基于三維視頻融合的隧道運(yùn)營管理創(chuàng)新應(yīng)用研究

伍朝輝, 常 瑩, 李 青, 蔡蓉賓

(1.交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院， 北京 100029； 2. 上海城建城市運(yùn)營(集團(tuán))有限公司， 上海 201103； 3. 上海市道路運(yùn)輸管理局， 上海 200011)

0 引言

隧道是交通基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，隧道具有線狀工程、半封閉空間、結(jié)構(gòu)隱蔽等典型特點(diǎn)，故其安全運(yùn)營要求高、交通保通壓力大。采用數(shù)字化、智能化手段[1-2]，監(jiān)測(cè)隧道交通要素變化、掌握交通運(yùn)行規(guī)律、預(yù)測(cè)交通發(fā)展趨勢(shì)，并運(yùn)用于隧道交通運(yùn)營管理與服務(wù)的各個(gè)環(huán)節(jié)，將會(huì)產(chǎn)生巨大的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。

國內(nèi)外對(duì)于隧道運(yùn)營場(chǎng)景的監(jiān)控大多通過矩陣式視頻監(jiān)控的方式實(shí)現(xiàn)[3-5]，并基于視頻監(jiān)控開展日常運(yùn)營管理業(yè)務(wù)。2004年歐盟頒布了跨歐洲公路網(wǎng)的隧道最低安全要求指令[6]，要求歐盟所有國家基于這一指令進(jìn)行隧道運(yùn)營安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。2008年世界道路協(xié)會(huì)也提出了公路隧道運(yùn)營監(jiān)控與安全管理方法[7]。Cabrera等[8]提出了一種隧道車輛檢測(cè)、跟蹤與識(shí)別的綜合解決方案，車輛通過隧道中非重疊的相機(jī)網(wǎng)絡(luò)被識(shí)別與跟蹤，兼顧了實(shí)時(shí)性、較差的成像條件和分散式架構(gòu)等實(shí)際限制。李峰[9]結(jié)合圖像拼接與畸變圖像校正，選用魚眼相機(jī)對(duì)隧道路況進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)畸變較小、畫面較大的隧道場(chǎng)景覆蓋。陳一飛[10]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套三維全景隧道監(jiān)控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將設(shè)計(jì)、施工、勘察、監(jiān)測(cè)信息與三維全景圖像進(jìn)行融合，但這一方案只適用于固定點(diǎn)位的全景式數(shù)據(jù)集成。劉志輝等[11]研發(fā)了一種基于IoT的智慧隧道運(yùn)營管控系統(tǒng)，集成綜合監(jiān)控、應(yīng)急救援、養(yǎng)護(hù)管理、數(shù)據(jù)分析與輔助決策4個(gè)子系統(tǒng)，對(duì)隧道內(nèi)交通及環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情和事故，但并沒有解決子系統(tǒng)數(shù)據(jù)分離的問題。陳浩等[12]提出一種基于BIM+GIS的高速公路隧道智慧監(jiān)控平臺(tái)，采用二三維一體化、動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)融合實(shí)現(xiàn)隧道的數(shù)字化、立體化、精準(zhǔn)化監(jiān)控管理，但并沒有對(duì)視頻進(jìn)行三維融合。李建利等[13]針對(duì)隧道監(jiān)控構(gòu)件復(fù)雜多樣、數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新需求、建模效率低等問題，設(shè)計(jì)了一種“互聯(lián)網(wǎng)+智慧高速”BIM隧道數(shù)智監(jiān)控系統(tǒng)，以BIM模型機(jī)電信息流為中樞，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)間信息協(xié)同和隧道機(jī)電全生命周期智能監(jiān)控，但視頻與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)仍相互分離。樊小毅等[14]提出了一種基于邊緣計(jì)算和視頻異常感知的隧道視頻智能監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)視頻識(shí)別結(jié)果進(jìn)行彈性上傳，減少無效視頻存儲(chǔ)，減小網(wǎng)絡(luò)帶寬消耗。劉鵬飛等[15]將高清視頻用于邱家埡口隧道模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)的改造升級(jí)，解決了原有監(jiān)控系統(tǒng)視頻清晰度低、故障率高、無法實(shí)現(xiàn)視頻二次應(yīng)用等問題，但視頻仍是碎片化呈現(xiàn)。

