基于北斗的隧道內(nèi)行車狀態(tài)綜合監(jiān)測系統(tǒng)及應(yīng)用

● 文 |北京國交信通科技發(fā)展有限公司 張炳琪 吳曉東

基于北斗的隧道內(nèi)行車狀態(tài)綜合監(jiān)測系統(tǒng)及應(yīng)用

● 文 |北京國交信通科技發(fā)展有限公司 張炳琪 吳曉東

一、背景

2010年國務(wù)院要求運輸企業(yè)按照《國務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)企業(yè)安全生產(chǎn)工作的通知》要求，必須為“兩客一危”車輛安裝符合《道路運輸車輛衛(wèi)星定位系統(tǒng)車載終端技術(shù)要求》（JT/T794-2011）的衛(wèi)星定位裝置，并接入全國重點營運車輛聯(lián)網(wǎng)聯(lián)控系統(tǒng)，對全國范圍“兩客一?！钡戎攸c營運車輛進(jìn)行安全監(jiān)管。目前全國已經(jīng)有超過400萬輛公路營運車輛安裝了衛(wèi)星導(dǎo)航定位終端并接入全國聯(lián)網(wǎng)聯(lián)控系統(tǒng)。但是，當(dāng)重點營運車輛進(jìn)入隧道后，由于導(dǎo)航衛(wèi)星被遮蔽，車載衛(wèi)星定位裝置無法正常工作，無法辨識車輛的位置狀態(tài)，當(dāng)此類車輛出現(xiàn)運行異常后，監(jiān)控系統(tǒng)無法及時感知，存在重大安全隱患。構(gòu)建基于衛(wèi)星導(dǎo)航、光學(xué)探頭、雷達(dá)的隧道內(nèi)行車狀態(tài)綜合監(jiān)測系統(tǒng)，有效補(bǔ)充現(xiàn)有重點營運車輛聯(lián)網(wǎng)聯(lián)控系統(tǒng)在隧道內(nèi)車輛安全監(jiān)管的空白，完善全國路網(wǎng)重點營運車輛無縫監(jiān)管，實時完整獲取“兩客一?！避囕v的行車狀態(tài)，有利于保障隧道中的行車安全、避免重大交通事故的發(fā)生，提高隧道事故應(yīng)急處理工作的開展和實施，并有效地預(yù)防二次事故的發(fā)生。

在此背景下，北京市科學(xué)技術(shù)委員會在2015年重點科技項目“基于北斗導(dǎo)航的隧道內(nèi)行車狀態(tài)綜合監(jiān)測系統(tǒng)研制”中，支持開展隧道導(dǎo)航信號復(fù)現(xiàn)設(shè)備、雷達(dá)設(shè)備、隧道車輛行車狀態(tài)后臺監(jiān)控系統(tǒng)的研制工作，并確定在北京市青龍橋隧道開展示范應(yīng)用。

二、需求分析

通過對國內(nèi)（廣東清遠(yuǎn)、韶關(guān)、成都、上海以及北京等地）隧道監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研分析，了解隧道監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀和隧道車輛行車狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)功能需求。

1. 用戶需求分析

交通運輸部用戶：聯(lián)網(wǎng)聯(lián)控系統(tǒng)無法監(jiān)管隧道內(nèi)營運車輛狀態(tài)，隧道車輛行車狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)是聯(lián)網(wǎng)聯(lián)控系統(tǒng)重要補(bǔ)充。

隧道管理方：要求實時提供即將進(jìn)入隧道的營運車輛行駛狀態(tài)信息，以及隧道內(nèi)車輛行駛狀態(tài)信息，及時發(fā)現(xiàn)隧道周邊及隧道內(nèi)車輛異常狀態(tài)，為隧道快速采取安全管理措施提供決策依據(jù)。

途經(jīng)隧道的駕駛員和車輛：在具備信息接收條件下，接收監(jiān)管方系統(tǒng)信息，并能夠逐步反饋給監(jiān)管方現(xiàn)場信息。

隧道安全事故救援方：及時獲取隧道監(jiān)測預(yù)警和報警信息。

2. 系統(tǒng)功能需求分析

系統(tǒng)能夠通過接入聯(lián)網(wǎng)聯(lián)控系統(tǒng)下發(fā)的重點營運車輛信息（包括車牌號，車輛類型，位置和速度等），并結(jié)合隧道端視頻攝像頭和雷達(dá)設(shè)備采集的車輛信息，能夠為隧道管理單位提供以下功能：

