浙江省高速公路典型數(shù)字隧道技術(shù)研究與融合應(yīng)用分析

李方芳，傅紅陽(yáng)，斯倩，劉松榮

（浙江交投高速公路運(yùn)營(yíng)管理有限公司，浙江杭州 310000）

0 引言

中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)的《國(guó)家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》中明確指出，加快推進(jìn)交通運(yùn)輸現(xiàn)代化建設(shè)，持續(xù)提高安全智能綠色水平。浙江省作為數(shù)字經(jīng)濟(jì)、交通大省，入選首批交通強(qiáng)國(guó)試點(diǎn)省份，必然著力推動(dòng)交通運(yùn)輸向更高質(zhì)量、更高效、可持續(xù)、更為安全的方向發(fā)展。開展高速公路隧道營(yíng)運(yùn)安全管控關(guān)鍵技術(shù)研究,不僅是為了應(yīng)對(duì)當(dāng)前交通運(yùn)輸?shù)膯栴}、提高公路隧道的運(yùn)行效率，更是在“綠色、安全”的時(shí)代背景下，在智能化轉(zhuǎn)型的潮流中，統(tǒng)籌應(yīng)用各項(xiàng)新技術(shù)對(duì)交通運(yùn)輸領(lǐng)域進(jìn)行全方面、系統(tǒng)性升級(jí)，以破解問題為導(dǎo)向，以跨領(lǐng)域改革集成應(yīng)用為牽引，以數(shù)字化改革撬動(dòng)交通運(yùn)輸各領(lǐng)域改革，為“重要窗口”建設(shè)提供交通領(lǐng)域的標(biāo)志性成果[1]。

1 浙江省高速公路隧道管控現(xiàn)狀

浙江省多山多水、地形復(fù)雜，省內(nèi)公路隧道數(shù)量為2375座，是隧道大省。隧道作為高速公路的特殊路段，具有改善路線線形，縮短行車?yán)锍?、?jié)省運(yùn)輸時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，為道路交通的便捷通暢發(fā)揮了重要作用。隧道周邊環(huán)境復(fù)雜、內(nèi)部空間狹窄，當(dāng)車輛駛?cè)霑r(shí)，光照、環(huán)境、空氣等發(fā)生變化，極易引發(fā)安全事故。高速公路隧道重大交通事故危害程度大、安全管控難度大，隧道二次事故可能造成交通中斷，造成較大社會(huì)影響。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)隧道營(yíng)運(yùn)安全管控各分項(xiàng)系統(tǒng)有一定研究，但針對(duì)整體安全管控體系的研究較少。隧道管理人員對(duì)隧道整體安全保障系統(tǒng)的構(gòu)成、隧道結(jié)構(gòu)、應(yīng)急處理原理等缺乏了解，導(dǎo)致應(yīng)急處理時(shí)間延長(zhǎng)，因此需要建立智能型的隧道安全主動(dòng)防控系統(tǒng)，提高應(yīng)急處置能力。當(dāng)前，高速公路隧道安全預(yù)報(bào)警、監(jiān)控、通風(fēng)等系統(tǒng)對(duì)隧道安全突發(fā)事故的處理能力難以滿足越來越高的安全需求，需對(duì)安全管理系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)整合。高速公路隧道安全管控對(duì)隧道二次交通事故的處理能力和技術(shù)手段有待提高，目前沒有成熟的預(yù)防方案和技術(shù)。高速公路隧道安全應(yīng)急處理預(yù)案缺乏事故發(fā)布和警示的預(yù)案，以及配套的智能控制系統(tǒng)[2]。

2 浙高運(yùn)公司高速公路隧道數(shù)字綜管平臺(tái)概述

浙江交投高速公路運(yùn)營(yíng)管理有限公司（以下簡(jiǎn)稱浙高運(yùn)公司）管轄路段共設(shè)30個(gè)隧道管理所，25個(gè)隧道管理站，管理隧道353座，總長(zhǎng)718548m，占公司管轄高速公路里程的19.3%，其中特長(zhǎng)隧道23座。面對(duì)隧道里程長(zhǎng)、地形復(fù)雜、易發(fā)生交通事故、安全管控難度大等各類難點(diǎn)，針對(duì)各路段原隧道管理模式及標(biāo)準(zhǔn)的特殊性和差異性，優(yōu)化組織架構(gòu)，按照“機(jī)電養(yǎng)護(hù)為基礎(chǔ)，安全保暢為核心，隧道管理為重點(diǎn)”的原則，實(shí)行隧道巡檢和道路巡查管理分離，依托隧道管理所、隧道管理站、拯救大隊(duì)、監(jiān)控指揮大隊(duì)等基層單位，形成機(jī)電設(shè)備管理、土建養(yǎng)護(hù)管理、道路保暢管理和安全管理各業(yè)務(wù)線上下貫通、多元共進(jìn)的管理新體系。

