高速公路隧道安全聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用

宋白樺

(溫州市交通投資集團(tuán)有限公司，浙江 溫州 325000)

高速公路隧道安全聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用

宋白樺

(溫州市交通投資集團(tuán)有限公司，浙江 溫州 325000)

隧道是交通事故高發(fā)地段，尤其“二次事故”往往造成更大的損失及人員傷亡。主要介紹運(yùn)用機(jī)電自動(dòng)化控制技術(shù)，采用多普勒雷達(dá)、視頻檢測(cè)、交通事件識(shí)別等技術(shù)手段設(shè)計(jì)高速公路隧道機(jī)電設(shè)備聯(lián)動(dòng)運(yùn)行方案，對(duì)交通事件進(jìn)行抓取、預(yù)判、報(bào)警、預(yù)案實(shí)施等一系列智能化響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)交通事件的有效預(yù)測(cè)，及早發(fā)現(xiàn)，及時(shí)處理，進(jìn)一步保障隧道行車(chē)安全。

安全聯(lián)動(dòng)；多普勒雷達(dá)探測(cè)器；智能化

0 引 言

保障交通安全暢通，提高安全監(jiān)管和應(yīng)急處置能力是交通運(yùn)輸管理部門(mén)的重要職責(zé)。隨著公路隧道里程不斷增加，隧道運(yùn)行安全問(wèn)題日益凸顯，隧道的安全預(yù)警智能化和應(yīng)急指揮及時(shí)化是管理部門(mén)的需要，也是滿(mǎn)足公眾安全出行的需要。

目前隧道事件檢測(cè)主要依賴(lài)視頻檢測(cè)設(shè)備，通過(guò)圖像識(shí)別算法判斷隧道內(nèi)的交通事件。此類(lèi)設(shè)備價(jià)格較高，實(shí)際使用時(shí)要實(shí)現(xiàn)隧道監(jiān)測(cè)的全覆蓋，資金需求量大，且視頻檢測(cè)對(duì)圖像質(zhì)量要求高。隧道中環(huán)境照度低且頗不均勻，車(chē)輛行進(jìn)中車(chē)燈的照射也會(huì)干擾成像的逼真性，使得隧道內(nèi)的視頻檢測(cè)誤報(bào)、漏報(bào)、誤判的情況較頻繁。本文提出的隧道交通事件檢測(cè)及預(yù)警聯(lián)動(dòng)技術(shù)，建設(shè)成本較低，探測(cè)靈敏度高，受環(huán)境因素影響的干擾小，交通事件的自動(dòng)偵測(cè)結(jié)合預(yù)警聯(lián)動(dòng)，大大縮短了管理部門(mén)對(duì)交通事件的應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間，增強(qiáng)了隧道機(jī)電設(shè)備智能聯(lián)動(dòng)控制功能，有效降低了隧道的二次事故率，提高了隧道的安全營(yíng)運(yùn)能力。

1 交通事件綜合檢測(cè)

本文提出采用多普勒雷達(dá)探測(cè)器結(jié)合視頻檢測(cè)器的綜合交通事件檢測(cè)技術(shù)，事件檢測(cè)主機(jī)安裝于隧道中控室，處理多普勒雷達(dá)對(duì)隧道中移動(dòng)物體的監(jiān)視信號(hào)和視頻車(chē)輛檢測(cè)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道異常事件實(shí)時(shí)綜合檢測(cè)功能。交通事件綜合檢測(cè)原理如圖1所示。

多普勒雷達(dá)采用非接觸探測(cè)；不受溫度、濕度、噪聲、氣流、塵埃、強(qiáng)光等影響，抗射頻干擾能力強(qiáng)；對(duì)人體不構(gòu)成危害；探測(cè)距離4～15m連續(xù)可調(diào)，適用于隧道的特定場(chǎng)合。多普勒雷達(dá)探測(cè)器結(jié)合視頻檢測(cè)器的綜合交通事件檢測(cè)技術(shù)，在隧道中發(fā)生嚴(yán)重事故，如火災(zāi)、爆炸、煙霧甚至照明系統(tǒng)失效時(shí)，也能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，確定發(fā)生事故的具體位置。

1.1 視頻車(chē)輛檢測(cè)器

利用隧道現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)，使用視頻分配器對(duì)圖像一分為二，一路用于監(jiān)控系統(tǒng)的常規(guī)監(jiān)控，另一路專(zhuān)用于交通事件檢測(cè)，將多路視頻車(chē)檢模塊檢測(cè)信息匯總，接入事件檢測(cè)主機(jī)進(jìn)行分析。

