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摘 要：简要介绍了高速公路隧道智慧一体化管控系统，分析了系统建设的意义、现状及项目总体需求，从而针对隧道一体化管控系统建设的主要内容进行了深入探讨，通过高速公路隧道智慧一体化管控系统建设，大大提升了隧道管控的质量，确保了隧道行车的安全性、节能性和舒适性。
关键词：高速公路隧道;一体化;可视化;无线网络
1 高速公路隧道智慧一体化管控系统概述
智慧隧道营运一体化解决方案主要以大数据、物联网、移动互联网等先进技术为手段，针对隧道营运管理中涉及的安全、畅通、节能、养护等业务需求，搭建软硬件一体化的隧道智能营运管理平台，实现隧道日常监控、事故应急、安全监测、节能减排、日常养护等全方位业务的管理，打破业务之间的阻隔，实现资源的有效整合、资源共享、业务协同、集中数据分析，助力营运管理，帮助公路隧道管理单位提高隧道安全性，降低营运成本，并逐步向“智慧管理”迈进。
2 系统建设的意义
高速公路隧道机电系统安装部署了交通监控系统、火灾报警系统、电力监控系统、环境监测系统等子系统，但上述子系统大部分为独立工作状态，并没有实现数据的共享以及联动。为了更好地发挥系统功能，有必要建立一套隧道行车安全管理大数据与可视化系统，完善各子系统信息服务能力，在营运中心建立数据仓库，实时采集各子系统数据，通过二次建模，进行数据分析，最终实现隧道行车安全管理目标。
3 现状分析
高速公路隧道在建设时就非常重视行车安全，布设了多个与行车安全监测相关的子系统，主要包括：视频事件自动监测系统、交通监控系统、火灾报警系统、电力监控系统、环境监测系统。上述已经建成的子系统可以提供大部分与行车安全相关的原始数据，本系统需要将这些数据进行分类、汇总、挖掘以及展现。
高速公路目前安装的硬件设备还存在以下不足之处，很可能导致安全事故不能及时发现的隐患。
（1）火灾报警系统采用双波长综合盘以及感温光纤监测系统，在车辆发生较大明火之前无法发现火灾情况，无法做到灾前预警。
（2）目前部署的視频事件监测由于隧道内摄像机安装高度达不到要求（要求为5.5～6 m），且光线条件变化大，造成误报频繁以及漏报的情况。
（3）现有系统无法对进入隧道内的车辆信息进行监测与记录。
（4）现有监控系统没有联动电力监控系统。
4 项目总体需求
根据调研总结，高速公路营运管理单位对于隧道安全管理的需求主要有以下几点：
（1）通过现场监控设备的升级改造，采用新技术、新设备、新架构提高隧道安全管控以及应急指挥能力。
（2）通过实时信息展现，全面掌握隧道运营状态。
（3）对于各种报警信息能及时采集、展示并建立应急预案。
（4）能对历史数据进行综合分析，并能进行智能化预测。
（5）能实现照明通风的智能化控制，在保障安全行车的前提下实现节能减排。
系统功能需求包括以下几个方面：
（1）全面准确掌握隧道整体交通状况。
（2）快速准确掌握事故发生点的位置信息，并能联动视频监控系统。
（3）掌握分析交通救援历史数据。
（4）汇总分析历史和实时气象数据，掌握不同环境条件下交通状况变化。
（5）汇总关键系统设备故障报修数据。
（6）构建完善、实用、可行的隧道应急指挥预案。
5 系统建设的主要内容
隧道智慧一体化管控系统的设计内容主要包括5.8G无线网络通信系统、隧道本地智慧管控服务器、智能分布式本地控制系统、火灾移动侦测系统、行车安全比对系统、雷达视频融合事件监测系统、智慧隧道一体化管控平台软件等。搭建软硬件一体化的隧道智能营运管理平台，其能实现隧道日常监控、事故应急、安全监测、节能减排、日常养护等全方位业务的管理。
智慧隧道营运一体化解决方案的核心目标是让隧道营运更安全、更畅通、更节能、更易维。
5.1 系统总体结构
系统前端采用分布式智能采集控制器接入各种监控设备，通过工业级无线网络进行通信，数据上传监控中心专用数据库，最后实现大数据高分可视化展示，实现各种管理功能。系统总体架构如图1所示。
5.2 5.8G无线网络通信系统
采用新一代5.8G通信技术的高速高带宽无线物联通信技术，是软硬件、底层协议构成的一整套分布式高速无线组网核心原创技术，形成物与物之间的无线分布式高速连接。通电即用，自动连接，部署过程极其快捷，无须进行挖沟占道等施工，可免除大量相关施工许可申请及工程成本。
5.3 隧道本地智慧管控服务器
