論高速公路隧道機電智慧管控系統的應用與研究

張穎姣

摘要：首先探討了機電智慧管控系統的設計架構以及機電系統的設計，然后對機電系統的構成進行分析，包括供配電系統、通風系統、消防系統、照明系統、監控系統等，*后闡述機電智慧管控系統中需要實現的關鍵功能，如綜合監控、設備管理、智慧巡檢、視頻管理、信息發布以及事件聯動與管理等，以期有效實現對工程機電系統的智慧管控。

關鍵詞：高速公路；隧道機電；智慧管控

0引言

在高速公路運營過程中，公路基礎設施是保障人們行車安全的重要手段。尤其是高速公路隧道工程，為實現隧道內的正常通車，需要在隧道內部布置完善的機電系統，包括隧道的供配電系統、照明系統、通風消防系統等。在目前隧道機電系統中，各個系統相互獨立，既不利于公路運營人員的養護及管理，也容易導致隧道內的安全隱患。因此，為解決此類問題，應充分結合信息化技術的發展，研究設計一套隧道機電智慧管控系統，將機電系統各個獨立部分連接成整體，通過網絡對機電系統實施監控，以保證高速公路的安全運營。

1工程概況

某高速公路工程路線全長62.5m，途徑多處山區地帶，為節省施工成本并保護當地的自然環境，需要采用隧道的方式穿越山體。工程路線中共計隧道工程5處，總長度約為8.7km，在隧道建設中由于本身的空間密閉，視野范圍較小，需要安裝機電系統實現隧道內的照明與監控。因此為確保工程隧道的安全行車，同時實現機電系統的有效管控，經研究決定對隧道內的機電設施研發一種智慧管控系統，以提升隧道內機電系統的實時管控本文對該工程隧道機電系統智慧管控系統的應用進行分析。

2公路隧道機電智慧管控系統的應用

2.1機電智慧系統分析與設計

2.1.1系統架構分析

本工程隧道內的機電智慧系統通過一體化監管平臺可以實現在隧道內全面布局感知系統、資源整合以及信息共享，從而全面提高隧道機電系統的綜合管控和風險管控能力，保障人們的出行安全，提升隧道的服務水平。同時，一體化監管平臺可在隧道內充分利用高精度地圖、三維建模、智慧融合感知等技術，實現隧道內交通狀況的可視化，根據隧道的運行數據進行事件預警等，*終有效地將隧道機電系統的各個子系統集成于一個平臺之上，完成對隧道機電系統的智慧管控。

2.1.2機電系統設計

在隧道機電智慧管控系統設計中，主要包括系統平臺的數據庫建立以及系統的功能設計，結合工程隧道的實際情況，主要的隧道機電結構包括供配電系統、照明系統、監控系統、通風系統和消防系統等。在隧道智慧管控平臺數據庫設計時應整合多元業務數據，以加強外部設施的數據收集能力。完善系統的數據采集交換服務和共享能力數據的能力，將系統的數據分為兩大類，分別為機電設備運行狀態和道路車輛運行信息，通過對數據的數字化分析繪制隧道的可視圖；針對隧道機電系統所需的功能，一體化監管平臺應設計相應的綜合監控、設備管理、智慧巡檢、視頻管理、信息發布以及應急事件的處理功能，從而保證機電系統的正常運作，確保隧道的運營安全。

2.2機電系統構成

2.2.1供配電系統

（1）隧道內的基本照明、消防水泵、通風設施、監控設施及其他設施等設施均需要通電才能實現運營，因此隧道內需要具備完善的供配電系統。根據采用的各類機電設施的用電要求，本工程隧道內的供配電系統的用電負荷主要為一級負荷和三級負荷，其中上述的設施采用一級負荷，其他設施均采用三級負荷，根據此情況供電系統可采用雙電源供電形式設計，在供配電系統中利用10kV的電纜沿著隧道兩側進行布設，鋪設時所有的電纜放入設計的電纜溝中，避免暴露于隧道之內。

（2）電纜沿著隧道兩側布設完成后，工程隧道內部設置有變配電設施，布設的電纜會與變配電相互連接。當電流進入變配電設施之后，通過變配電設施的配置及變壓器的作用，會將電流分為一級負荷與三級負荷，通過設置的兩路電源分別向機電設施供電，保障機電系統的用電安全及正常運營。此外，本工程供配電系統接地處理采用TN-S形式，供配電系統所有變壓器的中性點均直接接地，接地電阻控制在1Ω,每一個變壓器中性點之后分別設置零線與保護線，兩種線路的設置不得出現相互連接問題，避免引發用電事故。

