百平机电设备工程中的自动化技术有哪些应用？

机电设备工程中的自动化技术应用广泛,以下是一些常见的应用领域:

1. 工业生产自动化:自动化技术在工业生产中的应用非常广泛,包括自动化生产线、机器人技术、自动化控制系统等。通过自动化技术,可以提高生产效率、降低成本、提高产品质量,并且可以实现连续生产、高速生产和灵活生产。

2. 智能制造:智能制造是指通过自动化技术和信息技术实现制造过程的智能化和自主化。自动化技术在智能制造中的应用包括智能机器人、智能传感器、智能控制系统等,可以实现智能化的生产、智能化的物流和智能化的管理。

3. 交通运输自动化:交通运输领域的自动化技术应用包括自动驾驶技术、智能交通系统、自动化物流系统等。通过自动化技术,可以提高交通运输的安全性、效率和便利性,并且可以减少交通事故和交通拥堵。

4. 建筑自动化:建筑自动化技术包括智能建筑、智能家居、智能楼宇管理系统等。通过自动化技术,可以实现建筑物的智能化控制和管理,提高建筑物的能源利用效率、安全性和舒适性。

5. 能源自动化:能源自动化技术包括智能电网、智能电表、能源管理系统等。通过自动化技术,可以实现能源的智能化监测、控制和管理,提高能源的利用效率和节约能源。

6. 医疗设备自动化:医疗设备自动化技术包括医疗机器人、智能医疗设备、医疗信息系统等。通过自动化技术,可以提高医疗设备的精确性、安全性和效率,提高医疗服务的质量和效果。

7. 农业自动化:农业自动化技术包括智能农机、智能温室、智能灌溉系统等。通过自动化技术,可以提高农业生产的效率和质量,减少劳动力成本和资源浪费。

8. 环境监测与控制:环境监测与控制技术包括智能传感器、智能监测系统、智能控制系统等。通过自动化技术,可以实现对环境参数的实时监测和控制,提高环境的质量和可持续发展。

以上只是机电设备工程中自动化技术应用的一部分,随着科技的不断发展和创新,自动化技术在各个领域的应用将会越来越广泛。

特长公路隧道中机电设备的智能集成应用研究

蒋恩贵 何虎成 张印 朱远冬 赵映慈

重庆建工集团股份有限公司

摘 要： 文章以奉建高速特长隧道小营隧道机电设备为依托，针对隧道内的重要机电设备，采用5G+光纤、物联网等进行数据采集传输，BIM建模进行展示和控制、AI控制算法等技术，开展特长公路隧道通风优化及关键设备智能运维集成应用的研究。在最新智能设备的算法基础上，纳入更多的影响参数对智能设备进行算法优化，从而降低特长公路隧道能耗成本和人员维护费用，提升应急管理效率。

关键词： 特长公路隧道;智能集成;机电设备;控制算法优化;

作者简介： 蒋恩贵（1978—）,男,本科,高级工程师,研究方向：道路与桥梁。;

0 引言

目前我国公路隧道内风机等机电设备的运行方式及维护仍采用传统的计划定时启动和定频运行模式。隧道照明普遍采用普通照明加强照明的方式，由人员手工操作或定时操作，智能化则能较好地根据光照进行调节。隧道内监控只用于巡查和录像功能，少量隧道安装事件检测设备，但缺乏与其他设备或系统的联动。因此，传统的隧道营运管理方式带有很大的盲目性，导致资源浪费，尤其在电力和人力资源方面浪费严重。

以交通运输部印发的《交通运输部关于推动交通运输领域新型基础设施建设的指导意见》和《重庆市综合立体交通网规划纲要（2021—2035年）》为依据[1]，以促进交通基础设施智能化升级，建设安全可靠、智能先进、经济高效、顺畅便捷的新型交通运输方式为指导思想[2]，将重要的隧道机电设备在建设和使用的过程中进行智能化整合，运用信息化手段，提升隧道机电设备巡检和管理的工作效能，增强路网运行动态跟踪和主动防控能力及安全监管能力，提升全路网精细化管理水平。

