基于物联网技术的智慧隧道运营管控系统

内容摘要

为保证隧道运营安全,解决当前隧道机电设备联动性差、预案前置化程度低、系统独立性强的问题,研究依托物联网技术建设智慧隧道运营管控系统。通过物联网技术,集成综合监控子系统、应急救援子系统、养护管理子系统和数据分析与决策辅助子系统,对隧道内交通状况及环境信息进行实时检测,及时发现交通险情和交通事故,确保隧道影响区域交通运行安全,为隧道运营管控系统设计提供参考。

 

基于物联网技术的智慧隧道运营管控系统研究

截至到2018年,全国公路隧道17 738处,总长1 723.61万米,已成为世界上公路隧道规模最大、数量最多、发展速度最快的国家,伴随而来的是隧道事故频发。目前隧道内各机电设施管控系统相互独立,难以实现各类设施联动控制,且未实现与交警、消防、医疗等应急救援机构信息共享。传统检测、监测方法、软件系统已无法满足智能一体化安全监管需求,隧道运营状况的实时动态监测与高效智能控制已成为隧道运营的重要课题。段华勇提出通过加强监管措施来改善隧道运营安全问题;彭洪涛针对各监控系统自动化、信息化程度不高的问题,建立一套隧道行车安全综合管理系统;周兰兰针对隧道设备维修养护,提出一种基于信息化技术的隧道远程监管系统;任栓哲等人根据信息化技术建立高速隧道监控联动管理系统;李泽平利用物联网技术设计一种高速公路隧道监控系统。随着物联网技术、通信技术、信息技术的发展,智慧隧道运营管控势在必行。

在以往研究的基础上,利用物联网技术建设智慧隧道运营管控系统,建立基础网络体系、智能感知体系、数据采集设施控制体系和融合通信体系,保障隧道对异常事件的精准定位和及时预警,提升“监测、预警、处置、控制、指挥、诱导”等环节的链式管理能力,平时为隧道运营管理工作提供支撑,事故时联动各种设施按照预案快速处置,提升隧道运营管理水平。

1、功能需求

智慧隧道运营管控系统需满足全寿命周期内道路使用者、管理者、职能管理部门等不同用户、不同层面的使用需求,全天候保障隧道影响区域交通流安全平稳,一旦发生突发事件,实现低成本、高效率应急救援,保障道路使用者生命财产安全和隧道资产安全。为道路使用者提供语音广播信息提示、安全驾驶提示和出行路径优化等方面的服务;为隧道管理人员提供隧道影响区域内交通信息、环境信息以及照明、通风、消防、监控、通信等设备的安全运行状态信息;为职能管理部门提供隧道影响区及相关路网交通运行综合信息、隧道影响区域突发事件基本属性和损失属性,最终实现隧道影响区域及路网基础数据可视化、事件处置决策过程可视化、事件决策方案可视化,实现多屏显示、远程决策功能,保障隧道影响区域发生突发事故时能够及时、高效、低成本处置。

2、系统架构

智慧隧道运营管控系统采用物联网技术架构,基于集中监控、对安装的系统和设备实施分布式控制理念,将综合监控子系统、应急救援子系统、养护管理子系统和数据分析与决策辅助子系统集成在一个平台,实现一体化管控。针对前端感知设备实时动态采集的隧道环境参数、设施状态信息,实施数据挖掘、处理和集成,确认发生异常事件后,对各系统中隧道运营设备实施控制,自动执行应急预案,提高隧道使用者安全系数,降低运营和养护成本,提高突发事件管理和设备维护智能化水平,提高系统和基础设施可靠性,达到综合系统高效控制目标。

架构主体分为感知层、数据处理层、应用层和信息发布层。依托隧道所有机电设备,建立物联网感知网络,从中获取数据信息,实施数据挖掘、处理和集成,应用到各子系统,最后通过监控中心屏幕、可变信息标志、隧道智能广播、车载终端等发布出去。智慧隧道运营管控系统架构如图1所示。

 

图1 智慧隧道运营管控系统架构图

3、系统功能设计

3.1 综合监控子系统

综合监控子系统能实现交通参数实时动态采集、照明监控、通风监控、消防监控、视频监控和信息发布的功能,预留数据接口对接应急救援系统、养护管理系统和数据分析与决策辅助系统,实现远程监测与控制功能,系统能根据具体需求定制模块化联动控制预案。

1)交通事件监测。通过与视频事件检测器、火灾探测器、能见度监测器、车辆监测器等设备对接,利用嵌套算法自动快速判断车辆逆行、违章停车、缓慢行驶、洒落物、行人、拥堵、火灾等交通异常事件,将事件检测结果放在平台中展示,并对异常事件报警提示,经过管理人员确认,一键式进行部门协同、信息发布、系统联动等事件应急协同处置,变被动管理为主动高效管理。交通事件监测模块运行原理如图2所示。

 

图2 交通事件监测模块运行原理图

2)照明监控。智慧隧道照明监控与隧道内交通事件监测、消防监控等实现数据共享,能实现不同天气、不同时段、不同交通量条件下隧道影响区域内不同段落照明环境的自动、逐级、健康调控。根据监测到的隧道洞外实时亮度、洞内照明质量、交通量、气象、交通事件、能见度等交通环境参数的变化,自适应控制隧道照明系统,调节出入口以及洞内照明,同时对洞内照明以及照明控制设备状况进行监测,保证行车安全,达到节能降耗目的。系统具备自动控制、时序自动控制、本地手动控制、监控中心远程控制和紧急控制功能。照明监控模块运行原理如图3所示。

