SCI论文（www.lunwensci.com）
摘要 ：针对现有公路隧道运行环境监控方式单一 、缺少整体化评估 、监测系统施工安装难度大 、智能决策能力弱等问题， 研制了 一套基于 LORA 和 5G 通信技术的监控系统， 构建了一套完整的硬件和软件系统， 应用无线 LORA 技术增强系统无线通信的抗干扰 性， 使系统减少了物理布线难度， 增加了系统的布局灵活性; 使用 4G/5G 网络实现了传输远端传输监控影像， 利用 WEB 地理信息 系统将监控数据和地图信息结合在一起， 构建了直观 、友好的监测界面， 实现了监控方式的多元化; 系统通过监测环境温度 、湿 度 、有害气体浓度等敏感因素， 利用模糊控制策略智能控制风机 、水泵等系统， 减少了人工干预， 节约了人工成本， 实现了整个 隧道环境的整体评估和智能决策 。实践表明， 所研制的系统满足设计需求， 提升了隧道监控的信息化水平。
Research on Intelligent Monitoring System of Highway Tunnel Based on LORA and 5G Technology
Cui Yuan
(Henan College of Transportation, Zhengzhou 450000. China)
Abstract: Aiming at the problems of single monitoring method for highway tunnel operation environment, lack of integrated evaluation, difficulty in construction and installation of monitoring system, and weak intelligent decision-making ability, a monitoring system based on LORA and 5G communication technology was developed, and a complete set of hardware and software systems was constructed . Wireless LORA technology was applied to enhance the anti-interference ability of wireless communication in the system , reducing the difficulty of physical wiring and increasing the flexibility of system layout . The 4G/5G network was used to transmit remote monitoring images, and the WEB geographic information system was used to combine monitoring data and map information to build an intuitive and friendly monitoring interface, realizing the diversification of monitoring methods. By monitoring sensitive factors such as ambient temperature, humidity, and harmful gas concentration, the system used fuzzy control strategies to intelligently control systems such as fans and pumps , reducing manual intervention, saving labor costs, and achieving overall evaluation and intelligent decision-making of the entire tunnel environment . Practical application shows that the developed system meets the design requirements and improves the informatization level of tunnel monitoring . Key words: LORA; 4G/5G; tunnel intelligent monitoring; geographic information system; fuzzy control
