基于物联网技术的智慧隧道管控平台探究

截至2018年底，湖北省内共有706座高速公路隧道，其中特长隧道76座，长隧道182座，中短隧道448座。最长的隧道是沪渝高速金龙隧道，左幅全长8.69公里，被誉为“荆楚第一隧”。目前，隧道的建设数量与建设里程仍在增加，隧道的安全运营与统一管理是一大难题。近年来，为响应国家“交通强国”“互联网+交通”“新基建”等一系列政策意见，湖北在隧道管理方面建立了初步的业务系统，在隧道运营管理智能化和信息化方面取得了一定成效。但是新的问题逐渐显现，亟待解决。这些问题成为制约隧道运营管理走向创新化、高效化的重要因素。

第一，系统孤立。隧道机电设备繁多，有各自独立的管理系统，运营维护困难。机电系统独立部署，数据不连通，导致设备无法联动，应急响应不及时，服务效率不高。

第二，联网困难。隧道部分机电设备无法联网，导致数据无法获取，无法支撑上层应用，业务系统智能化水平不足。

第三，无多级部署架构。未进行集团公司-运营公司-隧管所三级架构部署，集团难以实现全省隧道运行集中监测、隧道资产统一管理、隧道资源统一调度、隧道设备远程控制。

因此，目前亟需建立一套更加完善的平台，实现隧道设备的统一接入、数据的集中采集、业务的统一高效联动以及集团-运营公司-隧管所三级协同管控，提升隧道运营管理水平，提升经济效益和社会效益。

（一）智慧隧道管控平台建设需求

隧道内设备的管理平台各自独立，无统一、成熟的隧道管理系统，无法实现隧道机电设备的统一监测、统一管理、统一运维、联动控制，需要打造一体化的智慧隧道管控平台，提升隧道运营管理效率，降低运维成本。

（二）物联网平台建设需求

隧道内数据孤岛严重，无法支撑上层应用，且部分设备联网困难，数据无法接入平台。因此需要打造集中化物联网支撑平台，通过物联网平台统一接入隧道设备，进行数据采集与设备管理，为应用平台建设提供基础支撑。

（三）业务应用智能化水平提升

业务分散与数据孤岛使智能化应用创新受阻，隧道事件检测和应急响应能力有待提升。在完成基础平台建设之后，应聚焦业务应用创新发展，加强隧道AI事件检测、应急处置等能力建设，进一步提升隧道智能化水平。

（四）打造集团、运营公司、隧道管理所三级部署的智慧隧道系统

集团、运营公司和隧道管理所的管理需求各不相同，需要针对性建设不同的智慧隧道管控系统，分级部署，协同联动。

平台系统技术需要既具有可行性和良好的性价比，又具有可扩展性和先进性，遵循以下设计理念。

（一）设备管理统一化

采用物联网技术，接入管理隧道机电设备，实现所有设备的统一监测和集中管控，提升设备状态监测水平，降低系统运维费用。

（二）监测预警智能化 

采用AI算法，实现隧道运行状态监测预警自动化、隧道超温检测自动化、隧道内交通事件检测自动化等，提升隧道监测预警的智能化水平。

（三）指挥决策协同化

在集团、运营公司、隧道管理所部署不同版本智慧隧道管控系统，实现三级协同管控，使指挥调度更加人性化，提升指挥调度的效率。

（四）出行服务精准化

对隧道数据开展实时监测与智能化分析，向出行者提供精准的交通诱导信息，实施精准的信息发布与信号控制策略，实现一键发布。

（五）决策分析可视化

对海量业务数据进行智能化分析，动态生成各类图表，实时展示各指标的变化情况，为运营管理中的决策分析提供数据支撑。

（一）感知层

感知层负责各类物联设备的数据收集，如CO/VI检测器、交通信号灯、风机等隧道机电设备。

（二）物联网接入层

物联网接入层可提供设备接入、设备管理、设备控制、监控运维、设备安全以及IoT网关管理等能力，实现隧道机电设备的统一接入、集中管控。

（三）大数据支撑层

大数据支撑层包含数据治理、指标可视化、AI大数据分析模块。数据治理模块主要对物联网平台所采集的数据进行数据清洗和预处理，形成标准、规范的数据。指标可视化模块负责数据的可视化展示，将数据以图表的形式展示出来，辅助决策。AI大数据分析模块包含各类行业模型，可开展隧道内事件识别、异常停车识别等智能分析。