 

图3 照明监控模块运行原理图

3)通风监控。智慧隧道通风监控,实时监测隧道内由行驶车辆释放、危险货物运输或发生火灾等突发性事件所产生的一氧化碳、氮氧化合物、烟雾粉尘等有害物质点位、密度等信息,基于多源大数据分析技术,根据数据处理结果和系统内预设不同排风方案,实现隧道不同环境耦合条件下通风设备自动运行功能,改变隧道内空气化学组成,使其满足道路使用者驾车行驶、隧道养护管理人员管养工作的安全卫生需求,同时提高通风设备使用寿命,降低由风机全功率工作造成的能源浪费。通风监控模块运行原理如图4所示。

 

图4 通风监控运模块行原理图

4)消防监控。智慧隧道消防监控整合传感器技术、物联网技术,预设不同地点、不同火势的联动逃生救援模式,构建智慧消防、物联网一体化云平台。平台通过连接消防系统主机,采集消防灭火系统状态数据、消防设施状态数据、消防报警系统数据、动态环境监控系统数据等,实时监控火灾情况,上传数据至控制中心,系统自动报警。隧道监控中心管理人员通过视频监控确认险情,利用多系统联动的运行模式,自动启用消防监控、逃生诱导设施、灭火设施、消防救援等救援方案,提高逃生成功率,降低二次事故发生概率,缩短救援时间。消防监控模块运行原理如图5所示。

高速公路隧道智慧消防.jpg

图5 消防监控模块运行原理图

5)视频监控。视频监控接入摄像头图像,集中显示隧道不同点、段车辆运行情况,便于隧道管理人员及时掌握隧道交通运行情况,同时共享于隧道交通事件监测、通风监控、照明监控和消防监控等,将隧道内发生的异常事件图像直接推送至主界面,实现多系统联动功能,如以屏幕提示、报警联动、指定录像等各种方式将报警信息发送给管理人员、直管单位、联动单位等。视频监控模块运行原理如图6所示。

 

 

图6 视频监控模块运行原理图

6)信息发布。智慧隧道信息发布模块接入智能广播、可变信息标志、隧道监控中心屏幕和移动终端等,接收平台下发的信息发布指令,进行相关信息发布与管理。在正常行车条件下告知驾驶员前方道路行车条件及天气条件,实现远程讲话、交通指挥、路况提示等功能,及时发布驾驶安全信息,减少交通事故;在隧道内发生异常事件时,根据相应策略系统自动控制可变信息标志显示道路交通环境信息,隧道管理人员通过广播系统及时诱导隧道内被困人员,选择合理逃生路径,减少人员伤亡,提高救援效率。信息发布模块运行原理如图7所示。

 

图7 信息发布模块运行原理图

3.2 应急救援子系统

根据隧道影响区域、路网影响区域不同设置综合防控范围,结合不同突发事件的严重程度等级,设置应急救援预案,同时对应急资源进行记录管理,预案主要采用手动、询问、触发三种方式执行。应急救援子系统通过建立可视化隧道交通综合管控平台对隧道风险进行分级预防和管控,将车辆运行情况、隧道环境信息、气象信息等进行采集整合,综合研判路网内隧道的交通态势,采用嵌套算法对隧道的整体运行安全状况进行预测评估,结合突发事件不同的严重程度等级,启动对应的应急救援预案,展开应急救援,实现突发事件的实时、高效、规范处置。应急救援子系统运行原理如图8所示。

 

图8 应急救援子系统运行原理图

3.3 养护管理子系统

设备设施的正常运行是隧道运营的根本。设置养护管理子系统,对隧道基础设施、机电设施设备、交通安全设施设备的基础信息和养护信息进行存档保管,实现数据流程化操作;结合现行规范要求将机电设施检查、交通安全设施检查等各类报表活化,根据实际养护程序,记录养护环节产生的各类报表文件,可实现历史查询功能;结合GIS、BIM等工具多样化展示养护管理数据。

3.4 数据分析与决策辅助子系统

通过对各类检测、监测数据进行统计、归纳、对比和分析,形成规定格式或自定义格式的各类报表,根据养护报表、检查报表、维修报表数据,综合分析设备质量,生成分析报告;根据异常事件的场景、相关联的机电设备,生成交通组织方案,辅助决策;根据报表数据,对养护任务、计划执行情况进行追踪,生成养护质量追踪报告;根据近期报表数据、备件统计数据,对备件需求进行预测,定期生成备件需求报告。

4、结语

隧道机电系统正常稳定运行和应急处置能力对隧道运营具有重大意义,结合当前隧道运营管控系统发展趋势及国内外研究现状,提出一套基于物联网技术的智慧隧道运营管控系统,实现隧道各系统互联互通、集中管控、绿色节能、安全防控、服务协同。平时对各种设施进行管理控制,事故时联动各种设施按照预案快速处置,保障隧道异常事件的精准识别、定位和及时预警,指挥调度保障隧道事故应急处置的分析研判与高效处置,保障隧道在正常运行条件下和发生突发事件条件下道路使用者生命财产安全、隧道资产安全,为隧道运营安全管控系统设计提供参考。

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(责任编辑:小安)

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