全息隧道安全管理系統(tǒng)研究

摘要 高速公路隧道所處環(huán)境復(fù)雜，內(nèi)部空間狹窄，當(dāng)車輛駛?cè)霑r(shí)，光照的變化、環(huán)境空氣的變化、危險(xiǎn)駕駛行為等極易引發(fā)安全事故。同時(shí)，隧道信息化建設(shè)不足，導(dǎo)致隧道安全風(fēng)險(xiǎn)感知薄弱、應(yīng)急救援效率低下，易釀成嚴(yán)重后果。文章主要基于高精地圖、三維建模及AI視頻感知系統(tǒng)等技術(shù)，對(duì)隧道內(nèi)車輛進(jìn)行高精度感知，構(gòu)建了車輛在隧道內(nèi)的數(shù)字化孿生模型和車輛軌跡數(shù)據(jù)，從而搭建出全息隧道安全管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道安全風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)隧道內(nèi)交通事件、火災(zāi)、環(huán)境及重點(diǎn)車輛通行情況進(jìn)行感知和預(yù)警，并在管理中心進(jìn)行實(shí)時(shí)展示，助力隧道重點(diǎn)車輛的精準(zhǔn)管控、安全監(jiān)管和數(shù)字運(yùn)維工作，從而提高隧道安全管理效率和數(shù)字化運(yùn)維能力，減少交通事故的發(fā)生，為高速公路隧道智慧安全管理提供建設(shè)思路。

關(guān)鍵詞 高速公路；隧道；全息隧道安全管理系統(tǒng)；安全風(fēng)險(xiǎn)

中圖分類號(hào) U458 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）24-0017-04

0 引言

隨著全國(guó)高速公路里程的不斷增加，我國(guó)已是世界上公路隧道規(guī)模最大的國(guó)家，也是隧道數(shù)量最多、地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)形式最復(fù)雜、發(fā)展速度最快的國(guó)家，但高速公路隧道安全基層基礎(chǔ)薄弱、管理模式多元、資金投入不足、監(jiān)管機(jī)制和相關(guān)制度亟待完善等問(wèn)題依然突出。一方面，高速公路隧道所處環(huán)境復(fù)雜、內(nèi)部空間狹窄[1]，當(dāng)車輛駛?cè)霑r(shí)，洞內(nèi)外亮度的瞬間變化、環(huán)境空氣的差異、危險(xiǎn)駕駛行為等極易引發(fā)安全事故；另一方面，由于隧道信息化建設(shè)不足，導(dǎo)致隧道安全風(fēng)險(xiǎn)感知薄弱、應(yīng)急救援效率低下，易釀成嚴(yán)重后果。目前，多個(gè)省市的《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》和《十四五交通運(yùn)輸規(guī)劃》中，也明確提出了隧道發(fā)展建設(shè)的相關(guān)內(nèi)容，主要包括交通感知網(wǎng)絡(luò)覆蓋，全要素、全周期數(shù)字化，運(yùn)行情況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和管控等[2]。因此，研究全息隧道安全管理系統(tǒng)具有重要意義。

該文主要研究以高速公路長(zhǎng)隧道安全管理為應(yīng)用場(chǎng)景，根據(jù)隧道內(nèi)車輛通行安全管控存在的問(wèn)題，研究一套全息隧道安全管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)車輛?？?、變道、超速、堵塞等特殊事件及?；奋囕v的自動(dòng)識(shí)別并鎖定事件位置，發(fā)出警報(bào)信息，將可視化界面推送至監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)隧道通行的可視化管控，極大提高事故應(yīng)急響應(yīng)能力，保障司乘人員安全通行。