1.2 多普勒雷達(dá)車(chē)輛探測(cè)器

本技術(shù)采用的多普勒車(chē)輛探測(cè)器的工作頻率選擇在X-頻段(10.525GHz)[1]。如果目標(biāo)移動(dòng)速度不超過(guò)100km/h，多普勒頻率的變化范圍是0～5000Hz。在此范圍內(nèi)多普勒頻率和目標(biāo)移動(dòng)速度大體呈線性關(guān)系。K-波段(24.125GHz)和X-波段(10.525GHz)多普勒頻率與目標(biāo)速度關(guān)系如圖2所示。

圖1 交通事件綜合檢測(cè)原理圖

圖2 多普勒頻率與目標(biāo)速度關(guān)系圖

如果有車(chē)輛在運(yùn)動(dòng)，反射回來(lái)的微波頻率就會(huì)產(chǎn)生改變，發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)混頻濾波后取出差頻率，在物體移動(dòng)的情況下會(huì)輸出1～10Hz左右的信號(hào)，物體停止運(yùn)動(dòng)微波傳感器無(wú)信號(hào)輸出。處理器在單位事件內(nèi)對(duì)過(guò)往車(chē)輛計(jì)數(shù)，并將這一數(shù)據(jù)發(fā)送給中心，中心把相鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，得出差異數(shù)據(jù)。再根據(jù)隧道實(shí)際流量等相關(guān)信息，進(jìn)行智能梯型比對(duì)，判斷相鄰兩節(jié)點(diǎn)間是否有堵車(chē)。

通過(guò)實(shí)地測(cè)試，最后確定在隧道中每50m安裝一個(gè)多普勒雷達(dá)探測(cè)器于側(cè)壁，安裝高度2.2m，朝向來(lái)車(chē)方向，成夾角30°，從消防手報(bào)箱取電。多普勒雷達(dá)探測(cè)器布置圖如圖3所示。

圖3 多普勒雷達(dá)布置圖

多普勒雷達(dá)探測(cè)器信號(hào)先匯聚于就近的區(qū)域控制柜內(nèi)，使用串口服務(wù)器進(jìn)行信號(hào)傳輸。串口服務(wù)器將雷達(dá)輸出的串口信號(hào)，轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)信號(hào)，經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，傳輸?shù)剿淼乐锌厥?。多普勒雷達(dá)探測(cè)器信號(hào)的傳輸示意如圖4所示。

圖4 多普勒雷達(dá)探測(cè)器信號(hào)傳輸圖

1.3 綜合檢測(cè)

事件檢測(cè)主機(jī)對(duì)視頻車(chē)檢器和多普勒雷達(dá)探測(cè)器上報(bào)數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)交通事件冗余判斷。當(dāng)多普勒雷達(dá)探測(cè)器檢測(cè)到交通異常狀態(tài)后,比對(duì)異常區(qū)域視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行核實(shí)，并在監(jiān)控中心大屏切換到異常區(qū)域，由監(jiān)控工作人員確認(rèn)，以便確定異常事件類(lèi)型，第一時(shí)間做出反應(yīng)。

2 交通事件檢測(cè)算法

事件檢測(cè)主機(jī)對(duì)上傳的多普勒雷達(dá)車(chē)檢數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用作了適當(dāng)修正的“加利福尼亞算法7”。試點(diǎn)的隧道長(zhǎng)1280m，布設(shè)了25個(gè)多普勒雷達(dá)探測(cè)器，以鄰近8個(gè)探測(cè)器設(shè)為一組，全隧道25個(gè)探測(cè)器分成上游、中游、下游三組，分屬3個(gè)檢測(cè)站，剩下的1個(gè)檢測(cè)器為備份探測(cè)器。若在t時(shí)刻，一個(gè)檢測(cè)站下的8個(gè)多普勒雷達(dá)探測(cè)器分別測(cè)得的車(chē)輛通過(guò)數(shù)分別為：P1、P2、…、P8，則第i個(gè)檢測(cè)站t時(shí)刻所測(cè)得的平均車(chē)輛通過(guò)數(shù)AOCC為：

AOCC(i,t)=(∑Pj)/8 (j=1，2，…，8)