2.2.2通風系統

由于隧道是穿越山體進行修建，隧道內部其環相對封閉，為保證隧道內空氣的正常流通，需要在隧道內部設置通風系統來改善環境。本工程隧道的通風系統設置，主要由3大部分組成，分別為環境監測、風機控制及區域控制網絡。其中通風系統的環境監測功能是對隧道內的一氧化碳進行監測，避免隧道中有害物質濃度超標；風機控制是為了保證隧道內空氣的流通，本隧道采用射流風機，該類型風機完全滿足隧的通風需求；區域控制網絡可利用信息化實現對通風系統的管控，有利于機電智慧管控系統的應用。

2.2.3消防系統

（1）消防系統是高速公路隧道機電系統結構中不可缺少的設施，在隧道消防系統設置中，主要功能包括火災檢測、滅火設備、隧道排煙及報警系統等。針對工程長度較大的隧道工程，在隧道內應設置橫向的緊急出口，當隧道運營過程中發生火災問題，隧道內的行駛人員可以及時逃出隧道，其次隧道內的火災監測裝置，設置后保證其有效性，當遭遇火災問題可以及時反映至管理人員；滅火設備應貫穿整個隧道工程，每間隔一段位置設置一處消防設施并配備消防水管及滅火器；排煙及報警設施要實現對隧道排煙量的監控，如排煙量過大則可以實現自動報警操作。

（2）在隧道的消防系統設置中，為避免火災過大造成人員傷亡問題，在隧道橫向的緊急出口中，應安裝防火卷簾門，并將卷簾門設置為手動開啟和電動開啟2種形式，正常情況下保持卷簾門的開啟狀態，在突發火災的緊急情況下，可將卷簾門關閉，避免火勢蔓延至緊急出口，同時針對行人的緊急出口，在設置時每一側均要安裝防火門，正常情況下保持防火門的關閉狀態，當隧道內的消防系統全部布設完成后，由上級消防主管部門進行驗收，保證消防設施的使用性能，以確保隧道的運營安全。

2.2.4照明系統

（1）對高速公路隧道來說，機電系統中必不可少的就是照明系統，其能夠保證隧道內的光線滿足行車要求，從而保證隧道內的運營安全，因此照明系統也是隧道機電系統的*重要組成部分。本工程隧道內照明系統主要采用UPS電源供電，且供電設施的備用時間保持在30min以上，以保證運營期間不出現斷電的問題。在供電系統照明燈設置時，主要采用隧道拱頂單光帶的形式，在隧道內部設置雙排單光帶進行照明，局部較暗的區域可利用加強照明燈。

（2）依據不同的照明燈形式，隧道內的照明系統共分為加強照明燈、應急照明燈和基本照明燈3種，在安裝照明系統時這3種照明燈均布置于隧道兩側，應急照明燈與基本照明交錯安裝，各照明燈的距離控制在10m，應急照明燈的數量以基本照明燈數量保持一致。正常情況下基本照明燈按照要求開啟，當照明過程中遭遇緊急情況，則可立即啟動應急照明燈，保證隧道內的照明條件，在此過程中運營單位可及時排除故障恢復照明條件

2.2.5監控系統

（1）為保證隧道內的行車安全，或者遭遇緊急情況可以第一時間獲得相關信息，在本工程隧道內設置監控系統，以在隧道內部安裝攝像機對行駛的車輛進行實時監控，這不僅可以監控隧道內是否存在安全事故，還能記錄車輛是否存在違章行為，如超速形式、違規變道等，從而有利于保證隧道內的行車安全。基于此，本次隧道內的監控系統設置時，主要采用定焦高清網絡攝像機和車行橫洞紅外球型高清網絡攝像機，安裝于隧道的弧線位置。

（2）在攝像機安裝過程中，施工單位應根據設計要求確定安裝位置和高度，保持預埋螺栓的中心距離與攝像機底座法蘭孔的距離一致。安裝中為減小垂直立柱的偏差，施工人員用經緯儀測量垂直柱的垂直度，如果偏差較大，則可用墊片調節垂直柱的垂直度安裝后需要檢測其安裝效果，攝像機是否工作正常，是否能與機電智慧管控系統相連接，經檢測調試正常后，組織對機電監控系統的驗收工作。

