基于激光雷達(dá)檢測的隧道安全預(yù)警系統(tǒng)研究

鐘秋 黃國萍

摘要：為提高隧道的安全預(yù)警和處置能力，本文研究了一種基于激光雷達(dá)檢測的隧道安全預(yù)警系統(tǒng)。首先在分析公路隧道安全預(yù)警需求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了包含入口激光式掃描傳感器和抓拍相機(jī)、出口激光式掃描傳感器和抓拍相機(jī)、工控機(jī)等組成的預(yù)警系統(tǒng);接著從系統(tǒng)運(yùn)行、車型檢測、車輛出入口匹配、車輛變道檢測四個(gè)方面研究了系統(tǒng)運(yùn)行原理;最后就系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效果進(jìn)行分析。實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，本系統(tǒng)能有效地檢測交通事件，準(zhǔn)確快速的達(dá)到預(yù)警效果，為隧道安全預(yù)警提供一種新的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。

Abstract： In order to improve the safety early warning and disposal capability of tunnels， this paper studies a tunnel safety early warning system based on laser radar detection. Firstly， based on the analysis of highway tunnel safety warning requirements， an early warning system consisting of inlet laser scanning sensor and capture camera， export laser scanning sensor and capture camera， industrial computer is designed. Then， the operation principle of the system is studied in four aspects： from system operation， vehicle type detection， vehicle entrance and exit matching and vehicle lane change detection. Finally， the actual operation effect of the system is analyzed. The actual operation data analysis results show that the system could effectively detect traffic events， accurately and quickly achieve early warning effects， and provide a new design and implementation method for tunnel safety warning.

關(guān)鍵詞：激光雷達(dá);隧道安全預(yù)警;事件監(jiān)測;系統(tǒng)研究

Key words： laser radar;tunnel safety warning;event monitoring;system research

中圖分類號：U456.31? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）22-0218-06

0? 引言

隨著我國基礎(chǔ)公路和隧道建設(shè)的快速發(fā)展，到目前為止，我國已是世界上公路隧道建設(shè)數(shù)量最多、里程最長的國家。公路隧道在縮短行車距離、提高車速等方面發(fā)揮了積極作用，但在交通安全方面存在著一定隱患。與開放路段相比，公路隧道具有封閉、視線差、空間小、救援困難等特性，一旦發(fā)生交通事故，整條公路隧道的通行能力和安全性都將受到影響，對生命和財(cái)產(chǎn)安全的威脅更大，因此提高隧道的安全預(yù)警和處置能力顯得尤為重要。

隧道安全預(yù)警系統(tǒng)，結(jié)合隧道獨(dú)特的地形環(huán)境，利用激光檢測術(shù)與數(shù)字圖像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)運(yùn)動車輛自動檢測、運(yùn)動狀態(tài)檢測、交通事件檢測等目的，實(shí)時(shí)監(jiān)測隧道內(nèi)車輛數(shù)據(jù)變化，對車輛滯留、擁堵、變道等交通事件的檢測，“兩客一?！避囕v駛?cè)腭偝鎏嵝眩瑢?shí)時(shí)上傳交通流量調(diào)查數(shù)據(jù)，并自動記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。能夠準(zhǔn)確、快速地對交通異常和交通事件進(jìn)行檢測及預(yù)警，實(shí)現(xiàn)隧道安全的有效管控。

1? 隧道安全需求分析及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

公路隧道內(nèi)的安全事故的發(fā)生，絕大多數(shù)伴隨著重大的生命和財(cái)產(chǎn)的損失，特別是高速公路的隧道路段，對于隧道的安全預(yù)警需求更加急切，主要包括以下幾點(diǎn)：

①隧道內(nèi)部車輛信息實(shí)時(shí)了解，以視頻、數(shù)據(jù)等多方位展示實(shí)時(shí)隧道內(nèi)交通情況;②隧道內(nèi)發(fā)生的交通事件準(zhǔn)確、及時(shí)上報(bào)，對車輛事故或雨、雪、霧等惡劣天氣造成的車輛滯留第一時(shí)間上報(bào)并預(yù)警提示;③“兩客一?！碧厥廛囕v重點(diǎn)關(guān)注，客車與危險(xiǎn)品車的隧道通行狀態(tài)掌握。

