論速公路隧道機電智慧管控系統的應用與研究

摘要：首先探討了機電智慧管控系統的設計架構以及機電系統的設計，然后對機電系統的構成進行分析，包括供配電系統、通風系統、消防系統、照明系統、監控系統等，*后闡述機電智慧管控系統中需要實現的關鍵功能，如綜合監控、設備管理、智慧巡檢、視頻管理、信息發布以及事件聯動與管理等，以期有效實現對工程機電系統的智慧管控。

關鍵詞：速公路；隧道機電；智慧管控

0引言

在速公路運營過程中，公路基礎設施是保障人們行車安全的重要手段。尤其是速公路隧道工程，為實現隧道內的正常通車，需要在隧道內部布置完善的機電系統，包括隧道的供配電系統、照明系統、通風消防系統等。在目前隧道機電系統中，各個系統相互獨立，既不利于公路運營人員的養護及管理，也容易導致隧道內的安全隱患。因此，為解決此類問題，應充分結合信息化技術的發展，研究設計一套隧道機電智慧管控系統，將機電系統各個獨立部分連接成整體，通過網絡對機電系統實施監控，以保證速公路的安全運營。

1工程概況

某速公路工程路線全長62.5m，途徑多處山區地帶，為節省施工成本并保護當地的自然環境，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，需要安裝機電系統實現隧道內的照明與監控。因此為確保工程隧道的安全行車，同時實現機電系統的有效管控，經研究決定對隧道內的機電設施研發一種智慧管控系統，以提升隧道內機電系統的實時管控本文對該工程隧道機電系統智慧管控系統的應用進行分析。

2公路隧道機電智慧管控系統的應用

2.1機電智慧系統分析與設計

2.1.1系統架構分析

本工程隧道內的機電智慧系統通過一體化監管平臺可以實現在隧道內全面布局感知系統、資源整合以及信息共享，從而全面提隧道機電系統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，一體化監管平臺可在隧道內充分利用精度地圖、三維建模、智慧融合感知等技術，實現隧道內交通狀況的可視化，根據隧道的運行數據進行事件預警等，*終有效地將隧道機電系統的各個子系統集成于一個平臺之上，完成對隧道機電系統的智慧管控。

2.1.2機電系統設計

在隧道機電智慧管控系統設計中，主要包括系統平臺的數據庫建立以及系統的功能設計，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、照明系統、監控系統、通風系統和消防系統等。在隧道智慧管控平臺數據庫設計時應整合多元業務數據，以加強外部設施的數據收集能力。完善系統的數據采集交換服務和共享能力數據的能力，將系統的數據分為兩大類，分別為機電設備運行狀態和道路車輛運行信息，通過對數據的數字化分析繪制隧道的可視圖；針對隧道機電系統所需的功能，一體化監管平臺應設計相應的綜合監控、設備管理、智慧巡檢、視頻管理、信息發布以及應急事件的處理功能，從而保證機電系統的正常運作，確保隧道的運營安全。

2.2機電系統構成

2.2.1供配電系統

（1）隧道內的基本照明、消防水泵、通風設施、監控設施及其他設施等設施均需要通電才能實現運營，因此隧道內需要具備完善的供配電系統。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可采用雙電源供電形式設計，在供配電系統中利用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，保障機電系統的用電安全及正常運營。此外，本工程供配電系統接地處理采用TN-S形式，供配電系統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相互連接問題，避免引發用電事故。

2.2.2通風系統

由于隧道是穿越山體進行修建，隧道內部其環相對封閉，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來改善環境。本工程隧道的通風系統設置，主要由3大部分組成，分別為環境監測、風機控制及區域控制網絡。其中通風系統的環境監測功能是對隧道內的一氧化碳進行監測，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*隧的通風需求；區域控制網絡可利用信息化實現對通風系統的管控，有利于機電智慧管控系統的應用。

2.2.3消防系統

（1）消防系統是速公路隧道機電系統結構中*的設施，在隧道消防系統設置中，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對隧道排煙量的監控，如排煙量過大則可以實現自動報警操作。

（2）在隧道的消防系統設置中，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，在突發火災的緊急情況下，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，當隧道內的消防系統全部布設完成后，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

（1）對速公路隧道來說，機電系統中*的就是照明系統，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，因此照明系統也是隧道機電系統的*重要組成部分。本工程隧道內照明系統主要采用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斷電的問題。在供電系統照明燈設置時，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，應急照明燈的數量以基本照明燈數量保持一致。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監控系統

（1）為保證隧道內的行車安全，或者遭遇緊急情況可以時間獲得相關信息，在本工程隧道內設置監控系統，以在隧道內部安裝攝像機對行駛的車輛進行實時監控，這不僅可以監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、違規變道等，從而有利于保證隧道內的行車安全?；诖耍敬嗡淼纼鹊谋O控系統設置時，主要采用定焦清網絡攝像機和車行橫洞紅外球型清網絡攝像機，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相連接，經檢測調試正常后，組織對機電監控系統的驗收工作。

