運(yùn)營高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)現(xiàn)狀及提質(zhì)升級研究

王辰晨 林森 陳勁宇 郭佳城

摘 ?要：隨著交通強(qiáng)國建設(shè)以及智慧交通的推進(jìn)，高速公路隧道運(yùn)營管理面臨著諸多問題及壓力。面對日益增加的交通量及出行安全壓力，調(diào)研廣東省部分路段高速公路，歸納總結(jié)出隧道機(jī)電系統(tǒng)存在系統(tǒng)繁多且分散、事件發(fā)生報警及時性及準(zhǔn)確性差、事件處置效率低下等問題。針對當(dāng)前存在的問題，結(jié)合國內(nèi)新技術(shù)新方法的發(fā)展及創(chuàng)新探索，提出隧道機(jī)電系統(tǒng)提質(zhì)升級建議，并以實際工程為案例介紹基于實體試驗隧道建設(shè)的公路隧道三維可視化智能管控系統(tǒng)，對隧道現(xiàn)有機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行集成與升級，解決當(dāng)前存在的問題并為推動隧道智慧化發(fā)展提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：高速公路隧道；機(jī)電系統(tǒng)；現(xiàn)狀；提質(zhì)升級；智能管控系統(tǒng)

中圖分類號：U458 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2024）14-0124-05

Abstract： With the construction of traffic power and the promotion of smart transportation， the operation and management of highway tunnel is facing many problems and pressures. In the face of the increasing traffic volume and travel safety pressure， some expressways in Guangdong Province are investigated. It is concluded that there are many problems in the tunnel electromechanical system， such as numerous and scattered systems， poor timeliness and accuracy of incident alarm， low efficiency of incident disposal and so on. In view of the existing problems， combined with the development and innovative exploration of new technologies and methods in China， some suggestions for upgrading the tunnel electromechanical system are put forward. Taking the actual project as a case， this paper introduces the three-dimensional visual smart management and control system of highway tunnel based on physical experimental tunnel construction， integrates and upgrades the existing mechanical and electrical system of the tunnel， solves the existing problems and provides technical support for promoting the smart development of the tunnel.

Keywords： highway tunnel; electromechanical system; present situation; quality upgrading; intelligent control system

我國交通建設(shè)正處于快速發(fā)展的階段，特別是隨著國家實施“交通強(qiáng)國”戰(zhàn)略以來，一大批高速公路走向崇山峻嶺，跨江跨海通道項目的建設(shè)也日益增多，山嶺隧道和海底沉管隧道的建設(shè)也面臨著諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。截至2022年底，全國公路隧道24 850處、2 678.43萬延米，較上年增加1 582處、208.54萬延米，同比增長6.80%、8.44%。高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)作為隧道重要組成部分，目前機(jī)電系統(tǒng)仍存在種類多、構(gòu)成復(fù)雜、相互獨(dú)立的問題，制約著隧道智慧化水平發(fā)展。為提升隧道運(yùn)營安全及應(yīng)急處置能力，有必要對現(xiàn)有隧道機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行提質(zhì)升級，建立統(tǒng)一的隧道運(yùn)營管理系統(tǒng)，實現(xiàn)隧道內(nèi)各系統(tǒng)之間應(yīng)急聯(lián)動，打造更高效、更安全的隧道智慧化運(yùn)營管理系統(tǒng)，提高隧道交通安全通行能力[1-3]。

1 ?機(jī)電系統(tǒng)概述

根據(jù)高速公路隧道運(yùn)營使用功能及需求，隧道內(nèi)配備了必要的通風(fēng)設(shè)施、照明設(shè)施、消防設(shè)施、監(jiān)控設(shè)施和供配電設(shè)施[4]。

