高速公路隧道智能管控現(xiàn)狀及管控模式需求分析

摘要：針對目前高速公路隧道管控系統(tǒng)設(shè)備信息采集功能單一，設(shè)備數(shù)字化率低以及與各平臺之間的相關(guān)數(shù)據(jù)互通性差、安全事故檢測手段單一、應(yīng)急管控效率低等現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并針對高速公路隧道智能管控模式和需求進(jìn)行研究，提出了基于高速公路隧道運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、交通監(jiān)控、安全管控、應(yīng)急管控和智慧運(yùn)維的智能管控模式，以及隧道內(nèi)設(shè)施設(shè)備全要素實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測、全生命周期設(shè)施設(shè)備運(yùn)維管理和全過程事件事故跟蹤處理的高速公路隧道智能管控需求。

關(guān)鍵詞：智能管控；狀態(tài)監(jiān)測；交通監(jiān)控；安全管控；應(yīng)急管控；智慧運(yùn)維

中圖分類號：U495文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

高速公路隧道作為重要交通建筑設(shè)施，在縮短運(yùn)行距離、提高運(yùn)輸能力等方面起到了重要作用。高速公路隧道在交通狀態(tài)方面具有交通流量大、行車速度快的特點(diǎn)，隧道在內(nèi)部環(huán)境方面含有大量照明燈具、風(fēng)機(jī)、消防水泵、指示器、情報(bào)板、供配電等機(jī)電設(shè)施設(shè)備。為實(shí)現(xiàn)隧道的智能管控，部分高速公路隧道配備有 AR 實(shí)景監(jiān)測系統(tǒng)、隧道進(jìn)出口照明優(yōu)化、隧道滅火器、消防栓、高低位水池的在線監(jiān)測系統(tǒng)等新型技術(shù)，但是總體上當(dāng)前隧道信息化建設(shè)仍相對不足，加上隧道安全風(fēng)險(xiǎn)感知薄弱、應(yīng)急救援效率低，當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生交通事故或設(shè)施設(shè)備故障等緊急情況時(shí)將會對隧道內(nèi)人員安全及交通運(yùn)輸帶來重大安全隱患。

為促進(jìn)高速公路隧道的信息化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)隧道智能管控，文章從隧道綜合監(jiān)控的智慧基礎(chǔ)設(shè)施出發(fā)，針對高速公路隧道管控系統(tǒng)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，基于隧道全要素采集的智慧感知，隧道安全提升的智慧化應(yīng)用需求進(jìn)行分析研究，構(gòu)建集合隧道運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、交通監(jiān)控、安全管控、應(yīng)急管控和智慧運(yùn)維的智能管控模式[1-3]。

1隧道設(shè)備物聯(lián)及數(shù)據(jù)集成

隧道智能管控系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備物聯(lián)與孿生對應(yīng)的設(shè)備管理模塊與綜合監(jiān)控模塊。通過集成對接隧道本地控制器模塊、隧道消防模塊、隧道照明模塊、隧道通風(fēng)模塊、隧道信息發(fā)布模塊、隧道電房與機(jī)房等模塊，并將各類設(shè)備標(biāo)注于三維底座，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備在線狀態(tài)、在線率及設(shè)備運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制[4-5]。

1.1隧道本地控制器模塊

目前隧道內(nèi)普遍采用集中控制模式的 PLC 控制柜，由于運(yùn)行時(shí)間較長，加上PLC控制柜本身的密閉性不足，導(dǎo)致故障率較高，而且目前使用的 PLC 控制柜多為進(jìn)口產(chǎn)品，備品備件售后周期較長，增加了隧道本地控制系統(tǒng)的維護(hù)難度。若采用國產(chǎn)分布式物聯(lián)網(wǎng)控制器替代損壞的PLC，逐步完成隧道現(xiàn)場控制系統(tǒng)，則能夠有效解決傳統(tǒng)PLC控制柜面臨的難題。