为实现“让隧道管理好自己”的目标，在隧道配电房部署隧道智慧管控服务器，它可实现与监控中心上位监控软件的数据对接，但能独立于上位机监控软件运行，不受通信故障影响，确保系统功能充分稳定发挥。智慧运维及能耗管控系统高度集成，具备边缘计算能力。隧道智慧系统架构如图2所示。
5.4 智能分布式本地控制系统
用新一代分布式智能物联控制器替代原PLC控制柜，以分布就近接入以及产品化的思路解决施工麻烦、成本高以及后期维护难的痛点。新一代分布式智能物联控制器可实现隧道内监控设备的数据采集与控制接入，支持设备包括车道指示灯、交通信号灯、CO/VI、LI/LO、风速风向检测器、卷帘门、风机控制柜、照明控制柜等。它内置嵌入式核心单元及无线通信模块，可自主采集设备工作数据、状态数据以及故障数据，并可通过有线或无线通信方式传输到上级管理系统。 5.5 火灾移动侦测系统
多光谱移动火焰探测器采用点型红外火焰探测器原理，是双波长到N个波长的延伸应用，它是为满足各类公路隧道火灾动态探测需求而研发的高速火灾探测器。多光谱移动火焰探测器的传感器可以感知近红外以及远红外几乎全部光谱信号，精度高，响应速度快，可以有效识别火灾发生初期的光谱特征。
5.6 行车安全比对系统
为实现隧道行车安全管控，隧道出入口可部署隧道安全管控一体化门架系统，其包含多种监测设备与交通预警控制设备，可对进出隧道的车流量、车辆信息、车辆状态等进行精准监测和比对。
隧道安全管控一体化门架系统由可维护门架、全彩可变情报板、高清卡口设备、测温型热成像摄像机（可选）、微波车辆检测器、高音广播喇叭、高音警铃、隧道安全一体化管控機柜等设备组成，其示意图如图3所示。
功能描述：
（1）交通事故与车辆滞留及时感知。
（2）利用高清卡口与微波车辆检测器的检测数据实现截面车流量与平均车速的数据采集，发现数据超限则预警，并联动视频监控系统进行确认，查看是否发生交通事故。
（3）比对隧道入口车流量与出口车流量，比对数值超出合理范围则预警，并联动视频监控系统进行确认，查看是否发生交通事故。
（4）比对高清卡口以及微波车检的客货比数据，比对数值超出合理范围则预警。
（5）比对隧道入口车牌信息与出口车牌信息，发现车流进入后没有在合理时间内驶出隧道则预警，并联动视频监控系统进行确认，查看是否发生交通事故或车辆滞留。
5.7 雷达视频融合事件监测系统
雷达视频融合事件监测系统把雷达事件监测系统的全天候、精度高、定位准的特点与视频事件监测系统的可视化特点相结合，实现隧道内高精度的事件监测，其准确率高，受环境影响小，是新一代事件监测技术的发展方向。雷达视频融合事件监测系统架构如图4所示。
5.8 一体化管控平台软件
传统的隧道机电子系统一般包括交通监控子系统、火灾报警子系统、通风及照明子系统、紧急电话机广播子系统、高清视频监控子系统、环境监测子系统等，智慧隧道一体化管控系统不仅能融合传统的机电子系统，还从“更安全、更畅通、更节能、更易维”的隧道营运管理总体目标出发，引入了先进的理念、先进的技术、先进的产品，实现交通状况全天候感知、隧道安全全方位管控、设备运维全周期管理、隧道能耗全时段管控。
5.9 移动应用
本系统提供云端存储与移动APP应用，可让管理者随时随地获取隧道安全营运状况，并及时作出决策。
6 结语
综上所述，经过对隧道一体化管控系统的探讨，将隧道施工整合为可视、可控的统一系统，有效提高了工程施工管理水平，实现了工程良好的经济效益和社会效益。管控一体化系统的应用，不仅能融合传统的机电子系统，还从“更安全、更畅通、更节能、更易维”的隧道营运管理总体目标出发，引入了先进的理念、先进的技术、先进的产品，实现交通状况全天候感知、隧道安全全方位管控和设备运维全周期管理。实践发现，隧道一体化管控系统在技术上和管理上是可行的。接下来可以依托计算机信息技术的迅猛发展，以管控一体化为基础平台，构建施工企业信息化系统，推进施工企业信息化建设。
[参考文献]
[1] 公路隧道设计规范 第二册 交通工程与附属设施：JTG D70/2—2014[S].
[2] 夏永旭.公路隧道运营管理手册[M].北京：人民交通出版社，2017.
[3] 朱晗，彭东领.公路建设项目目标管控体系构建研究[J].公路，2017，62（12）：217-222.
[4] 韩直，杨荣尚，易富君，等.公路隧道运营安全技术[M].北京：人民交通出版社，2012.
[5] 张明友，汪学刚.雷达系统[M].2版.北京：电子工业出版社，2006.
