基于熱成像技術(shù)的山區(qū)高速公路隧道車輛超溫檢測及預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

肖應(yīng)紅 馮嚴(yán)

摘 ?要：系統(tǒng)安裝在高速公路長隧道入口前，部署紅外熱能檢測設(shè)備，用于實時監(jiān)控過往車輛的車身溫度分布。當(dāng)發(fā)現(xiàn)超溫車輛時即時通報給隧道管理所及上級單位，并通過與高速公路主線及隧道監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動，調(diào)用信息發(fā)布設(shè)施向司機發(fā)布提示信息，引導(dǎo)司乘人員進入服務(wù)區(qū)或駛離高速及時停車處理，將事故隱患消除在隧道外，從而降低隧道火災(zāi)事故發(fā)生的概率，為隧道管理提供危險熱源的主動探測能力，整體實現(xiàn)主動防護。

關(guān)鍵詞：高速公路；紅外熱成像；超溫檢測；預(yù)警系統(tǒng)

中圖分類號：TP277 ? ? 文獻標(biāo)識碼：A ? 文章編號：2096-4706（2023）14-0152-05

Design of Vehicle Over-Temperature Detection and Early Warning System in Mountain Highway Tunnel Based on Thermal Imaging Technology

XIAO Yinghong， FENG Yan

（Hunan Provincial Communications Planning， Survey & Design Institute Co.， Ltd.， Changsha ?410200， China）

Abstract： This system is installed in front of the long tunnel entrance of the expressway， equipped with infrared thermal energy detector， which is used to monitor the real-time temperature distribution of passing vehicles. When the vehicle with over-temperature is found， it will be immediately reported to the tunnel monitoring station and superior management unit. Through linking with the main line of the expressway and the tunnel monitoring system， it invokes the information release facilities to release the prompt information to the driver， and guide the driver to enter service area or get off the expressway to pull up， so as to eliminate a hidden danger outside the tunnel and reduce the probability of the tunnel fire accident. This system provides active detection capability of dangerous heat source for tunnel management， realizing overall active protection.

Keywords： expressway; infrared thermal imaging; over-temperature detection; early warning system

0 ?引 ?言

受車輛長時間駕駛、長時間剎車制動、天氣高溫，或車輛線路、供油系統(tǒng)故障等多種原因影響，高速公路車輛自燃等火災(zāi)事故時有發(fā)生。當(dāng)這類事故發(fā)生在長/特長隧道內(nèi)時，火勢極易沿隧道縱向快速蔓延，引起嚴(yán)重的交通事故和傷亡。如何在隧道洞外，及時發(fā)現(xiàn)超溫車輛并進行預(yù)警，并通知車輛在進入隧道前采取適當(dāng)?shù)奶幹么胧?，對減少隧道火災(zāi)事故的發(fā)生及人員傷亡意義重大。

車輛超溫超限監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)高速公路車輛行駛過程中超溫隱患的及時預(yù)警，加強監(jiān)控系統(tǒng)對車輛超溫以及流量監(jiān)測能力。本項目通過在隧道兩端路段適當(dāng)位置，安裝車輛超溫檢測設(shè)施，綜合車身測溫、流量統(tǒng)計、車輛識別、信息預(yù)警與發(fā)布等多種功能，為交通監(jiān)控和運行管理提供主動預(yù)警及干預(yù)能力。

1 ?選址與布局

1.1 ?路段特征

G60滬昆高速湖南段邵陽至懷化高速公路自通車以來，曾發(fā)生過數(shù)起車輛自燃事故。為實現(xiàn)對超溫車輛的監(jiān)控和預(yù)警處置，本系統(tǒng)在邵懷高速選取一段重點路段開展超溫車輛監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)。本次工程將監(jiān)測點位的選址定在邵懷段雞公界隧道兩側(cè)洞口外，該隧道為東西走向；隧道東側(cè)為雪峰山脈，自雪峰山由東往西駛來車輛，已行駛了一段長約20 km的長下坡路段；隧道洞口西側(cè)也存在數(shù)千米的下坡路段。車輛在高速公路上長時間行駛，特別是遇到長大下坡時，伴隨著車輛的頻繁剎車，剎車裝置容易升溫過高，進而可能導(dǎo)致車輛自燃。

1.2 ?選址要點

雞公界隧道西側(cè)的中方互通路段情況復(fù)雜，存在樞紐互通和多座橋梁，為確保系統(tǒng)實施可行性和超溫檢測效果，應(yīng)明確該處檢測設(shè)備和信息發(fā)布設(shè)備的安裝點位。

