基于AI視頻+數(shù)字孿生的高速公路隧道安全運(yùn)營(yíng)管理應(yīng)用

劉國(guó)文

（山西交通控股集團(tuán)有限公司呂梁北高速公路分公司，山西呂梁 033000）

0 引言

AI視頻+數(shù)字孿生成為新一代人工智能視頻分析技術(shù)，其結(jié)合三維高精度地圖GIS進(jìn)行實(shí)景數(shù)字化還原展現(xiàn)的技術(shù)。準(zhǔn)確地說，AI是工具，數(shù)字孿生是源自工業(yè)界的概念，通過AI視頻與數(shù)字孿生結(jié)合，賦予機(jī)器以人的智慧，讓機(jī)器去處理耗時(shí)、危險(xiǎn)的事情，反映相應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程。因此，AI視頻+數(shù)字孿生技術(shù)憑借其優(yōu)勢(shì)，被有效應(yīng)用于智能城市的發(fā)展中。

1 高速公路隧道運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)因素

1.1 人為因素

在隧道運(yùn)營(yíng)工作的開展中，不僅施工人員會(huì)對(duì)運(yùn)營(yíng)工作帶來影響，駕駛員和行人穿越等都會(huì)影響高速公路隧道運(yùn)營(yíng)的穩(wěn)定性。駕駛員如果出現(xiàn)了疲勞駕駛和超速駕駛等情況，或在駕駛過程中注意力分散，沒有注意前后的車距，就會(huì)導(dǎo)致判斷失誤，進(jìn)而引發(fā)交通事故[1]。

1.2 車輛因素

高速公路隧道安全運(yùn)營(yíng)管理中的車輛因素，一般是指車輛本身的使用性能，如車輛的制動(dòng)能力和車輛自身的操作性能等。此外，還有車輛停駛、車輛逆行、拋灑物、車輛擁堵、車輛駛離、超速、慢速等諸多因素。如果車輛在行駛過程中，出現(xiàn)了制動(dòng)失靈和爆胎等問題，可能出現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)人們的生命安全造成威脅。

2 隧道AI視頻+數(shù)字孿生分析

隧道“AI視頻+數(shù)字孿生分析”技術(shù)通過像素級(jí)、二維空間和大地坐標(biāo)三層坐標(biāo)等映射模型算法，對(duì)車輛和物體的大小以及地理坐標(biāo)進(jìn)行綜合性分析，進(jìn)而保證軌跡采集和記錄的有效性。

隧道AI視頻+數(shù)字孿生系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)較多，其不僅可以采集交通參數(shù)、道路運(yùn)行態(tài)勢(shì)和道路環(huán)境等宏觀信息，還可以在視覺感知等技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)時(shí)感知車輛、非機(jī)動(dòng)車位置和速度，并結(jié)合道路基礎(chǔ)設(shè)施的實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行感知，如信號(hào)燈狀態(tài)和車道狀態(tài)等，充分結(jié)合本時(shí)段高速公路實(shí)際情況，為隧道運(yùn)營(yíng)方、常規(guī)車輛和無人駕駛汽車等構(gòu)建數(shù)字世界，并將隧道內(nèi)實(shí)時(shí)運(yùn)行的車輛、行人等通過AI視頻分析檢測(cè)，然后通過建模的方式在數(shù)字世界實(shí)現(xiàn)隧道1∶1的實(shí)時(shí)還原，提供準(zhǔn)確和全面的車路感知信息，從而為隧道“可測(cè)、可知、可控、可服務(wù)”提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。AI數(shù)字孿生監(jiān)測(cè)下高速公路隧道內(nèi)實(shí)時(shí)運(yùn)行圖如圖1所示。

圖1 AI數(shù)字孿生監(jiān)測(cè)下高速公路隧道內(nèi)實(shí)時(shí)運(yùn)行圖

3 數(shù)字孿生智能系統(tǒng)在高速公路隧道安全運(yùn)營(yíng)管理的應(yīng)用

隨著科技的不斷進(jìn)步，5G、物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，國(guó)家對(duì)交通運(yùn)輸安全尤為重視。在第十五屆中國(guó)智能交通年會(huì)上，“AI+數(shù)字孿生公路”的概念被提出，目的是使智能一體化與新時(shí)期的創(chuàng)新發(fā)展深度融合。因此，高速公路隧道應(yīng)建立“完善的監(jiān)測(cè)感知體系、可靠的通信保障體系、實(shí)時(shí)的預(yù)警體系”，從而實(shí)現(xiàn)隧道“可測(cè)、可知、可控、可服務(wù)”的總體目標(biāo)。

3.1 智能系統(tǒng)下的隧道監(jiān)測(cè)管理

3.1.1 隧道主體結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)