2.3機電智慧系統功能研究

2.3.1綜合監控

結合上述隧道機電智慧管控系統的功能，在一體化平臺上可實現隧道內的綜合監控，即對隧道內全路段機電設施的監控功能。在平臺的監控軟件中，管控人員可以在平臺中監管所有的機電設施，并結合GIS技術將隧道機電設施所得到的交通流數據、氣象數據、施工信息、事故信息和實時監控視頻等，綜合地在計算機界面中呈現出來，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是否存在故障，以及設備當前工作的狀態和內容，以便實現隧道機電設施的綜合監控。

2.3.2設備管理

隧道機電系統中采用的設備種類繁多且設備的數量較大，如采取普通的管理方式對設備維修、養護、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中具有設備管理功能，通過一體化監管平臺，運營人員可以采用直觀的圖形操作界面，實現對設備的管理工作，這不僅包括設備的運行狀態，是否存在故障等問題，還包括設備的維修、保養臺賬，設備的更換、采購、報廢記錄以及設備廠商的基本信息等，有利于運營單位節省養護成本，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及工作性能的監督，而智慧巡檢功能則可以完成對隧道機電設施的檢查工作，減少隧道養護人員的工作量。該系統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

在隧道機電系統中配置監控設施，為有效地利用監控設施所拍攝的畫面，在機電智慧管控系統中具備視頻管理功能，該功能可以實現兩個功能，分別是實時監控和視頻回放。其中實時監控是將機電系統監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控畫面、監控方式等進行遠程控制；視頻回放是指將機電監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生原因、設備損壞原因等進行調查，確保機電系統的正常運營。

2.3.5信息發布

對隧道機電智慧管控系統而言，該系統可提供統一的服務接口，以方便管控人員利用一體化管控平臺發布相關信息，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通過車輛檢測器、閉路電視系統、環境監測系統等發布預警信息，若已經發生火災問題，則管控人員還可通過信息發布功能指揮和調度交通，從而避免造成重大損失。

2.3.6事件聯動與管理

在上述情境中，如隧道內發生火災問題，則可以利用機電智慧管控系統的事件聯動及管理功能報警理，該功能可以實現對系統各模塊的統一管理、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，就能自動觸發報警操作，從而保障隧道的運營安全。

