隧道安全智能监测与联动管理系统工程方案探析

隧道安全智能监测与联动管理系统是交通工程机电系统对运营服务的体现方式，也是道路运营管理体系中一个重要的环节。随着道路车流量的增多，车辆在隧道区域行驶的安全性、便捷性要求也日益提高。作为现代化的道路诱导管理系统，应为司乘人员提供更为安全便捷的通行道路、为道路使用者提供良好舒适的出行感受、为运营管理者提供更为简洁有效的运营管理平台。

一

研究背景

高速公路隧道的建设给交通出行提供了极大的便利，但也由于其相对封闭的行驶空间，使隧道的安全管理相比于路面更加困难，给交通引导、救援提出了极大的挑战。通过对隧道事故的报道统计，发现85%以上的隧道事故是由于大型货车、特殊危险品运输车辆的不规范行驶造成的。2020年6月25日浙江某高速隧道内发生一辆大货车着火造成一人死亡，后期调查发现该货车营运证已失时效；2020年7月4日，广东某高速隧道一大货车在隧道内违停后被追尾发生火灾。而隧道事故发生后，隧道车辆的疏散指引和消防救援也往往产生大量的时间滞后，进一步加大了隧道事故的严重性。隧道事故救援实拍如图1所示。

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图1 隧道事故救援实拍目前，在国内高速公路的隧道建设过程中虽然已具备了相当规模的隧道机电设备和系统，但因业务众多、流程繁杂、子业务间缺乏相互联动的量化指标等因素，导致监控中心在运营过程中往往存在多个监管平台、监控员指令操作复杂、应急预案难以实施、疏散救援响应时间长等问题。为达到隧道机电数据资源整合、机电系统智能监测、交通事件提前预警、操作指令基本联动的目的。汕梅高速拟在两座长隧道（柚树下及莲花山隧道）进行隧道安全智能监测与联动管理系统工程改造，通过部署隧道智能监测与联动管理系统（含硬件及软件），提升对终端系统设备的状态采集及控制，提炼、归集、补充隧道运行安全要素，并将目前营运路段的隧道应急预案融入隧道管理平台，通过隧道管理平台的智能分析辅助判断隧道各项机电设施的联动操作流程。

二

汕梅高速机电系统存在问题分析

1、隧道监控各子系统的网络传输独立，传输接口和协议不统一，管理软件相互隔离，无法在系统间实现联动。两座长隧道虽按设计规范要求设置了较为完善的机电设施，如视频监控系统、照明系统、通风系统、隧道控制系统、火灾报警系统、语音广播系统、电力监控等，但这些系统在控制指令的发布时各自独立，各系统之间难以进行数据的关联。这也导致了路段监控中心存在着众多的专用软件及业务电脑，繁琐的操作增加了监控人员的工作量，降低了工作效率。在突发事件处置过程中，监控人员需对相关机电系统逐个进行操作和确认，同时还要做好记录、报送、信息更新、传达指令等等工作，容易出现忙中出错的情况。2、设备巡检周期较长、设备状态缺乏自动感知，维修被动。日常运营中，部分设备的故障状态需要依靠人工巡检发现，养护和修理时间周期长、效率低。道路发生紧急事件时也缺乏主动的报警和展示功能，管理功能不完善。3、在管理软件的层面上，缺乏明确的系统间联动操作方案。当前机电系统在分中心客户端内的数据互相隔离，无法实现报警信息的相互验证和报警提醒。比如，隧道内的报警电话摘机后难以定位具体桩号，对隧道内交通事件的获取造成了一定困难。4、项目通车运行多年，部分设备老化、损坏严重，参数指标落后，难以满足营运管理需求。汕梅高速的视频事件分析设备已经运行多年，其技术已属过时产品不具备更新条件，现阶段由于其误报率过高，大多数设备已经无法实现其事件分析自动报警的功能，处于无法使用状态。隧道多处环境检测和车辆检测设备故障率高且难以修复，已经无法满足运营要求。另外，火灾报警设备报警区域过大，温度感应时间滞后，无法对具体点位的火焰或温度进行实时、准确的检测。