1.2隧道消防模塊

傳統(tǒng)消防系統(tǒng)主要包含感溫光纖、雙波長火焰探測器、消防水池液位儀等，存在系統(tǒng)預(yù)警閾值高且不可配置、準(zhǔn)確度較低、誤差幾率高等問題，而預(yù)警條件多設(shè)置于明火出現(xiàn)后，無法及時(shí)對隱患車輛進(jìn)行管控。隧道消防模塊在傳統(tǒng)消防系統(tǒng)基礎(chǔ)上添加多光譜移動火焰探測器、紅外溫度探測器，并針對不同的隧道場景、環(huán)境因素、預(yù)警閾值可靈活配置，能夠有效提高火災(zāi)事件檢測精度，并實(shí)現(xiàn)明火潛伏期檢測的預(yù)警功能。

1.3隧道照明模塊

傳統(tǒng)隧道照明系統(tǒng)模式較為單一，照明燈具普遍在最高功率下工作，導(dǎo)致設(shè)備損壞率高，生命周期短，能耗巨大。而隧道照明模塊照明燈組的控制及調(diào)光則是通過平臺操作或自動調(diào)光預(yù)案來下發(fā)控制指令到調(diào)光服務(wù)器，調(diào)光服務(wù)器收到相關(guān)控制指令后通過調(diào)光控制器對燈組進(jìn)行調(diào)光。

1.4隧道通風(fēng)模塊

傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)控制器只是提供風(fēng)機(jī)的啟動及故障信號，所有管控動作均依賴電力監(jiān)控軟件或上位機(jī)軟件完成，風(fēng)機(jī)本身無法對電流電壓、故障、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間、疲勞度、能耗等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、存儲，導(dǎo)致無法判斷風(fēng)機(jī)的真實(shí)狀況，難以對風(fēng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測及有效的養(yǎng)護(hù)。而隧道通風(fēng)模塊智能調(diào)風(fēng)控制器內(nèi)置邊緣計(jì)算器，采用變頻技術(shù)作為替代，讓風(fēng)機(jī)運(yùn)行在40 Hz（交通事故）甚至在30 Hz（施工作業(yè)），能夠有效節(jié)省能耗，降低對風(fēng)機(jī)軸承的損傷，增加風(fēng)機(jī)壽命。

1.5隧道信息發(fā)布模塊

隧道智能管控系統(tǒng)通過采集視頻事件檢測、交通監(jiān)控等數(shù)據(jù)，對隧道內(nèi)可變標(biāo)志信息進(jìn)行智能發(fā)布。在交通擁堵時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)檢測到現(xiàn)場狀況，管理人員確認(rèn)現(xiàn)場情況屬實(shí)，可一鍵下發(fā)指令，可變標(biāo)志更改為引導(dǎo)現(xiàn)場交通信息，并開啟隧道廣播，實(shí)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)動。同時(shí)實(shí)時(shí)顯示情報(bào)板狀態(tài)、發(fā)布內(nèi)容，車道指示燈的狀態(tài)、信號燈的狀態(tài)。

1.6隧道電房與機(jī)房模塊

隧道電房與機(jī)房模塊通過電力監(jiān)控管控軟件的對接協(xié)議或接口，與隧道機(jī)房環(huán)境檢測設(shè)備對接，采集隧道機(jī)房內(nèi)各配電柜實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。主要包括不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）、配電柜狀態(tài)、電流、電壓、功率因數(shù)、有功功率、無功功率、頻率等，并采集機(jī)房濕度數(shù)據(jù)以及對發(fā)電機(jī)的遠(yuǎn)程管控。

2隧道數(shù)字孿生系統(tǒng)

數(shù)字孿生基于視頻或雷視一體機(jī)分析，通過研究隧道低視角監(jiān)控場景相機(jī)非現(xiàn)場自動標(biāo)定技術(shù)、跨相機(jī)多目標(biāo)檢測跟蹤與時(shí)空分布信息高精度重構(gòu)，隧道全過程車輛軌跡時(shí)空分布建模與實(shí)況交通時(shí)空特征分析技術(shù)等，建立隧道全時(shí)空交通監(jiān)控全景圖，實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)字孿生[6-7]。

數(shù)字孿生可視化模塊將全隧道空間重建和車輛全過程軌跡重建信息進(jìn)行可視化顯示，對事故車輛、事故車流場景進(jìn)行模擬仿真回溯，車流量仿真效果如圖1。

