機電智慧管控系統(tǒng)的設計架構以及機電系統(tǒng)的設計在高速公路的應用

1工程概況

某高速公路工程路線全長62.5m，途徑多處山區(qū)地帶，為節(jié)省施工成本并保護當?shù)氐淖匀画h(huán)境，需要采用隧道的方式穿越山體。工程路線中共計隧道工程5處，總長度約為8.7km，在隧道建設中由于本身的空間密閉，視野范圍較小，需要安裝機電系統(tǒng)實現(xiàn)隧道內的照明與監(jiān)控。因此為確保工程隧道的安全行車，同時實現(xiàn)機電系統(tǒng)的有效管控，經研究決定對隧道內的機電設施研發(fā)一種智慧管控系統(tǒng)，以提升隧道內機電系統(tǒng)的實時管控本文對該工程隧道機電系統(tǒng)智慧管控系統(tǒng)的應用進行分析。

2公路隧道機電智慧管控系統(tǒng)的應用

2.1機電智慧系統(tǒng)分析與設計

2.1.1系統(tǒng)架構分析

本工程隧道內的機電智慧系統(tǒng)通過一體化監(jiān)管平臺可以實現(xiàn)在隧道內全面布局感知系統(tǒng)、資源整合以及信息共享，從而全面提高隧道機電系統(tǒng)的綜合管控和風險管控能力，保障人們的出行安全，提升隧道的服務水平。同時，一體化監(jiān)管平臺可在隧道內充分利用高精度地圖、三維建模、智慧融合感知等技術，實現(xiàn)隧道內交通狀況的可視化，根據隧道的運行數(shù)據進行事件預警等，*終有效地將隧道機電系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)集成于一個平臺之上，完成對隧道機電系統(tǒng)的智慧管控。

2.1.2機電系統(tǒng)設計

在隧道機電智慧管控系統(tǒng)設計中，主要包括系統(tǒng)平臺的數(shù)據庫建立以及系統(tǒng)的功能設計，結合工程隧道的實際情況，主要的隧道機電結構包括供配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、通風系統(tǒng)和消防系統(tǒng)等。在隧道智慧管控平臺數(shù)據庫設計時應整合多元業(yè)務數(shù)據，以加強外部設施的數(shù)據收集能力。完善系統(tǒng)的數(shù)據采集交換服務和共享能力數(shù)據的能力，將系統(tǒng)的數(shù)據分為兩大類，分別為機電設備運行狀態(tài)和道路車輛運行信息，通過對數(shù)據的數(shù)字化分析繪制隧道的可視圖；針對隧道機電系統(tǒng)所需的功能，一體化監(jiān)管平臺應設計相應的綜合監(jiān)控、設備管理、智慧巡檢、視頻管理、信息發(fā)布以及應急事件的處理功能，從而保證機電系統(tǒng)的正常運作，確保隧道的運營安全。

2.2機電系統(tǒng)構成

2.2.1供配電系統(tǒng)

（1）隧道內的基本照明、消防水泵、通風設施、監(jiān)控設施及其他設施等設施均需要通電才能實現(xiàn)運營，因此隧道內需要具備完善的供配電系統(tǒng)。根據采用的各類機電設施的用電要求，本工程隧道內的供配電系統(tǒng)的用電負荷主要為一級負荷和三級負荷，其中上述的設施采用一級負荷，其他設施均采用三級負荷，根據此情況供電系統(tǒng)可采用雙電源供電形式設計，在供配電系統(tǒng)中利用10kV的電纜沿著隧道兩側進行布設，鋪設時所有的電纜放入設計的電纜溝中，避免暴露于隧道之內。

（2）電纜沿著隧道兩側布設完成后，工程隧道內部設置有變配電設施，布設的電纜會與變配電相互連接。當電流進入變配電設施之后，通過變配電設施的配置及變壓器的作用，會將電流分為一級負荷與三級負荷，通過設置的兩路電源分別向機電設施供電，保障機電系統(tǒng)的用電安全及正常運營。此外，本工程供配電系統(tǒng)接地處理采用TN-S形式，供配電系統(tǒng)所有變壓器的中性點均直接接地，接地電阻控制在1Ω,每一個變壓器中性點之后分別設置零線與保護線，兩種線路的設置不得出現(xiàn)相互連接問題，避免引發(fā)用電事故。

2.2.2通風系統(tǒng)