三

整体解决思路

本项目以提高速公路隧道安全运行为目的，提高隧道机电系统（含软件）联动能力，使其更符合高速公路运营需求。（一）统一设备接口和传输协议、建立兼容性的管理平台本项目拟建立一套兼容各子系统功能的一体化管理平台，统一对所有子系统和相关设备进行管理。同时对各子系统的接入和传输方式进行相应改造，统一接口和传输协议，所有设备接入同一个传输网络，在分中心实现统一控制。（二）加强设备状态检测和事件判断能力为保证运营环境检测数据的全面性和数据准确性是其基础，平台软件可实时采集各子系统和终端设备的运行状态，当发现设备状态异常时，应及时发出告警信息。增加视频事件识别系统，结合其它设备的检测数据，对各项数据进行分析，拆解出与安全行驶关系密切的关键性指标，对其进行多维度、多点位检测，保证事件检测的准确性。（三）增加应急预案联动功能，建立合理规范的管理流程管理平台除了兼容各子系统功能外，还应该具备应急预案联动功能。应急预案应能够根据营运方业主的管理流程来制订，并可对其中控制步骤进行编辑。（四）分阶段对相关的硬件设备、传输网络进行升级改造本项目处于运营监控状态，各机电设备也是一直处于运行中的。大量同时更换设备将会在较长时间里中断道路监控数据，也可能会影响到道路的正常通行。按照紧要程度和重要程度进行设备的分期、分系统改造，除了有利于改造工期的分配以外，还在很大程度上缓解了大量改造资金的时间需求。

四

隧道智能监测与联动管理系统构成

（一）系统基本构架
按照数据传输及控制逻辑，隧道智能监测与联动管理系统从下到上分为设备层、数据汇聚层、逻辑判断层、展示层。所有网络和设备均需进行网络安全管理。控制管理功能由多个子模块/子系统构成，其数据和管理业务互相交叉共享，形成一个集视频调看、报警联动、设备巡检、预案演练于一体的平台系统。隧道智能监测与联动管理系统架构如图2所示。

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图2 隧道智能监测与联动管理系统架构从上层到底层主要包括以下5个层级。展示层：监视器墙、平台软件应支持不同的显示模式，不同情况下显示所需的重要信息。应用层/功能模块：可分为基本功能和扩展功能两部分内容。其中基本功能包括了隧道交通诱导、隧道通行状态监测、隧道环境监控、GIS地图定位查询、视频流媒体分发、联动预案库等；扩展功能包括了重点营运车辆监测子系统、指挥报警管理、交通统计及分析、机电设备状态管理，隧道环境3D展示、隧道模拟演练、设备维护管理、隧道巡检管理等。各模块均可进行数据读取，并可针对各模块的判断结果与其他模块生成联动命令。数据中台：对隧道外场设备的数据内容进行接口转换。按照数据类型可分为基础设施及设备状态数据、视频结构化数据、环境数据、设备控制参数、车辆数据等。传输层：主要包括了通信系统传输设备、光电缆、隧道内的逻辑控制节点（如：PLC、测控执行模块等）、远期物联网接入传输节点等。采集层：包括隧道内与车辆、司乘人员、隧道环境产生关联的外场设备。设备功能包括机房设备、隧道交通诱导设备、隧道通行状态监测设备、隧道环境控制设备等。（二）系统运行模式本系统以监控人员的操作指令为主要决策核心，以系统整体设备和事故的自动检测和上报为操作提示的信息流水线，在各显示终端展示图像化信息、数据统计结果、决策及预测分析等。监控工作站为本系统的控制终端，可多台同时工作，且每台工作站在数据功能上不进行区分，均可访问核心数据库，但应为其分配不同的运转权限。各业务子系统和模块相对独立运行，可分为基础模块和扩展模块，其中扩展模块可在总体软件架构的基础上进行扩展或减少，不影响其基本控制功能。系统的运行可分为日常运营、报警管理、子模块管理3种模式。（三）展示层功能及子业务模块监视器墙主要用于显示外场视频、车流量、气象信息、辖区路况等，也可根据需要手动选择显示模式及内容。除相关监测系统自动运行外，其他系统基本由人工进行操作。（四）应用层扩展功能模块1、重点营运车辆行驶状态监测根据官方数据统计，隧道内发生安全事故，78%以上均与危化品车、大型货车、大型客运车等重点营运车辆有关，所以重点营运车辆属于隧道事故的主要危险源。重点运营车辆进入到路段，通过“重点营运车辆管理系统”中的车辆静态信息可获取车牌号、货品类别（精准救援）、运证时效以及车辆的动态轨迹信息等。进入隧道前，路段主线上的车辆动态轨迹信息可结合“视频事件识别系统”，就能对车辆异常行驶状态进行精准检测并及时告警；进入隧道后，结合进出隧道口的高清卡口、AI视频事件识别等多元感知手段，通过数据关联分析、多重校验、综合研判，能第一时间发现重点营运车行驶状态异常，并自动在监控中心大屏进行弹窗告警提醒，为路段管理方提供实时有效、及时准确的预警机制。重点营运车辆全程监测示意如图3所示。

