智慧隧道一体化管控平台的设计与实现

李苗华， 谭平玉， 戴剑军， 彭 巍， 周 进

(湖南省交通科学研究院有限公司， 湖南 长沙 410015)

0 引言

随着我国经济的快速发展，公路及公路隧道的建设项目与日俱增，隧道安全运营问题日益凸显。为了创造一个安全、方便、快捷、舒适、经济、高效的交通环境，如何解决隧道安全问题成为高速公路建设和运营管理单位关注的焦点[1]。2019年，交通运输部办公厅印发了《促进公路隧道提质升级行动方案》和《公路隧道提质升级行动技术指南》，在全国范围内开展隧道提质改造工程，其主要工作内容是将提升隧道服务水平与公路交通数字化、网络化和智能化相结合，提高隧道的运营管理效率。

隧道由于空间封闭、构成复杂、安全隐患较大，成为公路安全管控的难点，目前大部分隧道建设时都设计了电力控制、视频监控、紧急电话、信息发布等多个孤立的管理系统，软件操作繁琐且难以便捷地进行可视化管理，缺乏统一的隧道管控平台。隧道信息化建设存在标准不统一、系统模数混合、分系统独立设计，软件平台不统一，形成多个信息孤岛、系统资源整合程度低等诸多问题，隧道管理粗放、系统运营技术风险大、系统运维效率低、效果不够理想[3]。

随着信息技术的发展，一体化监控模式将成为提升隧道管控的重要手段，为了更好地满足行车安全、提高行车效率、构建和谐行车环境的运营管理以及满足服务需要[2]，建设数字化、综合化、智能化的公路隧道信息系统势在必行。

1 隧道信息化建设及管理现状

1.1 各管理系统孤立建设，缺乏隧道综合管控平台

目前大多隧道管理所独立设置照明、视频监控、信息发布、紧急电话等子系统，系统分散建设，系统间未进行联动与集成控制。集成程度低、管控功能弱、数据共享程度不够，缺乏统一的管控平台将隧道业务集成到一个系统进行设施可视化管控，导致管理效率较低。

1.2 异常监测依赖人工，指挥调度智能化程度低

目前隧道异常事件发现主要依靠视频监控与人工巡查，事件发现不及时，事件处置依赖人工经验，现场处置、中心调度、决策指挥等工作任务相对独立，缺乏统一的纵向、横向间的指挥调度体系[4]，专业性要求高且处置效率低。应急处置协作沟通主要通过电话或微信沟通，沟通效率低，处置过程无法追溯。

1.3 隧道管理粗放，系统运维效率低

隧道管理缺乏多维度的隧道设施运行状态、能耗情况等分析报表，且设备故障发现大都依赖人工巡检，管理人员无法实时掌握隧道整体运行情况和机电设备实时状态，故障发现与处理不及时。隧道机电运维决策主要靠个人经验，机电设施检测维护随机性大，不够规范，处置业务受空间和距离限制，沟通不便，机电维护效率低。

1.4 部分机电设施老旧，脱离现有管理需要

大部分隧道设备已在网运行多年，PLC设备存在老化、故障频发等问题，由于线路问题导致很多机电设施不受控或控制效果不理想。现有设备及平台不足以支撑隧道信息化发展需求，在管控效率、管理运维、人力物力资源利用等方面存在诸多限制。

2 一体化管控平台设计

2.1 需求分析

由于环境封闭，加上线形、照明等因素的影响，隧道安全风险远高于其他路段，且隧道内一旦发生事故，加之救援困难、信息传递不畅等，极易引发二次事故，造成重大经济损失和负面社会影响[5]。总结来说，隧道管控主要存在以下需求。

2.1.1一体化集成监控需求

将各分散的子系统进行集成统一接入管控，对隧道内的通风、照明、视频监控、车流及交通控制等状态实施全方位监测与机电设备远程快捷控制，是当前隧道管理单位最基本也最重要的需求。

2.1.2异常事件自动检测与报警需求

依靠人工巡检或人工上报发现事件，耗时耗力且难以及时发现异常，影响事件处置效率，更易诱发二次事件。将人工智能、AI技术、机器学习等新兴技术应用于隧道管控中，提升隧道异常情况主动发现与监管能力是提升隧道运营安全水平的重要内容。

2.1.3联动高效应急处置需求

根据不同的事件类型及严重程度实现事件分级响应，启动对应的预案并进行协同处置与指挥，实现各模块信息无缝流转，实现各系统快速联动，提高事件处置效率，是隧道管控的核心需求。

2.2 系统结构

本文构建智慧隧道一体化管控平台，将隧道交通设施、监控设施、通风设施等进行统一对接和接入，以隧道综合管控为核心，提供“监测、管控、处置、调度”的一体化管理模式，形成围绕“感知、预警、决策、控制、分析”的业务闭环，提高集成控制、异常识别、应急处置的综合能力，实现隧道运营管理“可视、可测、可控、可服务”。智慧隧道一体化管控平台的系统架构如图1所示。