2.3機電智慧系統功能研究

2.3.1綜合監控

結合上述隧道機電智慧管控系統的功能，在一體化平臺上可實現隧道內的綜合監控，即對隧道內全路段機電設施的監控功能。在平臺的監控軟件中，管控人員可以在平臺中監管所有的機電設施，并結合GIS技術將隧道機電設施所得到的交通流數據、氣象數據、施工信息、事故信息和實時監控視頻等，綜合地在計算機界面中呈現出來，同時能夠通過對應機電設施圖標顏色的變化，判斷該機電設備的運行狀態是否存在故障，以及設備當前工作的狀態和內容，以便實現隧道機電設施的綜合監控。

2.3.2設備管理

隧道機電系統中采用的設備種類繁多且設備的數量較大，如采取普通的管理方式對設備維修、養護、更換等信息進行記錄管理，會大幅增加運營人員的工作量。本工程隧道機電智慧管控系統中具有設備管理功能，通過一體化監管平臺，運營人員可以采用直觀的圖形操作界面，實現對設備的管理工作，這不僅包括設備的運行狀態，是否存在故障等問題，還包括設備的維修、保養臺賬，設備的更換、采購、報廢記錄以及設備廠商的基本信息等，有利于運營單位節省養護成本，保障機電設備的正常運行。

2.3.3智慧巡檢

上述設備管理功能主要采用直觀的圖形操作界面，使管控人員能夠在一體化平臺上完成對設備狀態及工作性能的監督，而智慧巡檢功能則可以完成對隧道機電設施的檢查工作，減少隧道養護人員的工作量。該系統是利用虛擬巡邏車的方式代替人工，通過一體化管控平臺對虛擬巡邏車的巡檢路線及要求進行設置，然后啟動巡邏車輛代替人工進入隧道對機電設備進行檢查，管控人員可在一體化平臺上獲得巡檢結果，如機電設備存在故障，則巡檢車可通過聲光報警的方式通知給管控人員，并將巡檢結果在一體化平臺進行展示，管控人員根據需求將巡檢結果導出或打印。

2.3.4視頻管理

在隧道機電系統中配置監控設施，為有效地利用監控設施所拍攝的畫面，在機電智慧管控系統中具備視頻管理功能，該功能可以實現兩個功能，分別是實時監控和視頻回放。其中實時監控是將機電系統監控設施的畫面轉播至一體化管控平臺，在管控平臺中可以對監控畫面、監控方式等進行遠程控制；視頻回放是指將機電監控設施所拍攝記錄的畫面保存，需要時可以隨時從管控平臺調取，方便管控人員對隧道內事故發生原因、設備損壞原因等進行調查，確保機電系統的正常運營。

2.3.5信息發布

對隧道機電智慧管控系統而言，該系統可提供統一的服務接口，以方便管控人員利用一體化管控平臺發布相關信息，包括隧道的交通誘導信息、查詢服務信息、隧道內事故信息等。比如在隧道運營過程中存在火災安全隱患問題時，此時管控人員可通過智慧管控系統通過車輛檢測器、閉路電視系統、環境監測系統等發布預警信息，若已經發生火災問題，則管控人員還可通過信息發布功能指揮和調度交通，從而避免造成重大損失。

2.3.6事件聯動與管理

在上述情境中，如隧道內發生火災問題，則可以利用機電智慧管控系統的事件聯動及管理功能報警理，該功能可以實現對系統各模塊的統一管理、分級處理，各個模塊根據工程實際情況設置閾值或狀態變化。當隧道運營過程中遭遇安全事故且事故危害等級超過設置的閾值，此時機電智慧管控系統可立即啟動預案，按照預先設置的要求報進行處理，如超過報警的閾值標準，就能自動觸發報警操作，從而保障隧道的運營安全。

3.高速公路供配電監控系統

3.1概述

近年來，我國的高速公路發展非常迅速，已形成遍布全國的高速公路網，它在對國家經濟發展作出突出貢獻的同時，也對高速公路管理及運營的自動化、智能化提出了嚴峻的考驗。高速公路自動化管理系統一般由通信、收費、監控和供配電4個子系統組成，而通信、收費和監控系統穩定運行的基礎是供配電系統的穩定運行。