1 項(xiàng)目概況

該文以云南省某高速公路為研究對(duì)象，其地處云貴高原，是云南省道網(wǎng)規(guī)劃的重要組成部分，主線全長(zhǎng)48.198 km，共計(jì)隧道7處，按照雙向四車道設(shè)計(jì)建設(shè)，雙向隧道總長(zhǎng)約19.313 km。公路隧道所處環(huán)境復(fù)雜、內(nèi)部空間狹窄，當(dāng)車輛駛?cè)霑r(shí)，洞內(nèi)外亮度的瞬間變化、環(huán)境空氣的差異、危險(xiǎn)駕駛行為等極易引發(fā)安全事故。現(xiàn)階段高速公路隧道信息化建設(shè)不足，導(dǎo)致隧道安全風(fēng)險(xiǎn)感知薄弱、應(yīng)急救援效率低下，易釀成嚴(yán)重后果[3]。因此，探索一種隧道安全風(fēng)險(xiǎn)感知的新方式、智能化隧道監(jiān)管模式至關(guān)重要。

2 高速公路隧道安全管理現(xiàn)狀

2.1 高速公路隧道環(huán)境復(fù)雜

高速公路隧道環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，其內(nèi)部空間緊湊，導(dǎo)致空氣流通性受限。特別是隧道中段，易積聚有害氣體與灰塵，通風(fēng)條件欠佳，難以維持優(yōu)質(zhì)空氣質(zhì)量，從而可能產(chǎn)生煙霧積聚現(xiàn)象，對(duì)駕駛員的視線和呼吸健康構(gòu)成潛在威脅。此外，隧道內(nèi)的光線條件變化顯著，由外部明亮環(huán)境駛?cè)胨淼狸幇祬^(qū)域，或由隧道駛出至外部強(qiáng)光環(huán)境，此類光線的急劇變化極易導(dǎo)致駕駛員視覺(jué)暫盲，特別是?；愤\(yùn)輸?shù)能囕v，發(fā)生事故后極易誘發(fā)火災(zāi)事故，進(jìn)而造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。鑒于隧道內(nèi)車道相對(duì)狹窄，車輛間距有限，一旦發(fā)生事故，極易引發(fā)交通擁堵和次生事故。

2.2 高速公路隧道信息化建設(shè)不足

當(dāng)前對(duì)高速公路隧道的運(yùn)營(yíng)管理相對(duì)復(fù)雜，一旦隧道內(nèi)發(fā)生異常事件難以快速發(fā)現(xiàn)、及時(shí)預(yù)警，處置空間受限，容易引發(fā)二次事故，造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，處置代價(jià)大[4]，且隧道內(nèi)各項(xiàng)指標(biāo)的檢測(cè)、隧道監(jiān)控、設(shè)備管理、事件處置、信息發(fā)布等系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，相互間沒(méi)有關(guān)聯(lián)。同時(shí)，隧道監(jiān)管系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、資源整合程度普遍低，不能實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)間的信息共享、自動(dòng)控制與信息發(fā)布等。

2.3 高速公路隧道應(yīng)急救援能力不足

在現(xiàn)有階段，高速公路隧道內(nèi)部署的監(jiān)測(cè)設(shè)備在精度與覆蓋范圍上存在顯著不足，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)車輛實(shí)時(shí)通行情況及車輛分布的實(shí)時(shí)監(jiān)控。僅憑人工巡查的方式，難以及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)潛在的事故隱患，這種傳統(tǒng)方法暴露出較大的局限性。此外，隧道預(yù)警信息的發(fā)布渠道相對(duì)單一，難以確保信息能夠及時(shí)有效地傳達(dá)至駕駛員和相關(guān)部門。同時(shí)，大部分駕駛員對(duì)隧道內(nèi)的應(yīng)急設(shè)施和逃生通道缺乏了解，安全風(fēng)險(xiǎn)感知能力薄弱，且缺乏必要的應(yīng)急知識(shí)和技能，這些因素共同導(dǎo)致應(yīng)急救援效率的低下。

