康大高速智慧隧道建设与应用探讨

康大高速智慧隧道建设与应用探讨

芮文斌

赣州康大高速公路有限责任公司，江西 赣州 341500

摘要：

隧道作为路网重要安全节点，随着交通压力的逐步加码也面临着更多更复杂的挑战。本文以康大高速隧道为例，在隧道已建成的各营运管理各子系统的基础上，解决底层核心管控机电国产化替代，持续加深隧道机电系统的功能内涵，积极引进和应用新技术、新设备，实现“联动式改进”，使各子系统形成合力，开成管控闭环，同时加强对机电、能耗等各类数据进行进一点的采集、挖掘，融合新一代信息技术，实现信息的共享与管理的协同，为更高级别的“智慧隧道”提供支撑。

关键词：智慧隧道、国产化、机电系统

引言

隧道作为路网重要安全节点，随着交通压力的逐步加码也面临着更多更复杂的挑战。近年国“智慧隧道”的建设也如火如荼，例如2022年拓维信息携手山东高速打道的杭山东隧道，创新性地采用了国产化开源鸿蒙及雷视融合等先进技术，整个解决方案涉及底层系统、机电设备和运维应用等各个方面，实现了全方位、多维度的智慧隧道建设探索。2020年广州坤龙联合北京万集、广东省交通规划设计研究等单位建设的广明祈福智慧隧道，以“安全需求”为导向，通过建立隧道智慧运营管控系统及引入相关新技术及设备，实现隧道的动静态交通元素的智慧感知、高可靠事件检测、车辆全域跟踪、数字孪生三维展示、设备综合管控、预案管理与处置、信息发布和诱导等功能，助力隧道运营管理者更高效。随着国内智慧隧道试点项目正在全面展开，从技术升级与创新、系统集成与优化、智能化发展、绿色环保、人性化设计等多个方面融合的新型智慧隧道将大有作为。

一、康大高速及隧道相关情况介绍

     “康大高速”是中国江西省赣州市境内连接南康区与大余县的高速公路，为中国国家高速公路网南昌—韶关高速公路（国家高速G6011）的组成部分之一，同时串连北京—港澳高速公路（国家高速G4）、大庆—广州高速公路（国家高速G45）、厦门—成都高速公路（国家高速G76）、济南—广州高速公路（国家高速G35）等多条国道主干道，属于国家重点高速重要点。“康大高速”东起于三益枢纽，西止于大梅关隧道（赣粤界），全长约57千米，设计为双向四车道行车，设计速度100千米/小时，道路已于2007年12月份正式通车。

康大高速公路全线共设有两处隧道，分别为：车里隧道左右洞及大梅关隧道右洞。其中车里隧道为短隧道，左洞长638米，右洞长656米。大梅关隧道右洞长2346米，隧道内设计车速80km/h，交通阻滞时按10km/h。车里隧道内设置了人行横通道，在梅关隧道设置了车行横通道、人行横通道。

梅关隧道                                                      车里隧道

二、当前隧道运营中存在的主要问题

隧道采用较为传统的管理模型，未单独设置隧道管理站，由高速公路监控分中心对其实施管理运营，隧道基础设施智慧化比较薄弱，隧道作为半封闭空间，随着电车及物流发展加速，安全隐患十分明显，主要体现在以下几方面：

智慧化程度不高，设备功能缺失及性能下降：隧道基本停留在原建设期的设计和施工建设的基础上，智慧化程度不高，通车时间久，隧道各系统性能下降，原设计的系统设备功能缺失，导致系统功能不满足日益增大的交通流量和特殊事件的安全管控需求。例如火灾报警系统性能下降（检测器或主机性能下降）、视频事件检测系统性能下降、精准事件检测无法满足运营需求等。

系统设备养难度大，系统稳定性不强：由于隧道机电系统设计面广，涉及多达十几个不同领域的子系统：包括通信、监控、供配电、消防、紧急电话及广播、照明、通风、环境监测等等，具有系统构成复杂、设备密集、使用环境差、养护难度大等特点，于是在很多情况下容易造成系统稳定性差，增加了隧道安全隐患。这是目前隧道营运管理中普遍存在的问题。

数据互联互通性差、无法综合应用：隧道安全管理涉及多个子系统，每个子系统的运作状况都对隧道安全管理造成影响，而各个子系统的建设一般来说是由各厂家独立完成，最后集中到监控中心的软件系统进行管理。中心软件系统的整合程度、数据的互联互通程度以及综合挖掘应用的能力对隧道安全管理具有非常重要的影响。目前大部分隧道在这方面不完善。

应急处置预案不完善、智能预警功能缺乏：目前隧道营运管理都具备一系列的应急预案，但大部分的应急预案是停留在纸面上，并没有实现信息化与智能化，而且不具备最基本的安全预警功能。为更好的保障隧道营运管理的安全，非常有必要将应急预案功能信息化，同时增加隧道安全预警功能。

