智慧隧道事故主動(dòng)預(yù)防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：【目的】高速公路隧道洞內(nèi)外亮度差異大、環(huán)境單一易疲勞、視線效果差，導(dǎo)致隧道路段的事故發(fā)生率遠(yuǎn)高于其他路段。而傳統(tǒng)的隧道事故預(yù)防手段均是事后控制，無法在事故發(fā)生前做到主動(dòng)預(yù)防。為解決此問題，設(shè)計(jì)了一種智慧隧道事故主動(dòng)預(yù)防系統(tǒng)?！痉椒ā吭撓到y(tǒng)將洞口輪廓強(qiáng)化控制模塊、主動(dòng)引導(dǎo)模塊、逃生誘導(dǎo)模塊、車輛檢測模塊以及基于ZigBee和射頻433技術(shù)的通信模塊相互結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對高速公路隧道區(qū)間車輛的主動(dòng)引導(dǎo)，通過道路輪廓主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)標(biāo)識(shí)指示車輛安全通過。事故發(fā)生后，也可啟動(dòng)逃生誘導(dǎo)裝置，指引人員車輛迅速朝最近的出口逃生?！窘Y(jié)果】該系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)際道路安裝測試，可以有效地減少隧道區(qū)段的交通事故發(fā)生概率，年度事故發(fā)生量下降42.9%?！窘Y(jié)論】該系統(tǒng)具備較強(qiáng)的實(shí)用性，在高速公路隧道尤其是特長隧道場景中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：高速公路；智慧隧道；主動(dòng)引導(dǎo)；事故預(yù)防

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2024）18-0005-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.18.001

Design of Active Prevention System for Intelligent Tunnel Accident

GUO Xiaopeng1，2

（1.Shanxi Intelligent Transportation Research Institute Co.， Ltd.， Taiyuan 030000， China;

2.Shanxi Intelligent Transportation Laboratory Co.， Ltd.， Taiyuan 030000， China）

Abstract： [Purposes] The highway tunnel has characteristics such as differences in brightness between the inner and outer tunnels， a single environment that is prone to fatigue， and poor visual effects， resulting in a much higher accident rate in tunnel sections compared to other sections. Traditional tunnel accident prevention methods are all post event control， which cannot achieve proactive prevention before accidents occur. To solve this issue， this article proposes an active prevention system for intelligent tunnel accident. [Methods] The system combines the reinforcement control of tunnel entrance contour， active guidance module， escape guidance， vehicle detection module， and communication module based on ZigBee and RF433 technology to achieve active guidance of vehicles in highway tunnel sections. The road contour actively emits guidance signs to indicate safe passage of vehicles. After an acciQpQOd2BoPUJRwYLzW9ApHQ==dent occurs， the escape guidance device can also be activated to guide personnel and vehicles to quickly evacuate towards the nearest exit. [Findings] The system has been tested and installed on actual roads and can effectively reduce the probability of traffic accidents in tunnel sections， with the annual number of accidents decreasing by 42.9%. [Conclusions] This system has strong practicality and high application value in highway tunnels， especially in the scenario of extra long tunnels.

Keywords： highway；intelligent tunnel；active guidance；accident prevention

0 引言

截至2023年底，山西省已建成高速公路6 010 km，4縱15橫33聯(lián)的高速公路網(wǎng)基本形成。山西省地形地貌復(fù)雜，兩山夾一川，東臨太行山，西臨呂梁山，山地占全省面積的40%，因此山西省的高速公路橋隧比高，單公里造價(jià)高。山西高速現(xiàn)有隧道759座，隧道單洞長度達(dá)到1 034.5 km，特長隧道單洞長度達(dá)到511.7 km，其中政府還貸路的特長隧道單洞長度達(dá)到382.2 km。

高速公路隧道洞內(nèi)外亮度差異大、環(huán)境單一易疲勞、視線效果差，導(dǎo)致隧道路段的事故發(fā)生率遠(yuǎn)高于其他路段。同時(shí)，現(xiàn)有的隧道因環(huán)境相對封閉、指引標(biāo)志不全及智能化程度低下，造成隧道內(nèi)易發(fā)生二次事故。

隧道作為現(xiàn)代交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，其安全性和可靠性對于整個(gè)交通系統(tǒng)的運(yùn)行至關(guān)重要。常見的隧道事故原因包含：車輛故障、駕駛員疲勞、駕駛員操作不當(dāng)、車輛超載、非法運(yùn)輸?；贰?yīng)急車道占用、拋灑物及人員非法闖入等［1］。由于隧道內(nèi)空間相對封閉，一旦發(fā)生事故，往往會(huì)造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失［2］。針對這一問題，目前常見的預(yù)防手段主要包括以下幾個(gè)方面。

