大公路隧道机电设计研究

大连市市政设计研究院有限责任公司 韩 丹

1 引言

我国地域广阔地理环境复杂，诸多大公路的建设过程中都需要进行隧道施工以保证整个高速的连接性和整体性。但整体而言，大公路隧道处于复杂的环境中，且其本身的结构也具备一定的特殊性，因此整个隧道机电系统要解决的不仅仅是简单的照明、通风和配电，同样也肩负着监控、消防以及交通控制的任务。近年来，智慧化交通建设兴起，各种信息技术也逐渐融入到隧道机电设计当中，在保证隧道安全运营的基础之上进行隧道运营状态的监测，同时实现了安全预警、安全评价、联动控制以及养护管理等功能的联合，是智慧交通建设体系的重要构成，也实现了大公路隧道运营的可持续发展。

2 大公路隧道机电系统设计

2.1 大公路隧道机电系统构成

光照条件差、空气质量差、内部空间有限是公路隧道的典型特征，而这些特征导致隧道内部环境整体低于外部环境，不仅容易诱发交通事故，且在交通事故产生过程中将会导致严重的交通堵塞，难以在短时间内实现救援和交通疏导。隧道机电系统的设置不仅保证了基本的使用功能同时也能够完成对隧道内多种情况的监测。整个隧道内的电系统由隧道监控系统、高低压供配电系统、隧道照明系统，隧道通风系统以及隧道消防系统五个子系统构成，这五个系统拥有不同的功能和适用范围，详见表1，设计过程中需要结合具体功能完成设计目标和设计细节的探讨，同时结合隧道建设参数经过综合化的评价和分析来保证整个机电系统设计的科学性[1]。

表1 大公路隧道机电系统构成、主要功能和设计需求

2.2 大公路隧道系统机电系统设计要点

设计过程中应充分对外界的各种干扰因素以及系统自身的运营情况进行综合考虑，通过有效措施消除外界干扰以及不利因素的影响。选用先进的技术和材料，在保证系统运行稳定的过程中实现使用寿命的延长。另外，整个机电系统在后期的运营和维护的过程中涉及成本支出较大，因此设计中应充分考虑整个机电系统的成本问题，选择各种节能设备、通过优化布置来保证满足使用需求的同时实现资源的节约。因此，整个大公路隧道系统机电系统设计应结合绿色工程理念以及智慧化交通建设进行合理设计，在保证系统运行经济性的同时提升系统运行的智能化和信息化[2]。

3 大公路隧道机电控制系统设计

3.1 大公路隧道机电控制系统设计目标

传统的隧道机电控制构成较为简单，其作为各个子系统的中枢能，够针对性地完成各子系统所传输的信号和数据处理，保证机电系统的正常运转。但在日常管理程中由隧道机电子系统的独立性较强，所以一旦发生安全事件，需要通过人工来完成各系统的操作，且各系统之间的联动和协调工作难以实现。另外，传统的隧道机电控制系统并未设置故障检测以及诊断维护一体的响应机制，一旦机电设备发生故障则很难保证高效地响应和处理。因此为了有效突破该种弊端，在进行继电控制系统设计的过程中应充分结合据技术以及化互联网等技术，完成信息化机电控制系统的设计。该控制系统不仅能够通过智能联动控制平台的应用实现隧道机电各个子系统的管控一体化，同时在先进技术的辅助之下依托数字化机电设备完成在线检测以及远程巡检，以保证对整个机电的实时监控，并在完善突发事件应急预案的辅助下实现机电设备故障的处理速度的提升。另外，该智能控制系统在应用的，依托大数据技术也可以实现预防性养护。

3.2 信息化机电控制系统整体设计框架

大数据隧道信息化机电控制系统的关键技术为物联网加以及云计算，整个系统包括五个基本层次，如图1所示。这五个层次拥有不同的功能作用，且建立了紧密的联系，在相互依托和相互辅助的过程中实现机电控制系统的一体化管理，在保证隧道机电设备联动控制下完成各信息指标的收集，进而动态感知各设备的健康状态。

图1 大公路隧道机电控制系统整体设计框架

系统设计中确认了1平台、2探索以及3应用的整体思路，通过隧道机电控制系统一体化综合管理控制平台的建设来实现整个隧道管理设备的统筹；通过云服务系统的部署探索隧道机电系统管理过程中的节能高效以及高质量管理需求，现在完善应急预案的设置下，探索应急救援工作的科学化转型；通过隧道安全管控系统、隧道机电设备养护管理系统以及隧道机电设备健康监测系统的建立，应用了先进的物联网技术使用了强大的预案配置引擎，同时通过智能主动防御技术的使用，真正实现隧道机电系统“管、控、养”一体化。