因此，必须建立综合的隧道综合安全管理系统，综合各种报警信息，达到对各类特情，做到即时预警、全线联通、多路指挥，把灾害、损失、社会影响降到最低程度。

三、探讨康大高速隧道的智慧化建设与应用

围绕高速公路隧道运营“更安全、更节能、更易维、更畅通”四大方向目标，聚集隧道行车安全主要威胁因素如火灾、拥堵、超速、违法停车、逆行、抛洒物、行人、危化品车辆、超限超载车辆等

行为，基于已经建设完成的各个运营管理和子系统的隧道，解决底层核心管控机电国产化替代，持续加深隧道机电系统的功能内涵，积极引进和应用新技术、新设备，实现“联动式改进”，使各子系统形成合力，开成管控闭环，同时加强对机电、能耗等各类数据进行进一点的采集、挖掘，融合新一代信息技术，实现信息的共享与管理的协同。

1. 隧道机电设备基础智慧化

通过增加基于国产的智能设备解决传统隧道构架存在的唯一故障点，加强物联网技术应用，科技赋能，实现隧道自主管控，与中心平台形成“创新型的分布式管控架构”，提高隧道机电系统管控质量与效率。

创新型的智慧隧道分布式管控架构分三层，分别实现功能如下:上层平台软件：简化设备接入以及现场管控功能，着重全面分析、综合报警、应急联动、数据共享.

中层隧道管控服务器端：“各隧道管好自己”，实现自主采集、存储与分析、日常管控、应急预案执行

下层隧道现场机电端：通过分布式控制器现场设备数据采集、传输、存储、指令执行、状态分析与报警。

2. 隧道行车安全预警机器人

产品安装在隧道口，也可用于因路段重点位置路侧；通过视频AI分析、毫米波雷达，对重点区域行车道一定范围内的异常行车行为识别检测，并联动高音号角语音警示和led点阵屏文字预警提示。可以在车辆进入隧道前进行提示或者有异常事故可以即时预警，主动在危险发生前进行预警提示。

设备安装方便快捷，可单独使用也可并网使用，具体以下功能：

AI事件检测：产品内置AI算法，支持违法停车、实线变线、超速、车辆滞留、行人检测等事件实时检测；

安全预警：事件联动语音、警示屏文字预警提醒驾乘人员，辅助提高道路行车安全；

远程指挥：通过远程管理平台可实现远程监控现场实时视频，下发文字和语音提醒信息。

3. 隧道视频加强

通过在隧道洞内部署枪球一体机，结合营运一体化平台报警驱动，定向投屏，聚焦特情报警区域，上传实时高清视频流，辅助监控管理人员，快速定位事件，分析确认事件，做到快速发现、即时处理，提高监控人员服务效能。

4. “两客一危”重点车辆综合监控系统

“两客一危”重点车辆监控系统通过在隧道入口约2000米处部署前端设备采集过车数据，前置AI算法智能识别过车车牌、车型、轴型、轴数、轮数等结构化数据，输出车头和车侧高清大图，精准识别“两客一危”、冷链车、渣土车、“黑名单”等重点车辆，通过大数据分析，实现对重点车辆的实时监控和预警。同时采集的实时数据也可协助交警部门进行重点车辆管控，打击重点车辆违禁通行，稽查重点车辆黑名单等。

5. 隧道行车安全管控系统

通过在隧道入口附近门架布设测温热成像设备和车牌识别设备判断行驶车辆车温状态，若车辆处于异常超限高温状态，本系统将联动隧道机电系统、信息发布系统、进行异常超限预警，提示驾驶人员，紧急处理【1】，提前消除隐患，避免发生火灾、刹车不灵等意外，同时联动相关部门提前做好应对。

当采集服务监测到温度超高报警，实时将报警信息推送到平台客户端进行声光报警，同时自动弹出报警信息，并联动现场情报板与广播警示设备提醒事故车辆驾驶员。

6. 供配电监测系统

隧道供电分备用电源还有市电两种模式，通过实时采集高速公路以及隧道照明、通风等供电设备的运行状态，包括变压器及关键进线、出线回路的状态，新增市电停电监测信号接入、后备电源（直流屏、UPS、发电机等）监测接入【2】，提高隧道供电管理水平，当发生供电故障时，可快速反映并处理，缩短故障停电时间。

7. 智慧隧道综合一体化管控平台

智慧隧道综合一体化管控平台将隧道机电设备的“运维、养护”及隧道日常运营业务来管理打通，系统前端采用原有PLC或基于国产的分布式智能采集控制器接入各种机电设施，利用自建的工业级无线网络进行通信，根据业务需求将所有采集数据抽取上传管理中心专用数据库，实现大数据高分可视化展示，系统集成融合视频控制管理、隧道控制、综合报警、智慧供电、指挥调度、信息发布等功能，实现智慧管控一体化管理。