1 特长公路隧道机电设备智能化集成的意义

1.1 安全

通过不间断地获取现场数据和采集终端实时反馈的数据，计算相应的偏差；及时控制相应风机和净化设备的运转，迅速改变隧道内的通风环境，改善隧道内的运行环境，保证人员安全和维护的安全。通过集成隧道内的机电设备，制定应急预案，统一进行紧急情况处置，提高应急效率。

1.2 节能

利用多设备采集到的各项数据，动态控制和模拟技术，实现风机、净化吸尘和照明设备的按需控制，精准控制以及节能减排。

1.3 经济

通过建立动态模型，寻找最优的通风配置数据模型，根据环境情况，智能控制通风设备运转，降低设备运行电力成本，同时减少人工巡查的成本。

2 集成系统

2.1 系统功能介绍

该研究项目主要通过传感器、物联网、人工智能等高新技术将隧道中风机、照明、UPS、摄像机、通行指示灯、车检器、消防设备、环境检测设备等重要机电设备进行集成，通过5G+光纤作为传输网络，将各设备数据快速传输到存储系统中，然后由设置的智能控制模型对数据进行分析，由系统AI自动根据现场环境情况调整各个设备的运行状态，并通过BIM模型将各个设备的运行情况和重要指标通过可视化展示给管理人员，当系统监测到隧道环境或机电设备运行情况异常，将会自动触发相应的预案管理，从而降低了机电设备能耗，减少隧道管理成本，提升隧道应急抢险效率。

整个特长隧道（奉建高速小营隧道）机电设备智能集成系统分为智能送风子系统、照明管理子系统、设备感知子系统、环境感知子系统、巡检机器人子系统和预案管理子系统等模块。各个模块之间数据互通，相互关联，例如环境感知系统监测到隧道内CO浓度超过阈值，会直接触发智能送风系统将风机运行频率调大，气体浓度恢复正常后，风机频率也会相应降低，保证了隧道空气质量始终保持在最适合的状态，同时也降低了风机能耗。

通过对整个奉建高速小营隧道点云扫描，对隧道结构进行建模，通过BIM技术进行展示。在BIM模型上加入各项设备，并进行数据互通关联，可以很直观地查看各项设备的基础信息、当前运行数据和历史记录。基础信息包括设备名称、设备厂家和设备质保期等。历史记录包括安装时间、维修记录和维修意见等。

BIM技术对特长隧道进行管理的优势体现：一是可以更直观地查看隧道内结构特点和需要注意的地方；二是可以在后续维护上更方便地确定各设备的位置，并在模型上可以直接查看设备的历史信息等；三是在发生紧急情况时，可以更直观地查看整个隧道的情况和隧道应急设施的位置，方便进行应急指挥。

2.2 系统架构模型

奉建高速小营隧道机电设备智能集成系统架构模型分为五层，物联感知层、网络通信层、数据存储层、数据及服务支持层和智慧应用层。每一层的作用和运用的相关技术如下：

2.2.1 物联感知层

物联感知层主要通过物联网技术，提供对隧道环境的智能感知能力，通过各种信息采集设备、各类传感器、高清监控摄像机等实现对隧道内基础设施、光照、空气质量、车流量等方面信息采集、识别和监测。整个系统使用了多种传感器和监测设备。具体如下：

(1)PLC（可编程控制器）。主要用在对照明系统和风机系统的电流电压、电源等指标进行数据汇总，并通过编程对照明系统亮度和风机运行频率进行控制。

(2）高清事件监测摄像机。隧道摄像机采用的是具有事件监测功能的高清摄像机，可以实时监测隧道内车辆行驶情况和车流量、车道抛洒物、火灾等信息，对违规驾驶情况进行及时发现和预警，为管理人员提供清晰的现场图像。

(3）巡检机器人。隧道上方搭建轨道并安装巡检机器人。巡检机器人可以实现隧道内全线的智能巡检，包括火灾检测、车辆事故等等。巡检机器人具有三种状态，第一是可以按照预先设置的巡检计划进行全线的自动巡查；第二是可以停在休息区进行充电操作等；第三是接收到其他系统发送的事件信息进行紧急事件处置。巡检机器人可以与其他系统联动，其他系统发现事故时可将事故信息发送到巡检机器人，巡检机器人可进行前期的一些救助活动，极大地提高隧道的安全性。