基于上述分析，本系統(tǒng)通過安裝在隧道入口和出口的前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備，主要包括掃描式激光車檢器、攝像機(jī)等，采集隧道內(nèi)車輛通行的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過系統(tǒng)后臺軟件分析并處理，實(shí)現(xiàn)的主要功能包括：①隧道數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測：實(shí)現(xiàn)隧道實(shí)時(shí)容量變化監(jiān)測、實(shí)時(shí)平均車速變化監(jiān)測、實(shí)時(shí)車型占比變化監(jiān)測等，監(jiān)測信息實(shí)時(shí)顯示在中心服務(wù)器上，方便值班人員對隧道內(nèi)實(shí)時(shí)信息了解;②事件監(jiān)測與上報(bào)：車輛滯留監(jiān)測、擁堵監(jiān)測、車輛隧道內(nèi)變道監(jiān)測、“兩客一?！避囕v監(jiān)測，系統(tǒng)監(jiān)測到交通事件時(shí)，在中心服務(wù)器上醒目的區(qū)域顯示事件內(nèi)容，并控制隧道入口的情報(bào)板顯示警示信息，預(yù)防二次事故的發(fā)生;③交通流量調(diào)查統(tǒng)計(jì)與數(shù)據(jù)分析：統(tǒng)計(jì)交通流量情況調(diào)查數(shù)據(jù)，形成隧道全年流量變化及分布趨勢，為決策者提供數(shù)據(jù)支持。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，由入口激光式掃描傳感器和抓拍相機(jī)、出口激光式掃描傳感器和抓拍相機(jī)、工控機(jī)、補(bǔ)光燈、交換機(jī)、無線傳輸模塊、中心服務(wù)器等組成。掃描式激光傳感器安裝在隧道內(nèi)頂部，抓拍相機(jī)和補(bǔ)光燈安裝在現(xiàn)有支架上，激光傳感器器在抓拍機(jī)前面一定距離處，該距離與抓拍相機(jī)的最優(yōu)抓拍距離有關(guān)。隧道的入口和出口處均安裝一個(gè)激光傳感器和一個(gè)抓拍相機(jī)，車輛先通過入口的激光傳感器掃描區(qū)域，經(jīng)過入口抓拍相機(jī)下方，然后通過出口的激光傳感器和出口的抓拍相機(jī)。入口的激光傳感器與抓拍相機(jī)用通訊線連接，出口的激光傳感器與抓拍相機(jī)同樣用通訊線連接，且入口和出口的激光傳感器和抓拍相機(jī)通過網(wǎng)線連接到機(jī)柜中的交換機(jī)上，工控機(jī)接入內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，通過與入口和出口的激光傳感器和抓拍相機(jī)交互信息確定隧道內(nèi)車輛車型、流量等信息，并將數(shù)據(jù)經(jīng)過傳輸模塊發(fā)送至中心服務(wù)器。

1.2 系統(tǒng)運(yùn)行原理分析

1.2.1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)工作原理如圖2所示，掃描式激光傳感器實(shí)時(shí)采集道路上數(shù)據(jù)信息，當(dāng)入口激光傳感器檢測到車輛進(jìn)入時(shí)，發(fā)送抓拍指令給入口抓拍相機(jī)進(jìn)行抓拍，激光傳感器確定車型后向工控機(jī)上傳車型信息，抓拍相機(jī)抓拍車輛圖片后進(jìn)行車牌和車牌顏色識別，并把車輛圖片、車牌號和車牌顏色上傳工控機(jī)，工控機(jī)上的后臺軟件接收到這些數(shù)據(jù)信息后進(jìn)行入口車輛信息匹配和存儲;當(dāng)出口激光傳感器檢測到車輛進(jìn)入時(shí)，發(fā)送抓拍指令給出口抓拍相機(jī)，激光傳感器確定車型后向工控機(jī)上傳車型信息，抓拍相機(jī)抓拍車輛圖片后進(jìn)行車牌和車牌顏色識別，并把車輛圖片、車牌號和車牌顏色上傳工控機(jī)，工控機(jī)上的軟件在接收到數(shù)據(jù)信息后進(jìn)行出口車輛信息匹配，同時(shí)將入口車輛信息與出口車輛信息進(jìn)行對比匹配，確定車輛進(jìn)出隧道的時(shí)間、平均速度等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對隧道內(nèi)的車輛通行狀態(tài)掌握、交通事件監(jiān)測以及數(shù)據(jù)分析。

1.2.2 車型檢測原理

激光掃描測距的技術(shù)是專門為獲取物體的三維信息而發(fā)展起來的一門新興的立體測量技術(shù)，激光掃描測距傳感器利用激光脈沖飛行時(shí)間的基本原理測定被測物的距離，脈沖激光束通過激光掃描測距傳感器內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)反射鏡，以固定間隔的角度和時(shí)間進(jìn)行掃描，對周圍環(huán)境掃描出一個(gè)扇面，目標(biāo)物體的輪廓線由接收到的一系列脈沖序列來決定?；诖嗽?，可以對車輛的輪廓進(jìn)行掃描，獲取車輛的外型特征數(shù)據(jù)（如圖3所示），進(jìn)而進(jìn)行車輛分類，具有設(shè)備分型精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，且對“兩客一?！钡能囕v能有效識別。