目前，已有的隧道視頻解決方案在不同程度上提升了隧道數(shù)字化運(yùn)營管理能力，但仍存在一些亟待解決的問題。主要包括： 1)視頻碎片化。隧道監(jiān)控視頻的相似性強(qiáng)，海量視頻碎片化呈現(xiàn)，日常管理人員對(duì)實(shí)時(shí)視頻的認(rèn)知壓力大； 2)視頻與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分離。目前視頻監(jiān)控系統(tǒng)與隧道運(yùn)營的資產(chǎn)、應(yīng)急、機(jī)電等子系統(tǒng)相互分離，數(shù)據(jù)之間難以互通，跨系統(tǒng)集成成本高； 3)缺少二三維聯(lián)動(dòng)的響應(yīng)手段，傳統(tǒng)業(yè)務(wù)子系統(tǒng)通常以二維方式呈現(xiàn)，缺少可以將業(yè)務(wù)系統(tǒng)、三維場(chǎng)景、監(jiān)控視頻快速聯(lián)動(dòng)響應(yīng)的方法與工具。

三維視頻融合技術(shù)將視頻實(shí)時(shí)注冊(cè)融合到三維虛擬場(chǎng)景中，給定視頻間的上下文信息，建立符合人類認(rèn)知習(xí)慣的監(jiān)控場(chǎng)景，為以上問題的解決帶來新的思路。目前國內(nèi)外常用的視頻融合方法包括[16-17]： 視頻標(biāo)簽地圖方法、視頻圖像拼接方法、三維場(chǎng)景中的視頻疊加過渡方法、視頻與三維場(chǎng)景融合方法。視頻標(biāo)簽地圖方法[18]是將視頻點(diǎn)位與二維地圖相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)不同地點(diǎn)視頻的查詢與導(dǎo)覽，但視頻與底圖、視頻與視頻依然是分開展示的，用戶在虛擬場(chǎng)景中缺乏三維方向感。視頻圖像拼接方法[19]采用球面固定式虛擬模型將視頻流進(jìn)行全景拼接，這一方法的不足之處是視點(diǎn)僅限定在拍攝視點(diǎn)附近。視頻圖像疊加到三維場(chǎng)景方法[20]是將視頻窗口疊加到3D模型視圖窗口的上方，這一方法僅允許用戶在相機(jī)視點(diǎn)的轉(zhuǎn)移路徑上觀看疊加的結(jié)果。視頻與三維場(chǎng)景融合方法[17，21]是利用相機(jī)捕捉真實(shí)對(duì)象的視頻圖像，并將視頻圖像以紋理的方式實(shí)時(shí)注冊(cè)到虛擬環(huán)境中，這是一種真三維的方法，視頻選擇范圍更加自由。

結(jié)合視頻與三維場(chǎng)景融合方法的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，針對(duì)目前隧道運(yùn)營監(jiān)控中存在的視頻碎片化、視頻與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分離、缺乏聯(lián)動(dòng)響應(yīng)手段等問題，提出一種基于三維視頻融合的隧道運(yùn)營管理應(yīng)用方法。主要包括： 1)在對(duì)隧道運(yùn)營業(yè)務(wù)特征分析的基礎(chǔ)上，梳理目前國內(nèi)隧道運(yùn)營管理對(duì)視頻監(jiān)控的具體業(yè)務(wù)需求； 2)利用BIM、點(diǎn)云掃描、模型輕量化等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建隧道場(chǎng)景的結(jié)構(gòu)模型，形成視頻融合的模型基礎(chǔ)； 3)提出一種隧道視頻三維注冊(cè)與虛實(shí)融合方法，將離散的多路監(jiān)控視頻與三維場(chǎng)景模型實(shí)時(shí)融合，建立視頻與場(chǎng)景、視頻與視頻之間的時(shí)空關(guān)聯(lián)關(guān)系； 4)在視頻融合后的三維場(chǎng)景中，實(shí)時(shí)匯聚隧道內(nèi)各類物聯(lián)傳感數(shù)據(jù)，以動(dòng)靜態(tài)標(biāo)簽形式在三維場(chǎng)景中增強(qiáng)顯示，輔助業(yè)務(wù)管理并實(shí)時(shí)更新； 5)以國內(nèi)某隧道為試點(diǎn)，開展基于三維視頻融合場(chǎng)景的隧道運(yùn)營管理創(chuàng)新應(yīng)用示范，探索二三維聯(lián)動(dòng)的隧道運(yùn)營管理新模式。

