智慧市政隧道功能需求及实施方案探讨

杨正波，魏海洋

（中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308）

0 引言

市政隧道作为城市地下道路，对改善道路交通环境、缓解交通拥堵具有重要的意义。由于隧道是特殊的地下管状构造物，存在着结构健康、能源消耗、易出事故、导航盲区等问题，例如今年郑州受强降雨影响，京广北路隧道遭遇迅速没顶造成多人伤亡便是极大教训，而智慧隧道能够利用先进的云计算、物联网、互联网、大数据等新一代信息技术和智能感知设施设备，对隧道结构、环境、能耗、交通等信息数据进行处理和分析，完成对隧道系统的自动管理和控制，实现灾害预警预报、安全高效和绿色建设，因此有必要对既有老旧隧道和新建隧道进行智慧化建设。目前国内大部分市政隧道由于建设年代的局限，监管技术手段落后，运营管理存在不重视预防性和主动性养护、数据系统性和连续性不足、检查指标和技术手段先进性不够、缺少运营服务水平评价体系、维修养护措施缺乏指导性标准、缺乏优化配置养护资金使用方法和理念等问题，主要表现为：

（1）故障响应被动。隧道的结构健康状态、设备运行状态和环境状态的获取，大多数依靠人工定期巡测和抽检为主要发现问题或故障的手段，没有足够的预防措施，耗时耗力且无法保障频率和精度。

（2）养护巡检记录缺失。目前多数隧道的日常养护、巡查，多以纸质或口头（对讲机）安排工作人员进行巡检、维修、保养及汇报工作结果，养护巡检的制定、传输、存储和调阅非常困难。

（3）能源管理粗放。隧道中设置风机、水泵、照明等能耗设备，由于目前粗放式的管理方式，不能根据实际情况动态调整设备运行方式，存在能源浪费严重的情况。

（4）缺乏养护数据支撑。隧道良好的服役状态是养护的最终目的，服役状态的综合评价需要以自动化、半自动化的数据为基础，形成适应不同养护单元的评价项、指标项，将其服役状态量化分析，一方面评估与预测隧道的服务水准和性能，另一方面为隧道预测性的养护模式提供决策支持，制定完善的养护策略。目前大部分隧道缺乏海量养护数据的支撑。

为了尽可能解决以上几方面的痛点，各地都在提高隧道工程建设的信息化水平，努力朝“智能及智慧隧道”方向发展。表1为国内部分隧道的信息化应用情况。

表1 国内部分隧道信息化应用情况介绍Tab.1 Introduction of information application of some tunnels in China

由表1可以看出，虽然随着时间推移、技术进步，各种监测管理系统逐步地应用于隧道工程建设中，但各系统一是监测不全面，二是基本上还是各成系统，系统之间没有实现互联互通，信息不能共享，影响整体效能的发挥。因此，建成具有全信息监测感知、多源数据深度挖掘分析、智能控制、科学决策、高效运行的智慧化系统十分必要。

1 智慧隧道功能需求分析

智慧隧道的功能定位为：全方位、全过程、全天候。为了便于分析说明，将市政隧道划分为老旧隧道智慧化改造工程（简称改造工程）和新建隧道智慧化工程（简称新建工程）。

1.1 隧道改造工程功能需求

对于改造工程，由于其受既有土建及设备安装条件限制，其智慧功能需求为根据隧道既有设备设施及系统使用情况，有针对性地选择改造方案，选择其中某一方面，或多个方面，甚至全部，以达到智慧化运维管理的目的。以郑州京广北路隧道为例，当日郑州降雨量达到201.9 mm，约30万 m3的积水在不到3 h迅速灌满隧道，使隧道遭遇没顶，积水最深处达13 m左右。尽管城市红色暴雨预警不断连续发布，但京广北路隧道缺少环境健康安全监测，道路水位无法进行判断，没有预警信号发出。如果隧道设置环境健康监测措施，在事故发生前能及时发布预警信息，或许能将安全风险降到最低。

1.1.1 隧道机电监控改造需求

（1）智能调光控制。隧道内交通流量不大时，传统方法通过灯具间隔开启或关闭一侧灯具的方式节约能源。改造传统灯具，采用智能调光系统，实现对隧道各段高精度、高效率调光，更加合理地对灯具进行控制，保障隧道光环境质量，实现绿色节能。