結(jié)合高速公路隧道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，大部分隧道都會(huì)修筑在山嶺地區(qū)，周圍環(huán)境和基礎(chǔ)設(shè)備均比較差，通風(fēng)、照明、形狀等都是一大考驗(yàn)，因此在隧道的運(yùn)營(yíng)過程中，極易出現(xiàn)安全問題。特別是在6月—8月雨季時(shí)，襯砌表面和施工縫隙經(jīng)常出現(xiàn)滲漏水的現(xiàn)象，有時(shí)甚至?xí)斐伤淼拦绊敱砻婷撀浠蚵访娣e水，影響出行安全。此外，一些隧道深埋于山體內(nèi)部，如果圍巖應(yīng)力出現(xiàn)變化，或者是分布不均，會(huì)導(dǎo)致襯砌受力不均勻，造成局部圍巖壓力過高，極易導(dǎo)致隧道等部位出現(xiàn)變形，嚴(yán)重情況下會(huì)引起隧道二次襯砌開裂，需要相關(guān)的管理人員定期對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)高速公路的隧道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并科學(xué)設(shè)置隧道中的傳感設(shè)施，采集相關(guān)數(shù)據(jù)。同時(shí)，還要定期檢測(cè)專業(yè)巡檢人員的工作情況，通過專業(yè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道以及周圍環(huán)境各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)的檢驗(yàn)，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)體的測(cè)量值進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。隧道結(jié)構(gòu)體的健康檢測(cè)流程圖如圖2所示。

圖2 隧道結(jié)構(gòu)體的健康檢測(cè)流程圖

在此過程中，可以結(jié)合實(shí)際需要，調(diào)整人工設(shè)置的數(shù)據(jù)采集頻率，一般情況下30～60min采集一次數(shù)據(jù)即可。所采集的數(shù)據(jù)可直接上傳至監(jiān)控中心的服務(wù)器，然后通過系統(tǒng)內(nèi)預(yù)先設(shè)置的健康評(píng)價(jià)模型，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和計(jì)算，從而得出隧道健康度數(shù)值。如果此數(shù)值大于等于系統(tǒng)設(shè)定的健康最低數(shù)值，會(huì)顯示隧道運(yùn)營(yíng)正常。當(dāng)其低于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警提醒，然后將其分為三個(gè)等級(jí)，分別為普通、嚴(yán)重以及危急。

3.1.2 隧道交通事件檢測(cè)

系統(tǒng)可在行車道、緊急行車道和緊急停車道等基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)各種交通事件的自動(dòng)檢測(cè)和分析，主要從事件開始時(shí)間、事件類型、檢測(cè)地點(diǎn)和檢測(cè)方向等內(nèi)容出發(fā)，將其實(shí)時(shí)上傳到中心的綜合管理平臺(tái)，有助于工作人員及時(shí)檢測(cè)行人穿越、車輛擁堵、車輛駛離和慢速等問題[2]。如果事件發(fā)生，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，且可對(duì)相關(guān)事件進(jìn)行自動(dòng)錄像，前后控制時(shí)長(zhǎng)不少于3min。此外，系統(tǒng)能記錄720h的事件錄像，每臺(tái)檢測(cè)攝像機(jī)視域內(nèi)設(shè)置的檢測(cè)區(qū)域不少于128個(gè)，每個(gè)檢測(cè)區(qū)域都可單獨(dú)進(jìn)行各類交通數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)圖像分析處理和維護(hù)管理的異地化組網(wǎng)功能，較少占用網(wǎng)絡(luò)資源，當(dāng)前端交通參數(shù)檢測(cè)分析處理設(shè)備在與中心服務(wù)器通訊出現(xiàn)故障時(shí)，能夠滿足本地的全部檢測(cè)功能不受影響，所有數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)在內(nèi)部存儲(chǔ)器上。一旦通訊恢復(fù)，設(shè)備能夠自動(dòng)將全部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到后端應(yīng)用設(shè)備及平臺(tái)，保證與通信中斷時(shí)數(shù)據(jù)不丟失。

3.2 智能系統(tǒng)下設(shè)備運(yùn)行安全與實(shí)現(xiàn)

人工智能與數(shù)字孿生的融合，可對(duì)隧道內(nèi)的機(jī)電設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、可視化管理，人工智能憑借其最佳算法優(yōu)勢(shì)，加之?dāng)?shù)字孿生的實(shí)時(shí)性、精準(zhǔn)性、虛實(shí)交互、干預(yù)性、軟件定義典型特征，能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬世界-數(shù)據(jù)世界-現(xiàn)實(shí)世界同步運(yùn)行與管理，從而提高效率，降低成本。

隧道管理人員可通過用戶界面，在GIS地圖信息中更加直觀地查看隧道周圍的環(huán)境，及時(shí)發(fā)現(xiàn)其中的問題，及時(shí)處理。此外，也要做好救援、疏散等應(yīng)急措施，提前做好防護(hù)，規(guī)劃好逃生路線，并做好設(shè)備養(yǎng)護(hù)工作，任何情況下都應(yīng)確保人員生命安全[3]。

4 結(jié)語

綜上所述，相較于BIM三維模型，AI視頻+數(shù)字孿生監(jiān)測(cè)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)表現(xiàn)出了更加突出的優(yōu)勢(shì)。因此，數(shù)字孿生更適用于路橋工程、隧道工程、軌道工程等城市對(duì)應(yīng)物通過虛擬世界模擬建立高精度、智能化反饋現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)字模型，實(shí)時(shí)掃描和捕獲其運(yùn)行狀態(tài)、工況以及位置信息，不僅能對(duì)建筑物進(jìn)行性能模擬，還可對(duì)建筑物進(jìn)行全生命周期維護(hù)。數(shù)字孿生還適用于各種工業(yè)施工領(lǐng)域，通過AI視頻+數(shù)字孿生的描述、預(yù)測(cè)、診斷、決策功能，為智能城市醫(yī)療健康、工業(yè)制造、建筑建設(shè)、交通運(yùn)輸、智慧農(nóng)業(yè)、電力設(shè)施等垂直行業(yè)賦能。