福建高速長隧道群智慧運行管控解決方案

■文/圖｜福建省高速公路科技創(chuàng)新研究院有限公司 曾俊鋮

我國是世界上公路隧道里程最長、規(guī)模最大、發(fā)展最快的國家之一。交通運輸部于2023年6月發(fā)布的《2022年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》顯示，截至2022年底，全國公路隧道已達24850處、2678.43萬延米。

公路隧道作為公路交通網(wǎng)的關(guān)鍵線路和控制性節(jié)點，在縮短行車距離、提高車速、保護環(huán)境等方面發(fā)揮了積極作用，在幫助交通干線翻山越海、縮短線路里程等方面具有顯著優(yōu)勢，取得了良好的社會和經(jīng)濟效益。然而，與一般的路基工程、橋梁工程相比，隧道結(jié)構(gòu)設(shè)施復(fù)雜、空間相對封閉、視線較差，且逃生方向感知困難，使得運營管理更復(fù)雜、難度更大。同時，隧道一旦發(fā)生事故，影響持續(xù)時間長、范圍大，易造成重大的人員傷亡和經(jīng)濟損失，甚至造成二次事故，嚴重威脅出行者的安全。

福建省高速公路建設(shè)運營單位高度重視長隧道群管控方面的科技創(chuàng)新工作，在G3京臺高速公路福建福州段開展了高速公路長隧道智慧運行和安全應(yīng)急能力提升關(guān)鍵技術(shù)研究的科技專項攻關(guān)。通過加強隧道突發(fā)事件實時監(jiān)測，開展隧道擁堵預(yù)測預(yù)警，實施隧道突發(fā)事件智能化應(yīng)急處置策略，形成了一套集“感知-預(yù)警-管控-融合”全過程的長隧道群智慧運行管控解決方案（以下簡稱“解決方案”)，有效提高長隧道群安全及服務(wù)水平，具有重大的現(xiàn)實意義。

G3京臺高速公路福州段長隧道群

全要素感知：隧道信息全監(jiān)測

準確識別運行狀態(tài)是隧道安全管控的基礎(chǔ)。目前，隧道機電設(shè)施智能化程度不高，主動分析識別、評估隧道運營安全風(fēng)險的能力不足，所獲取的隧道運營信息關(guān)鍵要素缺乏，安全管理較為被動、滯后。因此，迫切需要建立一套隧道突發(fā)事件高精度感知系統(tǒng)，為隧道全域精準感知、智慧化管控與決策提供有力支撐。

構(gòu)建云邊端一體化架構(gòu) 打造分米級定位、秒級響應(yīng)感知體系

解決方案以云邊端一體化架構(gòu)為基礎(chǔ)，端側(cè)布設(shè)毫米波雷達（300米）、高清攝像頭(150米)等感知硬件設(shè)備，實時監(jiān)控隧道運行狀態(tài)；邊側(cè)部署具有智能算法的高算力邊緣計算設(shè)施，實時接收雷達點跡和視頻流數(shù)據(jù)進行處理分析；云側(cè)采集高速公路全景信息，建模渲染制作高精度地圖，實現(xiàn)隧道機電設(shè)施和移動目標分米級精準定位；搭建服務(wù)器集群，建設(shè)離線/實時混合架構(gòu)的云控平臺，集中匯聚、分析、處理多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，結(jié)合雷視融合、跨點位連續(xù)跟蹤、重點車輛識別等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)隧道全域精準感知。

試點巡檢機器人 提高早期處置效率

針對隧道巡檢困難、應(yīng)急處置時效性較低等問題，解決方案中研發(fā)應(yīng)用了巡檢機器人，設(shè)計開發(fā)定向移動條件下的火災(zāi)、拋撒物等突發(fā)事件檢測算法，構(gòu)建隧道全時段移動巡檢與在線應(yīng)急處置策略，動態(tài)監(jiān)測隧道火災(zāi)事故、氣體環(huán)境、機電設(shè)施等信息，為巡檢人員降低工作負擔，提高巡檢效率。同時，當突發(fā)事件發(fā)生后，巡檢機器人將第一時間快速抵近事件現(xiàn)場，實時回傳現(xiàn)場高清視頻，通過語音引導(dǎo)快速開展早期應(yīng)急處置，減少二次事故發(fā)生。

攻克雷視融合技術(shù) 消除隧道多徑效應(yīng)

針對隧道狹長場景容易造成的電磁波反射、損耗等問題，解決方案構(gòu)建了隧道多徑效應(yīng)消除及單目視覺3D融合感知算法，利用時空自標定技術(shù)關(guān)聯(lián)車輛目標，精準獲取車輛車牌、車型、車身顏色，以及行人位置、數(shù)量等信息，構(gòu)建基于雷視融合技術(shù)的隧道移動目標檢測算法。