3速公路供配電監控云平臺

速公路監控中心中，使管理人員可以隨時輕易的掌握所有情況。

系統采集速公路供電系統內各個智能設備的信息，有異常時通過短信或APP推送報警信號，并且可以派發工單，并且進行跟蹤閉環處理。

3.1.平臺登錄

軟件采用B/S架構，用瀏覽器打開云平臺鏈接、輸入賬戶名和權限密碼，進行登錄，防止未授權人員瀏覽有關信息。

3.2.平臺導航

平臺主頁顯示用戶管理變配電站的概況，包括用能月報、選定的變配電站狀態、變壓器狀態、運維中心、看板。

變電站狀態

變電站狀態包括概況、運行狀態、當日事件記錄、當日逐時用電曲線、用電概況。

變壓器狀態

變壓器狀態支持用戶查詢所有或某個站所的變壓器功率、負荷率、等運行狀態數據，支持按負荷率、功率等升、降序排名。

運維中心

運維中心展示當前用戶管理的有關變電所在地圖上位置及總量信息。

3.3.電力監測

電力監測包括電力數據、變壓器監測、運行報表、配電圖、電力極值表、運行日報、平均功率因數監視和統計頁面。

3.4.用電分析

用電分析包括用能報表、同比分析、環比分析、電能集抄、計量及線路損耗。

用能報表

用能報表顯示各回路的用能數據，包括日報、月報、年報，日報顯示分時用能，月報顯示分日用能，年報顯示分月用能，報表可以導出。

3.5.事件記錄

事件記錄方便運維人員查看分析設備如斷路器合分、門開門關、電流電壓越限告警、煙霧報警、氣體濃度越限報警、浸水報警、故障告警、短信志、平臺運行日志等記錄。

3.6.安全用電

安全用電包括漏電監測和線纜溫度監測。

漏電監測

漏電監測展示選中變配電站的漏電流和線纜溫度及報警狀況。

線纜溫度監測

線纜溫度監測界面展示了選中變配電站的線纜溫度，選中需查看的監測點，點擊查詢可以查看線纜溫度的歷史數據

3.7.運行環境

運行環境包括環境監測、視頻監控、環境溫濕度、儀表通訊狀態、網關通信狀態、視頻監控、視頻設備狀態等。

環境監測

環境監測展示了變配電站內的環境狀態，包括環境溫濕度、水浸、煙霧、門狀態等信息

視頻監控

視頻監控展示了當前實時畫面（視頻直播），選中某一個變配電站，即可查看該變配電站內視頻信息。

環境溫濕度

環境溫濕度展示變電所內儀表記錄的環境溫濕度信息，并可導出為excel。

視頻設備狀態

視頻設備狀態展示了變電所內視頻設備的在線情況。

3.8.設備控制

設備控制包括遙控定義、照明控制以及控制操作日志。

照明控制

照明控制可以控制燈泡的亮滅，選擇“變配電站”，點擊勾選要控制的設備，點擊“控制”按鈕，在彈出層選擇設備狀態，點擊“確定”。

3.9.設備管理

設備管理包括設別定義、設備檔案和設備報表，在設備檔案中對變電所設備進行維護處理。

設備檔案

設備檔案中選擇變電所，對設備定義的模板進行導入，有新增、修改、刪除、復制等操作，對變電所設備進行維護管理。/

設備報表

設備報表展示了各個變電所的設備狀況，并根據設備檔案中填寫的安裝時間和質保期得出建議更換時間，并在舉例建議更換時間7天內提示用戶更換設備。

3.10.運維管理

運維管理包括任務管理、巡檢記錄、缺陷記錄三部分，其中任務管理可以完成任務的創建、發布、任務完成情況查詢；巡檢記錄是巡檢任務的執行情況和執行明細，缺陷記錄是消缺任務創建、發布、完成狀態情況查詢。

任務管理

任務管理頁面可以發布巡檢或消缺任務，查看巡檢或消缺任務的狀態和完成情況，可以點擊查看任務查看具體的巡檢信息。

巡檢記錄

巡檢記錄顯示了巡檢任務的完成情況，以及巡檢詳情。

缺陷記錄

缺陷記錄記錄了各個變電所運維巡檢過程中上傳的缺陷信息。

3.11.APP支持

電力運維手機支持“監控系統”、“設備檔案”、“待辦事項”、“巡檢記錄”、“缺陷記錄”、“文檔管理”和“用戶報告”七大模塊，支持一次圖、需量、極值、用電量、視頻、曲線、溫濕度、同比、環比、電能質量、各種事件報警查詢，設備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢、用戶報告、文檔管理等。

4售后承諾和

4.1維護服務

我公司的技術人員將負責系統工程的安裝、調試及優化等工作，提供全面、及時的培訓、維護、咨詢服務，并配合用戶管理系統的運行。

在整個系統運行期內，系統所有故障問題的檢測和恢復均由我公司負責，并作現場測試和恢復。在故障問題發生時，我公司將及時派出富有經驗的工程師（或工程師小組），利用有關工具和測試設備，檢測問題所在，并及時提出解決方案。具體地說，我們公司將成立專項服務小組，由技術部工程師負責該項目所涉及人員的技術培訓及解決日常出現的一些問題。我公司將免費接受用戶的電話技術咨詢和書函技術咨詢，幫助用戶解決在應用過程中遇到的各種技術問題。

對于非設備性故障或一般性故障以及電話技術咨詢，我公司保證在1小時內給予回應，必要時派技術人員到達現場處理故障。

對于設備性故障，一方面在系統設計時，我們盡量避免單點故障，另一方面我們將利用我們公司的零備件應急供應體系，及時排除故障，保證不影響系統的正常運行。

4.2維修服務

系統自驗收合格之日起，免費保修三年，終身維護。系統常規軟件*維護。

在質保期間發生問題，我方會在收到通知后及時響應，24小時內派合格的技術人員并攜帶工具無條件到現場作技術服務，除非該問題可以通過通訊解決。

在質保期內，如因我方責任需要調換或修理合同設備，并由此引起合同設備停機時，則有關合同設備的質保期按實際停機時間相應延長。重新修理或更換后的合同設備部件的質保期為修理和更換完畢并經雙方確認相應延長，但不能少于規定的一年質保期。