收稿日期：2021-03-26
作者简介：王伟华（1982—），男，广东河源人，工程师，研究方向：高速公路隧道智慧一体化管控系统。
关键词：高速公路隧道;一体化;可视化;无线网络
1 高速公路隧道智慧一体化管控系统概述
智慧隧道营运一体化解决方案主要以大数据、物联网、移动互联网等先进技术为手段，针对隧道营运管理中涉及的安全、畅通、节能、养护等业务需求，搭建软硬件一体化的隧道智能营运管理平台，实现隧道日常监控、事故应急、安全监测、节能减排、日常养护等全方位业务的管理，打破业务之间的阻隔，实现资源的有效整合、资源共享、业务协同、集中数据分析，助力营运管理，帮助公路隧道管理单位提高隧道安全性，降低营运成本，并逐步向“智慧管理”迈进。
2 系统建设的意义
高速公路隧道机电系统安装部署了交通监控系统、火灾报警系统、电力监控系统、环境监测系统等子系统，但上述子系统大部分为独立工作状态，并没有实现数据的共享以及联动。为了更好地发挥系统功能，有必要建立一套隧道行车安全管理大数据与可视化系统，完善各子系统信息服务能力，在营运中心建立数据仓库，实时采集各子系统数据，通过二次建模，进行数据分析，最终实现隧道行车安全管理目标。
3 现状分析
高速公路隧道在建设时就非常重视行车安全，布设了多个与行车安全监测相关的子系统，主要包括：视频事件自动监测系统、交通监控系统、火灾报警系统、电力监控系统、环境监测系统。上述已经建成的子系统可以提供大部分与行车安全相关的原始数据，本系统需要将这些数据进行分类、汇总、挖掘以及展现。
高速公路目前安装的硬件设备还存在以下不足之处，很可能导致安全事故不能及时发现的隐患。
（1）火灾报警系统采用双波长综合盘以及感温光纤监测系统，在车辆发生较大明火之前无法发现火灾情况，无法做到灾前预警。
（2）目前部署的視频事件监测由于隧道内摄像机安装高度达不到要求（要求为5.5～6 m），且光线条件变化大，造成误报频繁以及漏报的情况。
（3）现有系统无法对进入隧道内的车辆信息进行监测与记录。
（4）现有监控系统没有联动电力监控系统。
4 项目总体需求
根据调研总结，高速公路营运管理单位对于隧道安全管理的需求主要有以下几点：
（1）通过现场监控设备的升级改造，采用新技术、新设备、新架构提高隧道安全管控以及应急指挥能力。
（2）通过实时信息展现，全面掌握隧道运营状态。
（3）对于各种报警信息能及时采集、展示并建立应急预案。
（4）能对历史数据进行综合分析，并能进行智能化预测。
（5）能实现照明通风的智能化控制，在保障安全行车的前提下实现节能减排。
系统功能需求包括以下几个方面：
（1）全面准确掌握隧道整体交通状况。
（2）快速准确掌握事故发生点的位置信息，并能联动视频监控系统。
（3）掌握分析交通救援历史数据。
（4）汇总分析历史和实时气象数据，掌握不同环境条件下交通状况变化。
（5）汇总关键系统设备故障报修数据。
（6）构建完善、实用、可行的隧道应急指挥预案。
5 系统建设的主要内容
隧道智慧一体化管控系统的设计内容主要包括5.8G无线网络通信系统、隧道本地智慧管控服务器、智能分布式本地控制系统、火灾移动侦测系统、行车安全比对系统、雷达视频融合事件监测系统、智慧隧道一体化管控平台软件等。搭建软硬件一体化的隧道智能营运管理平台，其能实现隧道日常监控、事故应急、安全监测、节能减排、日常养护等全方位业务的管理。
智慧隧道营运一体化解决方案的核心目标是让隧道营运更安全、更畅通、更节能、更易维。
5.1 系统总体结构
系统前端采用分布式智能采集控制器接入各种监控设备，通过工业级无线网络进行通信，数据上传监控中心专用数据库，最后实现大数据高分可视化展示，实现各种管理功能。系统总体架构如图1所示。
5.2 5.8G无线网络通信系统
采用新一代5.8G通信技术的高速高带宽无线物联通信技术，是软硬件、底层协议构成的一整套分布式高速无线组网核心原创技术，形成物与物之间的无线分布式高速连接。通电即用，自动连接，部署过程极其快捷，无须进行挖沟占道等施工，可免除大量相关施工许可申请及工程成本。
5.3 隧道本地智慧管控服务器
为实现“让隧道管理好自己”的目标，在隧道配电房部署隧道智慧管控服务器，它可实现与监控中心上位监控软件的数据对接，但能独立于上位机监控软件运行，不受通信故障影响，确保系统功能充分稳定发挥。智慧运维及能耗管控系统高度集成，具备边缘计算能力。隧道智慧系统架构如图2所示。
