淺談高速公路隧道管控系統(tǒng)

石勝華 王安娜 闕飚

（杭州都市高速公路有限公司，浙江 杭州 310024）

一、引言

眾所周知，高速公路隧道的交通環(huán)境極為特殊，如何提升隧道的安全管控水平一直是行業(yè)的重難點(diǎn)問題。杭州繞城西復(fù)線高速是我國首批智慧公路試點(diǎn)項(xiàng)目，建設(shè)過程中，項(xiàng)目始終秉承試點(diǎn)目標(biāo)，遵循“問題導(dǎo)向、技術(shù)探索、注重實(shí)效”的原則開展先行試點(diǎn)。考慮到項(xiàng)目橋隧比較高，施工過程中還特別細(xì)化了隧道事故發(fā)現(xiàn)處置方面的需求，同時(shí)設(shè)定目標(biāo)，穩(wěn)步推進(jìn)，為高速公路隧道安全事故應(yīng)急處置打下了良好的基礎(chǔ)。

二、項(xiàng)目概況

杭州繞城西復(fù)線高速是G25長(zhǎng)深高速杭州過境路段通道的分流道路，全長(zhǎng)約148.8公里，共有隧道27座32.43公里（其中杭紹段有25座隧道和5個(gè)隧道群）、互通樞紐23處、收費(fèi)站17處，具有高橋隧比、多路網(wǎng)交織以及沿線地區(qū)臺(tái)風(fēng)、暴雨和團(tuán)霧等異常天氣多發(fā)等特點(diǎn)。同時(shí)，項(xiàng)目還承擔(dān)著疏解杭州繞城高速西線交通壓力，改善杭州及項(xiàng)目沿線區(qū)域招商引資環(huán)境，服務(wù)世界互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)、云棲大會(huì)、工業(yè)大數(shù)據(jù)大會(huì)等重要會(huì)議以及第19屆亞運(yùn)會(huì)外圍交通流疏導(dǎo)的責(zé)任，預(yù)計(jì)道路交通流量大、客貨混雜、貨車比例高，且公眾對(duì)出行服務(wù)的要求較高。

此外，杭州繞城西復(fù)線高速也是貫徹落實(shí)《交通運(yùn)輸部辦公廳關(guān)于開展新一代國家交通控制網(wǎng)和智慧公路試點(diǎn)（第一批）工作的通知》（交辦規(guī)劃函〔2017〕1084號(hào)）的第一批智慧公路試點(diǎn)項(xiàng)目，重點(diǎn)從基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化、基于大數(shù)據(jù)的路網(wǎng)綜合管理和新一代國家交通控制網(wǎng)三方面進(jìn)行試點(diǎn)探索。

項(xiàng)目建設(shè)緊扣交通運(yùn)輸部和浙江省相關(guān)要求，基于試點(diǎn)路段橋隧比高、重載交通多、提供實(shí)時(shí)精準(zhǔn)服務(wù)等需求，充分利用浙江“智慧高速”建設(shè)取得的成果和經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合項(xiàng)目建設(shè)實(shí)際和特點(diǎn)，按照“需求導(dǎo)向、重點(diǎn)提升、迭代發(fā)展、動(dòng)態(tài)優(yōu)化”的原則，通過總結(jié)借鑒國內(nèi)外智慧公路建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，把握數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化融合發(fā)展的契機(jī)，著力推進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)、新應(yīng)用與傳統(tǒng)機(jī)電相結(jié)合，持續(xù)開展智慧公路試點(diǎn)建設(shè)工作，以實(shí)際行動(dòng)踐行“交通強(qiáng)國”戰(zhàn)略，提升道路安全性和暢通性。

三、隧道管控需求分析

高速公路隧道的行車環(huán)境較為封閉，受隧道線形、路面特性、防護(hù)設(shè)施、照明條件等因素的影響，車輛在隧道路段的行駛風(fēng)險(xiǎn)比基本路段要高，且隧道內(nèi)一旦發(fā)生事故，加之救援困難、信息傳遞不暢等，極易引發(fā)二次事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失和負(fù)面社會(huì)影響。