1.1 ?通風(fēng)設(shè)施

由于高速公路隧道處在半封閉的特殊環(huán)境下，在交通量的積累下，隧道內(nèi)會積聚大量的汽車尾氣，尾氣中通常含有CO等有毒氣體，會對人體造成重大傷害。另外，隧道內(nèi)視線差易發(fā)生交通事故，交通事故導(dǎo)致的火災(zāi)也會產(chǎn)生大量的濃煙，為控制煙霧擴(kuò)散以及被吸入人體，需要通過風(fēng)機(jī)風(fēng)速和風(fēng)向的控制，將煙霧快速排出?？偨Y(jié)而言，隧道通風(fēng)設(shè)施具備排氣、排煙、排塵的作用，并向隧道內(nèi)部注入新鮮空氣。隧道通風(fēng)設(shè)施如圖1所示。

圖1 ?隧道通風(fēng)設(shè)施

1.2 ?照明設(shè)施

隧道照明是一直需要的，根據(jù)隧道不同位置和區(qū)段，將隧道照明分為入口段照明、過渡段照明、基本段照明和出口段照明，此外還有洞外引道照明和洞內(nèi)車行橫洞人行橫洞照明。照明設(shè)施為隧道交通運(yùn)行安全提供保障，滿足人們從隧道外部進(jìn)入隧道和駛出隧道時視覺適應(yīng)特性。目前，已有結(jié)合隧道交通安全及節(jié)能角度考慮，進(jìn)行隧道照明智慧調(diào)光研究。隧道照明設(shè)施如圖2所示。

圖2 ?隧道照明設(shè)施

1.3 ?消防設(shè)施

消防設(shè)施是隧道內(nèi)預(yù)防發(fā)生火災(zāi)事故而設(shè)置的，消防系統(tǒng)設(shè)計時考慮火災(zāi)發(fā)生時消除火災(zāi)的及時性和有效性。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，在隧道內(nèi)通常設(shè)置足夠數(shù)量的消防設(shè)施供隧道應(yīng)急使用。消防設(shè)施主要包括消防栓、高低位水池、滅火器和消防逃生設(shè)施等。隧道消防設(shè)施如圖3所示。

1.4 ?監(jiān)控設(shè)施

隧道監(jiān)控設(shè)施相對復(fù)雜，包含較多子系統(tǒng)，如交通視頻監(jiān)控系統(tǒng)、緊急電話系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、信息發(fā)布系統(tǒng)、照明控制系統(tǒng)、通風(fēng)控制系統(tǒng)和環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等。各子系統(tǒng)間相互獨(dú)立和分散，共同組成高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)，對隧道進(jìn)行監(jiān)控與管理。

1.5 ?供配電設(shè)施

供配電設(shè)施是隧道的核心組成部分，一般設(shè)置在隧道口或隧道內(nèi)獨(dú)立的機(jī)房里，負(fù)責(zé)整座隧道的供電和配電，確保隧道內(nèi)部照明、通風(fēng)等正常運(yùn)轉(zhuǎn)。隧道供配電設(shè)施主要包括高壓配電柜、低壓配電柜、應(yīng)急備用電源和發(fā)電機(jī)等。隧道供配電設(shè)施如圖4所示。

圖3 ?隧道消防設(shè)施

圖4 ?隧道供配電設(shè)施

2 ?機(jī)電系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在問題

基于廣東省部分路段高速公路進(jìn)行調(diào)研，在此基礎(chǔ)上歸納總結(jié)高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在的主要問題。

2.1 ?機(jī)電系統(tǒng)多、運(yùn)行獨(dú)立

受設(shè)計思路影響，目前路段高速公路隧道內(nèi)各監(jiān)控系統(tǒng)及平臺繁多，且系統(tǒng)與系統(tǒng)之間獨(dú)立運(yùn)行，同一系統(tǒng)及平臺的各機(jī)電設(shè)施設(shè)備功能也獨(dú)立運(yùn)行。

2.2 ?不容易主動發(fā)現(xiàn)異常事件

路段高速公路隧道日常管理主要靠人工巡檢和視頻輪巡監(jiān)控的方式以盡量能夠及時發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)的事故或異常事件。此種方式由于具有時效性以及主觀性，稍微不及時或者不注意，很難主動發(fā)現(xiàn)事故或異常事件。