由于隧道是穿越山體進行修建，隧道內部其環(huán)相對封閉，為保證隧道內空氣的正常流通，需要在隧道內部設置通風系統(tǒng)來改善環(huán)境。本工程隧道的通風系統(tǒng)設置，主要由3大部分組成，分別為環(huán)境監(jiān)測、風機控制及區(qū)域控制網絡。其中通風系統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測功能是對隧道內的一氧化碳進行監(jiān)測，避免隧道中有害物質濃度超標；風機控制是為了保證隧道內空氣的流通，本隧道采用射流風機，該類型風機完全滿足隧的通風需求；區(qū)域控制網絡可利用信息化實現(xiàn)對通風系統(tǒng)的管控，有利于機電智慧管控系統(tǒng)的應用。

2.2.3消防系統(tǒng)

（1）消防系統(tǒng)是高速公路隧道機電系統(tǒng)結構中不可缺少的設施，在隧道消防系統(tǒng)設置中，主要功能包括火災檢測、滅火設備、隧道排煙及報警系統(tǒng)等。針對工程長度較大的隧道工程，在隧道內應設置橫向的緊急出口，當隧道運營過程中發(fā)生火災問題，隧道內的行駛人員可以及時逃出隧道，其次隧道內的火災監(jiān)測裝置，設置后保證其有效性，當遭遇火災問題可以及時反映至管理人員；滅火設備應貫穿整個隧道工程，每間隔一段位置設置一處消防設施并配備消防水管及滅火器；排煙及報警設施要實現(xiàn)對隧道排煙量的監(jiān)控，如排煙量過大則可以實現(xiàn)自動報警操作。

（2）在隧道的消防系統(tǒng)設置中，為避免火災過大造成人員傷亡問題，在隧道橫向的緊急出口中，應安裝防火卷簾門，并將卷簾門設置為手動開啟和電動開啟2種形式，正常情況下保持卷簾門的開啟狀態(tài)，在突發(fā)火災的緊急情況下，可將卷簾門關閉，避免火勢蔓延至緊急出口，同時針對行人的緊急出口，在設置時每一側均要安裝防火門，正常情況下保持防火門的關閉狀態(tài)，當隧道內的消防系統(tǒng)全部布設完成后，由上級消防主管部門進行驗收，保證消防設施的使用性能，以確保隧道的運營安全。

2.2.4照明系統(tǒng)

（1）對高速公路隧道來說，機電系統(tǒng)中必不可少的就是照明系統(tǒng)，其能夠保證隧道內的光線滿足行車要求，從而保證隧道內的運營安全，因此照明系統(tǒng)也是隧道機電系統(tǒng)的*重要組成部分。本工程隧道內照明系統(tǒng)主要采用UPS電源供電，且供電設施的備用時間保持在30min以上，以保證運營期間不出現(xiàn)斷電的問題。在供電系統(tǒng)照明燈設置時，主要采用隧道拱頂單光帶的形式，在隧道內部設置雙排單光帶進行照明，局部較暗的區(qū)域可利用加強照明燈。

（2）依據不同的照明燈形式，隧道內的照明系統(tǒng)共分為加強照明燈、應急照明燈和基本照明燈3種，在安裝照明系統(tǒng)時這3種照明燈均布置于隧道兩側，應急照明燈與基本照明交錯安裝，各照明燈的距離控制在10m，應急照明燈的數(shù)量以基本照明燈數(shù)量保持一致。正常情況下基本照明燈按照要求開啟，當照明過程中遭遇緊急情況，則可立即啟動應急照明燈，保證隧道內的照明條件，在此過程中運營單位可及時排除故障恢復照明條件

2.2.5監(jiān)控系統(tǒng)

（1）為保證隧道內的行車安全，或者遭遇緊急情況可以第一時間獲得相關信息，在本工程隧道內設置監(jiān)控系統(tǒng)，以在隧道內部安裝攝像機對行駛的車輛進行實時監(jiān)控，這不僅可以監(jiān)控隧道內是否存在安全事故，還能記錄車輛是否存在違章行為，如超速形式、違規(guī)變道等，從而有利于保證隧道內的行車安全。基于此，本次隧道內的監(jiān)控系統(tǒng)設置時，主要采用定焦高清網絡攝像機和車行橫洞紅外球型高清網絡攝像機，安裝于隧道的弧線位置。

（2）在攝像機安裝過程中，施工單位應根據設計要求確定安裝位置和高度，保持預埋螺栓的中心距離與攝像機底座法蘭孔的距離一致。安裝中為減小垂直立柱的偏差，施工人員用經緯儀測量垂直柱的垂直度，如果偏差較大，則可用墊片調節(jié)垂直柱的垂直度安裝后需要檢測其安裝效果，攝像機是否工作正常，是否能與機電智慧管控系統(tǒng)相連接，經檢測調試正常后，組織對機電監(jiān)控系統(tǒng)的驗收工作。

