1、智慧隧道的运营和管理Contents目 录一、概述二、公路隧道机电系统设计三、隧道运管痛点和解决思路四、智慧隧道运管系统的架构五、智慧隧道运管系统的建设内容 一、概述一、概述 隧道通风 隧道照明 隧道消防 隧道供配电 其它机电设施隧道安全运营经济、节能、环保 制约因素 重要措施我国隧道发展迅速，截至2019年底，全国公路隧道19067处、173.05万米，其中特长隧道1175处，521.75万米。其中绝大部分集中于中西部山区，公路隧道事故率、伤亡率远高于普通路段，且救援困难；全国公路隧道每年耗电量高达382亿度，费用高达343亿元，相当于燃烧掉1547万吨标准煤，增加大气温室气体排放624万吨2、。如何做到隧道安全与节能的统一，是我们设计人员的思考的问题。二、公路隧道机电系统设计 二、公路隧道机电系统设计 二、公路隧道机电系统设计分段送排式通风半横向式通风全横向式通风运营通风方案二、公路隧道机电系统设计火灾排烟方案下游烟气下游烟气 本项目属于仅限通行非危险化学品等机动车的一类隧道，防灾救援系统设计“以防为主，防消结合”的原则。排烟道排烟道纵向排烟模式重点排烟模式二、公路隧道机电系统设计 机动车有害气体排放量：汽车基准排放量的取值对需风量的影响较大。细则中的规定为自2000年起以每年2%的速度递减，最高不超过30年。近年来我国对汽车排放的控制越来越严，而规范对于远期车辆排放的取值过于保守3、。近些年来，根据部分隧道污染物的实测研究表明，其数据与按PIARC的计算结果较为接近，而根据细则计算的需风量远高于国际道路协会（PIARC）标准计算值。随着新能源车的推广及国标准的普及，届时车辆排放排放情况将更为环保。建议按国际道路协会（PIARC2012）推荐的中国汽车污染物排放限值进行计算。二、公路隧道机电系统设计通风井受限：深埋隧道、水下隧道受到地形地质条件限制，通风井设置困难，或者造价过高，往往不能选择在通风最优位置。近年来涌现的互补式网络通风，静电除尘技术，都能很好解决通风井受限问题。互补式通风静电除尘二、公路隧道机电系统设计火灾排烟：目前公路隧道里程越来越长，给隧道通风及防灾系统设4、计带来了挑战。重点排烟能有效控制烟气扩散，排烟效果好，但土建投资高。纵向排烟弥漫下游重点排烟烟气分层明显重点排烟现场测试动画二、公路隧道机电系统设计中央控制子系统交通监控子系统视频监控子系统设备控制子系统紧急呼叫子系统火灾自动报警子系统隧道监控系统二、公路隧道机电系统设计中央控制子系统：是集数据通信、处理、采集、控制、协调、图文显示为一体的监控系统，能在各种情况下准确、可靠、迅捷的做出反应，及时处理、协调各系统工作，达到实时监控的目的。包括：数据服务器、磁盘阵列、视频管理服务器、各子系统工作站、综合显示大屏、显示器、视频监视视频显示器、打印机、以太网交换机、通信设备、网络及线缆、电源、防雷、接5、地、机柜等。二、公路隧道机电系统设计可变情报板：隧道入口前200m300m；车行横洞前1030m；可变限速板：隧道入口前50m100m；车道指示器：隧道出入口处、车行横洞处，直线段间距不大于500米；交通信号灯：隧道入口联络通道前20m50m，含红、黄、绿及左转箭头；车辆检测器：隧道入口前及出口后200m300m；交通区域控制单元：监控设备集中处，按可靠、经济原则确定。交通监控子系统二、公路隧道机电系统设计隧道洞外监控：隧道入口前100m400m；隧道洞内监控：直线段150m，曲线段120m；设备房及室内监控：变电所、风机房、车行横通道、车人行横通道、紧急停车带；视频事件检测：洞口、紧急停车道6、横洞；视频监控子系统二、公路隧道机电系统设计通风设备监控：射流风机、轴流风机；照明系统监控：隧道入口外、入口内各设置1台光强检测器，将其检测数据作为对隧道的照明回路控制的依据；消防设备监控：消防泵、稳压泵及阀组箱；供配电设备监控：电力监控。