基于物联网技术的智慧隧道运营管控系统

刘志辉 孙振飞

（湖南联智科技股份有限公司 湖南省长沙市 410215）

截止到2018年，全国公路隧道17738 处，总长1723.61 万米，已成为世界上公路隧道规模最大、数量最多、发展速度最快的国家[1]。目前隧道内各机电设施管控系统相互独立，难以实现各类设施的联动控制，且未实现与交警、消防、医疗等应急救援机构的信息共享，隧道运营状况的实时动态监测与高效智能控制已成为隧道运营的重要课题。段华勇提出通过加强监管措施来改善隧道运营安全的问题[2]；彭洪涛针对各监控系统自动化、信息化程度不高的问题，建立了一套隧道行车安全综合管理系统[3]；周兰兰针对隧道设备的维修养护，提出了一种基于信息化技术的隧道远程监管系统[4]；任栓哲等人根据信息化技术建立了高速隧道监控联动管理系统[5]。

本文利用物联网技术建设智慧隧道运营管控系统，保障隧道对异常事件的精准定位和及时预警，提升“监测、预警、处置、控制、诱导”等环节的链式管理能力，平时为隧道运营管理工作提供支撑，事故时联动各种设施按照预案快速处置。

1 系统架构

智慧隧道运营管控系统采用物联网的技术架构，基于集中监控、对安装的系统和设备实施分布式控制理念，将综合监控子系统、应急救援子系统、养护管理子系统和数据分析与辅助决策子系统集成在一个平台，实现一体化管控。针对前端感知设备实时动态采集的隧道环境参数、设施状态信息，实施数据挖掘、处理和集成，确认发生异常事件后，对各系统中隧道运营设备实施控制，自动执行预设好的应急预案。

架构主体分为感知层、数据处理层、应用层和信息发布层。依托隧道所有机电设备，建立物联网感知网络，从中获取数据信息，实施数据挖掘、处理和集成，应用到各个子系统，最后通过监控中心屏幕、可变信息标志、隧道智能广播、车载终端等发布出去。智慧隧道运营管控系统架构如图1所示。

2 系统功能设计

2.1 综合监控子系统

综合监控子系统实现交通参数实时动态采集、照明监控、通风监控、消防监控、视频监控和信息发布的功能，实现远程监测与控制功能，系统根据具体需求定制模块化联动控制预案。

图1：智慧隧道运营管控系统架构图

2.1.1 交通事件监测

通过与视频事件检测器、火灾探测器、车辆检测器等设备对接，利用嵌套算法自动快速判断车辆逆行、违章停车、洒落物、行人、火灾等交通异常事件，在平台中展示异常事件报警提示，经过管理人员确认后，一键式进行部门协同、信息发布、系统联动等事件应急协同处置，变被动管理为主动高效管理。

2.1.2 照明监控

照明监控与隧道内交通事件监测、消防监控等实现数据共享，根据检测到的隧道洞内外实时亮度、交通量、气象、交通事件、能见度等交通环境参数的变化，自适应控制隧道照明，同时对洞内照明以及照明控制设备的状况进行监测，保证行车安全，达到节能降耗的目的。照明监控模块运行原理如图2所示。

2.1.3 通风监控

通风监控实时监测隧道内的一氧化碳、能见度、交通事故等信息，基于多源大数据分析技术，根据数据处理结果和系统内预设不同排风方案，实现隧道不同环境耦合条件下通风设备自动运行功能，改变隧道内空气的化学组成，使其满足道路使用者驾车行驶、隧道养护管理人员管养工作的安全和卫生需求，同时提高通风设备的使用寿命，降低由风机全功率工作造成的能源浪费。通风监控模块运行原理如图3所示。

2.1.4 消防监控

消防监控整合传感器技术、物联网技术，预设不同地点、不同火势的联动逃生救援模式，构建智慧消防、物联网一体化云平台。平台通过连接消防系统主机，采集消防灭火系统状态数据、消防设施状态数据、消防报警系统数据、动态环境监控系统数据等，实时监控火灾情况，上传数据至控制中心，系统自动报警。隧道监控中心管理人员通过视频监控确认险情，利用多系统联动的运行模式，自动启用消防监控-逃生诱导设施-灭火设施-消防救援等救援方案，降低二次事故发生的概率，缩短救援时间。

2.1.5 视频监控

视频监控接入摄像头图像，同时共享于隧道交通事件监测、通风监控、照明监控和消防监控等，将隧道内发生的异常事件图像直接推送至主界面，实现多系统联动功能。

2.1.6 信息发布

信息发布模块接入智能广播、可变信息标志、隧道监控中心屏幕和移动终端等，接收平台下发的信息发布指令，进行相关信息发布与管理。在正常行车条件下告知驾驶员前方道路行车条件及天气条件；在隧道内发生异常事件时，根据相应策略系统自动控制可变信息标志显示道路交通环境信息，隧道管理人员通过广播系统及时诱导隧道内被困人员，选择合理逃生路径，减少人员伤亡，提高救援效率。

2.2 应急救援子系统

系统结合不同突发事件的严重程度等级，设置应急救援预案，同时对应急资源进行记录管理，预案主要采用手动、询问、触发三种方式执行。系统对隧道风险进行分级预防和管控，将车辆运行情况、隧道环境信息、气象信息等进行采集整合，综合研判隧道的交通态势，采用嵌套算法对隧道的整体运行安全状况进行预测评估，结合突发事件不同的严重程度等级，启动对应的应急救援预案，展开应急救援，实现突发事件的实时、高效、规范处置。应急救援子系统运行原理如图4所示。

2.3 养护管理子系统

设备设施的正常运行是隧道运营的根本，针对隧道基础设施、机电设施设备、交通安全设施设备的基础信息和养护信息进行存档保管，实现数据流程化操作，结合现行规范要求将机电设施检查、交通安全设施检查等各类报表活化；根据实际养护程序，记录养护环节产生的各类报表文件，并实现历史查询功能；结合GIS、BIM等工具多样化展示养护管理数据。

2.4 数据分析与辅助决策子系统

通过对监测的各类数据进行统计、归纳、对比和分析，形成规定格式或者自定义格式的各类报表，根据养护报表、检查报表、维修报表数据，综合分析设备质量，生成分析报告；根据异常事件的场景、相关联的机电设备，生成交通组织方案，辅助决策；根据报表数据，对养护任务、计划执行情况进行追踪，并生成养护质量追踪报告；根据近期报表数据，备件统计数据，对备件的需求进行预测，定期生成备件需求报告。

3 结论

图2：照明监控模块运行原理图

图3：通风监控运模块行原理图

图4：应急救援子系统运行原理图

本文结合当前隧道运营管控系统发展趋势及国内外研究现状，提出了一套基于物联网技术的智慧隧道运营管控系统，实现隧道各系统互联互通、集中管控、绿色节能、安全防控、服务协同。平时对各种设施进行管理控制，事故时联动各种设施按照预案快速处置，保障隧道异常事件的精准识别、定位和及时预警，指挥调度保障隧道事故应急处置的分析研判与高效处置，为隧道运营安全管控系统的设计提供参考。