3 設(shè)計(jì)與規(guī)劃

該文針對(duì)上述高速公路隧道安全管理存在的問(wèn)題，研究打造出一套全息隧道安全管理系統(tǒng)以解決該問(wèn)題。

該項(xiàng)目建設(shè)方案擬采用硬件+軟件相結(jié)合的方式，在高速公路隧道部署視頻車輛采集系統(tǒng)，同步采集隧道入口、隧道內(nèi)及隧道出口的實(shí)時(shí)信息，運(yùn)用視頻車型識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)的數(shù)字化監(jiān)控。通過(guò)數(shù)字孿生2.5D建模技術(shù)，構(gòu)建隧道數(shù)字化孿生模型，以擬合車輛軌跡數(shù)據(jù)[5]，打造全息隧道安全管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全時(shí)全域全程的隧道全息化管理，助力隧道重點(diǎn)車輛的精準(zhǔn)管控、安全監(jiān)管和數(shù)字化運(yùn)維，設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

3.1 方案設(shè)計(jì)

圖1 全息隧道總體方案架構(gòu)圖

全息隧道建設(shè)網(wǎng)絡(luò)方案如圖2所示：

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 數(shù)字孿生2.5D建模

通過(guò)應(yīng)用前端AI采集算法和2.5D GIS高精度地圖核心引擎等創(chuàng)新技術(shù)，全息隧道安全管理系統(tǒng)可快速構(gòu)建車輛與隧道的數(shù)字化孿生模型和車輛軌跡數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全時(shí)全域全程的隧道全息化管理，助力隧道重點(diǎn)車輛的精準(zhǔn)管控、安全監(jiān)管和數(shù)字運(yùn)維工作。

3.2.2 視頻車型識(shí)別技術(shù)

基于智能視頻識(shí)別技術(shù)，對(duì)車輛進(jìn)行連續(xù)掃描、檢測(cè)、識(shí)別，輸出車輛車型、輪軸數(shù)、外輪廓大致尺寸等信息及車身高清圖片，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與高清車牌圖像識(shí)別設(shè)備進(jìn)行無(wú)縫連接和數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)車頭、車尾、車身信息的匹配，形成多維度的特征數(shù)據(jù)。

3.2.3 視頻車型追蹤與事件檢測(cè)技術(shù)

視頻車型追蹤與事件檢測(cè)相關(guān)技術(shù)原理詳見(jiàn)圖3所示 ：

3.3 硬件部署

3.3.1 隧道入口信息采集

在隧道入口前100余米處的ETC門架部署1臺(tái)車牌識(shí)別設(shè)備、3臺(tái)門架車型識(shí)別設(shè)備、1臺(tái)全息近景一體機(jī)、1臺(tái)全息遠(yuǎn)程一體機(jī)，以及車頭補(bǔ)光燈/車側(cè)補(bǔ)光燈/車頂補(bǔ)光燈各3臺(tái)。

卡口車牌識(shí)別設(shè)備采集車輛號(hào)牌信息及車頭圖片，將識(shí)別結(jié)果傳輸至門架視頻車型識(shí)別設(shè)備；車型識(shí)別設(shè)備采集車輛的收費(fèi)車型、軸數(shù)、輪數(shù)等特征，輸出側(cè)面掃描大圖，對(duì)?；奋囕v等進(jìn)行識(shí)別，并接收卡口車牌識(shí)別設(shè)備的結(jié)果，融合輸出車輛的完整特征信息；全息路段近景/遠(yuǎn)景一體機(jī)，可實(shí)現(xiàn)車輛車牌、車型等信息的采集，并采集車輛位置信息，實(shí)現(xiàn)車輛定位。所有采集數(shù)據(jù)傳輸至后端全息隧道系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行融合展示，實(shí)現(xiàn)全時(shí)全域全程的隧道全息化管理。