1.2.3 車輛出入口匹配原理

在入口和出口設(shè)備采集到車輛信息并上傳至工控機(jī)后，得到入口和出口車輛的車型、車長、車寬、車高、車速、車道號、車牌號、車輛圖片、駛?cè)?駛出時(shí)間等信息。將車輛信息分以下2類：①有車型信息且有車牌號——車檢器出車信息、抓拍信息均有上傳，且抓拍信息中車牌號提取成功;②有車型信息無車牌號——車檢器出車信息、抓拍信息均有上傳，抓拍信息中車牌號未成功提取。

正常情況下出入口車輛信息匹配，正常情況指的是，入口和出口車輛信息均包含完整且準(zhǔn)確的車牌信息和車型信息，即均為類①。此時(shí)的出口與入口信息匹配時(shí)，以如圖4所示的方法處理。

異常情況下出入口車輛信息匹配，異常情況指的是，入口和出口車輛信息至少一個(gè)不為類①，即此時(shí)匹配時(shí)將車牌號不再作為參數(shù)參與匹配，主要以車輛信息的長、寬、高、車型特征點(diǎn)、駛?cè)腭偝鰰r(shí)間等信息匹配。

1.2.4 車輛滯留檢測原理

隧道入口檢測到車輛駛?cè)耄O(shè)備上傳車輛采集信息（車牌號、駛?cè)胲嚨捞?、車輛長寬高、車速），記錄車輛駛?cè)霑r(shí)間，將車輛加入隧道車輛池。隧道出口檢測到車輛駛出，與入口類似記錄車輛采集信息和駛出時(shí)間，將車輛信息與隧道車輛池匹配，并從車輛池中移出。系統(tǒng)定期檢測隧道內(nèi)車輛池中的車輛，判斷其是否存在超時(shí)未駛出的情況，若有，則認(rèn)定車輛滯留在隧道內(nèi)，記錄車輛滯留信息并發(fā)出滯留提示，同時(shí)控制警報(bào)燈開啟，提醒工作人員注意隧道內(nèi)情況。當(dāng)滯留車輛駛出隧道后，系統(tǒng)會記錄車輛駛出信息。如圖5所示。

1.2.5 車輛變道檢測原理

系統(tǒng)記錄車輛駛?cè)霑r(shí)刻和駛出時(shí)刻的所在車道號。當(dāng)車輛駛出隧道時(shí)，將車輛信息與隧道車輛池匹配，找到該車的入口信息，比對駛?cè)?、駛出的車道號，判斷車輛在隧道內(nèi)發(fā)生變道動作。

2? 系統(tǒng)運(yùn)行效果

2.1 中心服務(wù)器軟件界面

中心服務(wù)器軟件功能齊全、綜合性強(qiáng)，展示界面及功能區(qū)域如圖6所示。

軟件可實(shí)時(shí)顯示隧道內(nèi)車輛數(shù)量與各車型分布情況，實(shí)時(shí)計(jì)算隧道內(nèi)通行指數(shù)，并顯示隧道內(nèi)容量變化曲線和平均車速變化曲線，了解隧道內(nèi)通行能力和狀態(tài)，以及交通事件檢測通知，顯示隧道內(nèi)發(fā)生的車輛滯留、擁堵、“兩客一?！避囕v的駛?cè)腭偝鰻顟B(tài)等。

2.2 事件檢測預(yù)警

軟件實(shí)時(shí)檢測隧道內(nèi)交通事件并發(fā)出預(yù)警提示，預(yù)警時(shí)預(yù)警信息顯示區(qū)會閃縮，同時(shí)將會以不同的顏色提示不同的預(yù)警信息，在桌面右下角彈出告警提示框，并控制聲光警報(bào)設(shè)備提醒中心值班人員。如圖7所示。

事件檢測預(yù)警信息分為如下幾種：

2.2.1 閾值事件檢測

當(dāng)隧道內(nèi)車輛總數(shù)或某車型車輛總數(shù)超過隧道設(shè)置的閾值容量時(shí)，則會進(jìn)行告警。

2.2.2 滯留事件檢測

當(dāng)某一車輛在隧道內(nèi)滯留的時(shí)間超過設(shè)置的閾值，則會進(jìn)行告警，告警時(shí)將會上傳車輛的抓拍圖片。當(dāng)該車輛駛出隧道后，同時(shí)會收到該車輛駛出的提示信息。