3隧道事故安全管控

3.1交通事故

隧道交通事故管控系統(tǒng)根據(jù)事件檢測子系統(tǒng)將交通事故實(shí)時(shí)報(bào)警數(shù)據(jù)推送至隧道智能管控系統(tǒng)，通過雷視一體融合檢測攝像頭及隧道入口安全預(yù)警機(jī)器人對隧道全域進(jìn)行視頻事件檢測，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多目標(biāo)跟蹤等技術(shù)路線，結(jié)合高精度AI算法實(shí)現(xiàn)24 h 的不間斷監(jiān)測。該事件檢測子系統(tǒng)支持逆行、違停、擁堵、變道、拋灑物、行人等事件檢測功能，目標(biāo)檢測準(zhǔn)確率達(dá)95%以上。依靠隧道入口及出口安裝的安全管控門架系統(tǒng)對進(jìn)出隧道的車輛進(jìn)行抓拍、識別及跟蹤，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)交通事故，并掌握隧道內(nèi)的車輛數(shù)量、車型分類等；安全管控門架系統(tǒng)包含了高清卡口設(shè)備、ETC、高音廣播設(shè)備、三色警燈設(shè)備、測溫?zé)岢上駭z像機(jī)設(shè)備等；其中高清卡口設(shè)備用于抓拍進(jìn)出隧道的車輛（車牌、車型、顏色、品牌等特征），并進(jìn)行信息對比，發(fā)現(xiàn)有車輛滯留隧道內(nèi)立即進(jìn)行報(bào)警。

檢測到交通事故事件后，通過在報(bào)警彈出框點(diǎn)擊報(bào)警處置按鈕并進(jìn)入報(bào)警處置頁面，通過報(bào)警圖片、視頻、監(jiān)控畫面判斷報(bào)警內(nèi)容是否屬實(shí)，確認(rèn)后會根據(jù)報(bào)警位置、報(bào)警類型對隧道內(nèi)的交通異常情況進(jìn)行歸檔記錄并及時(shí)發(fā)出報(bào)警，制定不同的聯(lián)動管控策略，然后一鍵執(zhí)行下發(fā)控制指令。事故處置流程執(zhí)行完畢，現(xiàn)場交通狀況恢復(fù)正常后，一鍵執(zhí)行隧道正常營運(yùn)預(yù)案，并將設(shè)備恢復(fù)非事故管控狀態(tài)。

3.2火災(zāi)事故

隧道火災(zāi)事故管控系統(tǒng)在傳統(tǒng)感溫光纖和雙波長火焰探測器基礎(chǔ)上，增加新一代多光譜移動火焰探測器，能夠在火災(zāi)潛伏期溫度緩慢上升過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患，同時(shí)在隧道入口和緊急停車帶安裝測溫型紅外溫度探測器，對進(jìn)入隧道的車輛及?？吭诰o急停車帶的車輛進(jìn)行溫度測量，發(fā)現(xiàn)溫度超限，進(jìn)行預(yù)警及視頻聯(lián)動跟蹤。為保證隧道內(nèi)消防設(shè)備正常使用及減少人工檢測頻率，隧道消防滅火器采用物聯(lián)網(wǎng)智能滅火器壓力傳感器，集滅火器壓力監(jiān)測、設(shè)備自檢等功能于一體，降低了人工巡檢成本，準(zhǔn)確掌握滅火器狀態(tài)。

當(dāng)檢測到火災(zāi)事件后，通過報(bào)警彈出框點(diǎn)擊報(bào)警處置按鈕進(jìn)入報(bào)警處置頁面，通過報(bào)警圖片、視頻、監(jiān)控畫面判斷報(bào)警內(nèi)容是否屬實(shí)，確認(rèn)后會根據(jù)報(bào)警位置、報(bào)警類型自動篩選相關(guān)管控預(yù)案，同時(shí)進(jìn)行事件填報(bào)，然后選擇相應(yīng)的事故處置流程進(jìn)行處置?；馂?zāi)事故處置流程執(zhí)行完畢，且現(xiàn)場交通、路面、環(huán)境等各方面指標(biāo)恢復(fù)正常后，一鍵執(zhí)行隧道正常營運(yùn)預(yù)案，并將設(shè)備恢復(fù)非事故管控狀態(tài)。