實現(xiàn)重點車輛識別 連續(xù)跟蹤守護

解決方案采用深度學(xué)習(xí)算法提取?；奋囕v的“危險品”標識和大客車的“通頂式”前擋風(fēng)玻璃等特征，形成重點車輛特征庫。一旦危化品運輸車輛、大客車等重點車輛進入隧道，第一時間判斷，識別車牌、車速、車道位置等參數(shù)信息。同時，結(jié)合邊緣自組網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建跨點位目標連續(xù)跟蹤算法，通過將邊緣網(wǎng)絡(luò)的上游點位感知數(shù)據(jù)共享到下游，下游點位完成跨點位的數(shù)據(jù)幀對齊融合，實現(xiàn)隧道內(nèi)全域重點車輛的軌跡連續(xù)跟蹤與實時監(jiān)管，守護隧道通行安全。

全方位預(yù)警：擁堵事故早發(fā)現(xiàn)

目前，原有系統(tǒng)依賴報警電話被動獲取交通事件信息，信息比較滯后、定位精確性較低，難以實現(xiàn)交通事件的快速處置。針對這些問題，解決方案創(chuàng)新研發(fā)了突發(fā)事件主動識別、擁堵預(yù)測預(yù)警等智能化感知算法，主動快速獲取突發(fā)事件位置、類型、影響范圍等重要信息，并準確預(yù)測隧道交通流量和擁堵程度，有效提升隧道交通事件應(yīng)急處置和擁堵疏導(dǎo)效率。

主動識別突發(fā)事件 精準、高效

針對現(xiàn)有隧道交通事件識別算法準確率低、重報率高等問題，解決方案中開發(fā)了基于大模型的突發(fā)事件智能檢測關(guān)鍵技術(shù)。針對隧道事件樣本稀少、標注成本高的難題，改進類別損失函數(shù)、位置損失函數(shù)，提高事件檢測的分類能力與定位精度；針對毫米波雷達多徑效應(yīng)難題，優(yōu)化濾波算法模型，提升目標數(shù)量、位置的檢測精度等。目前，解決方案實現(xiàn)了對于隧道擁堵、異常停車、施工布控、行人闖入、拋撒物等突發(fā)事件的精準檢測，事件平均檢測精確率達95%以上，漏報率低于5%，響應(yīng)時間小于15秒。

此外，解決方案在第二十五屆中國高速公路信息化大會期間開展實戰(zhàn)測試，事件檢測準確率達100%，實現(xiàn)了突發(fā)事件的精準高效識別。

預(yù)測預(yù)警隧道擁堵 準確、可信

基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的突發(fā)事件檢測

針對長隧道群節(jié)假日交通易擁堵、路網(wǎng)流量特征不明顯等問題，聯(lián)合上游多節(jié)點門架交通流數(shù)據(jù)構(gòu)建隧道時空特征向量，添加周末、節(jié)假日等特殊屬性變量，解決方案提取隧道交通流空間傳播性和時間相關(guān)性特征，以多周期視角分解復(fù)雜交通流，形成高速公路隧道車道級多尺度交通流預(yù)測模型。目前，節(jié)假日期間隧道流量預(yù)測平均準確率大于85%，非節(jié)假日期間隧道流量預(yù)測平均準確率大于87%，為隧道主動管控、多級分流誘導(dǎo)提供了理論依據(jù)。

全過程處置：交通事件快處理

現(xiàn)有事件處置流程對于隧道當前及未來擁堵狀態(tài)的考慮不足，管理方式較為簡單粗放，應(yīng)急管理的前瞻性、有效性還存在一定提升空間。針對這些問題，解決方案中設(shè)計了動態(tài)調(diào)整的車道級、通道級、路網(wǎng)級誘導(dǎo)策略，接入情報板、通行信號燈等設(shè)備，同步百度互聯(lián)網(wǎng)地圖平臺，形成了整套處置誘導(dǎo)機制。當隧道發(fā)生交通事件時，快速采取定制化的動態(tài)管控方案，根據(jù)實時多源數(shù)據(jù)自動判斷交通事件對隧道安全運營和通行效率的影響程度，智能動態(tài)推薦多級分流誘導(dǎo)策略。

車道級管控 洞內(nèi)車輛管制

基于SUMO仿真技術(shù)建立了長隧道群車道級微觀仿真模型，精細化設(shè)計跟馳模型、變道模型和駕駛員服從率模型，并基于遺傳算法對其參數(shù)標定。結(jié)合G3京臺高速路網(wǎng)及隧道實際運行狀態(tài)，以整體通行效率為最優(yōu)化目標輸出車道級管控策略，動態(tài)調(diào)整指示燈開關(guān)，實現(xiàn)隧道內(nèi)車輛的動態(tài)主動引導(dǎo)。