①加強(qiáng)隧道設(shè)施建設(shè)和管理。在隧道設(shè)計(jì)中充分考慮通風(fēng)、照明、消防、監(jiān)控、報(bào)警、廣播及環(huán)境監(jiān)測等設(shè)施的配置和布局［3］。加強(qiáng)隧道內(nèi)設(shè)備的日常維護(hù)和管理。

②加強(qiáng)交通安全宣傳和管理。通過交通安全宣傳教育，加強(qiáng)駕駛員的安全意識(shí)，規(guī)范交通行為，防止車輛超載、非法運(yùn)輸?；返龋?］。

③加強(qiáng)應(yīng)急救援和預(yù)案制定。建立完善的應(yīng)急救援體系，制定詳細(xì)的應(yīng)急預(yù)案流程，明確應(yīng)急響應(yīng)流程和責(zé)任分工，確保在事故發(fā)生時(shí)，能夠迅速、準(zhǔn)確地應(yīng)對。

上述預(yù)防手段雖然能起到一定的作用，但仍無法從根本上解決隧道事故多發(fā)的問題［2］。隨著技術(shù)手段的提升，越來越多的專家學(xué)者提出通過引進(jìn)先進(jìn)的消防技術(shù)和監(jiān)控技術(shù)，來構(gòu)建集隧道運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、交通監(jiān)控、安全管控、應(yīng)急管控和智慧運(yùn)維于一體的智能管控模式［5］。然而，無論消防還是監(jiān)控，均是事后控制，無法在事故發(fā)生前做到主動(dòng)預(yù)防。基于此，本研究設(shè)計(jì)了一種智慧隧道事故主動(dòng)預(yù)防系統(tǒng)，通過自動(dòng)化和智能化的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)車輛通過隧道時(shí)的全過程主動(dòng)引導(dǎo)，主動(dòng)降低事故發(fā)生的可能性，做到事前預(yù)防。

1 系統(tǒng)概況

智慧隧道事故主動(dòng)預(yù)防系統(tǒng)包含3大模塊：洞口輪廓強(qiáng)化模塊、洞內(nèi)外主動(dòng)引導(dǎo)模塊及逃生誘導(dǎo)模塊。

洞口輪廓強(qiáng)化模塊主要是安置在高速公路隧道洞口上的示廓單元；洞內(nèi)外主動(dòng)引導(dǎo)模塊是布置在高速公路隧道洞內(nèi)外沿線的多功能警示單元；逃生誘導(dǎo)模塊是事故發(fā)生時(shí)用于引導(dǎo)隧道內(nèi)人員逃生路線的指引單元。隧道沿線布置區(qū)域控制器，通過ZigBee和433技術(shù)與各模塊進(jìn)行組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和區(qū)域聯(lián)控，從而完成本地?cái)?shù)據(jù)和隧管站控制中心的數(shù)據(jù)通信和控制指令下達(dá)。主動(dòng)引導(dǎo)模塊內(nèi)置車輛檢測裝置，通過紅外光柵檢測車輛異常情況，包括車輛在隧道因事故、違章、車流量大等原因?qū)е碌能囕v緩慢行駛、車輛違停及車輛事故。該智慧隧道事故主動(dòng)預(yù)防系統(tǒng)旨在通過主動(dòng)引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)車輛事故預(yù)防，并結(jié)合逃生誘導(dǎo)，盡量規(guī)避二次事故次生災(zāi)害的發(fā)生，其總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.1 洞口輪廓強(qiáng)化模塊

洞口輪廓強(qiáng)化模塊主要由供電模塊、通信模塊、傳感器模塊、顯示模塊組成。該模塊主要利用傳感器模塊采集高速公路隧道入口區(qū)段的溫度、濕度、能見度等氣象信息，并將信息主動(dòng)上傳至區(qū)域控制中心。當(dāng)遭遇惡劣天氣，道路能見度低于閾值時(shí)，開啟隧道洞口顯示單元，通過燈光提醒駕駛?cè)藛T臨近隧道，提前減速。

1.1.1 供電模塊。該模塊采用太陽能供電系統(tǒng)，為整個(gè)洞口輪廓強(qiáng)化模塊供電，利用太陽能電池板，實(shí)現(xiàn)控制單元就地補(bǔ)能，方便模塊在不易接入市電的區(qū)域運(yùn)行。

1.1.2 通信模塊。該模塊利用ZigBee通信模組和433通信模組，完成與洞內(nèi)引導(dǎo)設(shè)備控制器和誘導(dǎo)設(shè)備控制器的組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息互聯(lián)互通。