（2）智能交通监控。通过视频+雷达等设备，实现交通运行状态和交通违法事件的监测，包括交通流量、车辆特征、排队状态、车速、行驶车道、驾乘人员脸部特征、驾驶员行为、周围环境等信息的实时监测。

（3）智能通风控制。基于隧道CO/VI环境监测的智能通风监控系统，当隧道中一氧化碳和能见度数据超限时，按照风机启停策略进行智能控制，保障隧道内的行车舒适度。

（4）智能给排水管道监控。基于分布式光纤传感器监控给排水管道的漏损，智能控制机械阀门的通断，减少水资源的浪费。

通过对各机电系统的改造部署，打通机电系统的状态、报警灯监测数据汇聚，为智慧管养提供数据接口。

1.1.2 隧道健康监测改造需求

隧道健康监测主要包括结构健康、设备健康及环境健康三方面的监测。改造工程的需求为根据既有隧道的监测情况，有针对性地设置相应的监测装置，对相关项目进行监测，一是服务于设施结构本身，实时监测结构安全；二是基于数据的养护决策，服务于设施养护部门，协助定位设施关注点，作为养护重点动态调整养护计划；三是基于状态分析的设施监管，服务于管理单位。隧道健康总体监测项目见表2。

表2 隧道健康总体监测项目Tab.2 Overall monitoring project of tunnel health

1.2 隧道新建工程功能需求

对于新建工程，其智慧化建设的需求由于不受既有条件限制，考虑在项目总体规划阶段，系统地进行建设实施。

（1）智慧机电监控系统的建设需求

在新建工程中通过物联网传感+信息化技术+在线运维服务的模式，自动完成隧道内机电设备设施与空间环境日常巡检工作，自动判断风险并预警，自动进行联动控制，通过视频图像远程监督与指导事件处置。表3为其基本功能需求场景描述。

表3 智慧机电监控系统功能场景需求Tab.3 Functional scene requirements of intelligent electromechanical monitoring system

（2）全生命智能监测与管养的建设需求

“智慧隧道”意味着工程在施工和运维期间，会应用物联网等智能设备收集大量自动感知数据并对数据进行分析。BIM 是物联网应用的基础数据模型。没有BIM，物联网的应用就会受到限制，就无法深入建筑物的内核。因此针对城市隧道，有必要打造设计、施工、运营的全生命周期BIM智慧管理平台，实现全生命期各参与方在同一多维信息模型基础上的数据共享，同时支持对工程环境、能耗、经济、质量、安全等方面的分析、检查和模拟，为项目全过程的方案优化和科学决策提供依据；支持各专业协同工作、项目的虚拟建造和精细化管理；与运营养护对接，实现信息的可持续利用。BIM在隧道全生命期各阶段的应用点包括：

①以能够容纳城市级GIS基础数据与全项目精细BIM模型的三维可视化引擎为基础，融合与工程建设相关的各类空间数据。

②在设计阶段，通过BIM技术，以三维可视化方式集成模型、图纸、现有建筑、管线、地质等多种数据，在设计过程中帮助设计人员更为全面地把握过程、控制成果，及时发现冲突和隐患。

③在施工阶段，在平台中通过BIM数据集成施工进度、质量、安全、监测、人员、设备、档案等信息，有效解决传统施工管理中信息分散、可视化程度低等问题，帮助项目参建各方更好地管理施工过程。

④在运维阶段，通过BIM和GIS数据描述隧道养护、维修过程中的各类信息，并接入智慧隧道结构、环境、交通等各类感知和监测信息，帮助用户更加直观地查看运维业务信息，及时发现隐患，制定措施，为道路长期健康运行提供支持。

（3）智能巡检机器人的建设需求

城市隧道的安全巡检耗费大量的人力物力，而且人工检测无法排除由于疏忽大意带来的安全隐患。人工智能巡检机器人的介入，能节省人力，实现人机配合、安全无死角的检测效果。其系统具备特点见表4。