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图3 重点营运车辆全程监测示意2、智慧报警管理（视频事件识别系统）传统的事件识别主要依靠监控员通过分时段视频巡检的方式进行，由于摄像机数量繁多，工作量非常大，效率低，再加上巡检时间间隔长，所以无法第一时间发现事件，容易出现信息不准、错报漏报的情况。智慧报警管理是根据各子模块/子系统、各检测设备等数据汇总分析后，对交通情况进行的系统性报警管理。在报警管理中拟汇集车辆信息、卡口信息、交通断面车流量和车速信息等，对交通情况进行模拟分析，生成整体性的交通诱导建议，并结合监视器墙对报警点和报警周边的路况、气象条件、相关交通路段情况进行联合显示。其中，AI视频事件识别系统是基于计算机视觉、深度学习等AI人工智能技术以及先进的目标识别与事件判断技术，实现人和车多种事件检测的一套视频事件识别与分析系统。是智慧报警管理系统中非常重要的核心内容。该系统可对进入路段的车辆进行实时视频识别，当有车辆超速、违停、逆行、抛洒物等事件发生时，系统将实时报警，事件确认后将会在PC端、监控中心大屏端、移动端进行联动事件处置。视频事件识别系统应具备以下功能：车辆停止、车辆逆行、违规行人、抛洒物、路障等多种事件识别以及烟雾检测、车流量统计、交通参数检测、车辆信息识别等功能。视频事件检测数据表如图4所示。检测到车辆隧道违停时软件报警示意如图5所示。