雞公界隧道東側(cè)洞口距最近的服務(wù)區(qū)（安江服務(wù)區(qū)）約為13 km。由雪峰山隧道自東向西駛來的車輛，要經(jīng)過一段20 km的平直+緩下坡路段，到達服務(wù)區(qū)以東路段時，會存在一定的超溫積累和風(fēng)險?？紤]到后續(xù)還有6 km爬坡和進入雞公界隧道，安江服務(wù)區(qū)是最佳的超溫檢測和?？繀^(qū)，具備車輛停車休整、降溫處理的條件。故該檢測點設(shè)置在安江服務(wù)區(qū)前適當(dāng)位置。

因此，超溫檢測及預(yù)警系統(tǒng)的基本布設(shè)思路如下：在雞公界隧道西側(cè)和東側(cè)約10 km之前設(shè)置門架式超溫檢測門架1和超溫檢測門架2，同時設(shè)置門架式可變情報板，對超溫車輛信息進行預(yù)警和發(fā)布，提示車輛經(jīng)中方互通駛離高速（對于西側(cè)來車），或進入安江服務(wù)區(qū)進行查驗和降溫處置（對于東側(cè)來車）。

1.3 ?布設(shè)方案

雞公界隧道以西：懷化至邵陽方向（西往東方向）距離雞公界隧道洞口約10 km為中方互通，在中方互通出口的分流端前約1.5 km設(shè)置一套超溫檢測設(shè)施，該處檢測設(shè)備利用既有的路徑識別門架進行安裝。檢測點后約1 km距離設(shè)置一套門架式可變信息標(biāo)志。在之后中方互通的高速出口0.5 km預(yù)告標(biāo)志牌前后，設(shè)置懸臂式靜態(tài)標(biāo)志牌，顯示文字為“超溫車輛，請下高速”，用于引導(dǎo)車輛下匝道駛離高速，進行降溫處理或事故檢查。設(shè)備布設(shè)情況如圖1所示。

雞公界隧道以東：邵陽至懷化方向（東往西方向）安江服務(wù)區(qū)以東約1.6 km處，設(shè)置一套超溫檢測設(shè)施。該處檢測設(shè)備利用既有的交警測速門架進行安裝。檢測門架后約0.6 km距離設(shè)置一套門架式可變信息標(biāo)志。在隨后的安江服務(wù)區(qū)前約1 km的服務(wù)區(qū)預(yù)告牌附近，于路側(cè)設(shè)置一處懸臂式靜態(tài)標(biāo)志牌，顯示文字為“超溫車輛，進服務(wù)區(qū)”，引導(dǎo)車輛駛?cè)敕?wù)區(qū)做降溫處理。設(shè)備布設(shè)情況如圖2所示。

2 ?基本原理

超溫檢測及預(yù)警系統(tǒng)以遠(yuǎn)紅外熱能成像技術(shù)為核心，輔以車牌識別、邊緣計算、交通信息發(fā)布與誘導(dǎo)、超溫檢測管理系統(tǒng)軟件等相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用，實現(xiàn)車身溫度的主動監(jiān)測，對異常溫度車輛進行識別和智能分析，通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，在后臺監(jiān)控平臺及時預(yù)警，提醒監(jiān)控人員對進行重點跟蹤；同時聯(lián)動可變信息標(biāo)志對超溫車輛進行信息發(fā)布與誘導(dǎo)，引導(dǎo)車輛進入指定地點進行降溫處理。

超溫檢測采用了遠(yuǎn)紅外測溫及熱能成像技術(shù)，具備精確度高、安裝簡單、全天候、可熱成像等優(yōu)勢，其基于以下基本原理：車輛向外界輻射電磁波，且車身輻射的能量大小及波長的分布，與其表面溫度有著密切的關(guān)系，高速公路上的車輛超溫檢測設(shè)施正是利用這一原理而實現(xiàn)對超溫車輛的非接觸式檢測。

在本系統(tǒng)中，超溫檢測設(shè)施通過探測到的溫度差進行紅外成像，并與視頻圖像進行融合，經(jīng)過邊緣計算單元進行數(shù)據(jù)分析，測量結(jié)果還可以通過成像裝置進行信號輸出，模擬掃描出物體表面溫度的空間分布，經(jīng)過系統(tǒng)處理，可生成直觀的表面熱分布相對應(yīng)的熱像圖；再通過通信系統(tǒng)傳輸至后端監(jiān)控中心的顯示屏上進行顯示。當(dāng)被測車輛溫度與數(shù)據(jù)庫（超溫檢測管理系統(tǒng)）中的超溫條件符合，則會觸發(fā)系統(tǒng)的超溫預(yù)警措施。

