邊緣計算在高速隧道的應用

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摘要：高速公路隧道內機電設備種類眾多，各機電子系統(tǒng)之間相互獨立，隧道運行情況的全局監(jiān)控和統(tǒng)一控制缺乏，隧道內事件感知不主動、事件發(fā)現(xiàn)不及時，隧道本地的自動監(jiān)測和控制缺乏、自動化和智能化程度低。針對以上問題，表文介紹了邊緣計算在高速隧道中的應用，提出了軟硬件一體化的智慧隧道解決方案。該方案能夠對隧道內各種設備進行統(tǒng)一監(jiān)測和控制，阻止有起火風險的高溫車輛進入隧道，對隧道內車輛進行ＡＩ事件監(jiān)測，對隧道內交通事件、環(huán)境事件進行自動和快速處置。

關鍵詞：智慧隧道；邊緣計算；ＴＳＮ網(wǎng)絡：事件檢測：車輛跟蹤；應急預案

監(jiān)測隧道運行情況、保障隧道安全暢通是高速公路隧道日常運管工作的重點。但是，隧道機電設施設備種類多，交通監(jiān)測和環(huán)境監(jiān)測設備生成的數(shù)據(jù)、報警信息，在空間和時間上相隔離；缺乏統(tǒng)一系統(tǒng)，對隧道所有機電設施設備進行監(jiān)測和控制；部分機電設備的故障狀態(tài)無法自動感知，需要人工巡檢發(fā)現(xiàn)。此外，隧道運行情況的全局監(jiān)控和遠程管控手段缺乏，隧道現(xiàn)場的自動監(jiān)測、控制閉環(huán)缺乏，自動化、智能化程度低。傳統(tǒng)ＰＬＣ控制設備使用過程中，智慧算法和設備聯(lián)動策略少，現(xiàn)場編程復雜，升級固件、更換設備麻煩，購買成本高，養(yǎng)護成本高。遇到突發(fā)事件時，能夠生成異常事件報警信息的設施設備之間無法相互關聯(lián)，事件無法及時發(fā)現(xiàn)，事件告警重復、干擾決策，事件應急處置預案無法根據(jù)業(yè)主需求調整，設備無法根據(jù)事件等級進行分階段、分步驟控制，用戶自定義小微事件（調光、通風等）無法自動聯(lián)動，網(wǎng)絡斷聯(lián)時隧道現(xiàn)場癱瘓、設備無法控制。

一、智慧隧道解決方案

軟硬件一體化的智慧隧道解決方案，從隧道運營管理者的業(yè)務需求出發(fā)，將各機電子系統(tǒng)的功能整合在統(tǒng)一的業(yè)務界面上，使不同交通監(jiān)測和環(huán)境監(jiān)測設備生成的數(shù)據(jù)、報鱉信息在空間、時間上形成關聯(lián)，打通系統(tǒng)間的隔閡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，方便集中管理、監(jiān)測和控制。本方案在隧道現(xiàn)場采用邊緣智能控制器，實現(xiàn)自動業(yè)務控制；在隧管所／變電所采用中心智能控制柜，實現(xiàn)人工或自動控制；在監(jiān)控中心釆用智慧隧道運管平臺，采取人工決策方式；在發(fā)生突發(fā)事件時，根據(jù)事件分級機制，按照事件影響大小，進行及時快速處置，避免事件影響擴大。智慧隧道解決方案由隧道運管平臺、隧道感知系統(tǒng)、隧道控制系統(tǒng)三部分組成，如下圖所示。智慧隧道運管平臺部署在監(jiān)控中心，實現(xiàn)對全部隧道運行情況的日常監(jiān)測、對突發(fā)事件處置過程的跟蹤和監(jiān)管、對重大事件的決策和指揮。隧道現(xiàn)場智能感知系統(tǒng)部署在隧道現(xiàn)場，在隧道傳統(tǒng)機電設施設備的基礎上，引人多種智能感知設備和安全提示設備，實現(xiàn)入隧前的車輛監(jiān)控提醒、入隧后的車輛跟蹤、事件發(fā)生后的快速處置等功能。多個邊緣智能控制器（ＥＣＮ）對視頻及各種監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分區(qū)段接人、分析和建模，使原本割裂的信息在地理位置（空間）和事件發(fā)展（時間）上形成聯(lián)系，從而反映出隧道當前運行狀況和態(tài)勢，并實時監(jiān)測通行環(huán)境、跟蹤在隧車輛、辨別異常事件、發(fā)出安全窖示。隧道智能控制系統(tǒng)由中心智能控制柜（ＣＣＮ）和邊緣智能控制器組成，ＣＣＮ控制柜部署在隧管所／變電所，ＥＣＮ控制器部署在隧道現(xiàn)場。在隧管所／變電所，帶觸控屏的ＣＣＮ控制柜對隧道設施設備進行控制，直接處置突發(fā)事件。在隧道現(xiàn)場，ＥＣＮ控制器根據(jù)隧道環(huán)境和交通流的監(jiān)測結果，自動調節(jié)和控制相應區(qū)段設施設備，如小微事件誘導、通風系統(tǒng)調節(jié)、照明系統(tǒng)調節(jié)等。在發(fā)生重大事故時，可直接人工介人、接管。智慧隧道解決方案的產(chǎn)品清單如表１所示。