1 隧道運(yùn)營業(yè)務(wù)特征與監(jiān)控需求分析

國內(nèi)隧道運(yùn)營單位日常運(yùn)營的主要工作目標(biāo)是“保暢通行”，主要業(yè)務(wù)包括運(yùn)營監(jiān)控、設(shè)施維保、土建養(yǎng)護(hù)、應(yīng)急保障等。隧道運(yùn)營管理中對(duì)視頻監(jiān)控的需求主要體現(xiàn)在4個(gè)方面[22]。1)隧道保暢。對(duì)隧道全線進(jìn)行定時(shí)巡查，通過監(jiān)控視頻及時(shí)發(fā)現(xiàn)響應(yīng)隧道通暢運(yùn)行的事件，結(jié)合隧道內(nèi)交通檢測(cè)設(shè)施分析、預(yù)警擁堵事件，結(jié)合交通信號(hào)控制、廣播、現(xiàn)場(chǎng)處置等措施，保障隧道通暢運(yùn)行。2)事故救援。對(duì)于交警轉(zhuǎn)接或電話接警的汽車拋錨、交通事故、突發(fā)應(yīng)急事件、設(shè)施故障、重大隱患等問題，利用監(jiān)控相機(jī)快速確認(rèn)警情位置，及時(shí)派出拖車進(jìn)行事故救援與應(yīng)急處置。3)設(shè)施管理。利用監(jiān)控視頻對(duì)隧道內(nèi)的重要設(shè)施設(shè)備進(jìn)行巡查，結(jié)合相關(guān)物聯(lián)傳感器數(shù)據(jù)與分析，判斷隧道機(jī)電設(shè)施設(shè)備的狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)施故障并進(jìn)行處置。4)應(yīng)急響應(yīng)。對(duì)隧道運(yùn)營過程中發(fā)生的應(yīng)急突發(fā)情況、惡劣天氣等方面事件進(jìn)行及時(shí)響應(yīng)，利用視頻監(jiān)控與相關(guān)物聯(lián)設(shè)施對(duì)應(yīng)急過程提供保障，支持應(yīng)急預(yù)警、處置、響應(yīng)、善后與恢復(fù)。隧道運(yùn)營的業(yè)務(wù)特點(diǎn)和管理需求對(duì)基于視頻的運(yùn)營管理應(yīng)用提出了明確的應(yīng)用目標(biāo)。

2 基于BIM的隧道基礎(chǔ)設(shè)施模型快速構(gòu)建

三維場(chǎng)景模型構(gòu)建是視頻融合的基礎(chǔ)，隧道場(chǎng)景包括洞身、襯砌、洞門、道路、隱蔽工程、附屬設(shè)施、機(jī)電設(shè)施等多類結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)通常保持不變或變化較慢，可以采用BIM、點(diǎn)云掃描等技術(shù)快速構(gòu)建隧道場(chǎng)景模型，形成與實(shí)際隧道場(chǎng)景基本一致的場(chǎng)景模型基礎(chǔ)。圖1為某隧道BIM參數(shù)化建模示例，利用Revit、Civil 3D等BIM工具，對(duì)圓形隧道段、矩形隧道段、引道段等隧道段的基本墻模型、道路模型、防撞墻、排水溝、裝飾板進(jìn)行三維建模，同時(shí)針對(duì)變電所、通風(fēng)井、道口值勤亭等設(shè)施設(shè)備進(jìn)行建模與渲染，形成具有真實(shí)感的整體隧道場(chǎng)景模型。

圖1 隧道BIM建模示例

場(chǎng)景模型的構(gòu)建應(yīng)以構(gòu)建與空間拓?fù)湎嚓P(guān)的表觀特征為目標(biāo)，不用對(duì)非顯示結(jié)構(gòu)、局部細(xì)節(jié)、非必要屬性進(jìn)行重建。復(fù)用已有BIM模型時(shí)需要對(duì)模型進(jìn)行必要的輕量化處理。通常運(yùn)營階段的BIM模型體量較大、精度過高、屬性信息過多。對(duì)于視頻融合而言，過高精度的模型細(xì)節(jié)會(huì)影響多路視頻融合與實(shí)時(shí)繪制的效率，因此需要進(jìn)行輕量化處理?？赏ㄟ^對(duì)數(shù)據(jù)層次結(jié)構(gòu)的合并、抽取、重組織、減面、修復(fù)等操作，實(shí)現(xiàn)模型三角面片數(shù)量的減少以及文件大小的縮減。