3 ?紅外熱成像儀波長選型

超溫檢測的核心設(shè)備是高精度紅外熱成像儀，按檢測的紅外線波長不同主要可分為兩種：基于3～5 μm和8～14 μm兩個不同波長的紅外線檢測。

大氣可吸收可見光和近紅外線，但是對3～5 μm中紅外線和8～14 μm遠(yuǎn)紅外線，大氣對其吸收卻很低，衰減較小，因而這兩個波段被稱為紅外線的“大氣窗口”。3～5 μm波長的紅外熱成像儀，通常采用制冷型傳感器（原件材料一般為碲鎘汞（CdxHg1-xTe）、銻化銦（InSb）、鉑化硅（PtSi）等，為發(fā)揮其最佳性能，需在低溫下制冷，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本），分辨率較高，多用于軍事及測高溫領(lǐng)域（1 000 ℃以上），但由于制冷原件成本高，價格也相對較高。8～14 μm波長的紅外熱成像儀，通常采用非制冷型傳感器（原件材料一般為氧化釩、硅摻雜（或多晶硅）），成本相對較低，分辨率也相對低，廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域。針對高速公路超溫檢測的實際要求，以及考慮性價比因素，選用8～14 μm遠(yuǎn)紅外波長段熱成像技術(shù)進行車輛超溫檢測。

4 ?方案設(shè)計

高速公路車輛超溫檢測及預(yù)警系統(tǒng)由前端超溫檢測級邊緣計算設(shè)施、信息預(yù)警聯(lián)動與發(fā)布設(shè)施、管理平臺（含軟件）等構(gòu)成，對過往車輛進行實時超溫監(jiān)測及預(yù)警。系統(tǒng)構(gòu)成圖詳如圖3所示。

通信系統(tǒng)由工業(yè)以太網(wǎng)交換機、光纖收發(fā)器和通信光纜等組成，利用高速公路通信專網(wǎng)實現(xiàn)前端檢測點與橋隧所的數(shù)據(jù)通信。

4.1 ?前端超溫檢測及邊緣計算設(shè)施

本次設(shè)計針對高速公路上下行兩個方向各設(shè)置1套檢測門架，每個門架上布置前端超溫檢測及邊緣計算設(shè)施，由高精度紅外熱能檢測儀、車牌識別攝像機、補光燈、邊緣計算服務(wù)器等構(gòu)成，完成過往車輛車身任意點位的溫度檢測和溫度異常車輛的車型識別與車牌抓拍。

高精度紅外熱能檢測儀按車道配置，每車道左右對稱各設(shè)置1套，雙向四車道每處門架共設(shè)置4套（不含應(yīng)急車道）。紅外熱能檢測儀用于完成對過往車輛車身任意點位的溫度檢測。

視頻采集設(shè)備由專用攝像機和補光燈構(gòu)成，完成過往車輛的前后圖像捕捉、車輛特征識別、視頻事件處理以及通行過程的全景視頻存儲。視頻采集設(shè)備按車道布置，每處門架設(shè)置2套。

邊緣計算服務(wù)器每處檢測門架設(shè)置1臺。邊緣計算服務(wù)器可同步控制超溫超限檢測設(shè)備的掃描檢測，并通過視頻采集設(shè)備完成過往車輛的匹配，形成有效的事件、報警信息；同時，可通過協(xié)議將系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)及事件、報警信息上傳至上級監(jiān)控平臺。前端設(shè)施布設(shè)如圖4所示。

4.2 ?信息預(yù)警聯(lián)動發(fā)布設(shè)施

本系統(tǒng)在測溫設(shè)施后方的匝道前和服務(wù)區(qū)前的適當(dāng)位置，設(shè)立靜態(tài)標(biāo)識牌，提示超溫車輛就近?？康男畔?，用以引導(dǎo)車輛進入相應(yīng)車道。信息預(yù)警聯(lián)動發(fā)布設(shè)施包括動態(tài)信息提示設(shè)施和靜態(tài)信息提示設(shè)施。

動態(tài)信息提示設(shè)施為設(shè)置在檢測設(shè)施門架后的門架式可變信息標(biāo)志，用于告警信息的聯(lián)動發(fā)布，以文字顯示車輛號牌及超溫提示信息，提示車輛就近駛離高速或駛進服務(wù)區(qū)。