2.3 ?事故應(yīng)急處置效率低

當(dāng)路段高速公路隧道突發(fā)事故時，事故監(jiān)控、指揮調(diào)度、設(shè)施設(shè)備操控和信息報送等目前都基于人工操作。人工操作時各機(jī)電系統(tǒng)切換頻繁、缺乏聯(lián)動控制、操作低效不便捷，非常容易出錯。

3 ?機(jī)電系統(tǒng)提質(zhì)升級建議

針對上述運(yùn)營路段調(diào)研中存在的問題，提出基于現(xiàn)有條件能進(jìn)一步對機(jī)電系統(tǒng)提質(zhì)升級的建議。本文僅梳理了部分提質(zhì)升級建議措施，針對高速公路隧道運(yùn)營交通安全機(jī)電系統(tǒng)可以開展的工作還有很多，不再一一闡述。

3.1 ?建立事件檢測系統(tǒng)

當(dāng)前國內(nèi)事件檢測技術(shù)水平比之前已經(jīng)進(jìn)步很多，已可以實現(xiàn)事故準(zhǔn)確報警、應(yīng)急智能聯(lián)動響應(yīng)。建議統(tǒng)一建設(shè)高速公路隧道智能管理平臺，輔助監(jiān)控人員應(yīng)對隧道內(nèi)各種突發(fā)事件。

3.2 ?更新升級機(jī)電系統(tǒng)硬件

完善現(xiàn)有隧道機(jī)電系統(tǒng)相關(guān)硬件，通過部署前在專業(yè)場所或?qū)嶋H隧道進(jìn)行實際工況測試的方式選取并采用可靠的各類隧道機(jī)電設(shè)備，如火災(zāi)報警系統(tǒng)進(jìn)行火災(zāi)煙霧模擬測試，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行氣體能見度模擬測試，事件檢測系統(tǒng)進(jìn)行停車事故模擬測試等，以保證各類報警數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.3 ?設(shè)施設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測

隧道機(jī)電系統(tǒng)內(nèi)所有監(jiān)控設(shè)施設(shè)備均能在線巡檢并反饋實時工作狀態(tài)，如有異常及時通知運(yùn)維管理人員。

3.4 ?設(shè)置系統(tǒng)報警閥值

隧道運(yùn)營管理系統(tǒng)應(yīng)對隧道環(huán)境監(jiān)測設(shè)施設(shè)備設(shè)定規(guī)定的報警閥值。當(dāng)隧道環(huán)境監(jiān)測設(shè)施設(shè)備檢測到超過規(guī)定閥值或者其他各類報警時，如事件檢測、緊急電話摘機(jī)、火災(zāi)報警等，系統(tǒng)應(yīng)及時切換至大屏幕并有聲光報警。

3.5 ?建立三維可視化系統(tǒng)

建議提高監(jiān)控大屏的硬件指標(biāo)，建立隧道三維可視化顯示，通過隧道的三維可視化系統(tǒng)將隧道內(nèi)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)施設(shè)備設(shè)置情況、逃生通道、消防設(shè)施等進(jìn)行還原，并準(zhǔn)確顯示設(shè)施設(shè)備所在的位置信息、設(shè)備狀態(tài)和事件發(fā)生的情況等，以便為指揮調(diào)度的決策提供清晰的現(xiàn)場情況，同時通過Web端和手機(jī)端實現(xiàn)云端信息共享。

3.6 ?智能運(yùn)營管控系統(tǒng)

