运营高速公路隧道机电系统现状及提质升级研究

王辰晨林森陈劲宇郭佳城

摘要：随着交通强国建设以及智慧交通的推进，高速公路隧道运营管理面临着诸多问题及压力。面对日益增加的交通量及出行安全压力，调研广东省部分路段高速公路，归纳总结出隧道机电系统存在系统繁多且分散、事件发生报警及时性及准确性差、事件处置效率低下等问题。针对当前存在的问题，结合国内新技术新方法的发展及创新探索，提出隧道机电系统提质升级建议，并以实际工程为案例介绍基于实体试验隧道建设的公路隧道三维可视化智能管控系统，对隧道现有机电系统进行集成与升级，解决当前存在的问题并为推动隧道智慧化发展提供技术支撑。

关键词：高速公路隧道；机电系统；现状；提质升级；智能管控系统

中图分类号：U458 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）14-0124-05

Abstract： With the construction of traffic power and the promotion of smart transportation， the operation and management of highway tunnel is facing many problems and pressures. In the face of the increasing traffic volume and travel safety pressure， some expressways in Guangdong Province are investigated. It is concluded that there are many problems in the tunnel electromechanical system， such as numerous and scattered systems， poor timeliness and accuracy of incident alarm， low efficiency of incident disposal and so on. In view of the existing problems， combined with the development and innovative exploration of new technologies and methods in China， some suggestions for upgrading the tunnel electromechanical system are put forward. Taking the actual project as a case， this paper introduces the three-dimensional visual smart management and control system of highway tunnel based on physical experimental tunnel construction， integrates and upgrades the existing mechanical and electrical system of the tunnel， solves the existing problems and provides technical support for promoting the smart development of the tunnel.

Keywords： highway tunnel; electromechanical system; present situation; quality upgrading; intelligent control system

我国交通建设正处于快速发展的阶段，特别是随着国家实施“交通强国”战略以来，一大批高速公路走向崇山峻岭，跨江跨海通道项目的建设也日益增多，山岭隧道和海底沉管隧道的建设也面临着诸多技术挑战。截至2022年底，全国公路隧道24 850处、2 678.43万延米，较上年增加1 582处、208.54万延米，同比增长6.80%、8.44%。高速公路隧道机电系统作为隧道重要组成部分，目前机电系统仍存在种类多、构成复杂、相互独立的问题，制约着隧道智慧化水平发展。为提升隧道运营安全及应急处置能力，有必要对现有隧道机电系统进行提质升级，建立统一的隧道运营管理系统，实现隧道内各系统之间应急联动，打造更高效、更安全的隧道智慧化运营管理系统，提高隧道交通安全通行能力[1-3]。

1 机电系统概述

根据高速公路隧道运营使用功能及需求，隧道内配备了必要的通风设施、照明设施、消防设施、监控设施和供配电设施[4]。

1.1 通风设施

由于高速公路隧道处在半封闭的特殊环境下，在交通量的积累下，隧道内会积聚大量的汽车尾气，尾气中通常含有CO等有毒气体，会对人体造成重大伤害。另外，隧道内视线差易发生交通事故，交通事故导致的火灾也会产生大量的浓烟，为控制烟雾扩散以及被吸入人体，需要通过风机风速和风向的控制，将烟雾快速排出。总结而言，隧道通风设施具备排气、排烟、排尘的作用，并向隧道内部注入新鲜空气。隧道通风设施如图1所示。

图1 隧道通风设施

1.2 照明设施

隧道照明是一直需要的，根据隧道不同位置和区段，将隧道照明分为入口段照明、过渡段照明、基本段照明和出口段照明，此外还有洞外引道照明和洞内车行横洞人行横洞照明。照明设施为隧道交通运行安全提供保障，满足人们从隧道外部进入隧道和驶出隧道时视觉适应特性。目前，已有结合隧道交通安全及节能角度考虑，进行隧道照明智慧调光研究。隧道照明设施如图2所示。

图2 隧道照明设施

1.3 消防设施

消防设施是隧道内预防发生火灾事故而设置的，消防系统设计时考虑火灾发生时消除火灾的及时性和有效性。根据相关规范，在隧道内通常设置足够数量的消防设施供隧道应急使用。消防设施主要包括消防栓、高低位水池、灭火器和消防逃生设施等。隧道消防设施如图3所示。

1.4 监控设施

隧道监控设施相对复杂，包含较多子系统，如交通视频监控系统、紧急电话系统、广播系统、信息发布系统、照明控制系统、通风控制系统和环境监测系统等。各子系统间相互独立和分散，共同组成高速公路隧道监控系统，对隧道进行监控与管理。

