基于安全閉環(huán)的高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)的改造研究

張振東

（山西省交通信息通信有限公司，太原 030001）

1 引言

根據(jù)《2017年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》[1]中的數(shù)據(jù)顯示，我國高速公路在2017年里程已經(jīng)達(dá)到了13.65萬公里，高速公路的建設(shè)直接縮短了各個(gè)重要城市之間的距離，在貨運(yùn)和客運(yùn)上都極大的提升了運(yùn)輸效率，降低了運(yùn)輸成本。然而，隨著機(jī)動車車輛的爆發(fā)式增長，高速公路上的安全形勢變得較為嚴(yán)峻。在高速公路的進(jìn)程中，隧道屬于高速公路的咽喉地段，由于光源較弱、空氣質(zhì)量差且噪音污染嚴(yán)重等問題，容易在高速行駛中造成情緒不穩(wěn)定、注意力分散等問題[2]。此外，由于隧道中的道路狹小，且高速公路的車速較快，使得隧道成為了高速公路段中事故易發(fā)路段。近年來的大多數(shù)事故的統(tǒng)計(jì)研究還表明，一旦隧道出現(xiàn)了事故，還會造成大量的后續(xù)事故延伸問題，因此構(gòu)建高速公路隧道的安全系統(tǒng)勢在必行[3]。

為了提升高速公路隧道路段的安全問題，論文構(gòu)建了一種基于安全閉環(huán)的高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)的改造，該改造研究主要以各類傳感器和圖像、視頻等設(shè)備采集多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)融合處理與事件分析，最終完成事件的聯(lián)合相應(yīng)與反饋。該系統(tǒng)的改造可以保障高速公路隧道路段的安全與暢通，提升高速公路隧道路段的安全管控水平。

2 系統(tǒng)改造的整體設(shè)計(jì)

在高速公隧道監(jiān)控系統(tǒng)的改造中，主要包括不知測速設(shè)備、攝像機(jī)、報(bào)警器以及能見度檢測系統(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)備，在基礎(chǔ)設(shè)備基礎(chǔ)上采集各種形式的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)[4]。在傳感器數(shù)據(jù)、攝像機(jī)數(shù)據(jù)的支持下，完成多源異構(gòu)數(shù)據(jù)挖掘與分析，形成車輛處理、目標(biāo)識別，并將結(jié)果接入互聯(lián)網(wǎng)平臺，將實(shí)時(shí)分析的數(shù)據(jù)推送給高速公路隧道交通參與者。當(dāng)檢測到高速公路隧道中存在交通異常事件時(shí)，則可以及時(shí)將異常信息傳送到管控中心，還可以為高速公路隧道交通參與者引導(dǎo)新的道路并及時(shí)疏散車輛。與此同時(shí)，隧道管控中心接到異常信息后，將會及時(shí)聯(lián)系警方救援。圖1給出了本文設(shè)計(jì)的高速公路隧道監(jiān)控安全閉環(huán)改造龍門架。

圖1 高速公路隧道監(jiān)控安全閉環(huán)改造龍門架

在高速公路隧道的入口處，設(shè)計(jì)了如圖1的龍門架用于提示一些重要信息，并通過安裝在兩側(cè)的高清攝像機(jī)和抓拍照相機(jī)，監(jiān)測每臺進(jìn)入隧道車輛的實(shí)時(shí)信息，并監(jiān)測道路的情況。在龍門架上帶有，可調(diào)整限速的限速牌。每個(gè)參與者進(jìn)入隧道前會進(jìn)行測速，當(dāng)出現(xiàn)超速時(shí)限速牌下會給出紅色警示內(nèi)容，警示車輛減速；當(dāng)車速在限速范圍內(nèi)則給出綠色內(nèi)容，車輛可按當(dāng)前速度行駛。在限速牌中間給出了一個(gè)LED 屏幕，該屏幕用于顯示隧道中的路況和異常情況，提升參與者高速公路隧道的實(shí)時(shí)情況。

3 系統(tǒng)改造的安全閉環(huán)管理

為了完成高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)的安全閉環(huán)改造，論文給出的安全閉環(huán)改造主要包括三個(gè)主要模塊，分別是高速公路隧道的多源數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)融合處理與事件分析、事件的聯(lián)合響應(yīng)與反饋。

3.1 高速公路隧道多源數(shù)據(jù)采集

為了在高速公路隧道中采集到多源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，在監(jiān)控傳感器的數(shù)據(jù)采集上，主要包括雷達(dá)測速、煙霧溫度傳感器、能見度傳感器，通過這些傳感器采集到結(jié)構(gòu)化的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)；在視頻圖像的數(shù)據(jù)采集上，主要包括卡口抓拍高清相機(jī)，以及隧道整體監(jiān)控?cái)z像頭，通過這些圖像設(shè)備采集非結(jié)構(gòu)化的分析數(shù)據(jù)[5]。如圖2所示，給出了多源數(shù)據(jù)采集的設(shè)備組合。