0 引言
近年来， 随着社会经济和产业的发展， 我国公路交 通建设取得了很大发展 。随着公路通车里程不断提高， 公路隧道的数量也迅速增加 。据统计， 截至 2020 年我国 公路隧道的数量已突破两万处， 达到 21 316 处， 总长度 达到 2 199.9 万m[ 1] 。然而隧道一般在山岭 、峡谷等地形 复杂的地方， 是公路场景中监管难度最高的路段， 通常 来说这些地方人员较少 、维护 、监测工作困难， 现场维 护人员水平有限， 隧道中设备信息化程度很低， 使得隧 道一直面临着“设备监测难”、“现场指挥难”、“发现问 题迟缓”、“安全运营难”等一系列问题 。 目前我国市场 上设计的隧道监测系统通信方式为有线 、Zigbee 等， 监 控的内容大都是气体等简单内容[2-4]， 有线通信受制于隧道网络布线难度大， 维护困难; Zigbee 通信较 LORA 扩 频通信稳定性差， 易受干扰 。因此有必要探索设计一套 信息化 、监测内容多样化 、决策智能化系统有助于解决 以上问题。
本文设计了一套基于 LORA 和 4G/5G 通信技术的公 路隧道新型智能监控系统， 将隧道的多部位环境数据 (如各种气体 、噪声)、 场景影像 (激光雷达 、视频监控) 通过无线通信方式采集到指挥中心中去， 实现远端数据的 立体化、直观化， 管理方和使用方可不在现场， 远程控制 现场设备， 并通过现场的视频监控设备实时了解现场状 况， 也可通过系统自带的模糊控制策略， 实现远端的智 能控制 。另外系统也留有交通信号灯系统 、现场消防系 统 、综合监控系统等多个接口， 方便系统未来扩展使用。
1 系统硬件方案
系统的硬件主要包括两个方面： 传感器子系统和无 线传输子系统 。传感器子系统主要实现环境因子的感知、 采集和发送， 无线传输子系统通过本地的 LORA 网络和 4G/5G 网络， 将数据传输到远端指挥中心。
1.1 传感器子系统
传感器子系统主要包括异物和视频监测设备 、气体 监测设备和温度监测设备四部分。
1. 1. 1 异物和视频监测设备
受人为抛洒和隧道周边自然环境的影响， 异物进入 隧道的情况时有发生， 加之隧道光线受限， 若司机应急 反应不及时， 会造成严重的行车事故 。因此异物监测在 隧道安全运营中有着不可忽视的作用。
本系统的异物监测采用激光雷达和高清球形摄像机 协同实现 。雷达监测优点在于探测距离远， 探测精度高， 物体的运动状态主要靠激光雷达来判断， 但它很难对异 物的种类进行识别 。高清球形摄像机优点在于基于摄像 头的图像识别技术已经发展比较成熟， 但摄像头很难准 确获得三维信息， 并且受环境光的限制较大， 在隧道这 种较暗的环境下， 获得的图片分辨率较低， 影响图像分 析结果， 而且对于玻璃 、塑料等透明物体识别率低[5-7]， 因此有必要将两者结合越来， 协同识别异物， 利用激光 雷达扫描隧道内环境， 建立隧道内的三维位置信息， 雷 达扫描连续的场景， 提取场景中没有发生位移变化的物 体的位置信息并把位置信息传送至高清球机， 同时会触 发高清球机拍摄物体照片， 球机将拍摄到的图片传至数 据分析平台， 平台利用图像处理技术识别出异常物形状 和大小 。若为车辆发生故障， 系统检测到异常停车时， 会将车辆的照片及位置信息上传至管理平台， 管理员可 使用隧道多媒体系统 、交通信号系统及时处置事故， 预 防再次事故发生。
1. 1.2 气体监测设备
隧道中有害气体主要有甲烷 、一氧化碳 、二氧化碳、 硫化氢 、氮气等多种[8-9]， 根据《<隧道施工安全九条规定 >实施细则》 的规定， 这些气体上限浓度如表 1 所示， 同 时也在细则中明确了要求安装有害气体检测装置的要求。
考虑到监控点位不定 、距离不定， 因此气体监测设 备采用“主机+传感器模块”方式， 主机采用完全自主 设计， 传感器模块采用具有 RS485 接口的模块， 直接固 定在主机的 PCB 板上， 可根据不同的 ID 识别不同的传感 器模块。