1.5 供配电设施

供配电设施是隧道的核心组成部分，一般设置在隧道口或隧道内独立的机房里，负责整座隧道的供电和配电，确保隧道内部照明、通风等正常运转。隧道供配电设施主要包括高压配电柜、低压配电柜、应急备用电源和发电机等。隧道供配电设施如图4所示。

图3 隧道消防设施

图4 隧道供配电设施

2 机电系统现状及存在问题

基于广东省部分路段高速公路进行调研，在此基础上归纳总结高速公路隧道机电系统现状及存在的主要问题。

2.1 机电系统多、运行独立

受设计思路影响，目前路段高速公路隧道内各监控系统及平台繁多，且系统与系统之间独立运行，同一系统及平台的各机电设施设备功能也独立运行。

2.2 不容易主动发现异常事件

路段高速公路隧道日常管理主要靠人工巡检和视频轮巡监控的方式以尽量能够及时发现隧道内的事故或异常事件。此种方式由于具有时效性以及主观性，稍微不及时或者不注意，很难主动发现事故或异常事件。

2.3 事故应急处置效率低

当路段高速公路隧道突发事故时，事故监控、指挥调度、设施设备操控和信息报送等目前都基于人工操作。人工操作时各机电系统切换频繁、缺乏联动控制、操作低效不便捷，非常容易出错。

3 机电系统提质升级建议

针对上述运营路段调研中存在的问题，提出基于现有条件能进一步对机电系统提质升级的建议。本文仅梳理了部分提质升级建议措施，针对高速公路隧道运营交通安全机电系统可以开展的工作还有很多，不再一一阐述。

3.1 建立事件检测系统

当前国内事件检测技术水平比之前已经进步很多，已可以实现事故准确报警、应急智能联动响应。建议统一建设高速公路隧道智能管理平台，辅助监控人员应对隧道内各种突发事件。

3.2 更新升级机电系统硬件

完善现有隧道机电系统相关硬件，通过部署前在专业场所或实际隧道进行实际工况测试的方式选取并采用可靠的各类隧道机电设备，如火灾报警系统进行火灾烟雾模拟测试，环境监测系统进行气体能见度模拟测试，事件检测系统进行停车事故模拟测试等，以保证各类报警数据的准确性。

3.3 设施设备在线状态监测

隧道机电系统内所有监控设施设备均能在线巡检并反馈实时工作状态，如有异常及时通知运维管理人员。

3.4 设置系统报警阀值

隧道运营管理系统应对隧道环境监测设施设备设定规定的报警阀值。当隧道环境监测设施设备检测到超过规定阀值或者其他各类报警时，如事件检测、紧急电话摘机、火灾报警等，系统应及时切换至大屏幕并有声光报警。

3.5 建立三维可视化系统

建议提高监控大屏的硬件指标，建立隧道三维可视化显示，通过隧道的三维可视化系统将隧道内机电系统设施设备设置情况、逃生通道、消防设施等进行还原，并准确显示设施设备所在的位置信息、设备状态和事件发生的情况等，以便为指挥调度的决策提供清晰的现场情况，同时通过Web端和手机端实现云端信息共享。

3.6 智能运营管控系统

未来，隧道运营管理系统应做到高度集成，路段监控中心原则上只操作一个系统软件。系统应能对隧道各个机电系统进行统一控制，且能将隧道应急预案融入隧道智能运营管控系统。当异常事件出现后，系统能按照隧道应急预案的步骤和要求，如更改情报板提示信息、切换交通指示灯、开关风机和开启广播等一系列动作，主动提示工作人员完成每一步骤的操作。在工作人员确认每一步操作时，系统能快速地控制隧道内每个机电系统，从而达到系统之间联动的功能。

3.7 ETC门架车牌识别

充分利用ETC门架的车牌识别功能判别进入隧道的车辆是否已驶离隧道，否则要在监控中心予以报警提示。

3.8 调频广播系统

建设调频广播系统，出现异常事件后通过强切来往车辆的收音机功能提示和指挥隧道内车辆。

4 机电系统提质升级工程应用

依托广东交通集团隧道工程长期安全实体试验场建立公路隧道三维可视化智能管控系统，将隧道已有交通监控子系统、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和环境监测子系统等机电子系统进行集成与升级，实现隧道在日常监控、事故应急、安全监测、节能减排和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、集中数据分析及助力营运管理，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。公路隧道三维可视化智能管控系统页面如图5所示。

公路隧道三维可视化智能管控系统在传统隧道机电系统的基础上，通过引进新架构、新技术、新产品，结合智慧隧道智能一体化管控平台，实现隧道在智慧交通管控、智慧安全监测预警、智慧事故应急处置、智慧运维、基于GIS+三维模型的公路隧道数字化模型、数据分析、第三方接口和平台配置等全方位业务的管理。系统功能逻辑架构如图6所示。