通道級引導(dǎo) 近端流量控制

針對G3京臺高速公路沿線車輛，利用最優(yōu)化算法輸出當前路段不同管控區(qū)段的推薦行駛速度，主動引導(dǎo)上游關(guān)鍵區(qū)段車輛，控制到達事件發(fā)生的總體車流量，延緩擁堵的迅速蔓延，避免后續(xù)交通事故的發(fā)生。

路網(wǎng)級誘導(dǎo) 遠端出行分流

針對高速與國省道路網(wǎng)，開發(fā)基于交通分配的路網(wǎng)級路徑誘導(dǎo)算法，利用情報板、地圖平臺，發(fā)布路徑誘導(dǎo)信息，將車輛合理分流至周邊高速及國省道，實現(xiàn)區(qū)域級交通供需平衡。

地圖發(fā)布 C端觸達

解決方案融合百度地圖進行誘導(dǎo)信息發(fā)布，發(fā)布效率高、用戶觸達能力強，優(yōu)于傳統(tǒng)路側(cè)情報板信息發(fā)布方式；管控策略多級聯(lián)動、動態(tài)可變、合理搭配、實時調(diào)整，優(yōu)于方式單一、效率不高、時延長的傳統(tǒng)管控模式?，F(xiàn)階段，已實現(xiàn)百度地圖突發(fā)事件實時同步推送發(fā)布，通過仿真驗證論證了策略的可操作性、合理性，路段通行效率預(yù)計可提升10%以上。

全信息融合：隧道運行智掌控

解決方案中研發(fā)了G3京臺高速長隧道群智慧運行及應(yīng)急救援系統(tǒng)，內(nèi)嵌基于高清地圖、數(shù)字孿生、多源異構(gòu)大數(shù)據(jù)分析等關(guān)鍵技術(shù)打造的隧道運行狀態(tài)3D場景，集成重點車輛全域監(jiān)測、隧道交通擁堵預(yù)測預(yù)警、隧道內(nèi)突發(fā)事件態(tài)勢研判分析及應(yīng)急處置等功能，運用基于最新國密的機電設(shè)施安全加密技術(shù)，整合聯(lián)動隧道通風(fēng)、消防、智慧照明等機電設(shè)施管理系統(tǒng)，精準展示G3京臺高速路網(wǎng)交通狀況，實現(xiàn)長隧道群全域綜合監(jiān)管與快速應(yīng)急處置，進一步提升高速公路長隧道群智慧運行和安全應(yīng)急能力。

系統(tǒng)創(chuàng)新引入3D全景數(shù)字孿生技術(shù)，真實還原隧道狀態(tài)，利用視覺目標3D技術(shù)從圖像中提取特征來預(yù)測場景中目標的三維位置、形狀和姿態(tài)信息，與路側(cè)實時數(shù)據(jù)動態(tài)融合，將車輛具體信息映射到統(tǒng)一的世界坐標系中，從而獲得車輛精確的三維位置和航向角。聯(lián)動采集的高精地圖與機電設(shè)備信息，創(chuàng)新構(gòu)建了隧道可視化數(shù)字孿生體系，能夠輔助突發(fā)事件精準管理。

解決方案研究背景

G3 京臺高速福州段長隧道群全長48 公里，設(shè)計時速100千米，雙向四車道，隧道占比約為52%，含3處特長隧道，分別是天龍山（6.51 公里）、牛巖山（9.25 公里）和黃竹山隧道（8.67 公里）。該路段交通量較大，節(jié)假日高峰期交通量激增，常常出現(xiàn)逢節(jié)假日必堵現(xiàn)象，且長隧道內(nèi)不同車輛速度差異大、車頭時距近，一旦發(fā)生追尾、剮蹭等交通事故，容易誘發(fā)二次事故，導(dǎo)致高速公路服務(wù)水平嚴重下降，嚴重影響公眾的高速公路出行體驗。

為有效解決長隧道群運營領(lǐng)域的重點、難點問題，福建省高速公路科技創(chuàng)新研究院有限公司聯(lián)合福建省高速公路集團有限公司福州管理分公司、龍巖東環(huán)高速公路有限責任公司、北京百度網(wǎng)訊科技有限公司、交通運輸部公路科學(xué)研究院等單位，形成產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合體，共同開展高速公路長隧道群智慧運行和安全應(yīng)急能力提升關(guān)鍵技術(shù)研究，解決隧道交通事件感知被動、處置效率偏低、缺少智能化管控等問題，提升長隧道群運營安全水平。

該項目已列入2022 年交通運輸行業(yè)重點科技項目。

長隧道群多級誘導(dǎo)及主動管控策略