考虑到芯片使用的长久性和安全性， 此气体监测设 备 完 全 采 用 国 产 化 芯 片 。 主 机 使 用 微 处 理 器 — STC8A8K64D4 芯片， 它是一款纯国产化 MCU， 具有超高 速 8051 内核 ( 1T)， 比传统 8051 约快 12 倍以上; 可以 复杂环境下正常工作， 在-40 ℃ ~ +85 ℃可正常工作， 完 全可满足隧道中恶劣环境使用[10- 11]。
主机中的通信芯片采用 XL3485. 可接收内部 3.3 V 或 5 V 信号， 该芯片同为一款纯国产化芯片， 技术成熟， 应用广泛。
主机中的电源芯片采用 XL1507-5V， 该芯片可输送 2 A 以上的电流， 国产化芯片 。主机中 RS485 电路如图 1 所示。
1. 1.3 温度监测设备
温度监测是隧道安全运营的重要因素， 优秀的感温 系统不但可正常反映温度的变化， 而且还可在复杂环境 中正常使用， 及时消除火灾隐患， 对于因碰撞引发的火 灾则更有应用意义 。鉴于温度监测的重要作用， 为提高 设备的可靠性和准确性， 使用分布式感温光纤 。感温光 纤由于自身属光纤性 、不带电， 抗射频和以及电磁干扰， 也有良好的防燃 、防爆和抗腐蚀效果 。另外， 它在高压、 强电磁场 、高温等这种恶劣环境下具有更特殊的优势[ 12]。 它的主要原理如下。
光纤中的石英分子键受到外围温度变化时会产生晶 格振动， 产生的这种振动就会导致激光在光纤中传输时， 发生散射现象， 而散射量的大小就可以直观地说明光纤的 石英分子键的形变， 进而得到反应温度的高低。因而感温 光纤可以将环境温度以连续的 、线性的方式表示出来。
另外， 系统可以根据一系列的光时域及光频域反射 测量法及连续 FFT (快速傅立叶) 变换对获取数据进行处理， 将细小的时空差别按照频域的方式体现出来实现 精确的温度定位， 可以构成一套精准的光纤感温系统 。 与其他系统相比， 它具有以下特点。
( 1 ) 连续性 、距离无间断： 能在几秒内检测整条光 纤沿线完整的温度分布， 连续无遗漏。
( 2 ) 远距离监测： 最长距离可达到 10 km。
( 3 ) 抗电磁干扰特性： 测温光纤是由石英构成， 通过为光束， 电气绝缘， 不受任何电磁干扰， 也不发射电 磁波， 特别适合各种复杂环境 、强电环境。
( 4 ) 防爆性 、安全性： 感温元件为测温光纤， 本质 安全。
( 5 ) 精准定位： 定位精度达到 2 m 以内。
( 6 ) 快速响应性： 单通道扫描时间不大于 2 s。
1.2 无线传输子系统
无线传输主要包括 LORA 模块 、4G/5G 模块 。主要 功能是利用无线传输有用的数据 。利用无线 LORA 方式 实现本地设备间信息互递， 这种互递范围较短， 属局域 网范畴， 此无线通信理论上可达 10 km， 对于这种设备 间隔距离小于 1 km 的信息互递已足够使用 。利用 4G/5G 模块实现本地数据向云平台 、向控制中心上传。
1.2. 1 LORA 模块
LORA 模块有独立的微处理器， 可单独工作运行， 此模块留有 RS232/RS485/TTL 等接口， 可适配多种设备 使用 。考虑到批量生产采购时的统一性 、方便性， 微处 理器仍然采用 STC8A8K64D4 芯片， 保持与前面主机一样 的 MCU 选型; 射频芯片采用 SX1276. 该芯片包括数字 通信引脚 、射频的输入输出引脚 、电源引脚等， 可实现 超长距离扩频通信， 抗干扰能力强[13]。
1.2.2 4G/5G 模块
此模块有 4G 和 5G 两种通信方式 。监测到的数据， 其数据量小， 以字节为计， 通过自主设计的 4G 网关上传 至云平台; 视频和雷达图像包含的数据量大 、承载内容 多， 通过 5G 网关上传至平台 。这种分开 、独立上传方 式， 相互不干扰， 即使一台设备发生故障， 也不影响另 外一台设备的正常工作。
2 系统软件方案
依据国家电子信息化的标准， 结合公路隧道监控使 用的实际特点， 以 SOA 技术架构为基准， 制定出隧道监 控的总体技术架构 。SOA 架构的核心是 Web 服务， 它是 应用的标准访问规范， 无论隧道监测综合管理平台中使 用何种平台， 隧道监测综合管理平台都可以保证迅速实 现各种异构平台之间接入[ 14- 15] 。广泛的平台适应性， 使 复杂业务和数据更容易集成在一起， 从而可以加速隧道 监测综合管理平台项目的建设步伐， 有利于后期业务的 扩展。
WEB 前端采用地理学信息系统 ( GIS)， 可直观显示 相关数据。结合实际应用， 本系统有以下几个方面功能。