● 重點營運車輛進(jìn)入隧道提醒

● 進(jìn)入隧道車輛數(shù)量統(tǒng)計

● 車輛超速、停車監(jiān)控及報警（即將進(jìn)入隧道和已進(jìn)入隧道車輛）

● 隧道運行狀態(tài)報告及決策信息

三、系統(tǒng)設(shè)計

依據(jù)需求分析，在不更換現(xiàn)有重點營運車輛已安裝北斗車載監(jiān)控終端前提下，開展基于北斗導(dǎo)航、光學(xué)探頭、雷達(dá)的隧道內(nèi)行車狀態(tài)綜合監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。系統(tǒng)通過處理聯(lián)網(wǎng)聯(lián)控系統(tǒng)推送的重點營運車輛信息，以及隧道端導(dǎo)航信號復(fù)現(xiàn)終端、雷達(dá)設(shè)備、光學(xué)攝像頭等傳感器所采集的車輛信息，判斷隧道內(nèi)車輛行駛狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生異常狀態(tài)時能夠及時報警，為隧道安全管理提供決策支撐信息。選擇在北京市青龍橋隧道，開展基于隧道內(nèi)行車狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用示范，實現(xiàn)“重點營運車輛進(jìn)入隧道提醒”、“進(jìn)入隧道車輛數(shù)量統(tǒng)計”、“車輛超速、停車監(jiān)控及報警”等功能，保障隧道中的行車安全、降低隧道內(nèi)重大交通事故發(fā)生的概率。

隧道內(nèi)行車狀態(tài)綜合監(jiān)測系統(tǒng)主要由隧道導(dǎo)航信號復(fù)現(xiàn)設(shè)備、雷達(dá)設(shè)備、視頻設(shè)備和隧道車輛行車狀態(tài)后臺監(jiān)控系統(tǒng)組成。以青龍橋隧道為例，該隧道全長2800m，按照600m覆蓋范圍計算，需5套隧道導(dǎo)航信號復(fù)現(xiàn)設(shè)備。由于雷達(dá)設(shè)備成本較高，本示范僅規(guī)劃覆蓋距離洞口700m，按照平均120m計算，需要6套雷達(dá)設(shè)備。此外，在隧道入口處部署4個視頻攝像頭。總體方案如圖1所示。

1. 隧道導(dǎo)航信號復(fù)現(xiàn)設(shè)備

（1）主要功能

能夠同步復(fù)現(xiàn)隧道外空曠位置站點北斗導(dǎo)航信號。現(xiàn)有車載監(jiān)控終端無需任務(wù)改動，即可接收該復(fù)現(xiàn)信號進(jìn)行定位。

（2）系統(tǒng)組成

隧道導(dǎo)航信號復(fù)現(xiàn)設(shè)備包括衛(wèi)星導(dǎo)航主控設(shè)備以及導(dǎo)航信號發(fā)射終端設(shè)備。具體包括以下功能模塊：

授時分機(jī)：接收星上的導(dǎo)航信號，解析出當(dāng)前時間和真實星歷，通過串口發(fā)送給上位機(jī)。同時為導(dǎo)航信號發(fā)射終端設(shè)備提供高精度的1PPS和10.23M時鐘。

上位機(jī)：運行北斗衛(wèi)星導(dǎo)航隧道內(nèi)定位系統(tǒng)主控軟件。

DSP模塊：執(zhí)行DSP軟件程序，完成參數(shù)解算的工作。

FPGA模塊：執(zhí)行FPGA軟件程序，完成導(dǎo)航信號生成的工作。

AD9520模塊：為AD9739模塊和FPGA模塊提供時鐘信號。

AD9739模塊：將FPGA模塊輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。

合路調(diào)理模塊：將噪聲信號和導(dǎo)航信號進(jìn)行合路放大。

（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計

為實現(xiàn)便攜式設(shè)計，課題重點考慮產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上的強(qiáng)度、防護(hù)性，充分考慮了防水、防鹽霧、防腐蝕、對抗強(qiáng)振動、強(qiáng)陽光、強(qiáng)電磁干擾、潮濕、多粉塵等惡劣條件的影響，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計（如圖2所示）中考慮到板卡的散熱問題以及安裝問題。

2. 雷達(dá)設(shè)備設(shè)計

（1）主要功能

能夠連續(xù)探測隧道內(nèi)車輛行駛軌跡，獲取車輛位置、速度等信息。

（2）系統(tǒng)組成

雷達(dá)設(shè)備基于ivq905進(jìn)行開發(fā)，主要包括雷達(dá)前端和雷達(dá)控制卡兩個模塊。

● 雷達(dá)前端：雷達(dá)前端工作于FMCW 模式，通過控制VCO電壓控制信號頻率，實現(xiàn)鋸齒波或者三角波調(diào)頻。

● 雷達(dá)控制卡：雷達(dá)控制卡由CPLD子模塊、電源子模塊、四路帶通濾波子模塊組成。

3. 視頻設(shè)備

視頻設(shè)備已經(jīng)比較成熟，主要功能是為了實現(xiàn)進(jìn)入隧道車輛車牌信息采集，與雷達(dá)設(shè)備、導(dǎo)航信號復(fù)現(xiàn)設(shè)備采集的車輛信息進(jìn)行融合處理。

