程中機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備可靠性的指標(biāo)也是設(shè)備養(yǎng)護(hù)管理的核心，該指標(biāo)是機(jī)電系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)備在正常使用環(huán)境以及一定時(shí)間范圍內(nèi)的使用概率，所以對(duì)于機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備而言，使用概率越高，則表明該設(shè)備的可靠性越高。該指標(biāo)具有較大的設(shè)備養(yǎng)護(hù)參考價(jià)值，能夠結(jié)合設(shè)備養(yǎng)護(hù)管理的各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)進(jìn)行機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、技術(shù)狀況的綜合判斷評(píng)價(jià)?？梢酝ㄟ^公路隧道機(jī)電設(shè)備可靠性評(píng)價(jià)模型的建立，綜合確定設(shè)備的完好率、成新率以及相應(yīng)的使用狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)[3]。

該評(píng)價(jià)模型中的檢測(cè)項(xiàng)目完好率表達(dá)式：

機(jī)電設(shè)備完好率表達(dá)式：

機(jī)電設(shè)備成新率的表達(dá)式：

故得出機(jī)電設(shè)備可靠性表達(dá)式：

式中，K為機(jī)電設(shè)備可靠性；W為機(jī)電設(shè)備完好率；C為機(jī)電設(shè)備成新率；y為已使用年限；Y為有效年限；Q1為機(jī)電設(shè)備完好率權(quán)值；Q2為機(jī)電設(shè)備成新率權(quán)值；Q11、Q12…Q1n為檢測(cè)項(xiàng)目權(quán)值；Q111、Q112…Q11n為檢測(cè)子項(xiàng)權(quán)值；W1、W2…Wn為檢測(cè)項(xiàng)目完好率；W11、W12…W1n為檢測(cè)子項(xiàng)完好率。

三是隧道機(jī)電設(shè)備健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：顧名思義隧道機(jī)電設(shè)備健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最終任務(wù)在于完成隧道內(nèi)各機(jī)電設(shè)備健康狀態(tài)的檢測(cè)，并對(duì)各機(jī)電設(shè)備的異常進(jìn)行響應(yīng)。整個(gè)監(jiān)測(cè)過程中包括運(yùn)行狀況檢測(cè)、遠(yuǎn)程巡檢，同樣也包括設(shè)備故障報(bào)警和故障率的分析。所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中會(huì)通過一個(gè)閾值的設(shè)置來進(jìn)行判斷比較，若所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)在正常的區(qū)域值內(nèi)浮動(dòng)，則可以確定設(shè)備的正常運(yùn)行，若超出設(shè)置的閾值，需要進(jìn)一步確定判斷是否出現(xiàn)設(shè)備故障或者安全隱患。另外，傳統(tǒng)的機(jī)電設(shè)備巡檢需要消耗較大的勞動(dòng)力，遠(yuǎn)程巡檢功能的設(shè)置能夠通過監(jiān)控中心完成對(duì)隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備的檢測(cè)，因此在設(shè)計(jì)過程中，要保證各設(shè)備檢測(cè)的順序和規(guī)則，進(jìn)而在自動(dòng)巡檢中生成巡檢報(bào)告并完成正常運(yùn)轉(zhuǎn)或者是風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)的標(biāo)記，提供排查建議。

3.4 緊急處理方案設(shè)計(jì)

大公路隧道信息化點(diǎn)控制系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，所以一旦出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中斷的情況，便會(huì)導(dǎo)致各業(yè)務(wù)系統(tǒng)無法訪問。為有效解決該種問題，可以通過前置服務(wù)器的設(shè)置與保證即便發(fā)生網(wǎng)絡(luò)中斷，依舊可以通過備用地參與到應(yīng)用來參與到無須云計(jì)算服務(wù)參加的系統(tǒng)控制工作中來[4]。所以前置服務(wù)器作為網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)的關(guān)鍵保障，可以對(duì)接收到的數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行基本的分析，即便云服務(wù)器失聯(lián)依舊能夠保證隧道機(jī)電設(shè)備的聯(lián)動(dòng)控制。而其在進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制的過程中，會(huì)將接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行緩存打包，保證在網(wǎng)絡(luò)正常連接之后重新進(jìn)行數(shù)據(jù)到云服務(wù)器的上傳。

4 結(jié)語

大公路隧道機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是公路隧道建設(shè)的重點(diǎn)內(nèi)容，其設(shè)計(jì)質(zhì)量直接決定著隧道后期的運(yùn)營(yíng)維護(hù)質(zhì)量。根據(jù)隧道機(jī)電系統(tǒng)“建、管、養(yǎng)”的轉(zhuǎn)變趨勢(shì)，傳統(tǒng)的機(jī)電系統(tǒng)存在著數(shù)字化建設(shè)程度不高，系統(tǒng)集成以及關(guān)聯(lián)度不強(qiáng)的根本性問題，且各個(gè)機(jī)電子系統(tǒng)之間難以實(shí)現(xiàn)協(xié)同管理，在一定程度上造成了資源的浪費(fèi)。將物聯(lián)網(wǎng)以及云計(jì)算等技術(shù)融合到公路隧道機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中，能夠保證在信息化建設(shè)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)的管控一體化，提升隧道機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)用效果，促使公路隧道管理和服務(wù)邁向全新的臺(tái)階。