針對(duì)當(dāng)前隧道運(yùn)營(yíng)安全管理中存在的事前主動(dòng)預(yù)防措施偏少、事中發(fā)現(xiàn)不足、事后處置手段有限等問題，浙高運(yùn)公司基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過“一個(gè)平臺(tái)、一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)、一個(gè)命令聯(lián)動(dòng)、N個(gè)隧道應(yīng)用”的策略，將隧道的運(yùn)營(yíng)安全管控和設(shè)施設(shè)備管理融為一體，依托隧道數(shù)字化綜管平臺(tái)，涵蓋各業(yè)務(wù)場(chǎng)景，最大程度地降低事故發(fā)生率，減小事故影響。隧道數(shù)字綜管平臺(tái)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 隧道數(shù)字綜管平臺(tái)

隧道數(shù)字化綜管平臺(tái)依托物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、邊緣計(jì)算等數(shù)字技術(shù)，以基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化為牽引，賦能高速公路隧道“建設(shè)、養(yǎng)護(hù)、運(yùn)行管控、醫(yī)院、科研”五大業(yè)務(wù)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)“投建管養(yǎng)”全生命周期數(shù)據(jù)匯聚和治理，實(shí)現(xiàn)隧道運(yùn)行智能安全管控，并通過內(nèi)外部專家“云端坐診”，共同破解隧道管養(yǎng)難題，提升隧道科研項(xiàng)目全過程精細(xì)化管理水平，以及痛點(diǎn)攻關(guān)能力，產(chǎn)學(xué)研一體化打造企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，形成一套可復(fù)制、可推廣、可應(yīng)用的高速公路隧道數(shù)字化管理模板，其技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 技術(shù)路線圖

3 浙高運(yùn)公司高速公路隧道數(shù)字安全管控?cái)?shù)字化平臺(tái)建設(shè)

3.1 事件前主動(dòng)措施和預(yù)防措施

關(guān)鍵技術(shù)：一是構(gòu)建隧道統(tǒng)一數(shù)字底座，實(shí)現(xiàn)設(shè)備萬(wàn)物互聯(lián)，打破系統(tǒng)信息孤島，基于邊緣智能控制功能解決現(xiàn)有PLC系統(tǒng)協(xié)議私有及兼容性問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道設(shè)備的數(shù)字化改造和智能賦能。二是結(jié)合人眼的逐光特性，主動(dòng)引導(dǎo)駕駛員以誘導(dǎo)燈跑動(dòng)速度前進(jìn)，從而降低隧道內(nèi)行車速度，提高行車安全性和舒適性。該項(xiàng)目打造了專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化的“一隧一檔”數(shù)字模塊，建立了包含養(yǎng)護(hù)巡查、設(shè)備巡查、定期檢查多位一體的事前主動(dòng)管理機(jī)制。同時(shí)，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與管理需求有機(jī)結(jié)合，對(duì)目前在線的1.6萬(wàn)套隧道設(shè)備進(jìn)行工況運(yùn)維，實(shí)現(xiàn)了隧道土建結(jié)構(gòu)變形、設(shè)備故障等異常情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警，有效提升了隧道智能化管理水平。

傳統(tǒng)的公路隧道照明系統(tǒng)設(shè)置照明參數(shù)時(shí)重視外界光照度，但較少關(guān)注駕駛員的實(shí)際身心需求。由于隧道內(nèi)車流密集、空間有限且環(huán)境質(zhì)量差，設(shè)備的日常維護(hù)和事故排查工作非常困難，如果工作人員巡檢不及時(shí)，會(huì)導(dǎo)致隧道內(nèi)發(fā)生事故時(shí)無法及時(shí)處理，巡檢工作人員的人身安全也無法得到保障。針對(duì)上述問題，該項(xiàng)目研發(fā)了隧道控速誘導(dǎo)系統(tǒng)，以優(yōu)化高速公路隧道行車環(huán)境，降低潛在的隧道事故風(fēng)險(xiǎn)。隧道控速誘導(dǎo)系統(tǒng)是基于控制車速和降低速度差理論的新型視覺誘導(dǎo)系統(tǒng)。利用LED誘導(dǎo)燈在隧道內(nèi)形成向前恒速跑動(dòng)的誘導(dǎo)效果，產(chǎn)生高頻視覺信號(hào)，利用人眼潛意識(shí)中對(duì)光的追逐特性，主動(dòng)引導(dǎo)駕駛員以誘導(dǎo)燈跑動(dòng)速度前進(jìn)，從而降低隧道內(nèi)行車速度，提高行車安全性和行車舒適性。在正常交通情況下還兼具隧道輪廓誘導(dǎo)功能，具備提醒道路線形、增強(qiáng)視覺感受、改善隧道內(nèi)照明等作用。隧道內(nèi)車輛超速率下降了13%，平均車速偏離均值下降了5.5km/h，有效減少事故的發(fā)生，其運(yùn)行效果如圖3所示。