二、方案優(yōu)點

（一）接入全部隧道設備，設備運行狀態(tài)自動感知本方案接人監(jiān)控攝像機、情報板、緊急電話／廣播、交通信號燈、車道指示器、ＣＯ／ＶＩ檢測器、風速／風向檢測器、光強檢測器、風機、照明、橫洞卷簾門、液位水位等設備，２４小時不間斷對隧道設備進行自動巡檢，當發(fā)現(xiàn)設備故障時，一鍵派單給設備養(yǎng)護人員。

（二）集成全部隧道子系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合、集中監(jiān)測和控制隧道運管平臺集成幾乎所有隧道子系統(tǒng)，包括通風系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、交通控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、火災報警系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、緊急電話及廣播系統(tǒng)等，且舊系統(tǒng)仍可正常使用。平臺將各個機電子系統(tǒng)的功能整合在統(tǒng)一的業(yè)務界面上，使不同交通監(jiān)測和環(huán)境監(jiān)測設備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、報警信息在空間、時間上形成關聯(lián)，打通系統(tǒng)間的隔閡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，方便集中管理、監(jiān)測和控制。

（三）兼容傳統(tǒng)ＰＬＣ控制模式ＥＣＮ控制器可與傳統(tǒng)ＰＬＣ管控模式共存，也可替代ＰＬＣ。ＥＣＮ控制器支持對接所有采集設備、控制設備、檢測設備，統(tǒng)一接口和傳輸協(xié)議，支持智慧算法和設備聯(lián)動策略，現(xiàn)場編程簡單，可遠程升級固件，更換設備簡單，釆購成本低，養(yǎng)護成本低。

（四）ＴＳＮ高可靠網(wǎng)絡隧道智能控制系統(tǒng)將ＴＳＮ和ＳＤ（軟件定義）的特性相結合，為隧道構建起一套高有效帶寬、高可靠性、超低延遲、可規(guī)劃的確定性網(wǎng)絡，解決傳統(tǒng)以太網(wǎng)存在的無序搶占、網(wǎng)絡擁塞、抖動丟包、延遲較大、網(wǎng)絡風暴等問題。

（五）ＡＩ實時事件監(jiān)測，事件自動去重和歸一化處理本方案配合隧道監(jiān)控攝像機，可識別停車、逆行、擁堵、行人、摩托車、拋灑物、火災、路障、變道、施工等事件，可對異常告警進行綜合判斷、過濾、合并、分級。

