观点 | 高速公路隧道机电信息化管理系统的应用探讨

高速公路隧道机电信息化管理系统的应用探讨

作者：陈永建

供稿单位：中铁建四川简蒲高速公路有限公司

摘要：随着我国高速公路隧道通车里程越来越多，隧道运营安全性和行车舒适性逐步凸显，如何确保隧道机电设施的稳定运行，保障高速公路安全畅通，成为高速公路机电管理的一个共性问题。本文旨在通过隧道机电信息化管理系统的应用来提升隧道机电管理水平，降低隧道运营风险。

关键词：高速公路；隧道；信息化管理系统

高速公路隧道机电信息化管理系统是一套集视频监控、交通控制、设备管理为一体的流程化、多级的指挥调度平台。集成了交通电子地图，视频监控子系统，隧道监控子系统，信息发布子系统，辅助决策子系统等多个子系统，并集成了联网监控功能。

系统实现功能包括：

（1）日常管理和控制，可以实现对隧道设备采集的数据进行分析、异常情况处理、图像监视、下发控制指令合理诱导交通流以及系统日常运行维护等工作[1]；

（2）智能应急处置事件，在隧道内发生火灾、交通事故时，通过多种报警信息进行提示，实现智能化的视频图像切换；

（3）基础数据采集功能，根据隧道内COVI、亮度检测仪、车检器等检测数据，进行数据分析和整理，为高速公路运营单位提供必要的管理数据[1]。

一、总体设计

（一）网络拓扑图

本系统在路段监控分中心/管理处安装综合业务接入网的光线路终端（OLT）设备，在隧道管理所就近的收费站安装综合业务接入网的光网络单元（ONU）设备，通过监控通信专网，与千兆以太网交换机相连组成数据网络，实现对隧道设备的数据传输。

（二）系统结构图

路段监控分中心/管理处负责所辖区域高速的（包括隧道）监控管理，兼备隧道管理所系统所有功能，完成对隧道设备采集的数据进行分析、异常情况处理、图像监视、下发控制指令合理诱导交通流以及系统日常运行维护等工作，同时对隧道的交通数据等信息进行汇总、统计、打印。隧道所负责所管理隧道监控，完成隧道交通监控、通风、照明、消防、火灾、环境监测等管理功能。

（三）功能结构图

本系统主要功能是采集高速公路隧道设备状态信息以及实时交通数据，将采集的数据以模拟地图形式展示；并通过分析处理实时数据对其车辆进行交通诱导。同时系统提供后台管理功能，可对系统隧道设备、系统基本信息以及系统用户进行配置与管理。

二、系统功能

（一）数据采集服务

数据采集服务由多个设备采集服务模块组成，各个模块独立运行互不干扰。每个采集服务主要包括3大通用模块：通信模块、设备协议通信模块、日志记录模块。

1.通信模块：负责与客户端程序进行数据交互。接受用户操作指令并通过设备协议通信模块对隧道设备下发协议指令；同时隧道设备应答后将处理完成的数据通过该模块回复给客户端程序进行展示。

2.设备协议通信模块：负责将用户操作指令与设备协议指令相互转换工作，并处理对隧道设备的发送和接受指令订阅事件。

3.日志记录模块：负责记录发送和接受的设备协议指令以及系统异常消息，并以文本的形式保存至本地。

（二）图形机管理

功能名称	图形机管理
功能描述	在地图上直观获取交通流、环境、设备、情报板、事件等信息，并对隧道机电设备进行控制的模块
功能点	•地图及导航 •信息监视

图形机管理系统是在地图上直观获取隧道交通流信息、环境信息、设备状态信息、事故事件信息等多方位信息，通过与信息发布模块进行交通诱导控制，对异常情况进行预警和联动反应的模块。

（三）信息显示

信息显示是对隧道监控设备的实时数据以及设备运行状态在隧道机电信息化平台上以文字或图形形式显示的功能。主要有如下信息显示：

1.视频信息：隧道内固定摄像机前端视频图像传输至监控分中心/管理处后进行视频事件检测，检测数据通过10/100M端口与视频事件检测接入交换机连接，汇集后连接到交通事件管理服务器。