（四）应用层

应用层主要包括资产管理、隧道态势综合感知、智慧管控、应急处置和统计分析功能。

（五）交互层

交互层主要面向隧管所、运营公司和集团三类用户，根据用户所负责区域，分配相应的数据与管理权限、系统模块与功能。

目前，大多数物联网平台采用平台端定义物模型方法，该方法虽然定义方式灵活，但是更适合开发人员使用。交通行业场景的设备类型比较固定，用户更加偏向简便性应用和人性化操作，需要更加高效便捷的设备接入方式。因此，TThings创新性地提出了交通物联网平台的设备快速接入方法。该方法采用设备模拟器，对高速公路所有机电设备进行模拟调试，完成所有设备的预接入、预定义。在应用场景下接入设备时，无需在交通物联网平台进行设备的复杂定义。这样就形成了一个接入范围广泛、驱动自适应、接入速度快、操作便捷的交通物联网平台。

                                                                                                                                                    物联网平台设备接入原理

物联网平台设备的具体接入流程如下：

第一，预定义设备物模型。物模型是物理空间中实体的数字化表示，它从属性、服务和事件三个维度，描述了该实体是什么、能做什么、可以对外提供哪些信息。完成了物模型这三个维度的定义，即完成了设备功能的定义。

第二，创建设备。针对交通行业各业务场景梳理设备类型，接入设备，在模拟器中创建设备，完成所有设备的模拟调试，最后形成物模型标准库，该库涵盖所有交通行业常见设备。

第三，身份认证。将所有设备信息注册接入交通物联网平台，在物联网平台生成设备凭证，并回传给设备模拟器，使信息保持同步。

第四，设备接入。在实际应用场景中，接入设备无需复杂的物模型定义流程，只需将设备信息与设备模拟器中的预定义物模型进行匹配即可。

交通物联网平台可实现如下功能，从而保障上层应用平台的稳定性、可靠性，为上层系统开发智能化应用提供技术支撑。

第一，设备接入。设备接入方式多样，设备接入速度迅捷。

第二，设备管理。支持设备注册、分组、物模型管理、设备影子等功能。

第三，设备控制。支持设备单一控制、批量控制、设备控制层策略定义等功能。

第四，监控运维。实时监控设备、消息、物模型，对物联网平台数据进行监控和报警，通过图表和地图展示设备状态的统计数据。

第五，设备安全。支持通过各类证书认证保障连接管理安全可靠。

第六，二次开发管理。交通物联网平台提供第三方服务，用户可根据平台提供的SDK和API自由搭建个性化的应用程序。

（一）资产管理

物联网平台接入隧道机电设备数据，对隧道内所有设备资产进行统计和统一维护监管，包括交通设备、照明设备、广播电话设备、消防设备、通风设备、视频监控设备等。点击某个统计设备信息，可查看该类型所有设备详情，包括设备信息及设备状态等，同时支持对设备历史控制日志进行统计查询。智慧隧道集团版可对全省隧道资产进行统计，包括隧道数量、隧道分布、各等级隧道数量、隧道设备总数、各类型设备数量、设备健康状况、设备在线状况以及各运营公司管辖范围内的隧道资产状况等。运营公司版本可对各运营公司管辖范围内的隧管所进行统一的资产管理。管理所版本可对其管辖范围内的所有隧道进行资产统计及维护监管。

（二）综合态势感知

综合态势感知对隧道整体运行状况以及隧道设备状况进行监测与展示。系统通过接入各监测设备的状态信息及监测数据，对隧道进行全方位监控，自动识别发现异常事件并主动报警，以此保障隧道安全。综合态势感知包含通行监测、视频监测、火灾监测、环境监测、照明监测、能耗监测和电力监测；通过隧道实景图、隧道2D示意图、隧道3D模型展示隧道概貌、设备设施分布情况、设备状态等，支持隧道3D漫游；以示意图或3D模型图的形式显示设备位置分布情况，并用不同颜色区分开启、关闭、故障的状态。

1、通行监测：查看隧道实时通行情况及相关设备的实时状态，对隧道通行情况进行实时监测，包括流量统计、车型分布、拥堵告警等。

2、视频监测：可实现实时监控视频浏览、不同主题视频监控分组、模糊查询、多组合模式浏览、视频主题分类等功能。

3、火灾监测：接入光栅探测器、消防警铃等设备位置信息及实时探测数据，对隧道内火灾情况进行实时监控。一旦发生火灾或超温事件，系统自动闪烁并告警。

4、事件监测：接入隧道视频位置信息及实时监控数据，采用AI算法自动识别隧道事件并进行自动告警，如非法逆行告警、避险区车辆停靠告警、异常停车告警等。

5、环境监测：接入风速风向检测器、风机、烟感检测器、CO/VI检测器等设备位置信息及实时探测数据，对隧道内环境情况进行实时监控，一旦发生异常情况系统自动告警，包括CO超标告警、能见度过低告警等。

