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，光照的變化、環(huán)境空氣的變化、危險駕駛行為等極易引發(fā)安全事故。同時，隧道信息化建設(shè)不足，導(dǎo)致隧道安全風(fēng)險感知薄弱、應(yīng)急救援效率低下，易釀成嚴重后果。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)，對隧道內(nèi)車輛進行高精度感知，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)能及時發(fā)現(xiàn)隧道安全風(fēng)險，對隧道內(nèi)交通事件、火災(zāi)、環(huán)境及重點車輛通行情況進行感知和預(yù)警，并在管理中心進行實時展示，助力隧道重點車輛的精準(zhǔn)管控、安全監(jiān)管和數(shù)字運維工作，從而提高隧道安全管理效率和數(shù)字化運維能力，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

中圖分類號 U458 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）24-0017-04

0 引言

隨著全國高速公路里程的不斷增加，我國已是世界上公路隧道規(guī)模最大的國家，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)管機制和相關(guān)制度亟待完善等問題依然突出。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，洞內(nèi)外亮度的瞬間變化、環(huán)境空氣的差異、危險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)險感知薄弱、應(yīng)急救援效率低下，易釀成嚴重后果。目前，多個省市的《交通強國建設(shè)綱要》和《十四五交通運輸規(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，運行情況實時監(jiān)測，安全風(fēng)險預(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隧道安全管理為應(yīng)用場景，根據(jù)隧道內(nèi)車輛通行安全管控存在的問題，研究一套全息隧道安全管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對隧道內(nèi)車輛停靠、變道、超速、堵塞等特殊事件及?；奋囕v的自動識別并鎖定事件位置，發(fā)出警報信息，將可視化界面推送至監(jiān)控中心，實現(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 項目概況

該文以云南省某高速公路為研究對象，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48.198 km，共計隧道7處，按照雙向四車道設(shè)計建設(shè)，雙向隧道總長約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，洞內(nèi)外亮度的瞬間變化、環(huán)境空氣的差異、危險駕駛行為等極易引發(fā)安全事故?，F(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)險感知薄弱、應(yīng)急救援效率低下，易釀成嚴重后果[3]。因此，探索一種隧道安全風(fēng)險感知的新方式、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光環(huán)境，此類光線的急劇變化極易導(dǎo)致駕駛員視覺暫盲，特別是?；愤\輸?shù)能囕v，發(fā)生事故后極易誘發(fā)火災(zāi)事故，進而造成重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。鑒于隧道內(nèi)車道相對狹窄，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)前對高速公路隧道的運營管理相對復(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產(chǎn)損失，處置代價大[4]，且隧道內(nèi)各項指標(biāo)的檢測、隧道監(jiān)控、設(shè)備管理、事件處置、信息發(fā)布等系統(tǒng)獨立運行，相互間沒有關(guān)聯(lián)。同時，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，不能實現(xiàn)各系統(tǒng)間的信息共享、自動控制與信息發(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)測設(shè)備在精度與覆蓋范圍上存在顯著不足，無法實現(xiàn)對隧道內(nèi)車輛實時通行情況及車輛分布的實時監(jiān)控。僅憑人工巡查的方式，難以及時準(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)布渠道相對單一，難以確保信息能夠及時有效地傳達至駕駛員和相關(guān)部門。同時，大部分駕駛員對隧道內(nèi)的應(yīng)急設(shè)施和逃生通道缺乏了解，安全風(fēng)險感知能力薄弱，且缺乏必要的應(yīng)急知識和技能，這些因素共同導(dǎo)致應(yīng)急救援效率的低下。

3 設(shè)計與規(guī)劃

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

該項目建設(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)及隧道出口的實時信息，運用視頻車型識別技術(shù)實現(xiàn)隧道內(nèi)的數(shù)字化監(jiān)控。通過數(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)，實現(xiàn)全時全域全程的隧道全息化管理，助力隧道重點車輛的精準(zhǔn)管控、安全監(jiān)管和數(shù)字化運維，設(shè)計方案如圖1所示。

3.1 方案設(shè)計

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)，實現(xiàn)全時全域全程的隧道全息化管理，助力隧道重點車輛的精準(zhǔn)管控、安全監(jiān)管和數(shù)字運維工作。

3.2.2 視頻車型識別技術(shù)

基于智能視頻識別技術(shù)，對車輛進行連續(xù)掃描、檢測、識別，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，通過網(wǎng)絡(luò)與高清車牌圖像識別設(shè)備進行無縫連接和數(shù)據(jù)交換，實現(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技術(shù)

視頻車型追蹤與事件檢測相關(guān)技術(shù)原理詳見圖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臺車牌識別設(shè)備、3臺門架車型識別設(shè)備、1臺全息近景一體機、1臺全息遠程一體機，以及車頭補光燈/車側(cè)補光燈/車頂補光燈各3臺。