未來，隧道運(yùn)營管理系統(tǒng)應(yīng)做到高度集成，路段監(jiān)控中心原則上只操作一個系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)應(yīng)能對隧道各個機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一控制，且能將隧道應(yīng)急預(yù)案融入隧道智能運(yùn)營管控系統(tǒng)。當(dāng)異常事件出現(xiàn)后，系統(tǒng)能按照隧道應(yīng)急預(yù)案的步驟和要求，如更改情報板提示信息、切換交通指示燈、開關(guān)風(fēng)機(jī)和開啟廣播等一系列動作，主動提示工作人員完成每一步驟的操作。在工作人員確認(rèn)每一步操作時，系統(tǒng)能快速地控制隧道內(nèi)每個機(jī)電系統(tǒng)，從而達(dá)到系統(tǒng)之間聯(lián)動的功能。

3.7 ?ETC門架車牌識別

充分利用ETC門架的車牌識別功能判別進(jìn)入隧道的車輛是否已駛離隧道，否則要在監(jiān)控中心予以報警提示。

3.8 ?調(diào)頻廣播系統(tǒng)

建設(shè)調(diào)頻廣播系統(tǒng)，出現(xiàn)異常事件后通過強(qiáng)切來往車輛的收音機(jī)功能提示和指揮隧道內(nèi)車輛。

4 ?機(jī)電系統(tǒng)提質(zhì)升級工程應(yīng)用

依托廣東交通集團(tuán)隧道工程長期安全實體試驗場建立公路隧道三維可視化智能管控系統(tǒng)，將隧道已有交通監(jiān)控子系統(tǒng)、火災(zāi)報警子系統(tǒng)、通風(fēng)及照明子系統(tǒng)、緊急電話機(jī)廣播子系統(tǒng)、高清視頻監(jiān)控子系統(tǒng)和環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)等機(jī)電子系統(tǒng)進(jìn)行集成與升級，實現(xiàn)隧道在日常監(jiān)控、事故應(yīng)急、安全監(jiān)測、節(jié)能減排和日常養(yǎng)護(hù)等全方位業(yè)務(wù)的管理，打破業(yè)務(wù)之間的阻隔，實現(xiàn)資源的有效整合、資源共享、業(yè)務(wù)協(xié)同、集中數(shù)據(jù)分析及助力營運(yùn)管理，幫助公路隧道管理單位提高隧道安全性，降低營運(yùn)成本，并逐步向“智慧管理”邁進(jìn)。公路隧道三維可視化智能管控系統(tǒng)頁面如圖5所示。

公路隧道三維可視化智能管控系統(tǒng)在傳統(tǒng)隧道機(jī)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過引進(jìn)新架構(gòu)、新技術(shù)、新產(chǎn)品，結(jié)合智慧隧道智能一體化管控平臺，實現(xiàn)隧道在智慧交通管控、智慧安全監(jiān)測預(yù)警、智慧事故應(yīng)急處置、智慧運(yùn)維、基于GIS+三維模型的公路隧道數(shù)字化模型、數(shù)據(jù)分析、第三方接口和平臺配置等全方位業(yè)務(wù)的管理。系統(tǒng)功能邏輯架構(gòu)如圖6所示。

主要的功能模塊包括以下內(nèi)容。

4.1 ?三維模型與高精度數(shù)字底圖構(gòu)建

本模塊將打造隧道3D數(shù)字底座，建設(shè)隧道實體結(jié)構(gòu)三維數(shù)字可視化模型，建立一個統(tǒng)一坐標(biāo)系的時空數(shù)據(jù)庫，打造融合基礎(chǔ)地理信息、靜態(tài)高精度地圖、動態(tài)高精度地圖、三維模型和傾斜攝影等數(shù)據(jù)的1∶1隧道數(shù)字底座。通過場景空間位置信息還原，構(gòu)建數(shù)字孿生世界里的隧道真實場景的細(xì)節(jié)刻畫，實現(xiàn)道路標(biāo)線、道路區(qū)域、設(shè)施設(shè)備的真實紋理模型搭建，此部分主要針對隧道的靜態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)字化。