6、照明监测：接入路灯设备位置信息及实时探测数据，对隧道内照明情况进行实时监控，一旦发生设备故障情况系统自动告警。

7、能耗监测：对设备能耗进行实时监测和统计，统计一定时间范围内设备的能耗，实现多维度统计、能耗趋势分析、对比、同比等，对隧道视频、照明、风机等耗能设备的能耗进行全面监测与统计。

8、电力监测：接入电力监测数据，对隧道电力情况进行实时监控，一旦发生故障情况系统自动告警。

（三）智能管控

智能管控系统可实现隧道机电设备的一键管控和联动控制策略配置。

（四）应急处置

应急处置包括事件检测、事件上报、应急资源、应急处置、应急预案、事后评价、应急联动调度一张图等。管理人员可以调用视频或联系前端人员，对告警事件虚实进行确认，同时可以通过地图形式查看附近应急资源，根据事件等级通知相关应急单位人员处理，通过视频会商等形式进行商议，启用相关的应急预案。处置人员执行预案，现场人员可通过移动终端或单兵设备回传事件现场视频画面。系统支持编辑管理应急预案，包括危险品泄露、火灾、污染物、拥堵、事故、积水、积冰、滑坡等，可自定义应急预案的设备联动控制方案。如一旦发生火灾，系统会自动闪烁并告警，同时定位到具体告警区域，联动视频展示现场火情；采用应急广播发布火灾情况，通过调取情报板控制界面，向前方发布紧急通知，进行车流限制；通过调取交通信号灯控制界面，将信号灯状态更改为红色，禁止车辆通行；通过调取车道指示器控制界面，将车道指示器状态更改为禁行，禁止车辆通行；通过调取车行横道卷帘门控制界面，控制卷帘门闭合及开启，便于逃生。同时，大屏可展示指挥调度全部可用资源，可展示事件相关处置人员信息、联系表，事件相关视频、事件进展信息，地图图层可显示事件坐标、事件周边可用资源、处置人员、车辆实时位置。

（五）统计分析

统计分析模块针对隧道各类监测数据进行智能化统计分析，包括能耗分析、流量分析、车型分析、事件分析等，将分析结果进行可视化展示，数据以图表的形式实时反馈给运营管理人员，运营管理人员能够迅速直观地发现管理中的不足，辅助决策。

（一）交通物联网平台技术

交通物联网平台实现了隧道设备的统一接入、统一管理、联动控制和远程控制，尤其是设备模拟器解决了设备物模型定义复杂的问题，降低了平台使用门槛，更加符合交通领域的使用需求。

（二）隧道数字孪生技术

隧道数字孪生技术基于高精度地图和BIM，以3D实景模式展示隧道基础设施，针对隧道及机电设备进行建模、渲染，搭建孪生体，并基于物联网平台建立孪生体与实体的映射关系，实现了虚实双向数据交互、3D虚拟漫游、设备控制和交通仿真。

（三）三级协同部署架构

通过部署智慧隧道系统集团版、运营公司版和管理所版，建立了集团-运营公司-隧道管理所三级架构体系，实现了三级协同管控。提升了信息互通、资源共享、上下贯通、协同联动水平。

未来，随着运营管理业务越来越精细化，管理手段越来越丰富，智慧隧道管控平台可从以下两方面进行升级完善。

智慧化。目前智慧隧道管控平台已具备良好的智慧化水平，但是随着新技术的发展和新设备的诞生，如隧道健康监测、隧道巡检机器人等，平台及整个隧道系统都将更加智慧化。

低碳化。智慧隧道的建设、管理与运营将更加注重低碳环保，进一步依托物联网与大数据技术，实现隧道机电设备的能耗监测与智能优化，从而降低碳排放，打造绿色隧道。

基于物联网技术的智慧隧道管控平台对设备进行统一接入，统一管理，通过人工智能、大数据等技术实现了隧道的智慧监测与智慧管控，通过数字孪生技术实现了隧道的全知可控，通过三级部署架构，实现了集团-运营公司-管理所的三级协同控制，实现了全省隧道集中监测、资产统一管理、资源统一调度、设备远程控制，解决了隧道运营阶段出现的资产管理不清晰、事件发现不及时、指挥决策下达慢、运营效率不高等突出问题，提升了隧道通行效率、运行安全和服务品质。