随着高速公路隧道里程逐年增加，长大隧道的安全性日益受到重视，而机电设施的可靠性对隧道的安全高效运行起着至关重要的作用。本文针对目前公路隧道机电设施运营的主要问题，结合公路隧道安全运行需求，以IP化、数字化、智能化和国产化为核心，突出系统性、可靠性和延展性，研发出一套基于边缘计算的公路隧道智能控制系统。该系统可实现隧道数字化管控，提高隧道综合智能化管控水平和关键设施自主可控能力，提升社会经济效益。
隧道是公路行车中一个相对封闭的路段，隧道安全是运营管理工作的重点。截至2021年底，全国有公路隧道23268处、2469.89万延米，其中特长隧道1599处、717.08万延米，长隧道6211处、1084.43万延米[1]。随着公路隧道里程持续增加，机电设施的可靠性对运营管理起到越来越重要的作用。目前隧道监控系统、照明系统、通信系统、通风系统、供配电系统的功能与实际安全需求还存在一定差距，部分系统自成一个封闭的网络，出现故障后往往无绪可查，运维人员无从下手。
隧道机电设施的主要问题
（一）机电设施各子系统之间协同性弱
隧道机电设施设备种类多，按设计包括通风、监控、供电、消防等14个子系统，不同设备产生的数据在时空上隔离，无法对机电设备实现统一监测和协同控制，各个分散系统采集的数据和信息资源尚未得到充分利用和共享，导致系统融合性差，智能联动难度大。
（二）隧道事件监测和智能管控程度低
隧道监控系统对隧道异常状况的自动探测功能较弱，事件告警重复、干扰决策，不能根据事件等级分阶段分步骤控制设备，且灾后无法一键对设备复位，整体智能化管控水平低。
（三）设备数据异常和故障的比例较高
隧道洞内与洞外运行环境恶劣，部分机电设施设备具有结构复杂、零部件贵重、生命周期短、故障率高的特点，从而影响隧道整体运营管理效率。
（四）控制设备国产化程度低、数字化功能弱
传统的公路隧道控制设备国产化程度低，安全隐患多，智慧算法和设备联动策略少，现场编程复杂，升级固件更换设备麻烦，运营成本高，养护成本高。
开源智控通过边缘计算平台化、关键设施国产化、控制系统IP化等关键技术的研究，以隧道环境监测、设备实时在线检测、网络设施状态监控、隧道运行安全预警等多样化业务场景为导向，研制出一套基于信创与边缘计算的隧道智能控制系统，分别测试其运行的稳定性、可靠性、可控性、集成性、合规性和智能化水平，通过运营隧道预警、事件、运维、控制等多场景应用测试，实现硬件与软件集成融合，形成隧道智能管控系统物联网技术接口标准。
（一）管控平台研发思路
项目对各类IP化、智能传感器进行数据采集，进而建立统一的管理平台。平台对各子系统进行统一的监测、控制和管理，各个系统按照统一的中间件标准接口，通过消息服务与中心平台进行信息交互和控制信令交换，将分散的、相互独立的子系统由相同的环境、相同的软件界面进行集中管理，实现对各子系统运行状况的监控。
（二）各系统功能需求设计
平台综合各级运营人员、出行公众等相关方的需求，从应用场景出发，设计监测视频、交通诱导、车流、环境、消防、结构、电力、能耗等多个功能的协同监测调度，并进行智慧运维养护和移动业务功能的研发创新。
（三）隧道关键控制设备的研发
在传统隧道现场级控制系统中，可编程逻辑控制器（PLC）因其可靠性高、抗干扰能力强、易于维护、适于工业环境下工作等特点，在隧道监控中发挥了极其重要的作用。但因设备功能的局限性，部署控制多采用分段、分设备的形式，导致系统信息互通能力弱，在特殊情况发生时，无法迅速感知隧道内的综合态势、实现准确且有效的自动化控制。因此隧道关键控制设备的数字化、智能化和国产化研究是此项研究的关键。智能化控制设备包含硬件、现场可编程门阵列（FPGA）、嵌入式软件开发等技术，是业务数据保障层。控制器实现分区段对视频及各种监测数据进行接入、分析和建模，使原本割裂的信息在地理位置（空间）和事件发展（时间）上形成联系，反映隧道实时运行状况和态势；同时支持多种前端设备接入适配，融合边缘计算技术，加载IP网络数据传输协议，保证了隧道业务数据交互稳定性。