设备控制子系统二、公路隧道机电系统设计紧急电话：隧道内每隔200米设置1套，隧道外距隧道洞口10m设置1套；有线广播：隧道内每隔50米设1只20w的强指向性扬声器，每个隧道口设1只30W的强指向性扬声器。紧急呼叫子系统手动报警设备：手动报警按钮每隔50m设置1处；自动探测设备：线性光纤感温探测器、点型红外火焰探测器或图像型火灾探测器；声光警报器：隧道内每隔7、50m设置1处；隧道入口前50m250m设置；联动控制：对隧道各个专业子系统之间进行联动控制，可以迅速综合利用隧道内交通监控、通风、照明、消防等各个专业子系统的设备，实现隧道各个专业子系统之间的联动。火灾自动报警系统二、公路隧道机电系统设计二、公路隧道机电系统设计监测数据孤立，缺乏全局视角告警信息冗杂，影响判断决策设备系统多样，无法统一管控人工信息流转，处置效率低下二、公路隧道机电系统设计照明分段：特长隧道照明可划分为入口1段、入口2段、过渡1段、过渡2段、过渡3段、中间段1、中间段2、出口1段、出口2段、引道照明及洞口接近段减光设施。公路隧道洞外取值一般根据公路隧道照明设计细则表4.2.1取8、值。洞外亮度：公路隧道洞外取值一般根据公路隧道照明设计细则表4.2.1取值。一般特长隧道洞口通过对洞口山坡进行绿化或者洞门结构进行减光处理，尽量降低隧道洞口的洞外亮度。二、公路隧道机电系统设计灯具选择：荧光灯：荧光灯内壁中涂有荧光粉，白炽灯发光效率的3-5倍；低压钠灯：发射波长为589.0nm和589.6nm的单色黄光，发光效率高，对比度好；高压钠灯：发出黄-金白色的光，优点是显色性好、光效高、透雾力强;LED：使用年限长、光通利用率高、功耗低，有很好的显色指数、辐射程度低。为目前隧道照明设计主流灯具。全LED照明二、公路隧道机电系统设计照明控制：手动控制：工作人员可以根据现场实际情况对各个照9、明回路分别控制；时序控制：分为早晨，白天，傍晚，夜间，深夜五种模式，在设定标志时间后控制系统在不同时序条件下开启相应的照明回路；天气模式：分为晴天、云天、阴雨天。天气模式下早晨、白天和傍晚以设计要求开启相应的照明回路，夜间和深夜以时序模式。调光控制：隧道照明灯具采用亮度可调型LED灯具。调光器应通过屏蔽双绞线（或通信系统）与监控室的照明控制计算机相连实现对灯具调光、开闭的远程控制。照度检测器隧道照度检测器二、公路隧道机电系统设计遮光棚应用欠合理：采用遮光棚减少洞外亮度对照明投资与运营支出的影响，是常用的措施。然而，如何确定遮光棚的长度，达到全寿命期的成本最小，虽然有研究成果，但推广不力；隧道内10、没有装饰材料：隧道内的装饰材料能产生较好的光漫反射，这样可以提高灯源光线的利用率，达到节能减排的要求。公路隧道内装材料的类型主要是混凝土、涂料(漆料)、面砖、复合材料铝板、纤维混凝土板、搪瓷钢板等六种，可根据现场情况实时改变内装材料。灯具调光：市场灯具产品参差不齐，大部分无法实现平滑调光。二、公路隧道机电系统设计 应急照明、电光标志、交通监控设施、通风及照明控制设施 紧急呼叫设施、火灾检测、报警、控制设施、中央控制设施特一级负荷 消防水泵、排烟风机一级负荷 通风风机、消防补水泵 非应急的照明设施二级负荷 其余负荷三级负荷负荷分级二、公路隧道机电系统设计特一级负荷双重电源外部电源+应急柴油发电机11、组消防电源/不间断电源一级负荷双重电源外部电源+应急柴油发电机组二级负荷两回路电源二、公路隧道机电系统设计两端电源单环方案：隧道两端洞口各设置变电所一处，隧道洞内设置配电横洞。两端洞口变电所各引入10kV外部电源一路；单端双电源单环网：隧道两端洞口各设置变电所一处，隧道洞内设置配电横洞。单端洞口变电所各引入两路10kV外部电源。隧道埋地变方案：隧道单端洞口变电所引入10kV电源，隧道洞口沿线设置埋地变为隧道沿线负荷供电。供电方案二、公路隧道机电系统设计特长隧道因负荷等级较高，容量大，要求获得两路不同外部电源，采用专线供电。在电力资源缺乏地区，难以实现，第二路独立可靠电缆难以获取或者外部电源投资12、高。