3.3 功能实现

整个控制系统包含隧道安全、机电设备养护管理以及机电设备健康监测三个部分，不同控制系统的功能实现如下。

一是隧道安全管控系统。隧道安全管控系统能够完成各项运营子系统的检测信息采集，通过交通检测器以及数据采集终端实时地对隧道内的车流量、风向风速以及光照强度等数据信息进行采集，在详细的数据计算和分析的基础之上结合系统预定的方案和管理控制指令完成隧道内的交通控制和引导辅助。且该控制系统能够保证在隧道应急事件发生之后进行主动的监测和报警，及时将应急事件的信息传输，根据应急事件发生位置和区域制定交通拥堵、交通事故、危险品泄漏以及火灾等紧急预案，通过清晰化预案流程的指导完成事故的处理，确保缩短应急处置时间，缩小应急事件影响范围。

二是隧道机电设备养护管理系统。隧道机电设备养护管理系统设计的过程中，坚持的是预防为主防治结合的基本原则，结合相关的管理技术规范完成隧道规模、交通流量以及公路等级的划分，从而确定设备养护的等级。在大数据分析的基础之上进行机电设备的检测，一旦在养护管理的过程中发现数据异常，应给予重点的关注并通过整个养护计划的及时调整来保证养护工作更具合理性和针对性。

另外该过程中机电系统设备可靠性的指标也是设备养护管理的核心，该指标是机电系统基础设备在正常使用环境以及一定时间范围内的使用概率，所以对于机电系统设备而言，使用概率越高，则表明该设备的可靠性越高。该指标具有较大的设备养护参考价值，能够结合设备养护管理的各项检测指标进行机电设备运行状态、技术状况的综合判断评价。可以通过公路隧道机电设备可靠性评价模型的建立，综合确定设备的完好率、成新率以及相应的使用状态进行评价[3]。

该评价模型中的检测项目完好率表达式：

机电设备完好率表达式：

机电设备成新率的表达式：

故得出机电设备可靠性表达式：

式中，K为机电设备可靠性；W为机电设备完好率；C为机电设备成新率；y为已使用年限；Y为有效年限；Q1为机电设备完好率权值；Q2为机电设备成新率权值；Q11、Q12…Q1n为检测项目权值；Q111、Q112…Q11n为检测子项权值；W1、W2…Wn为检测项目完好率；W11、W12…W1n为检测子项完好率。

三是隧道机电设备健康监测系统：顾名思义隧道机电设备健康监测系统的最终任务在于完成隧道内各机电设备健康状态的检测，并对各机电设备的异常进行响应。整个监测过程中包括运行状况检测、远程巡检，同样也包括设备故障报警和故障率的分析。所以在系统设计的过程中会通过一个阈值的设置来进行判断比较，若所监测的数据在正常的区域值内浮动，则可以确定设备的正常运行，若超出设置的阈值，需要进一步确定判断是否出现设备故障或者安全隐患。另外，传统的机电设备巡检需要消耗较大的劳动力，远程巡检功能的设置能够通过监控中心完成对隧道内机电设备的检测，因此在设计过程中，要保证各设备检测的顺序和规则，进而在自动巡检中生成巡检报告并完成正常运转或者是风险状态的标记，提供排查建议。

3.4 紧急处理方案设计

大公路隧道信息化点控制系统以物联网为基础，所以一旦出现网络中断的情况，便会导致各业务系统无法访问。为有效解决该种问题，可以通过前置服务器的设置与保证即便发生网络中断，依旧可以通过备用地参与到应用来参与到无须云计算服务参加的系统控制工作中来[4]。所以前置服务器作为网络中断时的关键保障，可以对接收到的数据样本进行基本的分析，即便云服务器失联依旧能够保证隧道机电设备的联动控制。而其在进行联动控制的过程中，会将接收到的数据信息进行缓存打包，保证在网络正常连接之后重新进行数据到云服务器的上传。

4 结语

大公路隧道机电系统设计是公路隧道建设的重点内容，其设计质量直接决定着隧道后期的运营维护质量。根据隧道机电系统“建、管、养”的转变趋势，传统的机电系统存在着数字化建设程度不高，系统集成以及关联度不强的根本性问题，且各个机电子系统之间难以实现协同管理，在一定程度上造成了资源的浪费。将物联网以及云计算等技术融合到公路隧道机电系统设计当中，能够保证在信息化建设的基础上实现机电系统的管控一体化，提升隧道机电系统应用效果，促使公路隧道管理和服务迈向全新的台阶。