3.3?；肥鹿?/p>

隧道?；肥鹿使芸叵到y(tǒng)通過高清卡口，ETC、?；奋囕v識別儀對進(jìn)入隧道的車輛進(jìn)行車型和車牌識別，判斷是否為危化品車輛，實(shí)時(shí)掌控并跟蹤隧道內(nèi)危化品車流量信息。同時(shí)對隧道入口?；奋囕v信息與出口車輛信息比對，判斷危化品車滯留時(shí)長是否超出合理范圍，通過環(huán)境及可燃性氣體檢測數(shù)據(jù)判斷隧道內(nèi)是否存在?；沸孤讹L(fēng)險(xiǎn)，如果相關(guān)數(shù)據(jù)超出預(yù)警范圍則報(bào)警提醒管理人員，提前作出應(yīng)對措施。

若確認(rèn)危化品泄露，在隧道預(yù)案模塊中篩選?；沸孤妒鹿实脑O(shè)備聯(lián)動預(yù)案，一鍵執(zhí)行下發(fā)控制指令。?；沸孤妒鹿侍幹昧鞒虉?zhí)行完畢，并且現(xiàn)場交通、路面、環(huán)境等各方面指標(biāo)恢復(fù)正常后，一鍵執(zhí)行隧道正常營運(yùn)預(yù)案將，并設(shè)備恢復(fù)非事故管控狀態(tài)。

4隧道應(yīng)急管控

4.1應(yīng)急管控預(yù)案

交通流智慧感知依靠各種先進(jìn)的交通流監(jiān)測設(shè)備、氣象監(jiān)測設(shè)備、隧道環(huán)境監(jiān)測設(shè)備、5G 網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備，系統(tǒng)采集上述數(shù)據(jù)并采用智能分析算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，并提出控制策略。在交通事故、火災(zāi)事故、?；肥鹿实染o急情況下，根據(jù)事件位置、事件類型、事故等級等信息，實(shí)現(xiàn)隧道事件預(yù)警及視頻監(jiān)控聯(lián)動策略，對隧道內(nèi)交通監(jiān)控設(shè)備、通風(fēng)、照明、可變情報(bào)板、視頻監(jiān)控、緊急電話及廣播等設(shè)備進(jìn)行控制聯(lián)動[8-9]。

系統(tǒng)根據(jù)車道信號燈、風(fēng)機(jī)、人行橫洞、車行橫洞等分布距離將隧道劃分為多個(gè)管控區(qū)域，每個(gè)管控區(qū)域?qū)?yīng)不同的管控策略與措施，并結(jié)合隧道所在路段前后相關(guān)站點(diǎn)，互通、立交等設(shè)施設(shè)備，根據(jù)各安全專家調(diào)研分析的結(jié)果制定針對不同隧道、不同事故情況的各類控制策略，為不同事故情況下的人員、車輛的疏導(dǎo)、逃生提供安全保障。應(yīng)急疏散逃生預(yù)覽如圖2所示。

4.2交通事件處置及態(tài)勢推演

交通事件處置可跟蹤各種事故處置相關(guān)數(shù)據(jù)的變化趨勢，并上報(bào)各種事故處理進(jìn)展信息；其中顯示信息包括事故點(diǎn)前后影響范圍、路政車輛、交警車輛、傷亡情況，擁堵距離等現(xiàn)場信息，以及事故從發(fā)現(xiàn)、填報(bào)、處置措施、信息報(bào)送、處置結(jié)果等完整流程。

同時(shí)基于大數(shù)據(jù)分析及智能檢測視覺分析技術(shù)，從海量歷史安全道路事件數(shù)據(jù)中挖掘相關(guān)信息，為實(shí)現(xiàn)事件態(tài)勢的實(shí)時(shí)分析與跟蹤，對其進(jìn)行干預(yù)和消解，分析匯總事件數(shù)據(jù)與安全風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢的關(guān)聯(lián)及多相映射機(jī)制，展示隧道內(nèi)事故態(tài)勢的演化趨勢[10-11]。