3 隧道監(jiān)控視頻的三維注冊(cè)與虛實(shí)融合

三維視頻融合技術(shù)的難點(diǎn)是相機(jī)三維注冊(cè)、投影矩陣計(jì)算和可見模型篩選。提出一種隧道監(jiān)控視頻的三維注冊(cè)與虛實(shí)融合繪制方法，預(yù)先標(biāo)定隧道場(chǎng)景中多路監(jiān)控視頻的位置、朝向、焦距、型號(hào)等相機(jī)參數(shù)，使用場(chǎng)景圖對(duì)場(chǎng)景數(shù)據(jù)進(jìn)行組織，將不同坐標(biāo)系下相機(jī)的位置和朝向信息轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的三維空間坐標(biāo)系中。在三維空間中根據(jù)相機(jī)的位置和朝向等參數(shù)信息計(jì)算相機(jī)的模型-視圖矩陣和投影矩陣。根據(jù)模型-視圖矩陣和投影矩陣建立視頻畫面與三維模型的投影關(guān)系，使用該投影關(guān)系將視頻畫面投影到三維模型上，并在投影時(shí)檢測(cè)對(duì)象的遮擋關(guān)系，確保視頻圖像不投影到被遮擋部分，最終實(shí)現(xiàn)視頻圖像與三維場(chǎng)景的融合繪制。

隧道監(jiān)控視頻三維注冊(cè)與虛實(shí)融合過程如圖2所示，具體實(shí)施步驟包括： 1)在監(jiān)控視頻的三維注冊(cè)過程中，根據(jù)相機(jī)點(diǎn)位、朝向、高度等信息，結(jié)合場(chǎng)景拓樸結(jié)構(gòu)和重要標(biāo)志點(diǎn)，恢復(fù)三維相機(jī)位姿，將相機(jī)在真實(shí)環(huán)境中的位置和姿態(tài)信息轉(zhuǎn)換為三維空間中的位置和姿態(tài)值。2)利用轉(zhuǎn)換后的位置和姿態(tài)計(jì)算相機(jī)在三維空間中的模型-視圖矩陣和投影矩陣。3)使用模型-視圖矩陣和投影矩陣計(jì)算相機(jī)在三維空間中的視錐結(jié)構(gòu)，將視錐的遠(yuǎn)裁剪面作為遠(yuǎn)平面補(bǔ)充場(chǎng)景結(jié)構(gòu)。4)使用模型-視圖矩陣和投影矩陣渲染相機(jī)視點(diǎn)下的場(chǎng)景深度信息，再一遍融合。 5)在顯卡中進(jìn)行片元紋理化和色彩化操作，片元經(jīng)過光柵化操作后最終轉(zhuǎn)換為屏幕上所見到的像素。通過以上相機(jī)三維注冊(cè)、虛實(shí)融合、聯(lián)合繪制等操作，實(shí)現(xiàn)二維視頻與三維模型的實(shí)時(shí)虛實(shí)融合。

圖2 隧道視頻融合過程示意圖

通過三維注冊(cè)與投影計(jì)算，將實(shí)際隧道場(chǎng)景中的多路監(jiān)控視頻與隧道幾何模型依拓?fù)鋵?shí)時(shí)虛實(shí)融合。圖3(a)為槍機(jī)融合后的效果，可以看到車道線與三維模型中的車道線較好地融合到一起； 圖3(b)為魚眼相機(jī)融合效果，魚眼相機(jī)具有更廣的視場(chǎng)角。這一方法在相機(jī)間具有較高重疊度。場(chǎng)景中具有明顯標(biāo)志物和場(chǎng)景空間關(guān)系簡單時(shí)可以達(dá)到較好的融合效果，但在處理相機(jī)覆蓋過小、相機(jī)間重疊較少或場(chǎng)景無明顯標(biāo)志物的情況下會(huì)出現(xiàn)匹配誤差。