在質保期滿后30天內，買方因在質保期內發現合同設備有缺陷而出具的索賠證明仍然有效。

免費維修期內人為或自然災害引起的故障或損壞，僅收取維修成本費。

免費維修期以外的維修服務僅收取維修成本費。

4.3更新改進服務

本公司產品設計更新提或軟件版本升級，我司將即時通知和協助需方進行已運行系統的改進提，并無償提供軟件新版本。

用戶對系統改制、擴容、拆點等不同要求，公司將及時、準確地予以滿足。

4.4

我公司通過了ISO9001認證。公司各項與質量有關的活動均嚴格按ISO9001:2008的要求開展。

公司從產品的整個過程對產品的質量進行控制。對訂貨合同，公司組織相關人員進行認真評審，并及時將評審結果傳達給相關人員，以確保產品能充分滿足顧客的要求。

在產品的設計和開發過程中，開發人員根據顧客的要求，相關的國際、國家、行業標準以及相關法律和法規編制開發計劃。

在設計和開發的過程中，分階段的進行設計評審和設計驗證，設計完成后，選擇能代表顧客的單位進行確認，確保公司的設計能滿足顧客的要求。

在原材料的采購方面，本公司事先對供應商進行調查，確信他們的能力后才會實施采購。

在生產安裝和加工的過程中，本公司制訂了完善的工藝指導書，并在管理人員的監督下由生產人員實施操作，以保證產品的均一性及質量的穩定性。

在檢驗和試驗的過程中，首先由質管部和開發部一起按企業標準制訂檢驗標準和檢驗作業指導書，并指導檢驗人員嚴格執行。本公司的檢驗和試驗設備齊全，且都經過相關技術監督部門的校驗，確認合格后方可使用。檢驗中發現的產品不合格會及時反饋給責任部門，追查不合格原因，并限期整改。

本公司有完善的培訓制度，員工上崗前按規定接受培訓，經考核合格后方可上崗，保證每個崗位上均有一批訓練有素的骨干人員，為產品的質量合格提供了強有力的保障。

我方保證貨物是全新、未使用過的，是用的工藝和*佳材料制造而成的并*符合合同規定的質量、技術規范和性能的要求。我方保證所提供的貨物經正確安裝、正常運轉和保養在其使用壽命期內應具有滿意的性能。在貨物期之內，我方對由于設計、工藝或材料的缺陷而發生的任何不足或故障負責。

5典型案例

5.1荔浦至玉林段速公路配電工程

荔玉速公路是《廣西速公路網規劃》“四縱六橫三支線”布局中“縱二”荔浦至鐵山港速公路的組成部分，也是國家速公路網G59廣西境段重要組成部分。項目建成后，將成為桂林、梧州、玉林通往北海、湛江等沿海城市*便捷的速公路通道，對于加快區域一體化步伐、促進經濟社會發展具有重要意義。荔玉速公路全長261.7公里，設計標準為雙向四車道，工程內容包括：橋梁198座，隧道14座，涵洞、通道1759道，互通式立交20處，服務區5對。

本次針對荔浦至玉林速公路配電工程項目中不同保護對象配置不同微機保護裝置，10kV進線柜配置AM5-F線路保護裝置，共22只；10kV變壓器出線柜配置AM5-T變壓器保護裝置，共22只。0,4KV配電房，配置了PZ96L系列的多功能儀表800只；本工程10kV配電工程共有16個隧道變電所，為實時監視整個配電室的運行以及數據采集，該項目配置一套Acrel-2000Z電力監控系統，主要實現對荔浦至玉林速公路各個變電所的用電監控與管理。監控范圍為變電所的微機保護裝置、電能表、變壓器溫控儀、EPS、UPS、無功補償、發電機控制屏、油箱液位儀、水泵運行狀態和水位、風機軟啟動器和照明控制器。本系統由用戶管理層、網絡通信層、現場設備層三部分組成，現場設置的電能表采用屏蔽雙絞線連接至各分區數據采集器，各分區數據采集器將數據分類處理后，通過網線連接至局域網交換機上傳至電力監控系統主機，實現電力設備集中監控功能。

5.2廣西崇左至水口速電力監控系統

廣西崇左到水口速全線全長94.053公里，設置橋梁27座，隧道2座（其中特長隧道1座），互通式立交6處，服務區2處，停車區1處，管理分中心。

本系統由用戶管理層、網絡通信層、現場設備層三部分組成，現場設置的綜保、微機保護裝置、電能表、變壓器溫控儀、EPS、UPS、無功補償、發電機控制屏、油箱液位儀采用屏蔽雙絞線連接至各配電房的通訊管理機，各配電房的通訊管理機將數據分類處理后，通過網線連接至速公路局域網交換機上傳至電力監控系統主機，實現電力設備集中監控功能。

6結語

通過隧道內機電系統智慧管控系統的應用，公路運營單位可以有效地利用管控系統對各機電系統進行監督，如隧道內發生安全問題或意外事故，運營單位可以及時獲取相關信息，安排維修人員對機電系統進行維護，從而保證隧道內的行車安全。但由于隧道機電系統組成部分眾多，為實現更為合理的管控，仍需加強對隧道機電智慧管控系統的研究，從而進一步進隧道工程的發展，保證我國公路的行車安全。

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[4]安科瑞企業微電網設計與應用手冊2023.01版

作者簡介

翟雪玲，女，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，銷售工程師，主要負責速公路管控系統的應用研究。