图1 智慧隧道一体化管控平台系统架构图

设备层指前端机电设备，包括视频监控、火灾报警、事件检测、紧急电话、信息发布、CO/VI检测、车道指示器等设备构成。

网络层提供数据传输通道，通过光纤网、视频专网等完成数据传输，需设计安全认证系统加强对信息传输的保护，以保证数据传输的可靠性。

数据层完成数据的采集、存储与数据共享交换，为应用层提供数据支撑。

支撑层提供GIS引擎、工作流引擎、日志服务、统一用户管理等功能，为上层服务提供应用支撑。

应用层提供集成应用及展示平台，为运行监控、应急指挥、决策支持等隧道管理核心业务提供应用平台。运行监控提供隧道实时运行环境和运行状态的一平台可视化监控。应急指挥提供隧道设施的综合管控，实现设施联动控制及应急事件下隧道控制设施的便捷操作。决策支持通过对设备运行信息、历史事件信息、历史故障信息等的统计研判分析，为用户管理决策提供数据支撑与依据。

针对业务需求和隧道机电设备数量和接口协议众多等特点，采用统一协议的数据采集交换平台实现各级监控信息交换和数据共享同步，通过数据融合处理中心，将原本分散的基础数据和运行数据进行融合处理，实现系统互联互通。数据传输架构如图2所示。

图2 数据传输架构图

2.3 平台功能

2.3.1运行监控

2.3.1.1 实时监控

综合GIS地图、隧道视频、实时检测数据等，展示隧道各类信息的在线运行情况和机电设备精确定位。实时告警隧道停电、拥堵、火灾、恶劣天气和施工等事件情况，通过不同的图标直观展示各类事件信息。

对隧道机电设备建立三维交互模型，将原来孤立的设备模块进行高度整合，在传统机电设备分类的基础上充分考虑用户体验和用户习惯，提供3D、2D模式下机电设备状态的实时状态监控以及远程便捷控制。

2.3.1.2 故障报警

对隧道设备离线、异常状态进行自动报警，显示故障设备名称、隧道桩号、报警类型、报警时间、报警状态等详细报警信息，支持对设备故障进行添加和对报警信息误报确认，以列表的形式展现当前未处理和已处理的设备故障报警信息。

2.3.1.3 事件报警

将人工智能、AI技术、机器学习等新兴技术应用于隧道监管控中，针对性补充智能化监测手段，提升隧道异常情况主动发现与监管能力。

平台汇集隧道各类事件信息，实时推送到用户界面，并在二/三维场景中展示事件位置，实现对交通事件、恶劣气象、火灾事件和紧急事件的自动报警，为事件及时处置提供基础。

2.3.1.4 视频监控

对隧道内所有摄像机画面进行实时监控和调度管理，以视频控制系统为基础进行整合，根据事件发生位置，自动调取监控图像，以便快速掌控现场实时情况，实现全方位、全时段的隧道可视化监管。

2.3.2应急指挥

2.3.2.1 应急处置

提前配置不同事件场景下的处置预案，可通过人工、视频监控、设备自动检测等方式触发异常事件报警。平台提供可选择的预案处置策略，展示当前事故基础信息，自动调出事故区段视频，同时提供配置预案的机电设备快捷操作，实时监测预案处置进度。

2.3.2.2 指挥调度

基于互联网通信技术，实现隧道事故处置过程中的协调调度、消息推送等手段提供业务协作和信息共享能力。监控员、主管领导和协作单位等多用户可以通过平台实现处置过程信息共享与协作，大幅提高异常事件科学处置水平及效率。

2.3.2.3 事件仿真

提供各类隧道事件预案3D仿真，实现对各类处置预案动态仿真的快速创建和部署，实时模拟隧道现场情况和应急处置过程，为应急管控提供实时推演和效果评估。

2.3.2.4 交通诱导

平台通过隧道广播、可变信息板、可变限速标志、车道指示器、消防卷帘门的接入实现隧道内交通诱导和逃生指引。

2.3.2.5 预案管理

平台实现对隧道应急预案的管理。根据实际需求，提供预处理、应急处置和事后恢复过程的预案处置步骤的闭环管控，支持预案复制功能。

2.3.2.6 应急处置历史信息

平台记录事件处置历史信息，便于事后评估和追溯。展现已执行预案信息，包括序号、隧道名称、预案名称、预案类型、执行模式、执行开始时间、处置过程详情，提供预案处置过程中摄像机调用、处置步骤、操作人、处置时间和处置内容等信息。

2.3.3决策支持

2.3.3.1 异常事件统计分析

提供日报、周报、月报和年报的报表查询及导出功能，对辖区范围内隧道异常事件进行统计分析，主要包括异常事件发生数量趋势、事件类型分布、事件报警来源分布、异常事件报警信息统计表，可以按照隧道、日期和事件类型查询所需报表并打印。通过异常事件详情，可以查看异常事件处置流程和基本信息。