(a) 槍機(jī)融合效果

(b) 魚眼相機(jī)融合效果

4 基于IoT的隧道業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)匯聚與場(chǎng)景更新

隧道場(chǎng)景中有溫度、濕度、風(fēng)速、限高檢測(cè)，可變情報(bào)板，通風(fēng)、照明、排水、消防、火災(zāi)報(bào)警器，CO/VI檢測(cè)器，廣播系統(tǒng)，限速板，車輛檢測(cè)系統(tǒng)，緊急電話，信號(hào)燈，光照度儀等多類物聯(lián)設(shè)備與控制系統(tǒng)； 在視頻融合的三維空間中對(duì)設(shè)施設(shè)備進(jìn)行數(shù)字資產(chǎn)標(biāo)注與管理，并以消息格式接入物聯(lián)傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，基于業(yè)務(wù)需求進(jìn)行報(bào)警聯(lián)動(dòng)。物聯(lián)傳感數(shù)據(jù)包括靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，靜態(tài)數(shù)據(jù)主要用于資產(chǎn)臺(tái)帳、設(shè)備屬性等靜態(tài)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)主要指實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的交通、設(shè)施狀態(tài)、環(huán)境等數(shù)據(jù)。

圖4為隧道資產(chǎn)與標(biāo)注數(shù)據(jù)匯聚示例，在多路視頻與BIM模型實(shí)時(shí)融合后的場(chǎng)景中將相機(jī)點(diǎn)位、隱蔽工程、輔助標(biāo)注等信息在場(chǎng)景中進(jìn)行實(shí)時(shí)標(biāo)注，輔助提升管理人員對(duì)場(chǎng)景的認(rèn)知能力。在視頻融合后的三維場(chǎng)景中可以對(duì)隧道內(nèi)廣播、風(fēng)機(jī)等設(shè)施的點(diǎn)位標(biāo)注、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與增強(qiáng)顯示，通過外場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端的數(shù)據(jù)接入，將實(shí)際隧道場(chǎng)景中的交通檢測(cè)、結(jié)構(gòu)形變監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、照明、電力、消防、通風(fēng)、給排水、交通信號(hào)、可變情報(bào)板、廣播與電話等物聯(lián)傳感設(shè)備與虛擬場(chǎng)景中的虛擬設(shè)備進(jìn)行關(guān)聯(lián)注冊(cè)，并以一定頻率更新到三維場(chǎng)景中，用戶可以在三維空間直接查看設(shè)備屬性與狀態(tài)信息，并支持三維場(chǎng)景中異常數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)標(biāo)注與應(yīng)急響應(yīng)反饋控制。用戶還可以在三維空間自主的定義和制作各類三維標(biāo)簽，將與業(yè)務(wù)管理相關(guān)的重要信息進(jìn)行直接關(guān)聯(lián)，輔助場(chǎng)景認(rèn)知和業(yè)務(wù)管理。

圖4 隧道資產(chǎn)與標(biāo)注數(shù)據(jù)匯聚示例

5 示范應(yīng)用與效果分析

新技術(shù)的應(yīng)用必定會(huì)帶來相應(yīng)管理模式的變化，相比傳統(tǒng)的視頻墻式運(yùn)營監(jiān)控方法，三維視頻融合場(chǎng)景中增加了空間三維信息，可以以更加直觀的方式進(jìn)行隧道場(chǎng)景管控，應(yīng)用創(chuàng)新主要體現(xiàn)在隧道頂視圖全局監(jiān)控、隧道自動(dòng)視頻巡邏、二三維聯(lián)動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)、隧道設(shè)施三維集成與聯(lián)動(dòng)監(jiān)管等方面。以國內(nèi)某隧道場(chǎng)景為例，結(jié)合隧道運(yùn)營管理中隧道保暢、事故救援、設(shè)施管理、應(yīng)急響應(yīng)等業(yè)務(wù)實(shí)際需求，開展基于三維視頻融合場(chǎng)景的隧道運(yùn)營管理方法探索和效果分析。

