基于物聯網技術的智慧隧道運營管控系統

劉志輝 孫振飛

（湖南聯智科技股份有限公司 湖南省長沙市 410215）

截止到2018年，全國公路隧道17738 處，總長1723.61 萬米，已成為世界上公路隧道規模最大、數量最多、發展速度最快的國家[1]。目前隧道內各機電設施管控系統相互獨立，難以實現各類設施的聯動控制，且未實現與交警、消防、醫療等應急救援機構的信息共享，隧道運營狀況的實時動態監測與高效智能控制已成為隧道運營的重要課題。段華勇提出通過加強監管措施來改善隧道運營安全的問題[2]；彭洪濤針對各監控系統自動化、信息化程度不高的問題，建立了一套隧道行車安全綜合管理系統[3]；周蘭蘭針對隧道設備的維修養護，提出了一種基于信息化技術的隧道遠程監管系統[4]；任栓哲等人根據信息化技術建立了高速隧道監控聯動管理系統[5]。

本文利用物聯網技術建設智慧隧道運營管控系統，保障隧道對異常事件的精準定位和及時預警，提升“監測、預警、處置、控制、誘導”等環節的鏈式管理能力，平時為隧道運營管理工作提供支撐，事故時聯動各種設施按照預案快速處置。

1 系統架構

智慧隧道運營管控系統采用物聯網的技術架構，基于集中監控、對安裝的系統和設備實施分布式控制理念，將綜合監控子系統、應急救援子系統、養護管理子系統和數據分析與輔助決策子系統集成在一個平臺，實現一體化管控。針對前端感知設備實時動態采集的隧道環境參數、設施狀態信息，實施數據挖掘、處理和集成，確認發生異常事件后，對各系統中隧道運營設備實施控制，自動執行預設好的應急預案。

架構主體分為感知層、數據處理層、應用層和信息發布層。依托隧道所有機電設備，建立物聯網感知網絡，從中獲取數據信息，實施數據挖掘、處理和集成，應用到各個子系統，最后通過監控中心屏幕、可變信息標志、隧道智能廣播、車載終端等發布出去。智慧隧道運營管控系統架構如圖1所示。

2 系統功能設計

2.1 綜合監控子系統

綜合監控子系統實現交通參數實時動態采集、照明監控、通風監控、消防監控、視頻監控和信息發布的功能，實現遠程監測與控制功能，系統根據具體需求定制模塊化聯動控制預案。

圖1：智慧隧道運營管控系統架構圖

2.1.1 交通事件監測

通過與視頻事件檢測器、火災探測器、車輛檢測器等設備對接，利用嵌套算法自動快速判斷車輛逆行、違章停車、灑落物、行人、火災等交通異常事件，在平臺中展示異常事件報警提示，經過管理人員確認后，一鍵式進行部門協同、信息發布、系統聯動等事件應急協同處置，變被動管理為主動高效管理。

2.1.2 照明監控

照明監控與隧道內交通事件監測、消防監控等實現數據共享，根據檢測到的隧道洞內外實時亮度、交通量、氣象、交通事件、能見度等交通環境參數的變化，自適應控制隧道照明，同時對洞內照明以及照明控制設備的狀況進行監測，保證行車安全，達到節能降耗的目的。照明監控模塊運行原理如圖2所示。

2.1.3 通風監控

通風監控實時監測隧道內的一氧化碳、能見度、交通事故等信息，基于多源大數據分析技術，根據數據處理結果和系統內預設不同排風方案，實現隧道不同環境耦合條件下通風設備自動運行功能，改變隧道內空氣的化學組成，使其滿足道路使用者駕車行駛、隧道養護管理人員管養工作的安全和衛生需求，同時提高通風設備的使用壽命，降低由風機全功率工作造成的能源浪費。通風監控模塊運行原理如圖3所示。

2.1.4 消防監控

消防監控整合傳感器技術、物聯網技術，預設不同地點、不同火勢的聯動逃生救援模式，構建智慧消防、物聯網一體化云平臺。平臺通過連接消防系統主機，采集消防滅火系統狀態數據、消防設施狀態數據、消防報警系統數據、動態環境監控系統數據等，實時監控火災情況，上傳數據至控制中心，系統自動報警。隧道監控中心管理人員通過視頻監控確認險情，利用多系統聯動的運行模式，自動啟用消防監控-逃生誘導設施-滅火設施-消防救援等救援方案，降低二次事故發生的概率，縮短救援時間。

2.1.5 視頻監控

視頻監控接入攝像頭圖像，同時共享于隧道交通事件監測、通風監控、照明監控和消防監控等，將隧道內發生的異常事件圖像直接推送至主界面，實現多系統聯動功能。

2.1.6 信息發布

信息發布模塊接入智能廣播、可變信息標志、隧道監控中心屏幕和移動終端等，接收平臺下發的信息發布指令，進行相關信息發布與管理。在正常行車條件下告知駕駛員前方道路行車條件及天氣條件；在隧道內發生異常事件時，根據相應策略系統自動控制可變信息標志顯示道路交通環境信息，隧道管理人員通過廣播系統及時誘導隧道內被困人員，選擇合理逃生路徑，減少人員傷亡，提高救援效率。

2.2 應急救援子系統

系統結合不同突發事件的嚴重程度等級，設置應急救援預案，同時對應急資源進行記錄管理，預案主要采用手動、詢問、觸發三種方式執行。系統對隧道風險進行分級預防和管控，將車輛運行情況、隧道環境信息、氣象信息等進行采集整合，綜合研判隧道的交通態勢，采用嵌套算法對隧道的整體運行安全狀況進行預測評估，結合突發事件不同的嚴重程度等級，啟動對應的應急救援預案，展開應急救援，實現突發事件的實時、高效、規范處置。應急救援子系統運行原理如圖4所示。

2.3 養護管理子系統

設備設施的正常運行是隧道運營的根本，針對隧道基礎設施、機電設施設備、交通安全設施設備的基礎信息和養護信息進行存檔保管，實現數據流程化操作，結合現行規范要求將機電設施檢查、交通安全設施檢查等各類報表活化；根據實際養護程序，記錄養護環節產生的各類報表文件，并實現歷史查詢功能；結合GIS、BIM等工具多樣化展示養護管理數據。

2.4 數據分析與輔助決策子系統

通過對監測的各類數據進行統計、歸納、對比和分析，形成規定格式或者自定義格式的各類報表，根據養護報表、檢查報表、維修報表數據，綜合分析設備質量，生成分析報告；根據異常事件的場景、相關聯的機電設備，生成交通組織方案，輔助決策；根據報表數據，對養護任務、計劃執行情況進行追蹤，并生成養護質量追蹤報告；根據近期報表數據，備件統計數據，對備件的需求進行預測，定期生成備件需求報告。

3 結論

圖2：照明監控模塊運行原理圖

圖3：通風監控運模塊行原理圖

圖4：應急救援子系統運行原理圖

本文結合當前隧道運營管控系統發展趨勢及國內外研究現狀，提出了一套基于物聯網技術的智慧隧道運營管控系統，實現隧道各系統互聯互通、集中管控、綠色節能、安全防控、服務協同。平時對各種設施進行管理控制，事故時聯動各種設施按照預案快速處置，保障隧道異常事件的精準識別、定位和及時預警，指揮調度保障隧道事故應急處置的分析研判與高效處置，為隧道運營安全管控系統的設計提供參考。