取多個(gè)探測(cè)器測(cè)得的車(chē)輛通過(guò)數(shù)的平均值，可彌補(bǔ)：①大車(chē)小車(chē)并行通過(guò)隧道時(shí)探測(cè)器可能出現(xiàn)的檢測(cè)誤差；②車(chē)速過(guò)快造成部分探測(cè)器出現(xiàn)的檢測(cè)誤差。

比較鄰近探測(cè)器間探測(cè)器檢測(cè)到的平均車(chē)輛通過(guò)數(shù)，可對(duì)可能存在的突發(fā)交通事件或隧道擁堵現(xiàn)象進(jìn)行判別。利用時(shí)刻t從檢測(cè)站i=1，2，3得到的平均車(chē)輛通過(guò)數(shù)按下面兩個(gè)條件來(lái)判斷擁擠是否發(fā)生：

BOCCDF=AOCC(i,t)-AOCC(i+1,t)≥K1

COCCRDF= [AOCC(i,t)-AOCC(i+1,t)]/AOCC(i,t)≥K2

式中：BOCCDF——擁擠路段上下游平均車(chē)輛通過(guò)數(shù)的差值；

COCCRD為擁擠路段上下游平均車(chē)輛通過(guò)數(shù)的相對(duì)差值；AOCC(i,t)為第i個(gè)檢測(cè)站t時(shí)刻所測(cè)得的平均車(chē)輛通過(guò)數(shù)；K1、K2為分別為相應(yīng)條件的閾值。

經(jīng)估算和半年的實(shí)測(cè)校驗(yàn)，隧道擁堵或發(fā)生交通事件時(shí)的閾值：K1=17，K2=0.7。據(jù)此，可分段確定隧道擁堵或發(fā)生交通事件的大致區(qū)域。

3 交通事件預(yù)警及聯(lián)動(dòng)控制

隧道事件由前端監(jiān)控設(shè)備檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，監(jiān)控設(shè)備應(yīng)有：交通監(jiān)測(cè)設(shè)備(車(chē)輛檢測(cè)器)、環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備(一氧化碳能見(jiàn)度檢測(cè)器、亮度檢測(cè)器、風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)器)、閉路電視CCTV監(jiān)測(cè)設(shè)備、火災(zāi)報(bào)警設(shè)備(火災(zāi)自動(dòng)檢測(cè)器、手動(dòng)報(bào)警按鈕)、緊急求救設(shè)備(緊急電話)、車(chē)道控制標(biāo)志、交通信號(hào)燈、可變情報(bào)板、通風(fēng)照明設(shè)施的控制設(shè)備等[2]，本文提出的技術(shù)包含了多普勒雷達(dá)探測(cè)器結(jié)合視頻檢測(cè)器的綜合交通事件檢測(cè)系統(tǒng)。當(dāng)隧道異常報(bào)警后，監(jiān)控中心收到預(yù)警信息，并在大屏上切換到交通異常區(qū)域，由監(jiān)控人員確定是否執(zhí)行預(yù)案，執(zhí)行何種預(yù)案。目前大致分為火災(zāi)與交通事故，兩類(lèi)隧道應(yīng)急預(yù)案。兩種預(yù)案分別有一套隧道機(jī)電設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制方案，只需監(jiān)控人員選擇火災(zāi)預(yù)案或交通事故預(yù)案便可快速響應(yīng)，將傳統(tǒng)的人工逐一操作，變?yōu)橹悄懿僮饕淮瓮瓿?，大大縮短操作時(shí)間，降低人工誤操作的可能性。

3.1 火災(zāi)預(yù)案

當(dāng)隧道發(fā)生火災(zāi)事故時(shí)具有的顯著危害有煙霧濃、易爆炸、人員車(chē)輛難以疏散，結(jié)合這些特點(diǎn)設(shè)計(jì)了火災(zāi)事件隧道機(jī)電設(shè)施應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案，包括對(duì)風(fēng)機(jī)、照明系統(tǒng)、汽通門(mén)、可變情報(bào)板、可變限速標(biāo)志及車(chē)道指示燈等信號(hào)燈進(jìn)行控制。隧道火災(zāi)聯(lián)動(dòng)控制方案如圖5所示。