2.交通流信息：采用微波车辆检测器（或线圈检测器）对交通参数的检测。检测数据包括：交通量、速度、占有率和车行方向等。这些数据采集后由监控分中心/管理处计算机进行存储、处理和分析，并通过计算机在显示设备上显示道路交通状况。有助于管理者判断如何诱导和疏散交通流，以便及时对异常情况作出反应。

3.环境信息：

（1）隧道CO/VI检测值。通过CO/VI检测器检测隧道内的CO浓度、粉尘浓度等数据，检测结果为隧道通风控制提供依据。

（2）隧道风速风向检测值。通过风速风向检测器检测隧道内的风速、风向等数据，检测结果为隧道通风控制提供依据。

（3）隧道光强检测值。通过洞内、洞外光强检测器检测隧道内外的光强，检测结果为隧道照明控制提供依据。

4.设备状态信息：设备状态信息是为高速公路隧道各种设备的反馈信息和工作状态。系统根据设备反馈的各种信息以图形的方式在地图上进行设备反馈状态和工作状态的模拟显示。以不同的图形表示设备实时采集数据或实时显示状态。绿色表示设备正常、故障及待机状态，若设备故障将自动弹出信息(提示报警大致原因)，同时设备图标显示为红色即故障。

（四）视频子系统

1.视频子系统可实现对隧道摄像机视频进行调用、实时监视、录像保存、录像查看，同时该系统有一套统一规范的标准化控制接口，可集成管理各种提供了二次开发SDK包的编解码器、IPSAN、流媒体、摄像机等视频相关设备的控制协议，并以统一透明的界面展示给用户。

2.视频子系统支持对视频信号的切换，还可对视频图像的拼接显示、放大、缩小以及视频轮巡等功能。

（五）监控子系统

1.交通控制

隧道交通控制主要控制车道指示灯和交通信号灯、车行横洞标志灯，以图形的方式在地图上进行交通状态的模拟显示和控制。隧道交通控制主要用于协助疏导交通，给司机提供正确信息，保障道路安全通畅。

2.照明控制

照明控制是对隧道内照明灯具的开关进行显示和控制的功能，由监控分中心控制工作站、本地控制器、光强检测器、照明控制柜、隧道内灯具、连接电缆等组成。监控分中心计算机、隧道本地控制器都可进行照明控制，当隧道至监控分中心的通信出现故障时，可直接在本地控制器上操作，以保证隧道正常运营。

该子系统以图形的方式在地图上进行照明状态的模拟显示和控制，对于照明的控制包括本地控制和远程控制两种方式，只有照明控制处于远程控制状态时，才能通过监控系统对照明进行调节。

隧道照明控制策略主要分三种：

（1）自动检测控制是根据实测的隧道内外亮度值，分级、实时、自动调节洞内的照明等级，从而达到正常照明和节能的双重目的。照明等级的划分主要按实测的光照度/光亮度检测仪测得的洞外亮度值为主要依据进行照明等级划分。

（2）天气模式控制是根据不同的时间段进行照明控制。用户可自定义各种模式下各类照明的开关状态。采用白天、云天、阴天、重阴天、夜间和深夜不同洞外亮度（或交通量）等因素进行6级控制模式。

（3）时序控制是根据每天不同的时间段，设定各类照明的开关状态。

3.通风控制

通风控制是对隧道内的风机进行显示和控制的功能。对于长隧道来说，良好的通风环境是安全舒适行车的重要指标。系统以图形的方式在地图上进行风机状态的模拟显示和控制。

对于风机的控制包括本地控制和远程控制两种方式，只有风机控制处于远程控制状态时，才能通过监控系统对风机状态进行调节。风机状态包括正转、反转和停转。通风控制又主要包括手动和自动两种方式。

（1）手动控制是监控分中心、隧道站计算机或变电所监控柜的PLC控制器本地控制界面上，手动控制隧道风机的正转、反转、停止功能。

（2）自动控制是将环境检测设备（主要是一氧化碳浓度检测器、粉尘浓度检测器和风向风速检测器）的数据，作为判断隧道空气质量状况的依据，按照预先设定的阀值调节风机的状态。系统可以设定一氧化碳浓度阶梯阀值和粉尘浓度阶梯阀值，浓度每达到一个阀值就启动相应数量的射流风机进行送风；同时检测隧道内的风速与风向，以确保污浊气体和粉尘能快速排出隧道内。