隧道一体化管控系统总体架构图

通过集成融合原建设功能完成隧道现场设备数据采集展示，主要展示数据包括：视频数据、隧道交控制数据、隧道环境数据、车辆温度数据、火灾报警数据、供电状态等【3】。数据采集并不局限于原有设备数据，还包括预留通用数据接口，为后期增加的系统子模块建立基础架构。

数据收集可以被划分为原始数据和总括数据两部分，收集到的原始数据会经过分析算法的处理，并根据所需的数据要求进行自动汇总分析。同时，汇总数据会被整理成表格的形式，可以直接用于展示和输出。

（1）视频监控子系统

包括利用原建设的视频做预览、调阅、投屏、轮巡、录像等基础功能，本次项目新增隧道智能球机，作隧道特情细节监控。新增“两客一危”车辆监测，为行车安全做监测统计、分析预警。

（2）隧道控制子系统

原有的分散的隧道管理业务模块（隧道交通控制、隧道环境数据采集、隧道通风、照明控制、隧道广播、水泵控制等）集成于一体化平台上，做到易维、易用、数据融合交互。

（3）综合报警子系统

系统自动采集各种报警信号，采集的报警信号包括：设备报警、火灾报警、交通事故报警、拥堵报警、行车安全事件报警（违停、逆行、抛洒物、行人等）、危化品报警、断电报警、环境参数超限报警等。

除了自动采集报警信号外，系统还可以接收人工电话报警信息、交警转发事故信息等。

一旦接收到报警信息，系统可自动或人工切换视频监控图像进行事件确认，确认后系统可自动调用预设应急预案，并做到快速识别、快速执行。

系统自动连接各子系统，对各子系统的报警主动推送综合报警管理，将报警信息与视频进行联动，快速定位报警位置，一旦报警信息确认即可调出控制预案。

报警信号包括：断面车流量超限、客货比超限、车辆滞留、车辆温度超限、火灾、环境数据超限、供电状态报警、事件检测报警、核心设备工作状态报警等。

（4）智慧供电子系统

利旧集成原来的电力监控数据，基于AI技术监测分析各业务能耗，形成分类，促进更佳的能效利用。系统自动采集隧道内电力监控数据，特别是对通风与照明、应急设备的电流电压进行实时监测，并通过大数据分析监测记录，自动分析供电异常，支持隧道节能减排。

（5）指挥调度子系统

指挥调度子系统包含多维信息报送、综合调度、应急处理预案。路段监控中心，可对应急事件实时监测、制定应急预案与管理，指令发布与评估，完成各系统的协调运行。同时收集及联动交警、气象、医疗、消防等有关部门，有效预防高速路段突发事件，提升应急预案处理效率。发生突发事件后，通过高分可视系统综合显示事故相关各种信息，进行应急预案调用，结合交警、消防救援、医疗救援等社会力量，形成统一应急指挥作业。

四、预期建设结果

通过上述智慧化的升级与改造，预期取得下述成果：

(1)提高隧道行车安全：通过智慧化建设和应用，实现对隧道内各种行车安全威胁因素的实时监测和预警，减少交通事故的发生，保障车辆和乘客的安全。

(2)提升隧道运营效率：通过智能化系统的引入，实现对隧道机电设备的集中管控和优化调度，提高设备的运行效率和能源利用效率，降低运营成本。

(3)加强隧道应急响应能力：通过智慧化系统的支持，实现对隧道内突发事件的快速识别、定位和处理，提高应急响应速度和处理效果，减少事故损失。

(4)改善隧道环境质量：通过智能化系统的控制和管理，实现对隧道内环境的监测和调节，提高空气质量、照明效果和舒适度，提升驾乘体验。

(5)实现数据共享与管理协同：通过智慧化系统的建设，实现各子系统数据的采集、传输和共享，提高数据的利用价值，为决策提供科学依据。

(6)提升隧道管理水平：通过智慧化系统的集成和应用，实现对隧道各项业务的全面管理和监控，提高管理效率和服务质量，满足日益增长的交通需求。

(7)推动智慧交通发展：康大高速隧道的智慧化建设和应用将为智慧交通的发展提供经验和示范，推动智慧交通技术的创新和应用，促进交通行业的转型升级。

综上所述，康大高速隧道的智慧化建设和应用将带来多方面的预期建设结果，包括提高行车安全、提升运营效率、加强应急响应能力、改善隧道环境质量、实现数据共享与管理协同、提升隧道管理水平以及推动智慧交通发展等。这些结果将为康大高速隧道的安全运营和可持续发展提供有力支撑。

文献引用：

【1】作者：彭洪涛，“隧道行车安全综合管理系统”，《中国交通信息化》，2009年06月；

【2】作者：席广辉，“ 高速公路及隧道综合电力监控系统技术实施方案探讨”，《建筑工程技术与设计》，2018年12月；

【3】作者：李苗华，谭平玉，戴剑军等，“智慧隧道一体化管控平台的设计与实现”，《湖南沟通科技》，2021年02月；