2.3.3.2 设备故障统计分析

平台提供设备故障数量趋势、故障设备类型分布、设备故障信息统计表等功能，用户可以按照隧道名称、日期、报表类型和设备类型查询和打印所需报表和统计分析报告。

2.3.3.3 设备运行统计分析

平台提供照明设备运行时长趋势、通风设备运行时长、照明设备运行信息统计表等功能，用户可以按照隧道名称、日期、报表类型、设备类型查询和打印所需报表和统计分析报告。

2.3.3.4 检测数据统计分析

平台提供交通流、CO/VI、光强、风速的统计和分析功能，用户可以按照隧道名称、日期、报表类型查询和导出对应报表和统计分析报告，为隧道环境的综合分析和研判提供数据支持。

2.3.3.5 紧急电话与广播统计分析

平台实时统计和分析紧急电话通话时长和次数变化趋势以及紧急电话通话数据统计列表。

2.3.4系统管理

实现对平台相关参数的管理和维护，对人员、用户权限、系统日志等管理。

提供对隧道风机、照明、环境等相关阈值进行配置，实现隧道配置参数达到相关阈值后平台的自动报警，平台自动弹出相应的等级控制方案，供监控员确定下发联动控制指令。主要包含报警等级设置、环境监测阈值、车辆情况阈值、报警等级设置、照明配置、风机配置、广播配置、系统设置功能模块。

2.4 平台特点

产品以视觉分析、三维建模、人工智能为主要技术手段，围绕隧道实时监测、设备集成控制等应用场景，实现一体化管控、事件快捷处置等功能，以解决隧道运营管理中的多源异构数据处理、设施精细化管理、运行状态智能监测、安全应急保障等切实需求。从视频监控、信息发布、电力控制等子系统单点建设，向各系统综合集成的一体化建设转移。

2.4.1基于GIS+BIM的机电数字化技术

平台实现以物体类型、桩号等简单信息为输入，自动生成高速公路隧道三维场景，实现隧道结构体、风机、摄像头、情报板及交通信号指示灯等机电设备三维可视化，为异常事件定位、设备状态展示提供高仿真场景。

2.4.2多源信息融合的智慧隧道感知技术

对现有零散的信息发布、紧急电话、事件检测等隧道管理子系统进行信息融合，通过隧道设备、运营信息的集中展示，实现机电设备的联动控制，大幅提升隧道管理效率。

2.4.3定制化统计报表

平台针对隧道管理业务需要对异常事件、设备故障、设备运行、检测数据、电力数据、紧急电话与广播六类数据进行了统计分析，并支持日报、月报、年报的自动生成导出。

2.4.4高速公路隧道协同管控技术

实现协同管控制度与流程数字化，实时跟踪各流程、各环节处置进度，在三维场景中进行突发事件应急方案的仿真模拟，实现可视化线上指挥调度。

3 应用案例及效果

3.1 梅溪湖隧道概况

梅溪湖隧道(原三环线隧道)工程南起绕城高速西南段象鼻窝，北至黄花塘互通，全长约4.154 km，其中隧道工程约3.32 km，道路等级为双向四车道高速公路。自2016年梅溪湖隧道通车，隧道机电系统同期投入运行使用，截止到2021年，运行近5 a。隧道实景见图3。

图3 梅溪湖隧道实景图

3.2 机电设备现状

梅溪湖隧道机电工程主要由综合管线、供配电、通信、监控、通风、消防(含消防电、消防水、消火栓、灭火器)、紧急电话、照明、排水、本地控制器(PLC)控制平台构成。

隧道内设备工况环境较差，各设备故障率较高，为应对该情况，于2020年对部分失能的机电子系统进行了改造，2021年初对本地控制器(PLC)子系统进行了改造。目前，监控子系统由模拟视频监控升级改造为网络数字化高清视频监控，并已将视频图像推送到交警平台。

3.3 应用效果

对梅溪湖隧道基础信息进行维护管理，并通过二维与三维建模对隧道内机电设备实际位置进行可视化展示。同时，通过协议实现视频监控、CO/VI、照明、车道指示器等各类设备与系统的连接。

系统主要包含隧道配置与控制模块、实时监控模块、事件处置模块、分析研判模块等，实现了包括监测、决策、处置到分析的流程闭环。在实时监测模块查看各类机电设备实时获取的环境信息和异常报警信息，结合预案匹配及事件处置，自动调出所关联的摄像机，查看事件实时状况，以便快速确定处置方案。隧道实时监控如下图4所示。

图4 隧道实时监控界面

结合梅溪湖隧道的实际运行情况，通过智慧隧道一体化管控平台的建设，实现了隧道一体化管控，将各自独立分散的子系统管理高度整合，实现隧道运行一体化实时监控与设备远程集中管控，减少了日常监控、事件处置的人力与物力，提高了运营管理效率。

4 结语

本文在分析目前隧道信息化建设及管理现状的基础上，从需求分析、系统结构、系统功能等方面对智慧隧道一体化管控平台进行了研究、设计与实现，并将平台在长沙梅溪湖隧道进行了试点应用。平台的构建实现了从感知、预警、决策、控制到分析的整个业务流程，将传统的条块化管理向一体化综合监控转变，从各子系统单点建设向各系统综合集成的一体化建设转移，有效解决了隧道各子系统各自为政、运营效率低、安全管控水平差等现状痛点问题。对提升隧道安全运营与服务水平，促进隧道管理部门向“智慧型管理”转变具有重要的现实意义。