4.消防监控

消防监控是对防火卷帘门、消防水泵、火灾报警光纤进行状态显示或控制功能。系统以图形的方式在地图上进行消防状态的模拟显示和控制。

（1）防火卷帘门的状态包括卷帘门动作时的状态及各限位开关的状态，卷帘门动作状态包括开和关、各限位开关状态也包括开和关。

（2）打开和关闭卷帘门命令由上位机控制完成。上位机发出打开（即向上）、关闭（即向下）的命令，均由PLC控制防火卷帘门的开关。

5.紧急电话

（1）紧急电话广播系统主要由紧急电话广播控制台、紧急电话分机、扬声器、通信光缆和电源电缆等组成：

（2）紧急电话在长隧道出入口和隧道内每200米设置一套，用于司机在紧急情况时进行呼救求援。并在每个隧道口（进出口约20米处）设置1套立柱式紧急电话。

（3）隧道内广播系统扬声器每间隔约100米安装一个，面向行车方向安装。隧道外扬声器可安装在监控系统的摄像机立柱上，朝向分别指向2个方向。功率放大器与紧急电话分机共用同一个箱体，防护等级可达IP67。

（4）紧急电话子系统可实时检测隧道内任意一部电话的呼叫状态，如有电话呼叫求救时，管理所的监控画面上将自动切换出电话呼叫位置，并用相应的动画闪烁来描述报警类型，同时，系统会控制视频监控子系统，将报警点处的视频信号以及当前隧道入口处的一路视频信号自动切换至监控主机中，供监控分中心/管理处内监控人员及时了解现场的情况。

（六）电力监控

电力监控子系统，通过变电站内的各个电力设备监控单元对电力设备进行数据的采集和监控，以保证各个电力设备可靠稳定运行。本系统实现对隧道中的高低压配电柜、UPS设备及柴油发电机的各项数据进行实时监控，在监控中心的隧道监控平台系统中，可实时查看任意设备的运行状态。包括输入/输出电压、输入频率、电池电压、环境温度、发电机剩余油量、发电机运行状态等具体信息。

（七）可变情报板发布

可变情报板控制是对隧道内可变信息标志、可变限速标志、信息发布屏的显示信息进行编辑和发布，对信息发布标志的状态进行查看和控制的功能。监控分中心/管理处通过隧道机电信息化平台进行信息下发。

（八）隧道联动控制

当数据采集服务采集到火灾报警后，自动将报警点的摄像枪图像切到计算机或大屏幕投影上，隧道机电信息化平台上显示该事故区段发生火灾并进行声音报警，显示报警地址及联动设备地址、报警本地名称及联动设备名称等。

当班监控员根据隧道视频信息，可对火灾进行判断，确认该次报警属于火警、误报还是测试。如确为火灾，选择是否执行联动控制方案，对车道、照明、通风、情报板等设备进行联动控制。

（九）系统报表模块

系统报表可对隧道交通流信息、环境信息、情报板信息、设备信息、报警信息、日志信息等数据进行查询统计，并对各类数据进行历史趋势分析，生成和打印报表、图表。

三、结束语 

本文提出的高速公路隧道机电信息化管理系统的应用，是充分利用了隧道机电设备各个子系统的功能，通过物联方式实现对机电设备的集成化、信息化管理，满足了隧道运营管理的安全性、舒适性需求；同时该系统具有很强的实用性和可扩展性，能为高速公路运营单位提供可靠的技术支撑，有助于提高隧道机电设备管理水平。本文的研究对高速公路隧道安全运营提供了一定管理思路，通过隧道机电信息化管理系统的应用，可消除隧道潜在的隐患与问题，保障了隧道行车安全，降低了高速公路运营单位管理风险。

参考文献：

[1]毛瑞.高速公路隧道监控系统联合设计方案探析[J].中国交通信息化,2021,(03):126-129.

[2]高速公路隧道监控系统模式  GB/T18567-2010.

[3]汤玉鹏.高速公路隧道监控系统创新方案探讨[J].中国交通信息化,2020(06):131-134.

[4]王建生,马亚栋.高速公路智能机电设备运维平台设计[J].中国交通信息化,2019,S1:237-239.

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中国公路学会交通工程

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编辑| 孙晨

审核| 陈小妮