（四）物联网、大数据和人工智能的应用
物联网、大数据、人工智能等新技术在隧道监控场景中加以应用，实现从信息单一散乱到资源整合、从数据统计到智能辅助决策、从聚焦数据处理环节到贯穿数据全生命周期、从信息被动搜索到信息主动推送、从基础传统监控到下一代智慧化综合管控的飞越。通过研究，可定义一套可随时随地部署、兼容多厂家设备、架构随意伸缩的一体化智慧隧道监控平台。平台不仅加大了装配和运维的便捷性，还预留了后期升级改造扩展接入设备的空间，大大降低了隧道运维的难度与成本，提升了隧道通行的安全水平与多级协同管控的智慧水平。
研究内容与关键技术
（一）系统架构
公路隧道智能控制系统由边缘智能控制器（ECN）、中心智能控制柜（CCN）、智慧隧道运营平台组成。边缘智能控制器安装于现场，由设备接入、信息采集、信息传输、信息分析、信息初判、异常报警和本地控制等模块组成；中心智能控制柜安装于隧道所或变电所，由智能控制器和子系统接入、信息转换、信息上传、信息综合研判、事件报警和预案管理等模块组成；智能隧道运管平台部署在监控中心。系统架构如图2所示。系统可独立于智慧隧道运管平台运行，依托边缘计算特性，本地闭环分析处理异常事件。在监控中心失联的情况下，隧道现场仍会自动分析区段内设备数据，根据应急预案，多设备智能联动处理异常事件。
（二）系统组成
1、边缘智能控制器
边缘智能控制器包含硬件、FPGA、嵌入式软件等，可以取代传统PLC，或与传统PLC连接。边缘智能控制器可接入隧道内机电设备，实现设备运行状态自动感知，24小时不间断自动对隧道设备进行巡检，将设备故障一键派单给设备养护人员；可实现对隧道视频及各种监测数据的接入、分析和建模，使原本割裂的信息在时空上形成联系，反映隧道实时运行态势，支持多种前端设备接入的适配，融合边缘计算技术，加载IP网络数据传输协议，保证隧道业务数据交互稳定性；具备比传统PLC更强的适配性，通过研究隧道机电设备的接入方式及接口特性，来开发与设备匹配的接口电路，并在软件中进行协议对接、数据融合、智能计算、信息上报等工作；可根据隧道环境和交通流的监测结果，自动调节和控制对应隧道区段的设施设备，如小微事件诱导、通风系统调节、照明系统调节等；可实现AI实时事件监测，事件自动去重归一化处理，能综合判断、过滤、合并、分级异常告警。
2、中心智能控制柜
中心智能控制柜主要用于接入边缘智能控制器，对智能控制器进行统一网络接入、配置管理、业务调度，支持触摸显示屏的业务展示，为隧管所场景提供便捷有效的手动控制模式。控制柜针对隧道接入业务数据，实时检测隧道环境、交通、视频监控、能源、设备状态等信息，提供事前预警；在发生突发事件时，根据事件分级机制，按照事件影响大小，在隧管所/变电所进行人工或自动控制，快速处置各类事件，避免事件影响扩大；小微事件在隧道现场本地自动化控制，在发生重大事故时人工接入和接管；可通过运管平台，将事件处置策略下发给边缘智能控制器和中心智能控制柜，用户可以自定义配置事件的自动执行策略。
3、智能隧道运营平台
智能隧道运管平台集成现有的隧道子系统，包括通风系统、照明系统、交通控制系统、视频监控系统、火灾报警系统、电力监控系统、紧急电话及广播系统等，将各个机电子系统的功能整合在统一的业务界面上，使不同交通监测和环境监测设备产生的数据、报警在空间、时间上形成关联，打通系统间的隔阂。