表4 智能巡检机器人系统特点Tab.4 Characteristics of intelligent inspection robot system

1.3 城市隧道群集中监控需求

为了适应交通量增长，城市中许多主干路正在进行快速化改造，在改造过程中，建设了许多城市隧道。为了适应隧道建设及每个隧道的运行维护管理，有必要建设城市隧道群管理中心，对隧道群的运营情况进行统一监控管理，以实现既能满足隧道运营管理需求，又能节省工程投资、降低运营成本的目的。

（1）管理要求

从管理要求出发，每个监控中心都需要整套的运营管理人员，而且监控系统的管理和监控又具有很强的专业性，从一个普通技术人员到成为一个监控室管理人员，需要花费较长时间进行培训。如果每条隧道都设置一个监控中心，则管理规模将非常庞大，运营成本也将大大提高。建立统一的监控中心，可以大大减少人员编制规模，从而大幅降低运营成本。

（2）节省投资

城市寸土寸金，如果每条隧道都设置独立的监控中心，各自为政，不仅占用了宝贵的土地资源，而且每条隧道都需要投入大量的监控中心设备。而如果采用统一的监控中心，不仅可以节省建筑面积，还可以将所有监控设备进行集中设置，实现设备共享，从而节省设备总量。

（3）美化环境

尽管隧道是地下设施，但作为管理人员的场所，不管从办公环境还是消防逃生方面考虑，监控中心宜设置在地面以上。如果每条隧道旁设置一个孤立的监控管理中心，显然和城市美化不相协调。而如果采用集中的管理中心，则每条隧道只需要设置简单的无人监控站，而无人监控站可结合地下变电所联合设置，从而节省设施占地面积，减少对环境美化的影响。

2 智慧市政隧道实施方案建议

2.1 智慧市政隧道建设方案配置原则

（1）老旧隧道智慧化改造原则

由于老旧隧道受建设年代及信息化发展水平限制，机电设备的智能化控制、结构安全及机电设备的监测等鲜有设置，因此在智慧化改造过程中本着保证基本智慧化功能需求、尽量减少工程量的原则，在工程预算的范围内针对性地解决关键性问题配置智慧化建设项目。

（2）新建隧道智慧化建设原则

随着信息化技术的大力发展，在新建工程中本着紧跟或超前最新信息技术的原则，运用人工智能和大数据分析技术，利用云计算或超级计算机，将BIM、数据融合、物联网等现代前沿信息技术应用到工程建设过程中，实现智慧市政隧道的建设和运营。

2.2 隧道改造工程配置方案建议

根据老旧隧道智慧化改造的原则，提出基础配置方案和升级配置方案建议（见表5），在工程实施工程中，可结合项目实际情况选择相应的配置方案。

表5 隧道改造工程配置方案建议Tab.5 Suggestions on configuration scheme of tunnel reconstruction project

2.3 隧道新建工程配置方案建议

根据新建隧道智慧化建设的原则，提出基础配置方案和升级配置方案建议（见表6），在工程实施工程中，可结合项目实际情况选择相应的配置方案。

表6 隧道新建工程配置方案建议Tab.6 Suggestions on configuration scheme of new tunnel project

2.4 智慧市政隧道建设解决方案路径

根据老旧隧道智慧化改造和新建隧道智慧化建设的工程特点及方案配置原则，其解决方案按照图1路径执行。

图1 智慧市政隧道建设解决方案路径Fig.1 Solution path of smart municipal tunnel construction

3 结论

“发展智慧交通，为交通赋能”已成为工程建设各方及运营单位的共同关注点。随着信息技术的进一步发展，未来隧道智慧化建设势必迎来更深入的发展，上文所述的改造需求和新建需求会进一步调整。因此，在项目实施过程中，老旧隧道需要本着保证基本智慧化功能需求、尽量减少工程量的原则，在工程预算的范围内针对性地解决关键性问题配置智慧化建设项目；新建隧道则应本着紧跟或超前最新信息技术的原则，运用人工智能和大数据分析技术，利用云计算或超级计算机，将BIM、数据融合、物联网等现代前沿信息技术应用到工程建设过程中，实现智慧市政隧道的建设，从而达到智慧化运维管理的目的。