2.2.3 變道事件檢測

當(dāng)車輛駛?cè)牒婉偝鏊淼罆r(shí)的車道不一致時(shí)，會接收到預(yù)警信息以及車輛的抓拍圖片。

2.2.4 “兩客一?！避囕v檢測提醒

當(dāng)中型客車、大客車以及?；奋囻?cè)牒婉偝鏊淼罆r(shí)，系統(tǒng)會在提醒區(qū)顯示車輛信息以及圖片，并做數(shù)據(jù)存儲，如圖8所示。

2.3 數(shù)據(jù)持久化

對隧道內(nèi)交通事件檢測數(shù)據(jù)、流量數(shù)據(jù)、“兩客一?！碧嵝褦?shù)據(jù)等進(jìn)行本地持久化，提供數(shù)據(jù)查看功能。

該項(xiàng)目自河北承德實(shí)施運(yùn)行一年時(shí)間，在運(yùn)行期間準(zhǔn)確預(yù)警了承德五道嶺隧道發(fā)生的3起車輛滯留事件，1起交通事故，事件均能實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)和完整取證，有效提高了隧道安全預(yù)警反映能力，幫助高速管理工作人員在發(fā)生交通事件時(shí)了解隧道內(nèi)車輛信息，提高隧道交通處置能力，且針對“兩客一危”車輛的識別精度達(dá)到80%以上。

3? 數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)運(yùn)行期間的運(yùn)行數(shù)據(jù)可通過中心服務(wù)器軟件查詢，分析數(shù)據(jù)可得到以下結(jié)果：

3.1 隧道容量分析

分析隧道容量數(shù)據(jù)可知曉隧道每天不同時(shí)刻的車輛通行量及實(shí)時(shí)的通行峰值，了解隧道通行容納能力。

圖9為通行狀態(tài)良好時(shí)某隧道容量一天的變化曲線?？闪私獾剑涸撍淼廊萘孔兓收龖B(tài)分布趨勢;當(dāng)天隧道內(nèi)車流高峰時(shí)車輛數(shù)最多達(dá)到約為35輛;高峰期在8：00-11：30，13：00-18：00。7：00開始容量呈階梯上升趨勢，18：00后容量呈下降趨勢，且在22：30左右有短暫起伏變化。

圖10為霧天限行情況下隧道容量一天的變化曲線。可了解到：9時(shí)左右隧道容量開始急劇上升，取消限行后隧道瞬時(shí)容量接近70，高峰時(shí)間約為9：30;9：30之后容量呈下降趨勢，并趨于正常狀態(tài)。

圖11為檢測到隧道內(nèi)發(fā)生車輛大量滯留時(shí)，當(dāng)天的隧道容量變化曲線?？闪私獾剑核淼纼?nèi)發(fā)生車輛滯留時(shí)間段為7：30-12：30，高峰時(shí)容量達(dá)到180輛，12：30之后隧道通行恢復(fù)正常;滯留車輛數(shù)急劇上升時(shí)間點(diǎn)為7：24左右。

3.2 隧道流量分析

分析隧道路段的流量數(shù)據(jù)，可了解隧道路段全天、全年車流量信息，以及各車型占比、“兩客一?！避囕v數(shù)據(jù)等。

圖12為隧道流量按天檢測的變化曲線。可了解到：該隧道通行車流量變化呈正態(tài)分布趨勢;隧道內(nèi)車流高峰時(shí)5分鐘統(tǒng)計(jì)流量最多達(dá)到約為500輛;高峰期在8：00-11：30和13：00-18：00。9時(shí)和15時(shí)左右達(dá)到峰值，且在22：30左右有短暫起伏變化。

4? 結(jié)束語

通過隧道安全預(yù)警系統(tǒng)，對隧道內(nèi)車輛信息和數(shù)據(jù)的掌握，及時(shí)檢測隧道內(nèi)發(fā)生的交通事件，對“兩客一?！避囕v的駛?cè)腭偝鲫P(guān)注，并統(tǒng)計(jì)隧道全天候的容量與流量數(shù)據(jù)，不僅提高了對隧道的有效管控，為決策者提供有效的數(shù)據(jù)支撐，而且能在第一時(shí)間知曉隧道內(nèi)發(fā)生的交通事故和事件，快速提醒人員介入處理，還能提供隧道內(nèi)車輛詳細(xì)數(shù)據(jù)，提高事故救援能力和效率。

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作者簡介：鐘秋（1970-），男，重慶人，高級工程師，主要研究方向?yàn)榻煌üこ獭?/p>