5.1 示范選擇與實(shí)施

選擇國內(nèi)某隧道開展技術(shù)應(yīng)用示范，示范隧道分東線和西線2座，東線隧道長2.56 km，西線隧道長2.55 km，2座隧道中間分南北有2條聯(lián)絡(luò)通道。隧道設(shè)計(jì)車速為40 km/h，隧道橫斷面為雙向4車道，車道寬3.75 m，限高4.2 m，最高通行能力為雙向5 248 輛/h。隧道東西兩線共有48路監(jiān)控相機(jī)，包括槍機(jī)、球機(jī)2種類型，以100 m左右間隔、4.5～5 m高度安裝，視頻采用DVR進(jìn)行存儲(chǔ)管理，視頻監(jiān)控的基礎(chǔ)條件較好。隧道運(yùn)營單位已經(jīng)集成廣播系統(tǒng)、可變情報(bào)板、限速板、車輛檢測(cè)系統(tǒng)、緊急電話、信號(hào)燈、光照度儀及現(xiàn)場(chǎng)智能控制終端等各專業(yè)子系統(tǒng)，具有較好的場(chǎng)景感知與管控基礎(chǔ)。隧道運(yùn)營單位前期應(yīng)用BIM、5G、物聯(lián)網(wǎng)等信息新技術(shù)致力于打造全生命周期管理示范隧道和新技術(shù)應(yīng)用樣板，具有較好的數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。綜上可知，所選隧道具有較好的基礎(chǔ)條件和示范代表性。

通過數(shù)據(jù)采集、場(chǎng)景建模、相機(jī)標(biāo)定、場(chǎng)景融合、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、功能開發(fā)等，對(duì)示范隧道進(jìn)行三維視頻融合的虛擬場(chǎng)景構(gòu)建與運(yùn)營管理應(yīng)用，示范過程示意見圖5。

(a) 示范場(chǎng)景BIM建模

(b) 多路視頻實(shí)時(shí)融合

(c) 物聯(lián)傳感數(shù)據(jù)匯聚融合

(d) 數(shù)字孿生場(chǎng)景構(gòu)建

圖5(a)為示范隧道的BIM建模，可以看到模型在輕量化后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)保持了幾何完整性； 圖5(b)為隧道內(nèi)監(jiān)控多路視頻實(shí)時(shí)融合后的效果示例，通過相機(jī)點(diǎn)位、朝向標(biāo)定與投影計(jì)算，使得場(chǎng)景與視頻畫面具有較高的匹配度； 圖5(c)為隧道物聯(lián)傳感數(shù)據(jù)匯聚融合示例，除了在三維場(chǎng)景中進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)標(biāo)簽的直接標(biāo)注外，還可以將溫濕度、風(fēng)速、交通量等實(shí)時(shí)與歷史數(shù)據(jù)以圖表形式進(jìn)行綜合集成顯示； 圖5(d)為集成以上數(shù)據(jù)與關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)建得到的數(shù)字孿生隧道虛擬場(chǎng)景，可以看到隧道場(chǎng)景與數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)顯示更加符合管理人員的視覺認(rèn)知。

5.2 示范應(yīng)用效果分析

結(jié)合示范隧道建設(shè)與運(yùn)營現(xiàn)狀，開展基于三維視頻融合的隧道運(yùn)營管理示范應(yīng)用驗(yàn)證，研發(fā)隧道數(shù)字孿生智慧運(yùn)營系統(tǒng)，開展基于融合場(chǎng)景的隧道保暢、事故救援、設(shè)施管理、應(yīng)急響應(yīng)等管理應(yīng)用。

1)隧道保暢全局監(jiān)控，減輕監(jiān)控人員認(rèn)知壓力。研發(fā)隧道三維視頻融合智慧運(yùn)營管理系統(tǒng)，建立二維視頻與三維場(chǎng)景之間的空間關(guān)聯(lián)關(guān)系，提供虛擬頂視圖的隧道全局通行狀態(tài)監(jiān)測(cè)(如圖6所示)，用戶可直觀查看隧道運(yùn)行狀態(tài)，并支持三維空間的自主漫游查看分析，減輕了監(jiān)控人員的認(rèn)知壓力。

圖6 隧道虛擬頂視圖顯示

2)全線智慧視頻巡邏，降低人工巡邏成本。利用構(gòu)建得到的隧道三維視頻融合場(chǎng)景和系統(tǒng)，用戶可以在場(chǎng)景中自定義巡邏線路、巡邏點(diǎn)、巡邏頻次、巡邏時(shí)間，系統(tǒng)按照設(shè)定的智慧巡邏線路，開展符合行車認(rèn)知的全線自動(dòng)視頻巡邏(如圖7所示)，減少了人工現(xiàn)場(chǎng)巡邏、手柄球機(jī)查看的次數(shù)，降低了人工巡邏的成本。