卡口車牌識別設(shè)備采集車輛號牌信息及車頭圖片，將識別結(jié)果傳輸至門架視頻車型識別設(shè)備；車型識別設(shè)備采集車輛的收費車型、軸數(shù)、輪數(shù)等特征，輸出側(cè)面掃描大圖，對?；奋囕v等進行識別，并接收卡口車牌識別設(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/遠景一體機，可實現(xiàn)車輛車牌、車型等信息的采集，并采集車輛位置信息，實現(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)平臺進行融合展示，實現(xiàn)全時全域全程的隧道全息化管理。

3.3.2 隧道內(nèi)信息采集

該項目隧道全長2.1 km，為更好地實現(xiàn)隧道的數(shù)字化管控，隧道內(nèi)共設(shè)置15個視頻采集點位，每個點位間隔150 m，根據(jù)隧道內(nèi)彎道視線的影響程度，視頻采集點可適度加密。每個點位的采集設(shè)備包含全息路段近景/遠景一體機各一臺，實現(xiàn)車輛車牌、車型的采集，以及車輛定位、車輛跟蹤、車速檢測等。設(shè)備最多可同時跟蹤250個目標(biāo)，探測范圍可覆蓋10～250 m區(qū)域。數(shù)據(jù)上傳至后端全息隧道系統(tǒng)，對車輛通行情況、車輛位置進行分析展示。

3.3.3 隧道出口信息采集

在隧道出口距離隧道洞內(nèi)最后一個點位150 m處，新建ETC門架或L桿，安裝卡口攝像機1臺、視頻車型識別設(shè)備3臺、車頭補光燈/車側(cè)補光燈/車頂補光燈各3臺。環(huán)保卡口抓拍單元采集車輛號牌信息及車頭圖片，識別結(jié)果并上傳至后端全息隧道安全通行預(yù)警系統(tǒng)平臺進行融合展示，對車輛駛離隧道情況進行確認。

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)計容量的前提下，按照就近原則從相應(yīng)配電箱進行取電，車側(cè)、車頂補光燈采用光敏控制，將車頭補光燈控制線接入卡口攝像機的控制端口，在減少控制線布設(shè)的前提下實現(xiàn)同頻工作?？跀z像機、視頻車型識別設(shè)備分別通過網(wǎng)線接入光交換機，通過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)平臺的軟件部署，應(yīng)根據(jù)實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，通過數(shù)據(jù)分析處理，以可視化方式呈現(xiàn)在平臺上，并根據(jù)初步需求設(shè)計，最終實現(xiàn)隧道內(nèi)通行情況、車輛分布、車型類型的直觀展示，自動判斷隧道通行的風(fēng)險等級，展示隧道過車數(shù)據(jù)、平均車速等，以及隧道內(nèi)車輛、行人等事件的檢測結(jié)果，展示隧道通行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計情況，實現(xiàn)全時全域全程的隧道全息化管理。

3.5 系統(tǒng)平臺功能

全息隧道系統(tǒng)平臺屬于隧道交通監(jiān)控子系統(tǒng)的重要部分，可獨立運行，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)隧道通行動態(tài)信息的態(tài)勢展示，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)計報表、流水記錄查詢等功能，具體如表1所示：

4 應(yīng)用效果

經(jīng)過實際部署與運行，全息隧道安全管理系統(tǒng)實現(xiàn)了對隧道全時段、全地域、全流程的精準(zhǔn)管理。作為云南省首個高速公路全息隧道監(jiān)測系統(tǒng)，自2023年8月正式啟用以來，該系統(tǒng)顯著提升了該路段隧道對重點車輛的精準(zhǔn)管控能力、安全監(jiān)管效能及數(shù)字運維水平。截至目前，已精準(zhǔn)識別并處理了80起車輛違停事件，監(jiān)測到7650起隧道內(nèi)的車輛故障、實線變道及區(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1 613輛危化品車輛實施了有效監(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營的整體效率，而且顯著增強了長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)致的封路時間。

隧道管理員通過在工作站輸入全息隧道安全管理系統(tǒng)地址，可遠程訪問系統(tǒng)平臺，通過曲面顯示屏展示隧道系統(tǒng)平臺界面，對隧道通行情況進行實時監(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)對于隧道安全管控具有重要意義，它能直觀地顯示隧道的實時通行情況，并對各類事件進行預(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)，具有較強的應(yīng)用前景，為高速公路隧道管理提供了經(jīng)驗借鑒。

5 結(jié)語

該文通過構(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現(xiàn)對隧道內(nèi)車輛通行情況的實時監(jiān)管。通過這一系統(tǒng)，管理員可以實時監(jiān)測隧道內(nèi)的車輛?？?、變道、超速、堵塞及?；奋囕v等事件，并能夠自動識別和鎖定這些事件的準(zhǔn)確位置，隨即發(fā)出警報信息，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有力的保障，同時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，是國家《十四五交通運輸規(guī)劃》的政策要求，也是未來交通行業(yè)發(fā)展的重要需求。在隧道風(fēng)險預(yù)警、安全管控等方面，這套全息隧道安全管理系統(tǒng)具有極強的應(yīng)用價值，有望成為未來隧道管理的重要工具之一。

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