2.3機電智慧系統(tǒng)功能研究

2.3.1綜合監(jiān)控

結合上述隧道機電智慧管控系統(tǒng)的功能，在一體化平臺上可實現(xiàn)隧道內的綜合監(jiān)控，即對隧道內全路段機電設施的監(jiān)控功能。在平臺的監(jiān)控軟件中，管控人員可以在平臺中監(jiān)管所有的機電設施，并結合GIS技術將隧道機電設施所得到的交通流數(shù)據、氣象數(shù)據、施工信息、事故信息和實時監(jiān)控視頻等，綜合地在計算機界面中呈現(xiàn)出來，同時能夠通過對應機電設施圖標顏色的變化，判斷該機電設備的運行狀態(tài)是否存在故障，以及設備當前工作的狀態(tài)和內容，以便實現(xiàn)隧道機電設施的綜合監(jiān)控。

2.3.2設備管理

隧道機電系統(tǒng)中采用的設備種類繁多且設備的數(shù)量較大，如采取普通的管理方式對設備維修、養(yǎng)護、更換等信息進行記錄管理，會大幅增加運營人員的工作量。本工程隧道機電智慧管控系統(tǒng)中具有設備管理功能，通過一體化監(jiān)管平臺，運營人員可以采用直觀的圖形操作界面，實現(xiàn)對設備的管理工作，這不僅包括設備的運行狀態(tài)，是否存在故障等問題，還包括設備的維修、保養(yǎng)臺賬，設備的更換、采購、報廢記錄以及設備廠商的基本信息等，有利于運營單位節(jié)省養(yǎng)護成本，保障機電設備的正常運行。

2.3.3智慧巡檢

上述設備管理功能主要采用直觀的圖形操作界面，使管控人員能夠在一體化平臺上完成對設備狀態(tài)及工作性能的監(jiān)督，而智慧巡檢功能則可以完成對隧道機電設施的檢查工作，減少隧道養(yǎng)護人員的工作量。該系統(tǒng)是利用虛擬巡邏車的方式代替人工，通過一體化管控平臺對虛擬巡邏車的巡檢路線及要求進行設置，然后啟動巡邏車輛代替人工進入隧道對機電設備進行檢查，管控人員可在一體化平臺上獲得巡檢結果，如機電設備存在故障，則巡檢車可通過聲光報警的方式通知給管控人員，并將巡檢結果在一體化平臺進行展示，管控人員根據需求將巡檢結果導出或打印。

2.3.4視頻管理

在隧道機電系統(tǒng)中配置監(jiān)控設施，為有效地利用監(jiān)控設施所拍攝的畫面，在機電智慧管控系統(tǒng)中具備視頻管理功能，該功能可以實現(xiàn)兩個功能，分別是實時監(jiān)控和視頻回放。其中實時監(jiān)控是將機電系統(tǒng)監(jiān)控設施的畫面轉播至一體化管控平臺，在管控平臺中可以對監(jiān)控畫面、監(jiān)控方式等進行遠程控制；視頻回放是指將機電監(jiān)控設施所拍攝記錄的畫面保存，需要時可以隨時從管控平臺調取，方便管控人員對隧道內事故發(fā)生原因、設備損壞原因等進行調查，確保機電系統(tǒng)的正常運營。

2.3.5信息發(fā)布

對隧道機電智慧管控系統(tǒng)而言，該系統(tǒng)可提供統(tǒng)一的服務接口，以方便管控人員利用一體化管控平臺發(fā)布相關信息，包括隧道的交通誘導信息、查詢服務信息、隧道內事故信息等。比如在隧道運營過程中存在火災安全隱患問題時，此時管控人員可通過智慧管控系統(tǒng)通過車輛檢測器、閉路電視系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等發(fā)布預警信息，若已經發(fā)生火災問題，則管控人員還可通過信息發(fā)布功能指揮和調度交通，從而避免造成重大損失。

2.3.6事件聯(lián)動與管理

在上述情境中，如隧道內發(fā)生火災問題，則可以利用機電智慧管控系統(tǒng)的事件聯(lián)動及管理功能報警理，該功能可以實現(xiàn)對系統(tǒng)各模塊的統(tǒng)一管理、分級處理，各個模塊根據工程實際情況設置閾值或狀態(tài)變化。當隧道運營過程中遭遇安全事故且事故危害等級超過設置的閾值，此時機電智慧管控系統(tǒng)可立即啟動預案，按照預先設置的要求報進行處理，如超過報警的閾值標準，就能自動觸發(fā)報警操作，從而保障隧道的運營安全。