圖5 隧道火災(zāi)聯(lián)動(dòng)控制方案圖

① 風(fēng)機(jī)開(kāi)啟，根據(jù)隧道內(nèi)風(fēng)向自動(dòng)選擇射流風(fēng)機(jī)的送風(fēng)方向；

② 照明系統(tǒng)關(guān)閉[3]，僅開(kāi)啟應(yīng)急照明回路及逃生誘導(dǎo)標(biāo)志燈等緊急逃生設(shè)備；

③ 汽通門(mén)開(kāi)啟，引導(dǎo)受困車(chē)輛疏散；

④ 可變情報(bào)板提示“前方隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，請(qǐng)勿進(jìn)入”；

⑤ 可變限速標(biāo)志顯示限速“0”；

⑥ 車(chē)道指示燈等信號(hào)燈顯示禁止通行。

3.2 交通事件預(yù)案

隧道發(fā)生的交通事故一般有追尾、撞隧道壁、翻車(chē)、車(chē)輛異停、車(chē)輛燃燒、危險(xiǎn)品泄漏等，本預(yù)案不包括車(chē)輛燃燒，結(jié)合這些特點(diǎn)設(shè)計(jì)了交通事件隧道機(jī)電設(shè)施應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案，包括對(duì)照明系統(tǒng)、可變情報(bào)板、可變限速標(biāo)志及車(chē)道指示燈等信號(hào)燈進(jìn)行控制。交通事件預(yù)案分為兩級(jí)，一級(jí)為無(wú)法通行，二級(jí)為緩慢通行。隧道交通事件聯(lián)動(dòng)控制方案如圖6所示。

① 照明系統(tǒng)全開(kāi)，提高隧道內(nèi)路面照度，防止二次事故發(fā)生；

② 一級(jí)交通事件，可變情報(bào)板提示“前方隧道內(nèi)發(fā)生交通事故，請(qǐng)勿通行”；二級(jí)交通事件，可變情報(bào)板提示“前方隧道內(nèi)發(fā)生交通事故，請(qǐng)緩慢通行”；

③ 一級(jí)交通事件，可變限速標(biāo)志顯示“0”；二級(jí)交通事件，可變限速標(biāo)志顯示“40”；

④ 一級(jí)交通事件，車(chē)道指示燈等信號(hào)燈顯示禁止通行；二級(jí)交通事件，車(chē)道指示燈等信號(hào)燈不變。

圖6 隧道交通事件聯(lián)動(dòng)控制方案圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)隧道交通事件檢測(cè)有更高的精度，更適應(yīng)隧道內(nèi)的惡劣環(huán)境，并且在檢測(cè)到隧道異常事件后實(shí)施一系列自動(dòng)化應(yīng)急響應(yīng)，由原來(lái)人工分步實(shí)施變成系統(tǒng)智能實(shí)施，大大縮短了應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間，有效降低隧道二次事故率。目前聯(lián)動(dòng)功能只是考慮隧道系統(tǒng)自身包含的機(jī)電設(shè)備，為了進(jìn)一步提高應(yīng)急響應(yīng)效率可考慮將消防、公安、醫(yī)院等系統(tǒng)設(shè)備納入統(tǒng)籌考慮。

[1]申越．多普勒測(cè)速系統(tǒng)的信號(hào)處理技術(shù)研究[D]．杭州：浙江大學(xué)，2011．

[2]馬健森，彭剛．高速公路隧道聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．中國(guó)交通信息化，2011，(7):106-109.

[3]JTG/T D70/2-01-2014，公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則[S]．

Application of Safety Linkage Control Technology for Highway Tunnel

SONG Bai-hua

(Wenzhou Communications Investment Group Co.，Ltd.，Wenzhou 325000，China)

Tunnel is where high incidence of traffic accidents happens， especially the accidents caused by former one cause more damages and casualtiess.This thesis designs a scheme of highway tunnel electromechanical equipment linkage operation by using mechanical and electrical and mechanical auto-control automation and control technology, giving a series of smart response to traffic incidents, such as capture, pre-estimating, alert and emergency plan implementation, for the purpose of guaranteeing traffic safety in the tunnel through effective forecast, early detection and prompt processing.

security linkage; doppler radar detector; intelligentize

2015-06-29

浙江省重大科技專(zhuān)項(xiàng)(2014C01093)

宋白樺(1957- )，男，江蘇連云港人，高級(jí)工程師，E-mail：418236528@qq.com。

U459.2 ?

A ?

10.3969/j.issn.1671-234X.2015.03.002

1671-234X(2015)03-0005-05