（六）事件分級管控，小微事件自動控制本方案在隧道現(xiàn)場采用ＥＣＮ控制器，在隧管所／變電所采用中心智能控制柜，在監(jiān)控中心采用智慧隧道運管平臺。發(fā)生小微事件時，隧道現(xiàn)場本地自動化控制；發(fā)生重大事故時，人工接人和接管。所有事件執(zhí)行的策略，都由運管平臺下發(fā)給ＥＣＮ控制器和ＣＣＮ控制柜，用戶可以對自動執(zhí)行策略進行自定義配置。在隧道運管平臺與ＣＣＮ控制柜網(wǎng)絡斷聯(lián)、ＣＣＮ控制柜與ＥＣＮ控制器網(wǎng)絡斷聯(lián)的情況下，ＥＣＮ控制器仍可對小微事件進行自動控制。此外，可以停用小微事件自動執(zhí)行功能，設置為所有事件由監(jiān)控員手動確認執(zhí)行。推薦對小微事件進行如下現(xiàn)場自動控制：緊急停車帶停車，由隧道廣播自動提醒；行人由隧道廣播自動提醒；車輛高溫預警由情報板自動提醒；通風系統(tǒng)根據(jù)隧道ＣＯＶＩ值自動調節(jié)；照明系統(tǒng)，根據(jù)光強調節(jié)或定時自動調節(jié)。

（七）險道外車輛高溫預警，隧道內重點營運車輛行駛狀態(tài)ｍｕ本方案可在隧道洞外探測行駛車輛溫度，快速發(fā)現(xiàn)有起火隱患的車輛，并誘導車輛在隧道洞外應急車道停車；對于未停車的超溫車輛和駛人隧道的兩客一危車輛，進行全程車輛跟蹤，判斷行車行為是否正常。同時，ＡＩ實時事件監(jiān)測覆蓋隊道全程，可及時發(fā)現(xiàn)交通異常事件。

（八）智能應急預案本方案可根據(jù)運營方的管理流程，定制應急預案，如交通事故預案、火災預案、惡劣天氣預案、施工預案等，并分階段地控制設備。事件處置完成、交通恢復暢通后，可對設備進行一鍵復位操作。基于邊緣計算的智慧隧道解決方案產(chǎn)品特點如表２所示。

三、方案應用

臨夏高速公路某隧道試用了上文所述的基于邊緣計算的智慧隧道解決方案，實現(xiàn)了日常監(jiān)控、事件預防、應急處置等業(yè)務的全方位管理，具體使用效果舉例如下。例１：某日上午８點，智能控制器通過ＡＩ人工智能識別出車輛違停交通事件，而后自動與廣播系統(tǒng)聯(lián)動，語音告知車輛盡快駛離。例２：在隧道日常養(yǎng)護施工期間，監(jiān)控員對系統(tǒng)預置的隧道施工預案進行更改選擇，從而遠程更改了隧道人口情報板內容，調整了信號燈和車道指示器狀態(tài)，打開了隧道加強照明燈，并打開了車行橫洞通道。例３：某日上午１２點，平臺彈出車輛高溫預警界面。監(jiān)控員通過車輛跟蹤界面，對高溫車輛在隧洞內的行車情況進行實時査看，并通過廣播系統(tǒng)提醒司機盡快駛離隧洞、到洞外停車帶檢修車輛。例４：某日下午３點，一輛轎車在隧道內自燃，隧道綜合運管平臺通過監(jiān)測及時發(fā)現(xiàn)、及時告薔并精準定位位置。監(jiān)控員査看實時視頻畫面，并廣播告知司機消防器材位置、使用方法。在司機自救的同時，平臺已將事件自動推送給養(yǎng)護、路政、交警、救災等部門和人員。相關部門來到事發(fā)現(xiàn)場時，明火已基本被撲滅。此次事故未造成人員傷亡，后續(xù)事項得到妥善處置。待事件處置完畢、交通恢復暢通后，相關人員依照平臺的災后恢復流程，對隧道內設備進行一鍵復位操作。

四、結束語

本方案通過系統(tǒng)集成、人工智能、邊緣計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、ＴＳＮ網(wǎng)絡等技術手段，針對隧道運營管理中的安全暢通、提質升級、降本增效等需求，搭建軟硬件一體化的智慧隧道運管平臺，實現(xiàn)隧道事件預防、日常監(jiān)控、應急處置、日常養(yǎng)護等全方位業(yè)務管理，提高對隧道運行情況的監(jiān)測能力和對突發(fā)事件的處置水平，使隧道運營管理更高效、公眾出行更安全、交通運輸更暢通。

作者:韋衛(wèi) 單位:蘭州朗青交通科技有限公司