3.3.2 隧道內(nèi)信息采集

該項(xiàng)目隧道全長(zhǎng)2.1 km，為更好地實(shí)現(xiàn)隧道的數(shù)字化管控，隧道內(nèi)共設(shè)置15個(gè)視頻采集點(diǎn)位，每個(gè)點(diǎn)位間隔150 m，根據(jù)隧道內(nèi)彎道視線的影響程度，視頻采集點(diǎn)可適度加密。每個(gè)點(diǎn)位的采集設(shè)備包含全息路段近景/遠(yuǎn)景一體機(jī)各一臺(tái)，實(shí)現(xiàn)車輛車牌、車型的采集，以及車輛定位、車輛跟蹤、車速檢測(cè)等。設(shè)備最多可同時(shí)跟蹤250個(gè)目標(biāo)，探測(cè)范圍可覆蓋10～250 m區(qū)域。數(shù)據(jù)上傳至后端全息隧道系統(tǒng)，對(duì)車輛通行情況、車輛位置進(jìn)行分析展示。

3.3.3 隧道出口信息采集

在隧道出口距離隧道洞內(nèi)最后一個(gè)點(diǎn)位150 m處，新建ETC門架或L桿，安裝卡口攝像機(jī)1臺(tái)、視頻車型識(shí)別設(shè)備3臺(tái)、車頭補(bǔ)光燈/車側(cè)補(bǔ)光燈/車頂補(bǔ)光燈各3臺(tái)。環(huán)?？谧ヅ膯卧杉囕v號(hào)牌信息及車頭圖片，識(shí)別結(jié)果并上傳至后端全息隧道安全通行預(yù)警系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行融合展示，對(duì)車輛駛離隧道情況進(jìn)行確認(rèn)。

3.3.4 前端設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸

上述設(shè)備均采用AC220V市電供電，各設(shè)備在不影響原供電設(shè)計(jì)容量的前提下，按照就近原則從相應(yīng)配電箱進(jìn)行取電，車側(cè)、車頂補(bǔ)光燈采用光敏控制，將車頭補(bǔ)光燈控制線接入卡口攝像機(jī)的控制端口，在減少控制線布設(shè)的前提下實(shí)現(xiàn)同頻工作?？跀z像機(jī)、視頻車型識(shí)別設(shè)備分別通過(guò)網(wǎng)線接入光交換機(jī)，通過(guò)光纖接入并匯聚到隧道配電管理站。

3.4 軟件部署

全息隧道系統(tǒng)平臺(tái)的軟件部署，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定功能需求、界面需求及性能需求，選擇合適的技術(shù)將隧道內(nèi)各設(shè)備采集的信息，通過(guò)數(shù)據(jù)分析處理，以可視化方式呈現(xiàn)在平臺(tái)上，并根據(jù)初步需求設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)通行情況、車輛分布、車型類型的直觀展示，自動(dòng)判斷隧道通行的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，展示隧道過(guò)車數(shù)據(jù)、平均車速等，以及隧道內(nèi)車輛、行人等事件的檢測(cè)結(jié)果，展示隧道通行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)情況，實(shí)現(xiàn)全時(shí)全域全程的隧道全息化管理。

3.5 系統(tǒng)平臺(tái)功能

全息隧道系統(tǒng)平臺(tái)屬于隧道交通監(jiān)控子系統(tǒng)的重要部分，可獨(dú)立運(yùn)行，可與其他隧道子系統(tǒng)共同形成完整的隧道管理系統(tǒng)，也可嵌入融合到其他子系統(tǒng)，為隧道管理系統(tǒng)提供模塊化的管理功能。經(jīng)過(guò)硬件+軟件的部署，目前全息隧道安全系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)隧道通行動(dòng)態(tài)信息的態(tài)勢(shì)展示，提供隧道視頻監(jiān)控、事件管理、通行記錄查詢、兩客一危、流量分析、資產(chǎn)管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、流水記錄查詢等功能，具體如表1所示：