4.2 ?設(shè)備物聯(lián)控制及狀態(tài)三維數(shù)字化展示

推進(jìn)隧道內(nèi)現(xiàn)有各類設(shè)備的智能化管理，建設(shè)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。實現(xiàn)隧道全面交通狀況感知與綜合展示，隧道內(nèi)設(shè)備設(shè)施全面狀態(tài)監(jiān)測及反饋，隧道三維結(jié)構(gòu)及設(shè)備設(shè)施可視化展示及控制。

圖5 ?公路隧道三維可視化智能管控系統(tǒng)頁面

4.3 ?交通監(jiān)控

基于視頻監(jiān)控、毫米波雷達(dá)、雷視一體攝像機(jī)、激光雷達(dá)、高清卡口、ETC和環(huán)境監(jiān)控等手段，實時動態(tài)仿真與監(jiān)測隧道內(nèi)交通流、環(huán)境等信息。建立數(shù)字孿生場景，實現(xiàn)隧道全時空的交通監(jiān)控，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。

4.4 ?安全管控

建立事件檢測子系統(tǒng)。事件檢測子系統(tǒng)可將實時報警數(shù)據(jù)推送至隧道平臺。通過雷視一體融合檢測攝像頭以及隧道入口安全預(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、拋灑物和行人等事件檢測功能，目標(biāo)檢測準(zhǔn)確率達(dá)95%以上。

另外，在傳統(tǒng)感溫光纖和雙波長火災(zāi)檢測儀的基礎(chǔ)上，增加新一代的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的過程中即時發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患。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)入隧道的車輛以及?？吭诰o急停車帶上的車輛進(jìn)行溫度測量，發(fā)現(xiàn)溫度超限，則進(jìn)行預(yù)警及視頻聯(lián)動跟蹤。同時采集高/低位消防水池水位狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)水位過低立即進(jìn)行聲光報警。一旦發(fā)生火災(zāi)，系統(tǒng)會立即彈出火災(zāi)報警提示框，立即聯(lián)動視頻監(jiān)控系統(tǒng)，切換報警點(diǎn)視頻，并且座席端平臺會發(fā)出聲光報警。

4.5 ?應(yīng)急管控

針對高速公路隧道建立火災(zāi)、重大交通事故、交通管制等突發(fā)或異常交通事件情況下所制定的路段機(jī)電設(shè)備的應(yīng)急反應(yīng)實施方案。當(dāng)災(zāi)害或事故發(fā)生時，能夠迅速、有序、高效地組織各種突發(fā)或異常事件的應(yīng)急反應(yīng)行動，充分發(fā)揮高速公路隧道各種監(jiān)控設(shè)備的作用，提高路段的整體救災(zāi)能力，最大限度減少災(zāi)害造成的損失，切實有效預(yù)防“二次事故”的發(fā)生，保障司乘人員及救災(zāi)人員生命財產(chǎn)安全。

4.6 ?智慧運(yùn)維

建立隧道實時安全評估三維可視化系統(tǒng)，將風(fēng)險源清單、評估體系等成果通過編譯模塊化的算法并封裝植入管控系統(tǒng)，該算法將包含對風(fēng)險源清單的調(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，利用該算法實時評估設(shè)備物聯(lián)等手段采集的數(shù)據(jù)并計算當(dāng)前數(shù)據(jù)所反映的安全風(fēng)險等級。最后，使用標(biāo)記在三維模型中實現(xiàn)公路隧道運(yùn)營安全風(fēng)險源實時顯示。

另外，建立綜合能耗管控系統(tǒng)，對所有智能儀表設(shè)備的耗電量、電流、電壓等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與分析。

5 ?結(jié)束語

在交通強(qiáng)國背景下，智慧交通已步入快速發(fā)展賽道。高速公路隧道結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和云計算等信息化手段逐步實現(xiàn)隧道智慧管控，先后建立了隧道機(jī)電智能管控系統(tǒng)，極大地提升了隧道管理及應(yīng)急處置的能力，促進(jìn)高速公路管理及服務(wù)水平提升，實現(xiàn)提質(zhì)增效的目標(biāo)[5-6]。

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