圖2 多源數(shù)據(jù)采集設(shè)備組合

其中，雷達(dá)測速傳感器監(jiān)測進(jìn)出隧道車輛的實(shí)時(shí)速度，實(shí)時(shí)速度數(shù)據(jù)是高速公路隧道安全閉環(huán)系統(tǒng)的最基本數(shù)據(jù)?？谧ヅ母咔逑鄼C(jī)提取的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，構(gòu)成了隧道行駛車輛的最重要信息之一。論文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，卡口抓拍相機(jī)采用2900萬像素GMOS 卡口抓拍單元，并輔以LED 頻閃補(bǔ)光燈。隧道整體監(jiān)控?cái)z像頭提取的也是非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，用于抓取車輛行駛以外的一些基礎(chǔ)安全數(shù)據(jù)，包括行人識別、異常目標(biāo)識別以及火焰識別的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，用于實(shí)時(shí)判斷車輛行駛過程中是否有行人和火焰的發(fā)生，以保住檢測隧道中的安全異常情況。

3.2 數(shù)據(jù)融合處理與事件分析

在處理融合數(shù)據(jù)過程中，首先需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和篩選，去除一些冗余數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)的清晰，處理一些無效數(shù)據(jù)；隨后，采用聚類分析和多元線性回歸等分析方法，完成對數(shù)據(jù)的融合處理和事件分析[6]。如圖3所示，給出了數(shù)據(jù)融合處理與時(shí)間分析過程。

在多源數(shù)據(jù)融合處理的基礎(chǔ)上，高速公路隧道監(jiān)控的安全閉環(huán)事件分析主要包括以下幾個(gè)類別：

（1）超速行駛：超速行駛的事件監(jiān)測由卡口抓拍相機(jī)以及雷達(dá)測速設(shè)備聯(lián)合完成，通過對駛?cè)胨淼赖母咚佘囕v進(jìn)行速度監(jiān)測和車牌抓拍，識別抓拍到的車牌，并判斷相應(yīng)車輛的行駛速度是否超過限制速度。

（2）實(shí)線變道：實(shí)線變道的事件監(jiān)測由卡口抓拍相機(jī)完成，分別由設(shè)置在隧道入口、出口和隧道中段的多個(gè)抓拍相機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過多元線性回歸方法完成對車牌識別以及交通線路識別。

圖3 數(shù)據(jù)融合處理與時(shí)間分析過程

（3）違法停車：違法停車的事件監(jiān)測由隧道整體監(jiān)控?cái)z像頭的數(shù)據(jù)完成，通過分析隧道整體監(jiān)控視頻，監(jiān)測出在隧道中實(shí)施停車的車輛，并記錄出車輛違法停車的位置、停車時(shí)間以及相應(yīng)的車牌信息。

（4）車輛擁堵：車輛擁堵的事件監(jiān)測由雷達(dá)測速、卡口抓拍相機(jī)以及能見度檢測的數(shù)據(jù)共同完成。記錄下車輛擁堵的位置和狀態(tài)，經(jīng)過抓拍相機(jī)與隧道整體監(jiān)控?cái)z像頭的數(shù)據(jù)綜合分析擁堵的成因并給出擁堵疏散的方案。

（5）交通事故：車輛擁堵的事件監(jiān)測由隧道整體監(jiān)控?cái)z像頭和卡口抓拍相機(jī)的數(shù)據(jù)共同完成。當(dāng)隧道入口出現(xiàn)擁堵，但是隧道的出口并未出現(xiàn)擁堵事件時(shí)，可判斷隧道中有較大概率出現(xiàn)交通事故。記錄交通事故出現(xiàn)的時(shí)間地點(diǎn)，以及交通事故出現(xiàn)的原因并給出交通事故處理的辦法。

（6）行人穿越異常：行人穿越異常事件監(jiān)測由隧道整體監(jiān)控?cái)z像頭的數(shù)據(jù)完成，通過對監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的行人檢測，當(dāng)檢測到行人時(shí)應(yīng)該相應(yīng)為緊急事件，并在龍門架的提示窗口給出行人異常提示，警示進(jìn)入隧道的車輛有行人出沒。

（7）車道行駛異常：車道行駛異常事件監(jiān)測也由隧道整體監(jiān)控?cái)z像頭的數(shù)據(jù)完成，通過對監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行車輛識別、車牌識別、目標(biāo)識別和路面狀況識別，實(shí)時(shí)分析出車道行駛中的異常情況，從各個(gè)異常事件中分析出車輛行駛緩慢、路面出現(xiàn)障礙物以及其他緊急情況。

（8）煙霧溫度異常：煙霧溫度異常事件由煙霧溫度傳感器的數(shù)據(jù)完成，通過煙霧的濃度值與溫度的大小來判斷出異常事件。此外，還需要輔助隧道整體監(jiān)控?cái)z像頭的數(shù)據(jù)，若從數(shù)據(jù)中檢測到的明顯的火焰，且煙霧的濃度較高，則可判斷出隧道中出現(xiàn)了火災(zāi)等險(xiǎn)情，同時(shí)記錄出現(xiàn)險(xiǎn)情的位置和時(shí)間，并給出相應(yīng)的解決方案。