受供电传输距离限制，隧道需在隧道内间隔一定距离设置变配电节点，因隧道内运行环境恶劣且无人值守，变电所内电气设备、电缆接头、电缆等设施相对更容易发生老化和运行异常的事故。变配电节点个数较多，用电设备庞杂，对于高低压设备的继电保护配置，保护设备的上下级配合要求高。特长隧道配电选用电缆供电，容性电流比较大，需要增加电抗补充。高海拔隧道空气稀薄，空气绝缘间距增大，需考虑设备安装空间；高海拔隧道设备需考虑降容；特长隧道洞内变电所维护不方便，需实现供电的自动化。二、公路隧道机电系统设计主要包括：室外消火栓，室内消火栓，水成膜泡沫灭火装置，灭火器，消防管网，高、低位水池，消防泵等。水喷雾水泵接合器泵房消13、火栓二、公路隧道机电系统设计恒高压系统设计图二、公路隧道机电系统设计稳高压系统设计图二、公路隧道机电系统设计 对于高严寒高海拔隧道消防系统的防冻问题难解决，洞内管道及洞外消防水池等需要考虑可靠的防冻措施。消防系统尽可能采用稳高压供水系统，以尽量减少洞外供水设施的数量，减少冻结点。因洞内温度比洞外高，在有条件的前提下，建议消防水池及消防泵设置于洞内横通道内。洞内管道建议采用国际知名品牌厂家的电伴热系统，以确保系统正常运营并达到较好的防冻效果。三、隧道运管痛点和解决思路三、隧道运管痛点和解决思路三、隧道运管痛点和解决思路隧道设施种类复杂多样，对隧管人员技术综合性要求高；隧道养护科目多要求高，日常工14、作量非常大且责任重大；隧道易发生安全事故、重大事故占比高、二次事故率高；隧道主体结构复杂，事故后疏散救援工作难度大易出错；桥隧比高的管理处，难以时刻掌控隧道整体的运行状况，对及时发现重大事故不利；隧道机电设施体制各异，未形成联动，信息孤立难以综合研判，难以发现隐患；隧道机电智能化自动化程度低，完全依赖人员进行观察判断，工作量大易疏忽。痛点解决思路层次/形态隧道内机电系统之间无法联动在同一本地网络中承载所有机电设施（包括视频），用一套隧道本地节点、隧管所主控制系统进行管控，将各机电系统进行业务逻辑关联，形成一点触发多点联动本地统一接入、边缘计算与控制隧道内机电设施自动化程度低将隧道内发生的事件（15、交通、环境、结构）按照小微事件、一般事件和重大事件进行分级分类。小微事件通过预置逻辑进行自动处置；一般事件经过人工确认后自动处置；重大事件须经人工启动应急预案边缘智能与中心智能的结合隧道内机电系统智能化程度低将隧道内机电传感和状态数据就地进行研判，包括对视频进行就近分析，提升本地系统的智能研判能力，形成“感知、研判、联动”的本地闭环边缘计算与智能三、隧道运管痛点和解决思路痛点解决思路层次/形态隧道内机电系统网络割裂建设，建设维护成本高建设本地统一接入网络本地统一接入网隧道内机电系统网络时效性、可靠性、带宽保障性差引入强QoS保障的确定性网络技术，保障数据及时到达、确保数据可靠到达、保障带宽不被16、挤占TSN网络视频流突发性高、易导致拥塞、挤占同通道其他业务，引起数据丢失普通以太网接入和访问安全性差，不受控的访问机电设备易导致安全和拥塞问题采用路由与安全控制网络，规划路由路径、定义安全策略SDN网络二、隧道运管痛点和解决思路痛点方案层次/形态隧管所无法统一集中监控本地所管辖隧道，多系统切换效率低易出错在隧管所引入主控制系统，将隧道内所有机电设施通过本地统一接入接入到主控制系统，通过可视化的方式统一监视和管控隧道隧管所主控制系统监控中心无法时刻全局掌握所有隧道运行状态，导致管理者无法第一时间发现重大事故，启动预案在监控中心引入隧道综合监控平台软件系统，通过高分可视化手段在大屏上综合展示隧道17、运行状态、警示重大事件、指挥现场处置；依据应急预案，通过数据综合研判，自动生成应急处置方案，快速应对突发事件隧道综合运管平台三、隧道运管痛点和解决思路四、智慧隧道运管系统的架构以保障隧道安全畅通为导向，挖掘隧道已有机电设施价值，提升隧道机电系统品质，实现隧道运营管理智慧化。