5.4 智能分布式本地控制系统
用新一代分布式智能物联控制器替代原PLC控制柜，以分布就近接入以及产品化的思路解决施工麻烦、成本高以及后期维护难的痛点。新一代分布式智能物联控制器可实现隧道内监控设备的数据采集与控制接入，支持设备包括车道指示灯、交通信号灯、CO/VI、LI/LO、风速风向检测器、卷帘门、风机控制柜、照明控制柜等。它内置嵌入式核心单元及无线通信模块，可自主采集设备工作数据、状态数据以及故障数据，并可通过有线或无线通信方式传输到上级管理系统。 5.5 火灾移动侦测系统
多光谱移动火焰探测器采用点型红外火焰探测器原理，是双波长到N个波长的延伸应用，它是为满足各类公路隧道火灾动态探测需求而研发的高速火灾探测器。多光谱移动火焰探测器的传感器可以感知近红外以及远红外几乎全部光谱信号，精度高，响应速度快，可以有效识别火灾发生初期的光谱特征。
5.6 行车安全比对系统
为实现隧道行车安全管控，隧道出入口可部署隧道安全管控一体化门架系统，其包含多种监测设备与交通预警控制设备，可对进出隧道的车流量、车辆信息、车辆状态等进行精准监测和比对。
隧道安全管控一体化门架系统由可维护门架、全彩可变情报板、高清卡口设备、测温型热成像摄像机（可选）、微波车辆检测器、高音广播喇叭、高音警铃、隧道安全一体化管控機柜等设备组成，其示意图如图3所示。
功能描述：
（1）交通事故与车辆滞留及时感知。
（2）利用高清卡口与微波车辆检测器的检测数据实现截面车流量与平均车速的数据采集，发现数据超限则预警，并联动视频监控系统进行确认，查看是否发生交通事故。
（3）比对隧道入口车流量与出口车流量，比对数值超出合理范围则预警，并联动视频监控系统进行确认，查看是否发生交通事故。
（4）比对高清卡口以及微波车检的客货比数据，比对数值超出合理范围则预警。
（5）比对隧道入口车牌信息与出口车牌信息，发现车流进入后没有在合理时间内驶出隧道则预警，并联动视频监控系统进行确认，查看是否发生交通事故或车辆滞留。
5.7 雷达视频融合事件监测系统
雷达视频融合事件监测系统把雷达事件监测系统的全天候、精度高、定位准的特点与视频事件监测系统的可视化特点相结合，实现隧道内高精度的事件监测，其准确率高，受环境影响小，是新一代事件监测技术的发展方向。雷达视频融合事件监测系统架构如图4所示。
5.8 一体化管控平台软件
传统的隧道机电子系统一般包括交通监控子系统、火灾报警子系统、通风及照明子系统、紧急电话机广播子系统、高清视频监控子系统、环境监测子系统等，智慧隧道一体化管控系统不仅能融合传统的机电子系统，还从“更安全、更畅通、更节能、更易维”的隧道营运管理总体目标出发，引入了先进的理念、先进的技术、先进的产品，实现交通状况全天候感知、隧道安全全方位管控、设备运维全周期管理、隧道能耗全时段管控。
5.9 移动应用
本系统提供云端存储与移动APP应用，可让管理者随时随地获取隧道安全营运状况，并及时作出决策。
6 结语
综上所述，经过对隧道一体化管控系统的探讨，将隧道施工整合为可视、可控的统一系统，有效提高了工程施工管理水平，实现了工程良好的经济效益和社会效益。管控一体化系统的应用，不仅能融合传统的机电子系统，还从“更安全、更畅通、更节能、更易维”的隧道营运管理总体目标出发，引入了先进的理念、先进的技术、先进的产品，实现交通状况全天候感知、隧道安全全方位管控和设备运维全周期管理。实践发现，隧道一体化管控系统在技术上和管理上是可行的。接下来可以依托计算机信息技术的迅猛发展，以管控一体化为基础平台，构建施工企业信息化系统，推进施工企业信息化建设。
[参考文献]
[1] 公路隧道设计规范 第二册 交通工程与附属设施：JTG D70/2—2014[S].
[2] 夏永旭.公路隧道运营管理手册[M].北京：人民交通出版社，2017.
[3] 朱晗，彭东领.公路建设项目目标管控体系构建研究[J].公路，2017，62（12）：217-222.
[4] 韩直，杨荣尚，易富君，等.公路隧道运营安全技术[M].北京：人民交通出版社，2012.
[5] 张明友，汪学刚.雷达系统[M].2版.北京：电子工业出版社，2006.
收稿日期：2021-03-26
作者简介：王伟华（1982—），男，广东河源人，工程师，研究方向：高速公路隧道智慧一体化管控系统。