4 應(yīng)用效果

經(jīng)過(guò)實(shí)際部署與運(yùn)行，全息隧道安全管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)隧道全時(shí)段、全地域、全流程的精準(zhǔn)管理。作為云南省首個(gè)高速公路全息隧道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，自2023年8月正式啟用以來(lái)，該系統(tǒng)顯著提升了該路段隧道對(duì)重點(diǎn)車輛的精準(zhǔn)管控能力、安全監(jiān)管效能及數(shù)字運(yùn)維水平。截至目前，已精準(zhǔn)識(shí)別并處理了80起車輛違停事件，監(jiān)測(cè)到7650起隧道內(nèi)的車輛故障、實(shí)線變道及區(qū)間超速等違規(guī)操作，成功預(yù)警了2次道路擁堵情況，并對(duì)1 613輛危化品車輛實(shí)施了有效監(jiān)控。此外，系統(tǒng)還協(xié)助處理了5起交通事故。全息隧道安全管理系統(tǒng)的成功應(yīng)用，不僅顯著提高了公路運(yùn)營(yíng)的整體效率，而且顯著增強(qiáng)了長(zhǎng)隧道的安全管控能力，有效降低了二次交通事故的發(fā)生率，并大幅減少了因重大道路交通事故導(dǎo)致的封路時(shí)間。

隧道管理員通過(guò)在工作站輸入全息隧道安全管理系統(tǒng)地址，可遠(yuǎn)程訪問(wèn)系統(tǒng)平臺(tái)，通過(guò)曲面顯示屏展示隧道系統(tǒng)平臺(tái)界面，對(duì)隧道通行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管、查看，直觀體現(xiàn)隧道的通行情況。全息隧道安全通行預(yù)警系統(tǒng)對(duì)于隧道安全管控具有重要意義，它能直觀地顯示隧道的實(shí)時(shí)通行情況，并對(duì)各類事件進(jìn)行預(yù)警，幫助隧道監(jiān)控員提高工作質(zhì)量和效率。全息隧道安全通行預(yù)警系統(tǒng)作為隧道安全管控的輔助系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的應(yīng)用前景，為高速公路隧道管理提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。

5 結(jié)語(yǔ)

該文通過(guò)構(gòu)建一套創(chuàng)新的全息隧道安全管理系統(tǒng)，使得隧道管理員能夠在管理中心實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)車輛通行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)管。通過(guò)這一系統(tǒng)，管理員可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)的車輛?？?、變道、超速、堵塞及?；奋囕v等事件，并能夠自動(dòng)識(shí)別和鎖定這些事件的準(zhǔn)確位置，隨即發(fā)出警報(bào)信息，從而大大減少隧道安全事故的發(fā)生概率。這一系統(tǒng)為隧道的安全管控提供了強(qiáng)有力的保障，同時(shí)也顯著提高了隧道的應(yīng)急處置效率。

此外，該系統(tǒng)還能有效減少隧道的人工巡查次數(shù)，降低事故處置的成本，進(jìn)一步提升隧道行車的安全性。全息隧道安全管理系統(tǒng)建設(shè)的背后，是國(guó)家《十四五交通運(yùn)輸規(guī)劃》的政策要求，也是未來(lái)交通行業(yè)發(fā)展的重要需求。在隧道風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、安全管控等方面，這套全息隧道安全管理系統(tǒng)具有極強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值，有望成為未來(lái)隧道管理的重要工具之一。

參考文獻(xiàn)

[1]楊杰.隧道安全管理中信息技術(shù)的應(yīng)用分析[J].水上安全， 2024（10）：46-48.

[2]呂軍.論當(dāng)前高速公路隧道運(yùn)營(yíng)安全管理現(xiàn)狀[J].云南水力發(fā)電， 2022（3）：82-86.

[3]張海亮，彭樹智.高速公路隧道交通運(yùn)行狀態(tài)全面感知技術(shù)與應(yīng)用[J].中國(guó)交通信息化， 2019（4）：96-100.

[4]林思風(fēng).高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)智慧化提升改造應(yīng)用實(shí)踐[J].福建交通科技， 2022（10）：117-119.

[5]陳賢杰.基于事件檢測(cè)的隧道安全預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].廣東公路交通， 2017（4）：110-112.