主要的功能模块包括以下内容。

4.1 三维模型与高精度数字底图构建

本模块将打造隧道3D数字底座，建设隧道实体结构三维数字可视化模型，建立一个统一坐标系的时空数据库，打造融合基础地理信息、静态高精度地图、动态高精度地图、三维模型和倾斜摄影等数据的1∶1隧道数字底座。通过场景空间位置信息还原，构建数字孪生世界里的隧道真实场景的细节刻画，实现道路标线、道路区域、设施设备的真实纹理模型搭建，此部分主要针对隧道的静态结构进行数字化。

4.2 设备物联控制及状态三维数字化展示

推进隧道内现有各类设备的智能化管理，建设设备物联与孪生对应的设备管理模块与综合监控模块。实现隧道全面交通状况感知与综合展示，隧道内设备设施全面状态监测及反馈，隧道三维结构及设备设施可视化展示及控制。

图5 公路隧道三维可视化智能管控系统页面

4.3 交通监控

基于视频监控、毫米波雷达、雷视一体摄像机、激光雷达、高清卡口、ETC和环境监控等手段，实时动态仿真与监测隧道内交通流、环境等信息。建立数字孪生场景，实现隧道全时空的交通监控，将全隧道空间重建和车辆全过程轨迹重建信息进行可视化显示，对事故车辆、事故车流场景进行模拟仿真回溯。

4.4 安全管控

建立事件检测子系统。事件检测子系统可将实时报警数据推送至隧道平台。通过雷视一体融合检测摄像头以及隧道入口安全预警机器人对隧道全域进行视频事件检测，采用人工神经网络、多目标跟踪等技术路线，结合高精度AI算法实现24 h的不间断监测。该事件检测子系统支持逆行、违停、拥堵、变道、抛洒物和行人等事件检测功能，目标检测准确率达95%以上。

另外，在传统感温光纤和双波长火灾检测仪的基础上，增加新一代的多光谱移动火焰探测器，能够在火灾潜伏期温度缓慢上升的过程中即时发现火灾隐患。在隧道入口和紧急停车带安装测温型红外温度探测器，对进入隧道的车辆以及停靠在紧急停车带上的车辆进行温度测量，发现温度超限，则进行预警及视频联动跟踪。同时采集高/低位消防水池水位状态，发现水位过低立即进行声光报警。一旦发生火灾，系统会立即弹出火灾报警提示框，立即联动视频监控系统，切换报警点视频，并且座席端平台会发出声光报警。

4.5 应急管控

针对高速公路隧道建立火灾、重大交通事故、交通管制等突发或异常交通事件情况下所制定的路段机电设备的应急反应实施方案。当灾害或事故发生时，能够迅速、有序、高效地组织各种突发或异常事件的应急反应行动，充分发挥高速公路隧道各种监控设备的作用，提高路段的整体救灾能力，最大限度减少灾害造成的损失，切实有效预防“二次事故”的发生，保障司乘人员及救灾人员生命财产安全。

4.6 智慧运维

建立隧道实时安全评估三维可视化系统，将风险源清单、评估体系等成果通过编译模块化的算法并封装植入管控系统，该算法将包含对风险源清单的调用、评估体系流程的数据自动输入与结果输出。其次，利用该算法实时评估设备物联等手段采集的数据并计算当前数据所反映的安全风险等级。最后，使用标记在三维模型中实现公路隧道运营安全风险源实时显示。

另外，建立综合能耗管控系统，对所有智能仪表设备的耗电量、电流、电压等数据进行采集与分析。

5 结束语

在交通强国背景下，智慧交通已步入快速发展赛道。高速公路隧道结合人工智能、大数据、物联网和云计算等信息化手段逐步实现隧道智慧管控，先后建立了隧道机电智能管控系统，极大地提升了隧道管理及应急处置的能力，促进高速公路管理及服务水平提升，实现提质增效的目标[5-6]。

参考文献：

[1] 朱晶.“互联网+”背景下高速公路机电系统的创新分析探寻[J].中华建设，2022（7）：26-28.

[2] 罗婷，贾彦党.甘肃省高速公路智慧隧道综合管控系统探析[J].科技与创新，2022（5）：13-16，22.

[3] 王旭东，耿亮，申林山.基于物联感知的高速公路隧道机电一体化智能管控系统研究及应用[J].运输经理世界，2021（11）：34-36.

[4] 高杰.高速公路隧道机电设施技术状况评价应用研究[D].西安：长安大学，2019.

[5] 王晓萌.拥抱全球智慧交通美好未来[N].中国交通报，2023-09-27（002）.