5隧道智慧運(yùn)維

5.1隧道實(shí)時(shí)安全評估

隧道實(shí)時(shí)安全評估模塊首先將隧道調(diào)研的風(fēng)險(xiǎn)源清單、評估體系等成果通過編譯模塊化算法封裝植入管控系統(tǒng)，該算法包含對風(fēng)險(xiǎn)源清單的調(diào)用、評估體系流程的數(shù)據(jù)自動輸入與結(jié)果輸出；其次利用該算法實(shí)時(shí)評估設(shè)備物聯(lián)等方法采集的數(shù)據(jù)并計(jì)算當(dāng)前數(shù)據(jù)所反映的安全風(fēng)險(xiǎn)等級；最后在隧道智能管控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)公路隧道運(yùn)營安全風(fēng)險(xiǎn)源實(shí)時(shí)顯示。該隧道風(fēng)險(xiǎn)源清單數(shù)據(jù)庫，支持源的增加、刪除、更改及權(quán)重配置等功能；隧道風(fēng)險(xiǎn)源評價(jià)體系算法模塊，具備封裝性能，執(zhí)行輸入輸出功能；超限風(fēng)險(xiǎn)源標(biāo)識與預(yù)警，實(shí)時(shí)顯示隧道安全狀態(tài)[12-13]，安全評估因子如圖3所示。

5.2隧道智能巡檢

傳統(tǒng)隧道巡檢主要依靠人工來實(shí)現(xiàn)隧道狀態(tài)檢查，而且在事故發(fā)生時(shí)巡檢人員無法即時(shí)到位，影響安全運(yùn)營效率。隧道智能巡檢可通過安裝隧道智能巡檢機(jī)器人，基于隧道專網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)平臺之間的信息共享和業(yè)務(wù)協(xié)作。通過管理平臺來接收隧道設(shè)施故障信息，根據(jù)設(shè)施位置、故障信息等實(shí)現(xiàn)處理結(jié)果上報(bào)、跟蹤，并通過圖片、視頻等手段上報(bào)隧道現(xiàn)場情況。利用語音廣播、設(shè)備對講等實(shí)現(xiàn)巡查設(shè)施、監(jiān)控員與維修人員之間的語音溝通及信息共享。

6結(jié)語

通過隧道智能管控系統(tǒng)的應(yīng)用，高速公路隧道運(yùn)營單位可以有效利用管控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對各機(jī)電系統(tǒng)的監(jiān)督，當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生安全問題或意外事故時(shí)，運(yùn)營單位可以及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)，并進(jìn)行快速處置，從而保證隧道內(nèi)的行車安全。

隧道信息化建設(shè)作為重點(diǎn)發(fā)展方向，由于隧道機(jī)電系統(tǒng)組成部分眾多，新技術(shù)新設(shè)備應(yīng)用較多等，而現(xiàn)場采集端設(shè)備是隧道信息化的基礎(chǔ)，現(xiàn)場采集端設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測是否穩(wěn)定、數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確是值得進(jìn)一步研究的問題。

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Analysis of the Current Situation and Demand for Intelligent ControlModes in Highway Tunnels

ZHANG Yanlong1，2，WANG Chenchen1，2，LIN Sen1，2，CHEN Jingyu1，2，GUO Jiacheng1，2

（1.GuangdongHualuTransportTechnology Co.，Ltd.，GuangzhouGuangdong 510420，China；2.GuangdongProvincialKeyLaboratoryofTunnelSafetyandEmergencySupportTechnologyamp;Equipment ，GuangzhouGuangdong 510420，China）

Abstract：An analysis was conducted on the current situation of single information collection function， low digi? tization rate of equipment， poor data interoperability with various platforms， single safety accident detection meth ? ods， and low efficiency of emergency control in the highway tunnel control system equipment. Research was con ? ducted on the intelligent control mode and requirements of highway tunnels， and a proposal was proposed based on the operation status monitoring， traffic monitoring， and safety control of highway tunnels. The intelligent manage ? ment and control mode of emergency control and intelligent operation and maintenance proposes the intelligent man ? agement and control requirements for highway tunnels， including real-time dynamic monitoring of all elements offa ? cilities and equipment in tunnels， operation and maintenance management of facilities and equipment throughout the entire lifecycle， and tracking and handling of incidents and accidents throughout the entire process.

Key words： intelligent control; status monitoring; traffic monitoring; safety control; emergency control; intelli? gent operation and maintenance