圖3 隧道控速視覺誘導(dǎo)系統(tǒng)運(yùn)行效果

3.2 事件中干預(yù)措施和后果減輕措施

關(guān)鍵技術(shù)：一是基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測(cè)算法等一系列技術(shù)來實(shí)現(xiàn)交通事件檢測(cè)，如視頻全畫面分析技術(shù)。二是基于雷達(dá)、視頻融合的多維感知智能融合分析技術(shù)，基于遠(yuǎn)紅外線成像的在線式車體溫度與火災(zāi)監(jiān)測(cè)技術(shù)。依托統(tǒng)一的全覆蓋100G通信骨干網(wǎng)，浙高運(yùn)公司實(shí)現(xiàn)了所轄高速公路事件閉環(huán)管理，有效推動(dòng)了隧道事件的及時(shí)發(fā)現(xiàn)與有效處置。隨著浙江省高速公路建設(shè)的迅速發(fā)展，道路上的監(jiān)控設(shè)備不斷增加，機(jī)電設(shè)備的智能化程度也越來越高，包括視頻、車檢測(cè)器、卡口抓拍、雷達(dá)感知設(shè)備、雷視融合設(shè)備和門架系統(tǒng)在內(nèi)的感知設(shè)備也在不斷更新。雖然對(duì)不同類型、不同種類的事件的感知能力和準(zhǔn)確性不盡相同，但每種感知設(shè)備所采集的信息往往可以形成互補(bǔ)，從而得到全息的高速公路交通流運(yùn)行數(shù)據(jù)源。例如，車輛檢測(cè)器對(duì)流量和車速的監(jiān)測(cè)精度要高于視頻數(shù)據(jù)，但無法感知拋灑物等事件；雷達(dá)夜間感知能力強(qiáng)于視頻監(jiān)測(cè)，但無法同視頻監(jiān)測(cè)一樣便利地采集車輛車牌、車型等信息。因此，為了更加有效且全面地監(jiān)測(cè)高速公路，特別是高危隧道場(chǎng)景中的交通事件發(fā)生狀況并及時(shí)響應(yīng)，有必要充分發(fā)揮現(xiàn)有各類型設(shè)備和數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)，對(duì)感知設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行有效融合，從而顯著提升交通事件的檢測(cè)準(zhǔn)確率，改善現(xiàn)有人工視頻識(shí)別存在的漏報(bào)率高且響應(yīng)不及時(shí)等業(yè)務(wù)問題。浙高運(yùn)公司自主研發(fā)的“高瞳”視頻事件檢測(cè)系統(tǒng)事件發(fā)現(xiàn)率可達(dá)到96%以上，準(zhǔn)確率達(dá)97%以上，異常事件發(fā)現(xiàn)不超過2min。發(fā)生事故后，自動(dòng)彈出告警頁(yè)面，提醒監(jiān)控人員進(jìn)行處置，并將告警推送至隧道融合系統(tǒng)，執(zhí)行一鍵式應(yīng)急聯(lián)動(dòng)功能。系統(tǒng)已預(yù)先根據(jù)不同的告警設(shè)備、點(diǎn)位信息配置了不同的預(yù)案聯(lián)動(dòng)設(shè)備，并播放距離告警位置最近的前后兩路監(jiān)控畫面。系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)如圖4所示。

圖4 “高瞳”視頻事件檢測(cè)系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

其中，在隧道感知端，通過多源檢測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)，系統(tǒng)對(duì)視頻事件、物聯(lián)網(wǎng)事件進(jìn)行分析，并將采集處理結(jié)果上傳至事件分析服務(wù)器，由事件檢測(cè)和事故預(yù)測(cè)方法來進(jìn)行處理計(jì)算，得到算法感知的事件預(yù)測(cè)結(jié)果。最后將結(jié)果呈現(xiàn)在客戶端界面，直觀地顯示當(dāng)前高速公路中各個(gè)隧道的交通流運(yùn)行狀況，從而提高事件的響應(yīng)速度。

3.3 事件善后措施及評(píng)估措施

關(guān)鍵技術(shù)：一是激光水幕智能自適應(yīng)控制技術(shù)，自行調(diào)整成像效果，通過投影邊緣融合技術(shù)，消除水幕產(chǎn)生的光學(xué)縫隙。二是基于低壓水消防系統(tǒng)與工程應(yīng)用參數(shù)，融合現(xiàn)隧道消防系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的有效滅火、控?zé)煹燃夹g(shù)。