1.1.3 傳感器模塊。該模塊主要是由能見度檢測傳感器構(gòu)成，通過檢測空氣中的離散光粒子的總數(shù)量，判斷隧道洞口區(qū)域的能見度狀況，并將信息傳遞至總控制器和隧管站控制中心。

1.1.4 顯示模塊。該模塊由紅黃雙色燈和情報(bào)板構(gòu)成，當(dāng)能見度較低時(shí)，自動(dòng)模式下，主控制自行控制顯示模塊啟動(dòng)，通過黃燈，強(qiáng)化隧道洞口輪廓。當(dāng)遇到隧道內(nèi)事故時(shí)，切換紅燈警示洞外車輛，同時(shí)聯(lián)動(dòng)情報(bào)板，提醒車輛發(fā)生事故，禁止駛?cè)胨淼馈?/p>

1.2 主動(dòng)引導(dǎo)模塊

主動(dòng)引導(dǎo)模塊是智慧隧道事故主動(dòng)預(yù)防系統(tǒng)的核心模塊，該模塊使用ARM芯片作為主控制器，集成zigbee通信模塊、光柵車輛檢測器、多色引導(dǎo)指示燈。ARM主控制器既可以通過接收車輛檢測器信號(hào)，又可以通過接收隧管站指令，切換各種引導(dǎo)模式，包括警示模式、車輛尾跡引導(dǎo)模式及禁止模式等。

主動(dòng)引導(dǎo)模塊沿高速公路沿線布置，安裝在高速公路兩側(cè)、隧道壁及中間隔離護(hù)欄上。主動(dòng)引導(dǎo)模塊的布設(shè)和工作原理如圖2所示。

1.2.1 道路輪廓指示功能。當(dāng)遇到惡劣天氣或隧道內(nèi)因事故產(chǎn)生濃煙導(dǎo)致能見度降低時(shí)，系統(tǒng)可接收隧管站控制指令，開啟道路輪廓指示功能，通過將燈光顏色切換為黃燈，增強(qiáng)能見度較低的情況下，道路輪廓顯示的視覺效果［6］。

1.2.2 車輛檢測功能。主動(dòng)引導(dǎo)裝置集成光柵車輛檢測器，光柵車輛檢測器發(fā)射紅外光，收發(fā)單元分別布置在隧道壁兩側(cè)，如果有車輛通過，將會(huì)對紅外光產(chǎn)生遮擋，從而判斷出有車輛通過。主動(dòng)引導(dǎo)模塊內(nèi)置ARM主控制器，利用控制器內(nèi)的編程實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)算法，通過是否遮擋、遮擋時(shí)長及連續(xù)遮擋間隔時(shí)間等特征，自動(dòng)判斷車輛狀態(tài)。特征分析見表1。

通過分析車輛狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)ARM主控芯片自主判斷隧道內(nèi)情況，如車輛違停、發(fā)生事故及車輛緩行擁堵等。根據(jù)主控制器內(nèi)置的程序，系統(tǒng)可以依據(jù)隧道內(nèi)態(tài)勢，自動(dòng)切換引導(dǎo)狀態(tài)，也可以將異常報(bào)警信號(hào)上傳至隧道管理站指揮中心，由管理站下發(fā)指令程序，進(jìn)行模式切換。

1.2.3 車輛尾跡指引功能。利用人眼的視覺暫留原理，當(dāng)一輛車駛過車輛檢測器后，該點(diǎn)的指引模塊指示燈變紅，隨后聯(lián)控車輛后方兩組指引燈變紅，隨著車輛沿行車道前進(jìn)，駛?cè)胂乱唤M車輛檢測區(qū)，新的一組指引模塊變紅，車輛后方最后一組指引模塊變綠，由此在車輛后方形成三組紅色指引燈組成的尾跡線，給駕駛員形成一種車輛尾跡的視覺效果。同時(shí)，通過合理布設(shè)指引燈間距和ZigBee組網(wǎng)聯(lián)控組成尾跡的燈組數(shù)，給前后車之間留下足夠的安全距離，這種指引模式可以在能見度較低的情況下有效提醒后車司機(jī)前方的安全距離，防止追尾［7］。

1.2.4 緊急停車帶車輛警示功能。本研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在隧道緊急停車帶除安裝光柵車輛檢測器外，還安裝有地磁車檢器。當(dāng)車檢器檢測到有車輛進(jìn)入緊急停車帶并停留時(shí)［8］，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)聯(lián)動(dòng)緊急停車帶內(nèi)和駛?cè)敕较蛏系囊龑?dǎo)指示燈［9］，實(shí)現(xiàn)黃燈間隔閃爍，并聯(lián)動(dòng)情報(bào)板，警示后方車輛減速慢行，注意緊急停車帶可能有車輛駛出。