高速公路供配電監控系統對高速公路沿線的變電站內的高低壓配電設備、發電機、變壓器、UPS、EPS、外場照明、隧道內的理地式變壓器與照明、通風及排水等機電設備進行實時分布式監控和集中管理,實現無人值守,確保高速公路安全暢通,提高自動化管理水平,降低機電設備的運行維護成本。

高速公路供配電監控系統包括隧道變電所、服務區變電所、收費站變電所、沿線箱式變電站、互通樞紐、路燈電源、風機控制箱等區域的電力綜合監控。

圖1高速公路監控對象

3.2.項目需求

高速公路供配電系統傳統維護的缺點有以下幾點：

1、巡檢工作量大：由于變電所分布在幾十至幾百公里的高速公路上，需要沿高速路逐一巡查；

2、設備發生故障后上報不及時、維修效率低；

3、維護、維修狀態無法實時監控，維護、維修進度無法及時督查跟蹤；

4、缺乏信息化手段進行設備管理維護，導致隱患無法及時發現；

5、由于缺乏統一的監管平臺，機電設施運行狀況無法及時、全面、準確掌握。

6、無法實現綜合查詢分析，提供輔助決策支持；

7、無法即時排查電氣隱患、隱蔽工程隱患檢查難；

針對高速公路傳統維護的缺點，為了保障高速公路供配電系統的穩定運行并減少維護人員的工作量，設計了一套高速公路供配電監控系統，該系統的主要功能如下：

1、對配電房內的變壓器、開關柜電氣參數進行監控；

2、對配電房內的UPS、EPS電氣參數進行監視，當監測到UPS和EPS的電池電壓過低時，及時進行維護，避免停電后無法操作斷路器；

3、對配電房內的發電機進行監控，并對發電機油箱的油位進行實時監控，避免油位過低影響發電機正常運行，以及柴油被盜后能及時發現并報警；

4、對配電房內饋線回路的漏電電流、線纜溫度進行監測和異常報警；

5、對隧道的照明回路進行遠程控制，對隧道的引道照明回路和加強照明回路進行手動和自動控制；

6、隧道內消防疏散通道、出口有明顯的指示燈具，并可以通過不同應急預案進行緊急控制；

8、根據隧道配電房內可燃氣體濃度及煙霧啟停排風風機；

9、監測隧道配電房內部環境溫濕度，煙霧、甲烷等可燃氣體監測、報警及聯動控制；

10、監控軟件采用B/S架構，全面接入以上監測數據，通過瀏覽器、手機APP或短信等方式提供數據監測和異常報警，并可通過系統發布維保、巡檢及搶修派工任務。

3.3.參照標準

本方案遵循的國家標準有：

GB/T14285-2006《繼電保護和安全自動裝置技術規程》

GBT14598.300-2008《微機變壓器保護裝置通用技術要求》

GB/T2887-2011《計算機場地通用規范》

GB50052-2009《供配電系統設計規范》

GB/T20965-2013《控制網絡HBES技術規范住宅和樓宇控制系統》

GB50116-2013《火災自動報警系統設計規范》

GB14287-2014《電氣火災監控系統》

GB25506-2010《消防控制室通用技術要求》

GB50116-2013《火災自動報警系統設計規范》

GB28184-2011《消防設備電源監控系統》

GB29364-2012《防火門監控器》

GB51309-2018《消防應急照明和疏散指示系統技術標準》

JB/T10736-2007 《低壓電動機保護器》

GB/T15576-2008 《低壓成套無功功率補償裝置》

3.4.方案設計

根據高速公路供配電監控系統要求，方案配置綜合監控系統和子系統解決方案。

變電所電力監控子系統

電氣火災監控子系統

消防設備電源監控子系統

消防應急照明和疏散子系統

高速公路供配電運維管理云平臺

方案建立基于云平臺的“監、控、維”一體化的綜合監控系統，從數據采集、通信網絡、系統架構、聯動控制和綜合數據服務等方面的設計，解決了高速公路監控系統中存在內部干擾性強、使用單位多及協調復雜的根本問題，大大提高了系統運行的可靠性和可管理性，提升了高速公路基礎設施、環境和設備的使用和恢復效率。

審核編輯 黃宇