事件發(fā)生后，根據(jù)預(yù)案執(zhí)行一鍵式應(yīng)急聯(lián)動(dòng)：?jiǎn)?dòng)聲、光、電多媒介綜合的隧道入口管控系統(tǒng)，包括隧道洞內(nèi)外情報(bào)板、洞外車道指示器顯示內(nèi)容更改，隧道廣播啟動(dòng)，應(yīng)急通道進(jìn)入高亮狀態(tài)引導(dǎo)人員逃生，并啟動(dòng)“水幕”入口攔截系統(tǒng)，通過自主研發(fā)的水幕發(fā)生器與快速反應(yīng)的投影技術(shù)相結(jié)合，迅速產(chǎn)生偽全息圖像，使之橫亙?cè)诘缆分醒?，傳遞隧道封閉的信息，截?cái)嗍鹿尸F(xiàn)場(chǎng)后方交通流，第一時(shí)間阻止車輛進(jìn)入事故隧道，降低隧道事故波及人數(shù)，為事故處置爭(zhēng)取有利時(shí)間空間，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間只需10～15s。

同時(shí)根據(jù)事故情況，啟動(dòng)低壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)，管道式噴頭采用特殊的多角度設(shè)計(jì)，火災(zāi)蔓延控制、煙氣隔斷效果有明顯提升，有效改善首批到達(dá)人員的處置條件。應(yīng)急處置中，智能數(shù)控消防箱可以根據(jù)取用的消防設(shè)施自動(dòng)開啟相應(yīng)的語(yǔ)音教程，指導(dǎo)駕駛員使用消防應(yīng)急設(shè)備，將原有的卷式消防水帶創(chuàng)新布置為掛簾式，無須接管，可直接應(yīng)用水槍進(jìn)行滅火，操作時(shí)間從原來的30s縮短至10s，提升了火情的處置效率。

4 浙高運(yùn)公司高速公路數(shù)字隧道技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

該項(xiàng)目試點(diǎn)隧道為大梁山隧道、鶴城隧道、青云嶺隧道，另外分項(xiàng)技術(shù)還應(yīng)用于諸永高速、杭州繞城高速等隧道，試點(diǎn)改造內(nèi)容主要是隧道營(yíng)運(yùn)安全管控關(guān)鍵技術(shù)。這些技術(shù)的作用在于提升隧道交通的安全性、可靠性和效率，滿足交通市場(chǎng)對(duì)智能交通管理和安全設(shè)施的需求。

高速公路數(shù)字隧道技術(shù)主要采用“數(shù)字”思維對(duì)隧道系統(tǒng)進(jìn)行融合應(yīng)用，解決當(dāng)前隧道系統(tǒng)兼容壁壘、數(shù)據(jù)融合困難、系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)性不足等問題，同時(shí)解決以往隧道機(jī)電系統(tǒng)因分期建設(shè)存在的機(jī)電設(shè)備融合程度不高、事件處置操作時(shí)間長(zhǎng)等問題。依托“數(shù)字”技術(shù)，進(jìn)行隧道控速誘導(dǎo)、入口管控、數(shù)控消防箱、“水幕”柔性攔截等新型管控設(shè)備的應(yīng)用融合，對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行有效管控，有效保障了人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。系統(tǒng)應(yīng)用一鍵響鈴報(bào)警，通過聯(lián)席辦公，實(shí)現(xiàn)與高速交警、路政等部門的1min內(nèi)聯(lián)動(dòng)響應(yīng)，事故平均處理時(shí)長(zhǎng)降低5min以上，充分保障過往駕駛員的生命安全，減少國(guó)家財(cái)產(chǎn)損失。

5 結(jié)語(yǔ)

浙高運(yùn)公司通過打造隧道數(shù)字安全管控?cái)?shù)字化平臺(tái)，研發(fā)實(shí)用新型手段，為有效保障駕駛員生命安全提供強(qiáng)有力技術(shù)和管理支撐。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了人工管理到數(shù)字管理的轉(zhuǎn)變，對(duì)傳統(tǒng)管理模式效率低、難以閉環(huán)、信息不準(zhǔn)等難題進(jìn)行了有效突破。未來，浙高運(yùn)公司將創(chuàng)新應(yīng)用大數(shù)據(jù)、人工智能、新能源等新興前沿技術(shù)，對(duì)隧道營(yíng)運(yùn)管理進(jìn)行數(shù)字重構(gòu)，通過隧道內(nèi)車輛全域跟蹤、信息交互、消防機(jī)器人等的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)隧道全過程數(shù)字管控、全方位優(yōu)質(zhì)服務(wù)，進(jìn)一步提升隧道營(yíng)運(yùn)安全管理水平和應(yīng)急處置能力。