(4)CO/VI传感器。对隧道内的CO浓度、VI能见度值进行监测，作为隧道内空气质量评价指标。

(5）其他。除了以上传感器和监测设备外，该项目中还涉及亮度传感器、车感器、磁阻传感器、光照传感器等多种传感器，实现了对隧道口环境信息的全面感知。

由于系统涉及的传感器和监测设备种类复杂，数量众多，为了便于管理和维护，系统对各种机电设备、传感器进行分类管理，并提供对应接口，如果有新的设备及传感器接入，在对应的项目中添加设备信息，选择相应接口即可接入到系统。

2.2.2 网络通信层

网络通信层是连接物联感知层和数据存储层之间的桥梁，主要是将物联感知层中各种传感器收集的环境信息准确、快速地传输到存储设备中，并将数据及服务支持层分析出的控制指令下达给对应设备。由于是特长隧道，数据种类多（包含有大量视频数据），为确保信号稳定，传输速率快，采用了5G+光纤模式的新型数据传输通道，与传统网络相比，具有高速低延迟、高利用率、通信容量大、抗磁干扰能力强和保密性高等优势。

2.2.3 数据存储层

数据存储层包含软件资源、计算资源和存储资源，为隧道机电设备智能集成提供数据存储和计算，保障上层对于数据汇聚的相关要求。数据存储层接收到网络通信层传输过来的数据，首先对数据进行清洗，将不能使用的坏数据清洗掉，然后对数据进行分类归纳，减少数据冗余，提升上层的计算效率。系统随时间的变化，数据量会不断加大，在建设初期就需要考虑到数据存储的可扩容性。该系统采用NAS存储技术，支持即插即用，可以在网络的任一位置建立存储，并基于Web管理，从而使设备的安装、使用和管理更加容易，可以很经济地解决存储容量扩容的问题。

2.2.4 数据及服务支持层

数据及服务支持层主要是通过构建多种AI分析模型，将数据存储层中的数据带入到模型中，分析出隧道中各子系统的运行情况，并根据相应情况下达对应的指令，调整各子系统状态，保证隧道处于最优的运行状态。数据及服务支持层中构建的AI分析模型主要有设备运行状态模型、隧道环境分析模型和设备运行智能控制技术等。

(1）设备运行状态模型。根据设备自带接口或其他采集终端获取设备运行状态，建立设备运行感知模型，自动分析设备运行态势，合理安排设备维护，提高设备维护的及时性，降低巡查的人力成本。

(2）隧道环境分析模型。对风机运行频率、车流量等因素对隧道空气质量情况的影响进行分析，对隧道照明设备耗能与光照强度的影响关系进行分析，建立分析模型，根据隧道实际情况，分析出风机系统和照明系统运行的最佳状态。

(3）设备运行智能控制技术。根据智能分析模型分析出结果对隧道风机、照明、摄像机等设备进行自动化控制集成，由系统AI自动根据现场环境情况调整设备运行状态。

2.2.5 智慧应用层

智慧应用层主要是将各子系统的相关信息进行整合，通过可视化方式展示给管理人员，便于管理人员应用和操作。智慧应用层应该满足直观、操作便捷、智能等特点。该系统融合BIM技术，建立了隧道、隧道内机电、水电风、性能模拟、环境和基础设施模型。BIM模型是整个智能集成的基础，通过可视化展示隧道机电设备运行状态、指标参数和提供控制界面等信息化模型，当相关设备处于异常状态，系统会自动提示报警信息，减轻管理人员的管理难度。

3 关键创新

3.1 智能照明

传统隧道照明系统由人工进行控制或根据环境光线强度进行控制，很难全面地根据环境变化进行实时调节[3]。在奉建高速小营隧道机电设备智能集成系统中，为照明系统添加了场景控制模式，隧道内的照明根据车流量监测模块和环境监测模块监测的隧道内车流量、照明度、时间、其他设备或系统发现的事件信息等实时数据，构建的AI分析模型分析的结果自动调节相应的灯组，从而降低了人工管理成本和照明系统的能耗。这种方式相比于目前智能照明设备的单一亮度控制参数，具有数据来源广（包含了其他系统或设备采集的数据）、控制更合理等优势。