圖7 隧道全線智慧巡邏

3)歷史視頻全景統(tǒng)一回溯，提高事件溯源效率。利用構(gòu)建得到的隧道三維視頻融合場(chǎng)景和系統(tǒng)，將場(chǎng)景中所有監(jiān)控視頻進(jìn)行統(tǒng)一時(shí)鐘控制，可以按用戶需求將時(shí)鐘統(tǒng)一回調(diào)到過去某一時(shí)刻，用于對(duì)某一異常事件的發(fā)生、發(fā)展與處置全過程進(jìn)行追溯或取證(如圖8所示)，提高了異常事件溯源、追蹤的工作效率。

圖8 歷史視頻三維統(tǒng)一回溯取證

4)隧道物聯(lián)設(shè)施匯聚融合，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字資產(chǎn)管理。利用構(gòu)建得到的隧道三維視頻融合與增強(qiáng)顯示(如圖9所示)，支持多源物聯(lián)傳感設(shè)施、狀態(tài)與數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接入，實(shí)現(xiàn)隧道土建結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)施、專用設(shè)備的三維數(shù)字資產(chǎn)管理。

圖9 物聯(lián)設(shè)施三維融合與增強(qiáng)顯示

5)隧道警情二三維聯(lián)動(dòng)響應(yīng)，提高事故救援與應(yīng)急處置能力。隧道三維視頻融合系統(tǒng)包括二維地圖和三維場(chǎng)景，用戶可在接到警情、發(fā)現(xiàn)異常時(shí)在二三維之間快速跳轉(zhuǎn)、漫游、確認(rèn)警情、查看異常(如圖10所示)，提高運(yùn)營單位警情確認(rèn)、異常定位、事故救援和應(yīng)急處置的能力。

此外，隧道三維視頻融合智慧運(yùn)營管理系統(tǒng)還支持多級(jí)管控、空間追視、相機(jī)接力、放大鏡等操作，變革了二維矩陣式監(jiān)控方案，在三維空間中進(jìn)行管理業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)。

圖10 二三維雙向聯(lián)動(dòng)響應(yīng)操作

5.3 問題分析

通過示范隧道的試點(diǎn)應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)仍存在不足，主要包括： 模擬相機(jī)分辨率不足、已有相機(jī)未能實(shí)現(xiàn)隧道場(chǎng)景全覆蓋、物聯(lián)數(shù)據(jù)的接入依賴于其他子系統(tǒng)等。針對(duì)以上問題，給出示范隧道場(chǎng)景智慧化管理進(jìn)一步優(yōu)化的建議。

1)提高外場(chǎng)監(jiān)控相機(jī)分辨率。視頻融合技術(shù)解決不了外場(chǎng)監(jiān)控分辨率不足的問題，建議有條件情況下提升外場(chǎng)監(jiān)控終端的相機(jī)分辨率，利用高清數(shù)字相機(jī)取代目前在役的模擬相機(jī)，改善外場(chǎng)監(jiān)控相機(jī)的基礎(chǔ)條件。

2)提高外場(chǎng)相機(jī)覆蓋率。目前示范隧道在役相機(jī)覆蓋區(qū)域有限，未能實(shí)現(xiàn)隧道場(chǎng)景的全覆蓋，建議在后期的外場(chǎng)終端升級(jí)改造時(shí)增加外場(chǎng)相機(jī)覆蓋率。①減少相機(jī)部署間距，以50 m或70 m的間隔進(jìn)行場(chǎng)景的相機(jī)部署； ②采用槍機(jī)、球機(jī)、魚眼等多類相機(jī)組合部署方式，增加場(chǎng)景監(jiān)測(cè)的覆蓋率與靈活性，如： 在彎道區(qū)域采用魚眼或廣角相機(jī)進(jìn)行采集、在重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域加裝球機(jī)用于空間追視球機(jī)聯(lián)動(dòng)等。

3)形成動(dòng)態(tài)物聯(lián)傳感數(shù)據(jù)接入標(biāo)準(zhǔn)。以消息模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞、以控件方式進(jìn)行系統(tǒng)間關(guān)聯(lián)的方式符合目前隧道信息化管理的實(shí)際，針對(duì)交通檢測(cè)、環(huán)境檢測(cè)、結(jié)構(gòu)檢測(cè)等多種類型的物聯(lián)傳感數(shù)據(jù)，需要結(jié)合業(yè)務(wù)管理實(shí)際形成數(shù)據(jù)接入、分析與應(yīng)用的規(guī)范模式與數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