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图4 视频事件检测数据表

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图5 检测到车辆隧道违停时软件报警示意3、交通统计及分析系统通过对采集和录入的信息进行处理后，存储在数据库中，供用户快速检索查询。同时，系统还提供各种统计报表，如：高速公路监控事件信息表、事件详细信息表、事件信息统计、路段天气情况统计表、各路段交通事件汇总统计表、设备故障信息表、设备工作状态统计表、路段交通流量统计表（按距离区间、时间统计）等。同时，采用曲线、饼状图、柱状图等多种形式向操作人员反映数据的动态变化情况，帮助人员分析、统计数据变化规律，协助监控策略、交通诱导以及应急预案的制定。系统查询主要包括以下信息：报警信息、历史事件及处理手段、控制预案、统计信息、系统日志等。其中报表主要有：系统基本设备报表、系统状态报表、系统报警报表、人工输入事件报表、道路流量立体报表、可变情报板信息报表、CO采集信息报表、能见度采集信息报表、日志信息报表等。4、机电设备状态管理隧道内设备状态保持正常可用是隧道安全的基础保障，也是路段管理方的主要责任。本系统可以24小时不间断自动对隧道设备进行巡检，也可以按区域、设备类型、时段等进行手动定向巡检，当发现设备出现故障时可以自动一键派单给设备养护人员，设备养护人员可以通过移动App接收任务，设备修复好后在App上可以直接反馈给管理系统，管理人员确认后关闭问题。5、隧道环境3D展示隧道内的设备、通行环境等展示界面当前在软件系统中大多还是由2D显示的，随着监测内容的丰富，2D界面已经逐渐不能覆盖全部的监测和展示内容。经大数据分析和计算后，可采用3D模式对所有交通数据进行展示，尤其是体现隧道内火灾和温度的检测数据，更好辅助运营管理者实施监控诱导。6、隧道模拟演练隧道事件的不可预测性是管理的难点，本模块拟结合隧道内各种交通重大事件，对应急救援及联动操作进行模拟演练，对监控人员进行操作培训，并以此进一步优化应急预案。7、设备维护管理设备检修是机电养护的重要内容，其维护管理也需要有专人有序进行，本系统根据自动巡检的结果自动发送至维修管理人员处，加强隧道机电系统的稳定性和可靠性。8、隧道巡检管理随着我国高速里程的增加，隧道也面临着越来越复杂的地质条件和运营条件。作为运营者，除了交通流量、机电设备运转状态以外，对隧道土建的养护和调查需求也越来越迫切，这也是未来隧道监控管理的重要内容之一。本系统也将结合当前主流的隧道结构检测手段，在远期丰富本部分内容。（五）数据中台功能及子业务模块数据中台主要用于各类数据的存储与调用，主要包括基础设施及设备状态数据、视频结构化数据、环境数据、车辆数据等，至少达到以下要求。1、数据类存储时长：2年。2、报警类存储时长：5年。3、视频类存储时长：一般视频30天，重点视频1年。（六）传输层功能及子业务模块从设备端将信号汇集后，传输至管理中心。本层应尽量完成数据格式的标准化，应达到以下要求。1、传输协议：尽量采用标准化传输接口、多厂家互相兼容的传输协议。2、逐步细化落实无线传输、物联网传输、车路协同等传输内容。（七）采集层功能及子业务模块按照设备类型和设备功能，将外场感知设备大致分为机房设备、隧道通行诱导设备、隧道通行状态监测设备、隧道环境管理设备、隧道救援设施等。各设备具体的指标要求按照招标文件要求执行。（八）智能监测和联动控制管理系统联动需求当系统未触发报警信息时，所有控制子系统和监测子系统处于后台持续运营的状态，展示层的各机电设备根据监控需求，进行各系统状态轮询显示，按监控习惯可将视频图像的监视情况轮询显示。当报警信息触发时，根据报警情况的严重程度，在不同的报警区域弹出提示，结合声光警报信息，提醒监控员及时处理。若确认报警信息属实，则按照系统预案的控制方案进行设备控制，在显示设备上弹出集合所有子系统相关本次报警的操作建议，经人工选定后予以命令下发；同时，将所有操作和报警情况分发给安全管理部门。若报警信息不属实，则自动将本次报警情况予以记录系统后台，系统操控界面自动恢复报警前的运行状态。在任意时刻，均可进行系统巡查与管理，该模式可独立运行，仅占用显示界面。在完成系统设置后，重新恢复到设置前的运营状态。

五

结束语

隧道智能监测与联动管理系统是针对隧道提出的一体化解决方案，具有一体化结构设计、整体集成度高、子系统松耦合、可扩展能力强等特点。系统功能既可以在新建项目中整体应用及部分应用，也方便在已营运路段进行改造升级，无需重复建设即可快速与现有系统实现联动与对接。系统功能目前主要应用场景是高速公路隧道，但基于现有的系统架构，根据不同结构物特点补充相应的感知设备即可快速扩展到大型桥梁、高边坡、长陡坡、软基等特殊结构物等场景，也可以在高速公路全线全覆盖应用。因此，这种高集成、高扩展性的隧道安全管控设备值得在高速公路中大力推广。
原文刊载于2022年第4期《中国交通信息化》————文章系转载，仅用于本网站学习交流，侵权必删