3.高速公路供配電監(jiān)控系統(tǒng)

3.1概述

近年來，我國的高速公路發(fā)展非常迅速，已形成遍布全國的高速公路網，它在對國家經濟發(fā)展作出突出貢獻的同時，也對高速公路管理及運營的自動化、智能化提出了嚴峻的考驗。高速公路自動化管理系統(tǒng)一般由通信、收費、監(jiān)控和供配電4個子系統(tǒng)組成，而通信、收費和監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基礎是供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

高速公路供配電監(jiān)控系統(tǒng)對高速公路沿線的變電站內的高低壓配電設備、發(fā)電機、變壓器、UPS、EPS、外場照明、隧道內的理地式變壓器與照明、通風及排水等機電設備進行實時分布式監(jiān)控和集中管理,實現(xiàn)無人值守,確保高速公路安全暢通,提高自動化管理水平,降低機電設備的運行維護成本。

高速公路供配電監(jiān)控系統(tǒng)包括隧道變電所、服務區(qū)變電所、收費站變電所、沿線箱式變電站、互通樞紐、路燈電源、風機控制箱等區(qū)域的電力綜合監(jiān)控。

圖1高速公路監(jiān)控對象

3.2.項目需求

高速公路供配電系統(tǒng)傳統(tǒng)維護的缺點有以下幾點：

1、巡檢工作量大：由于變電所分布在幾十至幾百公里的高速公路上，需要沿高速路逐一巡查；

2、設備發(fā)生故障后上報不及時、維修效率低；

3、維護、維修狀態(tài)無法實時監(jiān)控，維護、維修進度無法及時督查跟蹤；

4、缺乏信息化手段進行設備管理維護，導致隱患無法及時發(fā)現(xiàn)；

5、由于缺乏統(tǒng)一的監(jiān)管平臺，機電設施運行狀況無法及時、全面、準確掌握。

6、無法實現(xiàn)綜合查詢分析，提供輔助決策支持；

7、無法即時排查電氣隱患、隱蔽工程隱患檢查難；

針對高速公路傳統(tǒng)維護的缺點，為了保障高速公路供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行并減少維護人員的工作量，設計了一套高速公路供配電監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要功能如下：

1、對配電房內的變壓器、開關柜電氣參數(shù)進行監(jiān)控；

2、對配電房內的UPS、EPS電氣參數(shù)進行監(jiān)視，當監(jiān)測到UPS和EPS的電池電壓過低時，及時進行維護，避免停電后無法操作斷路器；

3、對配電房內的發(fā)電機進行監(jiān)控，并對發(fā)電機油箱的油位進行實時監(jiān)控，避免油位過低影響發(fā)電機正常運行，以及柴油被盜后能及時發(fā)現(xiàn)并報警；

4、對配電房內饋線回路的漏電電流、線纜溫度進行監(jiān)測和異常報警；

5、對隧道的照明回路進行遠程控制，對隧道的引道照明回路和加強照明回路進行手動和自動控制；

6、隧道內消防疏散通道、出口有明顯的指示燈具，并可以通過不同應急預案進行緊急控制；

8、根據隧道配電房內可燃氣體濃度及煙霧啟停排風風機；

9、監(jiān)測隧道配電房內部環(huán)境溫濕度，煙霧、甲烷等可燃氣體監(jiān)測、報警及聯(lián)動控制；

10、監(jiān)控軟件采用B/S架構，全面接入以上監(jiān)測數(shù)據，通過瀏覽器、手機APP或短信等方式提供數(shù)據監(jiān)測和異常報警，并可通過系統(tǒng)發(fā)布維保、巡檢及搶修派工任務。

參考文獻：

[1]于立軍.高速公路隧道機電系統(tǒng)安裝工程施工研究[J].中華建設，2021（1）：147-148.

[2]肖雨桐.高速公路隧道機電安裝施工技術[J].科學技術創(chuàng)新，2020（34）.

[3]譚小剛.高速公路隧道機電設施檢測技術應用研究[D].西安：長安大學，2014.

[4]侯建.高速公路隧道機電設施養(yǎng)護檢測技術[J].交通世界，2019（10）：155-156.

[5]車志英.高速公路隧道機電設施養(yǎng)護檢測技術研究[J].四川水泥，2020（3）：277.

[6]梁云龍，趙云濤.高速公路隧道機電智慧管控系統(tǒng)的應用與研究

[4]安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊2023.01版

審核編輯 黃宇