靜態(tài)信息提示設(shè)施為行車引導(dǎo)的靜態(tài)標(biāo)志牌。標(biāo)志牌設(shè)置在互通出口的匝道前和服務(wù)區(qū)前的適當(dāng)位置，提示超溫車輛就近駛?cè)胂鄳?yīng)車道。

為加強超溫檢測點附近的交通監(jiān)控，本項目擬在檢測門架增設(shè)一套高清監(jiān)控攝像機，用于過往車輛的抓拍和錄像。監(jiān)控攝像機通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機接入監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，傳輸至上級監(jiān)控系統(tǒng)。

4.3 ?管理平臺

在橋隧所或上級監(jiān)控中心設(shè)置后端管理平臺，部署管理平臺服務(wù)器、超溫檢測系統(tǒng)管理軟件，實現(xiàn)超溫自動檢測及預(yù)警管理、車牌識別和視頻事件報警軟件的融合監(jiān)測。超溫預(yù)警管理系統(tǒng)軟件包括：測溫采集軟件、超溫分析及管理軟件、數(shù)據(jù)庫管理軟件及移動管理軟件。此外，超溫預(yù)警管理軟件還需具備與橋隧所監(jiān)控平臺、服務(wù)區(qū)監(jiān)控平臺對接的能力和接口，實現(xiàn)本項目中車輛數(shù)據(jù)、預(yù)警信息及誘導(dǎo)信息的共享。超溫檢測管理平臺軟件配置界面圖如圖5所示。

5 ?系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)是以主動識別和檢測危險熱源為目的、以紅外熱能成像技術(shù)為核心，將邊緣計算、通信、控制、數(shù)字圖像等眾多相關(guān)的新技術(shù)有機集成為整套檢測預(yù)警功能的系統(tǒng)。通過把紅外熱能掃描儀和高清車牌識別等多維度不同類型的檢測信息進行統(tǒng)一規(guī)劃，實現(xiàn)過往車輛超溫自動化監(jiān)控管理。

主要功能包括：

1）建立流量斷面，對斷面過往車輛進行前后車牌識別、通行全景視頻存儲、車身超溫檢測。

2）綜合各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，對車輛的超溫情況自動生成報警信息。

3）向上級監(jiān)控系統(tǒng)傳輸報警信息，為隧道管理提供主動探測手段，信息內(nèi)容包括但不限于：報警類型、車牌識別結(jié)果、車身溫度分布圖像、超溫點標(biāo)識、車輛通行全景視頻。

4）利用可變信息標(biāo)志等多種信息發(fā)布方式提示司乘人員及時分流或檢修，排除事故隱患后再繼續(xù)行駛。

5）一旦超溫車輛無視警告進入隧道，通過隧道監(jiān)控系統(tǒng)也可進行視頻跟蹤，為超溫事件形成管理閉環(huán)。

6）建議懷化分公司在雞公界隧道試點超溫超限檢測系統(tǒng)后，結(jié)合該系統(tǒng)的技術(shù)特點和相應(yīng)的聯(lián)動發(fā)布及引導(dǎo)措施，完善本路段主線及隧道超溫、超限車輛事故的應(yīng)急處置措施和監(jiān)控運營管理制度。

超溫檢測管理平臺超溫車輛抓拍及數(shù)據(jù)記錄界面如圖6所示。

6 ?結(jié) ?論

本系統(tǒng)利用高精度紅外熱能檢測、車牌識別、信息預(yù)警及發(fā)布等手段，可實現(xiàn)高速公路超溫車輛的自動化監(jiān)管，減少車輛在運輸狀態(tài)下的安全隱患，降低隧道內(nèi)火災(zāi)事故的發(fā)生，避免造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟損失，緊密契合了當(dāng)下智慧高速、平安高速的建設(shè)理念。同時，受制于路段現(xiàn)狀和建設(shè)成本，本系統(tǒng)在信息發(fā)布方面暫未考慮廣播這一形式的信息發(fā)布，也未設(shè)置雷達對異常車輛進行軌跡動態(tài)跟蹤監(jiān)測，以確保車輛駛離高速公路，在后續(xù)的工程實踐中，可考慮從這兩方面進一步試點建設(shè)。

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作者簡介：肖應(yīng)紅（1983—），男，漢族，湖南長沙

人，工程師，本科，研究方向：高速公路監(jiān)控、通信、收費系統(tǒng)及智慧高速的設(shè)計；馮嚴(yán)（1996—），男，漢族，河南開封人，助理工程師，本科，研究方向：高速公路監(jiān)控、通信、收費系統(tǒng)的設(shè)計。