3.3 事件的聯(lián)合響應(yīng)與反饋

事件的聯(lián)合響應(yīng)與反饋單元與數(shù)據(jù)融合處理與事件分析單元相連，通過數(shù)據(jù)處理和事件分析的結(jié)果完成各個(gè)事件之間的聯(lián)合相應(yīng)，并給出最終的決策與反饋。事件的決策與反饋主要是完成對突發(fā)事件和異常事件的預(yù)警與處理[7]。如圖4所示，給出了安全事件的聯(lián)合響應(yīng)與反饋過程。

圖4 安全事件的聯(lián)合響應(yīng)與反饋過程

根據(jù)高速公路隧道行駛中出現(xiàn)的事件類別、事件位置和時(shí)間等信息，并結(jié)合事件的預(yù)警與處理，完成下列事件的聯(lián)合響應(yīng)與反饋：

（1）超速行駛：超速行駛事件為個(gè)人參與者的異常事件，只需要將采集和分析后的速度信息、車牌信息以及超速發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)等信息上傳到的交通部門，由交通部門通知個(gè)人參與者超速情況，并依照法律給予相應(yīng)的罰款警告。

（2）實(shí)線變道：與超速行駛相同，實(shí)線變道也是個(gè)人參與者的異常事件，也可將實(shí)線變道的時(shí)間、地點(diǎn)和變道次數(shù)提交給交通部門，給予依照法律的罰款警告。

（3）違法停車：車輛違法停車主要包括兩種情況，若是由于非不可抗力造成的違法停車，則是個(gè)人參與者的異常事件，也需要將相關(guān)信息提交交通部門進(jìn)行依照法律的罰款警告；此外，若是由于不可抗力造成的停車（車輛故障），則需要將相關(guān)信息提交給高速公路隧道指揮中心，由隧道智慧中心實(shí)施施救，并且還需要通過龍門架的LED 顯示屏，給出隧道前方有車輛故障等預(yù)警，警告后續(xù)進(jìn)入隧道的車輛。

（4）車輛擁堵：車輛擁堵事件一般與違法停車、交通事故、行人異常和車道異常相關(guān)，當(dāng)出現(xiàn)車輛擁堵時(shí)，應(yīng)該觸發(fā)檢測另外四種不同的異常事件。此外，出現(xiàn)車輛擁堵時(shí)應(yīng)該立即將車輛擁堵的相關(guān)信息上傳到高速公路隧道指揮中心，由指揮中心在龍門架的LED 顯示屏上給予預(yù)警信息。

（5）交通事故：交通事故檢測到后，需要監(jiān)控系統(tǒng)將分析結(jié)果提交給高速公路隧道指揮中心，由指揮中心經(jīng)過核實(shí)后，將交通事故發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)等信息上傳LED 顯示屏警告，同樣也需要接入各大互聯(lián)網(wǎng)平臺。

（6）行人異常：當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)檢測在高速公路隧道中檢測到行人時(shí)，需要立即將該信息上傳到高速公路隧道指揮中心，由指揮中心核實(shí)后，立即通過隧道廣播等形式通知隧道中的行人，將行人轉(zhuǎn)移到安全地帶。

（7）車道行駛異常：一般來說，車道行駛異常事件出現(xiàn)的原因較多，通過視頻和圖像分析出的各類原因，都應(yīng)該上傳至高速公路隧道指揮中心，由指揮中心給出車道行駛異常的最終原因，然后將車道行駛異常原因通過LED 顯示屏、隧道廣播和互聯(lián)網(wǎng)等渠道通知給正在隧道行駛以及即將進(jìn)入隧道行駛的各個(gè)參與者，以達(dá)到安全閉環(huán)的目的。

（8）火災(zāi)險(xiǎn)情：火災(zāi)險(xiǎn)情由火焰檢測、溫度傳感器和煙霧傳感器的最終結(jié)果得出，由指揮中心核實(shí)后，一方面指揮中心通知交通警察和高速公路隧道火警，另一方面還需要啟動隧道中的排煙設(shè)備和消防設(shè)備，暫時(shí)應(yīng)對火災(zāi)險(xiǎn)情情況，避免出現(xiàn)更大的安全隱患，最終實(shí)現(xiàn)安全閉環(huán)。

4 結(jié)束語

在論文中，通過基于安全閉環(huán)的高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)的改造，分別解決了高速公路隧道中存在的超速行駛、實(shí)線變道、違法停車、車輛擁堵、交通事故、行人異常、車道行駛異常以及火災(zāi)險(xiǎn)情等安全情況，并通過傳感器與圖像采集設(shè)備完成了安全閉環(huán)系統(tǒng)的構(gòu)建，提升了高速公路隧道行駛的安全性，提升了安全管理的水平。今后的工作集中在構(gòu)建更詳細(xì)的預(yù)警、響應(yīng)和反饋決策方案，更高效的處理高速公路隧道中存在的安全問題。