3.2 智能风机

隧道机电设备智能集成系统中，风机系统可根据环境进行变频运行。影响风机控制算法的因素包括气体环境的变化、隧道车流量、隧道事件情况等。系统通过构建的AI分析模型进行分析，当分析结果达到设置的阈值，系统将联动风机PLC控制子系统将风机控制到特定的运行频率，从而实现隧道内风机的精准控制，按需运行，始终保持隧道内的空气质量处在最合适的状态，并降低风机系统能耗。

3.3 应急管理

传统的隧道应急采用的是人员上报然后进行预案处置，这导致反应时间较长，而且由于人员紧张、事件紧急等原因，还会出现遗漏重要信息等情况。部分隧道安装智能设备，但各项设备各自独立，没有进行相应的数据互通，容易出现误报等情况。为提高紧急事件的检测准确性和反应效率，我们将奉建高速小营隧道各项设备进行集成，一个设备发现事件，其他设备或系统进行确认，并根据预案设置通知人员的范围、通知方式（系统告警提示、短信、电话）等等。如当巡检机器人发现了火灾事故，系统会立刻发送事件信息给监控人员，展示附近的摄像机监控画面，并关联预备预案，由监控人员进行确认事故并确定是否执行系统的预案，极大地提高了事件检测的准确性和应急事件处置的及时性。

4 经济效益和安全性

目前在多隧道管理中，大多采用独立管理的模式，一般的集成也只是将多隧道在一个系统中进行展示和管理，缺乏各隧道的联动和数据的有效利用。在多隧道管理时，可以采用Sass云端部署的方式进行，提高管理效率和安全性。通过Sass可以实现多隧道的统一管理，可以将各隧道的基础数据进行汇总，实现更多的数据积累，为控制算法提供更多的数据支撑。

隧道内的集成管控对安全性要求较高，如出现重大问题，可能导致交通事故等情况发生。为保障系统稳定运行，在网络部署上，应尽量采用内外网部署的方式。内网进行各项设备的数据采集和控制，外网负责数据的展示工作。内外网的安全标准需要满足等保三级标准。内外网间防火墙采用数据内网向外网的单向传输模式，必要的时候设置中转机，进行数据摆渡以提高系统的安全性。Sass云端部署的方式也可以降低安全设备的采购成本，提高整体服务的安全性。

在收费模式上，也可以根据系统节约的成本来进行分成。该系统通过测算分析，将在隧道的日常经营过程中降低维护费用，在经济效益方面也可以取得不错的成绩。

(1）通过精准智能控制，按需运行减少风机、照明灯具等机电设备的耗能，预估能降低使用成本10%；特别是在照明上实测降低29%。小营隧道现场数据如表1《照明前后对比》、表2《前后能耗对比》：

表1 照明前后对比 下载原图

表2 前后能耗对比 下载原图

(2）减少隧道设备健康状况现场检查次数，降低人力和车辆使用成本，营运管理人员减少30%左右。

(3）有利于经营管理人员实时监督，有利于行业主管部门减少管理费用；对环境的风机、灯光设备提升反应速度；提高30%的应急管理反应效率。

5 结语

奉建高速特长隧道小营隧道机电设备为依托，从安全、节能、经济等方面为目标进行了重要研究。通过对隧道内各设备的智能集成，信息互通，提高了事件检测的准确性和及时性；通过集成纳入更多参数对智能设备进行控制算法优化，达到了节能的目的；通过对风机和照明等隧道用电大户的智能化控制，降低了用电量，节约了成本。根据研究结果，形成新的一套隧道设备接入标准，为后续高速隧道的机电设备建设和维护提供参考。

参考文献

[1] 周国光.投融资体制改革再思考[J].中国公路, 2016(17):62-65.

[2] 刘胜利,马鸿腾.海事“新基建”的重点领域和方向[J].中国海事, 2020(5):19-20.

[3] 方阳生.隧道电气设计中应注意的几个问题[J].科技资讯, 2006(27):37-39.

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