1.2.5 隧道禁止駛?cè)刖竟δ堋．?dāng)引導(dǎo)模塊檢測到隧道內(nèi)發(fā)生事故，會(huì)自動(dòng)聯(lián)動(dòng)隧道洞口引導(dǎo)模塊切換紅燈爆閃模式，警示隧道外即將駛?cè)氲能囕v，并聯(lián)動(dòng)情報(bào)板及擴(kuò)音器，顯示播報(bào)隧道事故，禁止駛?cè)搿?/p>

1.2.6 通信組網(wǎng)功能。隧道內(nèi)外引導(dǎo)設(shè)備集成ZigBee和433通信模塊，其中引導(dǎo)模塊使用ZigBee組網(wǎng)模式，利用ZigBee短距通信傳輸速度快、組網(wǎng)方便、可路由中繼的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)路段所有引導(dǎo)設(shè)備組網(wǎng)。當(dāng)個(gè)別設(shè)備出現(xiàn)損壞時(shí)，其余設(shè)備仍可自由組網(wǎng)，不至于癱瘓；而433通信模塊頻率低、傳輸距離長，安裝在引導(dǎo)設(shè)備內(nèi)可方便洞內(nèi)外設(shè)備的遠(yuǎn)距通信，利用GPS授時(shí)功能，實(shí)現(xiàn)所有引導(dǎo)設(shè)備基準(zhǔn)時(shí)間一致性。Zigbee和433的互補(bǔ)使用，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)各模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸同步和指令下發(fā)同步。

1.3 逃生誘導(dǎo)模塊

當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生事故，因人員撤離不及時(shí)，往往會(huì)造成二次事故。為盡量避免事故的發(fā)生，需在隧道內(nèi)增加逃生誘導(dǎo)指示單元。該智慧隧道事故主動(dòng)預(yù)防系統(tǒng)將逃生誘導(dǎo)模塊與主動(dòng)引導(dǎo)模塊集成，當(dāng)系統(tǒng)檢測出有事故發(fā)生時(shí)，主控制器會(huì)將事故報(bào)警信息傳至遠(yuǎn)端隧道管理站，隧道管理人員只需下發(fā)指令，即可打開逃生誘導(dǎo)模塊。該逃生誘導(dǎo)模塊通過箭頭形指示燈指引隧道內(nèi)不同位置人員的逃生路線，引導(dǎo)人群快速到達(dá)隧道洞口、人行橫洞及車行橫洞等逃生位置。逃生誘導(dǎo)模塊功能示意如圖3所示。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)和測試結(jié)果

該智慧隧道事故主動(dòng)預(yù)防系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測高速公路隧道區(qū)間行車狀況，通過分析研判各類隧道異常事件特征，系統(tǒng)主控芯片可以自主切換引導(dǎo)模式或根據(jù)隧管站的上級指令，完成隧道全域引導(dǎo)模式的切換。系統(tǒng)將能見度檢測器、洞口輪廓強(qiáng)化裝置、車檢器、情報(bào)板、車輛引導(dǎo)模塊集成組網(wǎng)，主動(dòng)引導(dǎo)車輛規(guī)范安全行駛。該系統(tǒng)顯著降低了隧道內(nèi)車輛行駛事故發(fā)生率，提升了隧道內(nèi)行車安全。同時(shí)，系統(tǒng)還集成誘導(dǎo)逃生指引模塊，在事故發(fā)生的第一時(shí)間，引導(dǎo)隧道內(nèi)人群逃生，降低二次事故發(fā)生率。該系統(tǒng)的主要硬件參數(shù)見表2。

3 結(jié)論

該智慧隧道事故主動(dòng)預(yù)防系統(tǒng)主要針對高速公路隧道區(qū)間而設(shè)計(jì)，可對隧道區(qū)間內(nèi)外車輛行駛做到實(shí)時(shí)指引。系統(tǒng)通過集成車檢器、能見度檢測傳感器感知隧道內(nèi)環(huán)境的變化，并通過ARM主控芯片編程算法實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)各類異常事件特征分類，最終實(shí)現(xiàn)車輛行駛的主動(dòng)引導(dǎo)，為車輛在隧道內(nèi)的安全通過提供了一種有效、可行的新方法。經(jīng)實(shí)際路段測試，該系統(tǒng)使用效果良好。

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