● 能夠接收聯(lián)網(wǎng)聯(lián)控系統(tǒng)推送的重點營運車輛信息；

● 能夠監(jiān)控隧道內(nèi)及周邊重點營運車輛行駛狀態(tài)；

● 向聯(lián)網(wǎng)聯(lián)控系統(tǒng)推送隧道內(nèi)重點營運車輛異常行駛行為信息。

（2）系統(tǒng)組成

系統(tǒng)軟件主要由部級平臺隧道監(jiān)控軟件接口插件和隧道車輛行車狀態(tài)監(jiān)控軟件兩部分組成。

● 部級平臺隧道監(jiān)控軟件接口插件

● 隧道車輛行車狀態(tài)監(jiān)控軟件

四、測試驗證

4. 隧道車輛行車狀態(tài)后臺監(jiān)控系統(tǒng)

（1）主要功能

2016年4-8月，在北京市青龍橋隧道開展了多次試驗，本次測試主要驗證隧道導(dǎo)航信號復(fù)現(xiàn)設(shè)備和雷達(dá)設(shè)備在隧道復(fù)雜環(huán)境下工作性能。

青龍橋隧道位于北京市延慶縣，東西走向，單向隧道全長2825m，是八達(dá)嶺過境線的控制性工程，在節(jié)假日期間來往客運車輛較多。青龍橋隧道實景見圖3。

開展試驗期間，在距隧道進(jìn)京方向入口400m和1200m處，各安裝1個隧道導(dǎo)航信號復(fù)現(xiàn)設(shè)備。在距隧道進(jìn)京方向入口400m處，每隔100m安裝1個雷達(dá)設(shè)備，共計4個。在試驗車上安裝符合JT/T 794標(biāo)準(zhǔn)的車載終端，從隧道入口處至駛出隧道出口，全程記錄車載終端定位數(shù)據(jù)，同時記錄雷達(dá)設(shè)備采集的車輛軌跡信息。經(jīng)數(shù)據(jù)分析，導(dǎo)航信號復(fù)現(xiàn)設(shè)備廣播的導(dǎo)航信號，隧道內(nèi)行駛車輛所安裝的車載終端接收該導(dǎo)航信號可實現(xiàn)定位解算，定位結(jié)果95%散落在該導(dǎo)航信號復(fù)現(xiàn)設(shè)備發(fā)射天線已知位置的10m范圍內(nèi)。每個雷達(dá)設(shè)備在其100m有效探測范圍內(nèi)，可以連續(xù)精確地采集隧道內(nèi)車輛軌跡信息。測試分析結(jié)果見圖4所示。

五、應(yīng)用情況

“隧道車輛行車狀態(tài)后臺監(jiān)控系統(tǒng)研制和示范應(yīng)用”課題成果在北京市青龍橋隧道開展了示范應(yīng)用，獲得用戶報告。該課題是面向公路隧道車輛運行安全監(jiān)控需求，創(chuàng)新性的提出了隧道內(nèi)擴(kuò)展定位技術(shù)（正申請專利），綜合視頻、雷達(dá)等信息，開發(fā)了省市級和隧道管理站級兩級隧道行車狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)控隧道內(nèi)車輛停車、超速等異常情況，并可通過全國重點營運車輛聯(lián)網(wǎng)聯(lián)控系統(tǒng)獲取危險品運輸車等重點營運車輛信息，為隧道管理單位提供安全管理決策支撐。

示范工作中，在該隧道入口處安裝了4套視頻設(shè)備，用于獲取社會車輛車牌信息。在進(jìn)京方向隧道內(nèi)安裝部署了5套導(dǎo)航信號復(fù)現(xiàn)設(shè)備、6套雷達(dá)終端。隧道端硬件部署情況見圖5。

在距隧道500m處隧道管理站控制指揮中心安裝部署部級平臺隧道監(jiān)控軟件接口插件1套以及隧道車輛行車狀態(tài)監(jiān)控軟件1套，用于接收交通運輸部重點營運車輛聯(lián)網(wǎng)聯(lián)控系統(tǒng)推送的青龍橋隧道周邊5km范圍營運車輛信息，并結(jié)合隧道入口視頻設(shè)備、隧道內(nèi)雷達(dá)設(shè)備和衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備采集的車輛狀態(tài)信息，綜合分析隧道內(nèi)車輛異常駕駛行為，當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生超速、停車等異常情況是，系統(tǒng)能及時通知隧道管理方采取應(yīng)急措施。隧道內(nèi)車輛行車狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)軟件運行情況見圖6、圖7所示。

經(jīng)青龍橋隧道管理站試用、測試，示范應(yīng)用目標(biāo)完成，成果顯著，達(dá)到預(yù)期效果。下一步，將繼續(xù)做好成果轉(zhuǎn)化及推廣應(yīng)用工作。