2.1 温度监测管理与查询本系统实时接收 4G 网关上传的信号数据， 其包含有 温度数据， 通过协议解析完毕后， 可实时显示在隧道显 示大屏和控制中心大屏中， 同时也存入数据库后台 。使 用者可以通过条件查询到历史温度曲线， 设置报警温度 阀值， 解析历史温度数据。
2.2 气体监测与气体类型管理
如硬件部分所述， 本系统可根据 ID 判断气体的类 型， 自动显示成提前设置好的气体名称， 适配相应气体 对应的单位 、阀值。
气体信息是通过 4G 网关上传至云平台， 平台软件会 根据协议中的 ID 号自动分析出一氧化碳 、硫化氢 、 甲 烷 、二氧化碳等气体， 并根据这些气体匹配对应的单位、 阀值， 然后存入到数据库中， 同时将解析后的结果与对 应阀值进行分析 、判断， 对于超过指定浓度的气体实时 进行弹窗 、预警 、报警， 以事件形式存储入系统 。系统 也会对历史浓度信息以曲线形式显示， 直观地显示出某 些气体浓度变化趋势。
系统也可以按照区域 、块设置隧道内的气体报警阀值， 例如隧道口入口处一般空气流动快， 气体超标风险 小; 隧道中间空气流动慢， 容易形成气体堆积， 气体超 界风险大， 因些可单独设置此块气体阀值， 更好保护隧 道安全。
2.3 实时视频监控
实时视频监控是系统监控的重要内容， 也是处理突 发情况的重要依据， 此部分内容由 5G 网关与云平台实现 交互 。系统通过网络调取视频设备提供的接口， 实时展 示隧道内的视频信息， 用户可以通过平台及时监测隧道 内的异常信息。
2.4 路面异物、隧道停车监测管理
结合激光雷达 、视频等分析出的结果， 将路面异物、 隧道停车等危险内容实时显示在隧道大屏上， 并与交通 信号系统实现联动， 引导车流平稳 、安全通过 。将这些 图片 、视频存入云平台中， 方便处理过后的事故分析和 处理。
2.5 模糊控制策略
气体监测与隧道通风是联动的， 当气体浓度超过一 定范围时应引发通风的联动 。实际应用时， 现场是多种 气体交织在一起， 若按照单一气体来判断是不科学的 。 但若多种气体一起判断， 这种判断逻辑较单种气体复杂 得多， 是幂级倍数关系 。因此， 系统引入了模糊控制策 略， 给每种气体设置了一种因子， 气体浓度和浓度变化 率模糊化， 这样便可通过清晰的逻辑关系实现对气体浓度变化的快速处理， 系统响应加快， 实现了与消防 、通 风等系统的联动。
3 应用效果分析
系统应用了 LORA 技术， 方便了短距离内设备布局 和系统内的信息通信， 也增强了系统的抗干扰性 。通过 不同的通信距离， 根据现场测试， 得到表 2 所示数据。
按照隧道长度分类， 短隧道 (小于 250 m)、 中隧道 ( 250 ~ 1 000 m 之间) 一般设置 0 ~ 2 个 LORA 主站就可保 证通信成功率在 98% 以上; 对于长隧道 ( 1 ~ 3 km) 及 超长隧道 (大于 3km) 则布置 10 个以上 LORA 主站就可 保证成功率在 98% 以上 。 因此此 LORA 通信方式在实际 应用中取得了良好的通信效果。
气体监测方面， 主机系自由设计， RS485 通信方式， MODUBS 通信协议， 兼容性强， 接口标准， 应用方便。软件方面， 由于采用开放的 SOA 程序框架结构， 兼 容了 WINDOWS 、LINUX 等平台， 也可使用 VB/C#/C/JA ‐ VA 等程序语言进行应用开发， 提升了系统的兼容性; 应 用此软件可在管理中心远程控制到隧道本地的抽风系统， 监测到本地的气体 、车辆等信息数据， 方便了用户使用， 同时也为紧急处理事故节约了时间和人力。
另外系统还留有各种通信接口和软件 API 接口， 方 便后续其他系统的接入和读取信息， 有着很强的扩展功 能。
4 结束语
当前我国隧道监控系统的设计 、实施仍然处于一个 快速成长的时期， 系统的需求更加具体， 设计和结构、 产品发展仍存在滞后的地方 。本文结合我国公路隧道快 速发展的趋势， 针对隧道监控信息化水平较低的问题， 设计了一套基于 LORA 和 5G 网络无线通信的网络监控系 统， 减少了现场布线工作量和人力施工成本， 解决了布 线难 、监控难 、信息化水平滞后发展的问题， 同时系统 在以往设备的基础上， 留有多种设备接口， 实现了交通 信号 、综合监控 、消防 、通风等系统的联动， 提高了系统的使用价值和利用率。
本系统通过现场调试和使用， 达到了设计效果， 提 高了隧道监控的信息化水平， 具有一定的推广价值。
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