（1）信息采集。系统可接入隧道内感知设备的监测数据，同时下传业务指令，解决不同协议设备、异构系统的统一数据采集问题，为上层业务系统提供统一的元数据空间和业务指令。
（2）数据交互。通过汇集隧道各类监控业务信息，组织和整合各类信息、组件和服务，实现各类基础资源和共享资源信息的汇集和管理，实现各业务模块间无缝共享数据、连通信息孤岛。
（3）设备协同。隧道智能控制系统可对供配电设施、照明设施、通风设施、监控与通信设施等进行统一集成和协同管理，以隧道监测为平台核心业务，提供隧道设施控制与管理、隧道环境监测与预警、隧道事件报警、智能预案安排和设备联动功能。
4）状态监控。对设施的工作状态进行实时监测，掌握设施的实际特性，判定设备故障情况，减少故障恢复时间，充分利用设施的潜力，避免过剩维修，节约维修费用，实现智能运维。
（5）统计分析。平台具备统计分析功能，可查看设备管理、操作记录、报警管理、故障管理、紧急电话记录、紧急电话录音等统计信息，为管理决策提供数据支撑。
（6）智慧应用。通过研判分析、紧急电话、报警按钮等实现隧道事件预警，通过隧道事件专属预案实现隧道设施的控制联动，通过语音通话、信息通知、集群对讲等实现隧道事故通知协作，通过隧道广播、音视联动、信息发布、交通诱导、隧道口控制实现隧道事故处置诱导，通过移动巡查、联动协作等实现隧道设施维护与事故救援。
（三）效果与要求
1、主要性能参数
（1）支持不少于16路数字量输入、不少于16路数字量输出、不少于4路模拟量输入、不少于2路RS485接口、不少于2路RS232接口，符合《隧道可编程控制器》（JT/T 608-2004）、《电工电子产品环境试验》（GB 2423.1-2008）等相关标准。
（2）支持IP网络交换与数据传输，千兆以太网电接口端口数不少于8个，千兆以太网光接口端口数不少于2个，吞吐量为100%，存储转发时间（平均延时）小于1ms，平均丢包率0%。
（3）支持AI事件检测，隧道车辆违停检出率大于95%，拥堵事件检测率不小于98%。
（4）隧道智能管控软件具备物联网特性，支持设备和子系统统一接入和管理，向下统一设备接入，向上提供标准接口。
2、设备检测
经第三方检测，设备功能、防腐蚀涂层、机械强度、布线和端接、电气安全、电磁兼容性能和环境适应性等7项技术指标均满足《隧道可编控制器》（JT/T 608-2004）的有关规定；吞吐率、传输时延和丢包率等技术要求符合隧道机电设备技术要求。
（四）创新优势
1、优化系统结构，实现节能减排
从被控终端，到控制节点，再到监控中心，该系统优化了系统结构，节省80%以上的控制电缆及相关的安装布线，不仅节省电力材料，也相应减少用电量，且简化了施工时间和成本，降低了维护成本，大量减少了运维人力成本和技术障碍。
2、提升隧道运维管理效率
系统采用最新IP网络通信技术，可对每个被控设备预设方案，当控制器死机、损坏，或者控制线路中断时，能自动启动预设方案，确保被控状态。每个被控设备预设独立唯一地址，可实现状态及故障的快速定位，可智能启动故障预案，实现通信中断状态下的应急响应，确保系统高度稳定。
3、提高隧道智能化运管水平
隧道智能控制器内置边缘计算模块，能对接入隧道视频进行智能分析，对不同设备产生的数据进行时空关联和业务融合，实现对该智能控制器所管隧道区段的交通监测和环境监测，及时、准确发现并上报异常事件。不同隧道控制器之间能实现数据共享和协同联动，共同完成隧道内车辆跟踪、交通流建模，并在处置突发事件时进行交通诱导和设备控制。
4、实现隧道关键产品的自主可控
基于开源的公路隧道智能控制系统，可提供全国产化解决方案，为智慧公路建设与运行提供安全保障。