四、智慧隧道运管系统的架构边缘智能，多维精准感知四、智慧隧道运管系统的架构研判分析，支撑处置决策分级管控，保障安全畅通 五、智慧隧道运管系统的建设内容洞口行车安全保障 能见度检测 路面结冰检测 路面障碍物检测入隧车辆建档 车牌、车型、轴型、车温、两客一危、车脸照片、过车视频在隧车辆跟踪 智能摄像机（视频+牌识）洞内作业安全保18、障 智慧锥桶 路面激光投影诱导 超远距逐级提示诱导五、智慧隧道运管系统的建设内容边缘计算加持下的多维感知多种智能感知和保障设备五、智慧隧道运管系统的建设内容边缘计算加持下的多维感知入隧车辆建档l 智能车辆识别仪 安装于隧道口上方，依靠视频+抓拍+ETC多模式识别入隧车辆，拍摄过车视频、抓拍车脸照片、读取OBU/CPC信息，建立车牌、车型、轴型等入隧车辆档案。l 空间车辆测温仪 安装于隧道口两侧，对入隧车辆温度进行筛查，及时发现起火隐患的车辆。五、智慧隧道运管系统的建设内容边缘计算加持下的多维感知在隧车辆跟踪l 智能摄像机 等间隔安装于隧道内，依靠视频+抓拍识别在隧车辆。由边缘智能控制器ECN根19、据数据时序和上下游位置关系实现车辆跟踪，建立交通流模型，发现单车或车流异常。五、智慧隧道运管系统的建设内容边缘计算加持下的多维感知洞口行车安全保障l 能见度检测、路面结冰检测、路面障碍物检测 重点检测影响行车安全的低能见度和路面结冰、障碍物等情况。五、智慧隧道运管系统的建设内容边缘计算加持下的多维感知洞内作业安全保障l 智慧锥桶 通过具有高精度定位能力的智慧锥桶精确界定施工现场的边界，自动联动交通诱导系统，对后方车辆形成警示和诱导，以工地的安全监控为主旨，提供施工区域的智慧管理。l 智慧车道指示器/路面激光投影诱导 除具有绿箭红叉指示外，还具有可切换的激光投影功能，可将警示信息醒目投射于路面，20、引起司机注意。可靠链接全业务接入超强算力小微事件现场闭环可靠操控极简配置多网络协议兼容联动监控配置分析研判23141.交通/环境监测2.交通诱导3.隧道照明4.隧道通风5.五、智慧隧道运管系统的建设内容边缘计算加持下的监测控制边缘智能控制器和中心智能控制柜五、智慧隧道运管系统的建设内容边缘计算加持下的监测控制边缘智能控制器ECNl安装于隧道侧壁设备箱内，每100150米布设一台，与隧道内监控摄像机同址。l具有多种接口，能对所有类型的感知和控制设备就近接入，分区段管理。l内置边缘计算模块，配以智能交通操作系统，能对接入控制器的视频进行AI智能分析，对不同设备产生的数据进行时空关联和业务融合，实现21、对所管区段的交通监测和环境监测，及时、准确发现并上报异常事件。l不同智能控制器之间能实现数据共享和协同联动，共同完成在隧车辆跟踪、交通流建模，以及在处置突发事件时进行交通诱导和设备控制。l内置TSN（时间敏感网络）交换模块，能构建起一套大带宽、高确定性、高可靠的工业网络，保障所有业务数据的实时、可靠传输。l能对接入的视频转码，转码视频传输至隧管所/变电所集中后能满足视频上云、发布等需求。l能对接入设备的运行状态和业务数据完好程度进行监测，及时上报设备故障和业务中断异常。五、智慧隧道运管系统的建设内容边缘计算加持下的监测控制中心智能控制柜CCNl安装在隧管所/变电所内，与隧道内智能控制器构成完整22、的隧道智能控制系统。l内置边缘计算模块，配以智能交通操作系统，协调不同智能控制器之间的数据共享和协同联动，汇总各区段监测数据，形成所管隧道完整的交通监测、环境监测情况，及时上报异常事件至监控中心智慧隧道运管平台。l内置TSN交换模块，保障所有业务数据的实时、可靠传输。l内置视频上云网关服务，汇聚转码视频后，可完成视频上云。l能对各智能控制器收集的设备运行状态和业务数据完好程度进行汇总和分析，及时上报设备故障和业务中断异常。l配有触控显示屏，能在隧管所/变电所方便的对隧道交通情况、环境情况、机电系统运行情况进行巡检，在处置突发事件时进行交通诱导和设备控制。五、智慧隧道运管系统的建设内容边缘和中心智能结合的分级管控现场智能控制系统和智慧隧道运管平台五、智慧隧道运管系统的建设内容数字映像五、智慧隧道运管系统的建设内容智慧处置