4)增強(qiáng)隧道前端相機(jī)的邊緣計(jì)算能力。在隧道監(jiān)控視頻的前端增加智能化識(shí)別功能，支持隧道場(chǎng)景中人員、車輛、災(zāi)害等事件的快速識(shí)別能力，并可在三維場(chǎng)景直接接入識(shí)別結(jié)果，避免海量IoT數(shù)據(jù)接入引起的實(shí)時(shí)性、安全性和網(wǎng)絡(luò)堵塞問題。

5)深化三維實(shí)景視頻融合的隧道智慧管理模式創(chuàng)新。在試點(diǎn)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的基礎(chǔ)上，持續(xù)深化業(yè)務(wù)管理與虛實(shí)融合技術(shù)的融合，推動(dòng)隧道應(yīng)急指揮全景化、隧道分艙分級(jí)管理等基于三維視頻融合技術(shù)與數(shù)字孿生系統(tǒng)的管理模式創(chuàng)新。

6 結(jié)論與展望

構(gòu)建隧道三維視頻融合場(chǎng)景，應(yīng)用于隧道保暢、事故救援、設(shè)施管理、應(yīng)急響應(yīng)等各個(gè)方面，為隧道運(yùn)營中復(fù)雜交通問題的分析和解決提供新的思路與手段?；谌S視頻融合的隧道數(shù)字孿生構(gòu)建與虛實(shí)融合運(yùn)營應(yīng)用方法展開了研究。

1)在分析隧道保暢、事故救援、設(shè)施管理、應(yīng)急響應(yīng)等運(yùn)營業(yè)務(wù)需求與特征的基礎(chǔ)上，利用BIM技術(shù)對(duì)洞身、襯砌、洞門、道路、隱蔽工程、附屬設(shè)施、機(jī)電設(shè)施等對(duì)象進(jìn)行參數(shù)化建模，形成與實(shí)際隧道場(chǎng)景三維模型。

2)通過三維注冊(cè)與投影計(jì)算，將隧道場(chǎng)景中的多路監(jiān)控視頻與隧道幾何模型依拓?fù)溥M(jìn)行實(shí)時(shí)虛實(shí)融合，形成三維實(shí)景融合的隧道虛擬場(chǎng)景。

3)匯聚融合多源物聯(lián)傳感數(shù)據(jù)，將實(shí)際隧道場(chǎng)景中的交通檢測(cè)、結(jié)構(gòu)形變監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、照明、電力、消防、通風(fēng)、給排水、交通信號(hào)、可變情報(bào)板、廣播與電話等設(shè)施設(shè)備與虛擬場(chǎng)景的虛擬設(shè)備進(jìn)行關(guān)聯(lián)注冊(cè)、數(shù)據(jù)接入、動(dòng)態(tài)標(biāo)注與實(shí)時(shí)更新。

4)以國內(nèi)某隧道為例，開展基于視頻融合場(chǎng)景的虛擬頂視圖全局監(jiān)控、隧道自動(dòng)視頻巡邏、二三維聯(lián)動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)、隧道設(shè)施三維集成與聯(lián)動(dòng)監(jiān)管等隧道運(yùn)營管理應(yīng)用。

應(yīng)用結(jié)果表明： 通過隧道三維視頻融合場(chǎng)景的構(gòu)建與應(yīng)用，解決了隧道運(yùn)營監(jiān)控視頻碎片化問題，推動(dòng)了視頻與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分離問題的解決，為應(yīng)急事件的二三維聯(lián)動(dòng)響應(yīng)提供了工具支持，提升了隧道保暢、事故救援、設(shè)施管理、應(yīng)急響應(yīng)等業(yè)務(wù)管理的效率，支持對(duì)隧道基礎(chǔ)設(shè)施與交通運(yùn)行的精準(zhǔn)感知與精細(xì)管理。

下一步將開展多源物聯(lián)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的三維場(chǎng)景迭代、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)隧道交通運(yùn)行仿真與預(yù)測(cè)推演、適用于視頻融合數(shù)字孿生應(yīng)用的“云邊端”架構(gòu)與功能設(shè)計(jì)、虛實(shí)融合的隧道數(shù)字孿生感知與應(yīng)用場(chǎng)景分析等工作。