基于物联网技术的智慧隧道管控平台探究

摘要：智慧隧道管控平台建设有助于提升隧道的运行效率和安全性，为企业运营降本增效。本文以湖北高速公路隧道为例，说明了智慧隧道管控平台建设的现状和问题，分析了当前的建设需求，介绍了平台的设计理念、架构和功能。基于物联网技术的智慧隧道管控平台整合了原有分散的业务系统，重新梳理设计了平台功能模块，实现了隧道机电设备的统一接入、智慧监测、集中管理、远程控制等功能。平台的控制方式多样，控制策略灵活，对进一步提升隧道运营管理水平有重要意义。

隧道的车流量大、行车速度快、光线不充足、内部环境单调、具有密闭性，比一般路段发生交通事故及火灾的几率要高很多，且发生事故后疏导和救援难度大。所以，有必要建立隧道监控系统和应急联动预案，在发生事故时启动应急预案，减少损失，保证隧道的平稳、安全、可靠运行。目前，智慧隧道建设普遍面临基础设施感知能力薄弱、智能化水平低的问题，且部分设施联网困难，无法实现全方位、多维度的智慧监测与统一管理。为此，2021年，交通运输部印发《交通运输领域新型基础设施建设行动方案（2021—2025年）》，提出统筹利用物联网、车联网、光纤网等，推动交通基础设施与公共信息基础设施协调建设。同年，湖北省交通运输厅也发布了《综合交通运输发展“十四五”规划》，指出要针对重大交通基础设施工程，实现基础设施全生命周期健康性能监测，推广应用基于物联网的工程质量控制技术，推动重点路段、航段、隧道、桥梁、互通枢纽、船闸等重要节点的交通感知网络覆盖。在新的业务发展趋势下，依托物联网技术实现基础设施实时感知、提升基础设施数据采集与监测、进一步探索隧道管控业务应用是提升智慧隧道建设水平的重要手段。

一

现状分析

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。

二

需求分析

（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。

三

设计理念

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。

四

平台架构

智慧隧道管控平台采用三级管理的方式。隧管所统一管理隧道相关设备，各隧管所服从所属运营公司的调度，同时也能调度和管理职能范围内的隧道设备。集团拥有隧道设备的管理和控制权限。系统既可以集中管理也可以分散管理，实现了多级用户管理模式。

（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。

五

交通物联网平台

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。

九

结束语

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。

（原文刊载于2023年第8期《中国交通信息化》，本文有删减）

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