高速公路運(yùn)營期間，常見的隧道安全事故主要包括：（1）隧道結(jié)構(gòu)損壞，因雨水等長(zhǎng)時(shí)間浸泡導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)損壞或坍塌，或因泥石流、滑坡等災(zāi)害造成的隧道出入口阻塞、交通中斷等。（2）道路交通事故，車輛在行駛過程中有較大隨意性，易發(fā)生碰撞、翻車等事故，如遇雨雪、大霧等不良天氣及光照不足影響，則更易誘發(fā)交通事故。（3）火災(zāi)事故，主要分為車輛自身原因（如發(fā)動(dòng)機(jī)過熱、電路故障等）引發(fā)的火災(zāi)事故、貨物自燃等，以及因交通事故碰撞或翻車等引發(fā)的火災(zāi)事故。

四、隧道管控系統(tǒng)總體架構(gòu)

結(jié)合杭州繞城西復(fù)線高速橋隧比高、交通量大、管理風(fēng)險(xiǎn)高的實(shí)際，項(xiàng)目在道路監(jiān)控、有害氣體檢測(cè)、傳統(tǒng)火災(zāi)檢測(cè)、隧道通風(fēng)照明等傳統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合隧道運(yùn)營管理實(shí)際，通過新技術(shù)、新應(yīng)用試點(diǎn)推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)、人工智能的應(yīng)用落地，著力打造集多種檢測(cè)手段、管控手段與發(fā)布手段于一體的智慧隧道綜合解決方案。

（一）檢測(cè)手段方面

融合結(jié)構(gòu)、視頻、火災(zāi)、溫度、氣體檢測(cè)等多種感知手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道運(yùn)行狀態(tài)和交通事件的精準(zhǔn)感知。

（二）管控手段方面

在前端感知設(shè)備收集精準(zhǔn)信息的基礎(chǔ)上，融合氣象、流量等信息，利用大數(shù)據(jù)算法并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，形成不同交通流特征及隧道區(qū)域的針對(duì)性管控策略，同時(shí)生成隧道突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案，實(shí)現(xiàn)一鍵下發(fā)。

（三）發(fā)布手段方面

根據(jù)管控策略，一鍵生成應(yīng)急預(yù)案，通過隧道入口智能攔截、隧道洞口燈光預(yù)警以及聲、光、圖像預(yù)警設(shè)施阻止后方車輛進(jìn)入事故隧道，避免了傳統(tǒng)隧道因攔截不及時(shí)引發(fā)的二次事故、惡性事件；通過隧道內(nèi)統(tǒng)一調(diào)頻廣播系統(tǒng)將廣播信號(hào)引入隧道，系統(tǒng)預(yù)留的廣播強(qiáng)插功能可以第一時(shí)間將交通指令告知司乘人員，助力其在智能逃生誘導(dǎo)標(biāo)志的引導(dǎo)下快速有序疏散。

五、智慧隧道管控實(shí)踐

充分結(jié)合杭州繞城西復(fù)線高速的隧道特點(diǎn)，在現(xiàn)有隧道機(jī)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上搭建完善的高速公路隧道管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)隧道各子系統(tǒng)互聯(lián)互通、安全防控、集中管控、服務(wù)協(xié)同、綠色節(jié)能的總體目標(biāo)。本文對(duì)智慧隧道管控系統(tǒng)的研究主要包含以下幾個(gè)方面：隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)、AI視頻分析、多光譜移動(dòng)火災(zāi)探測(cè)、隧道入口管控、隧道內(nèi)統(tǒng)一調(diào)頻廣播以及隧道內(nèi)智能逃生誘導(dǎo)等。

圖1.杭州繞城西復(fù)線智慧隧道系統(tǒng)架構(gòu)圖

（一）隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

隧道周邊區(qū)域的地質(zhì)條件復(fù)雜，且存在許多潛在、無法預(yù)知的不穩(wěn)定環(huán)境因素，杭州繞城西復(fù)線高速的隧道占比較高、規(guī)模較大，受惡劣環(huán)境的影響，稍有不慎就會(huì)出現(xiàn)塌方、突泥涌水、沉陷、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及人員傷亡等重大問題，對(duì)隧道安全生產(chǎn)造成重大影響。為確保隧道工程安全、即時(shí)預(yù)報(bào)險(xiǎn)情，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和評(píng)估，建立完善的隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)尤為重要。

通過在襯砌、圍巖中布設(shè)溫度計(jì)、內(nèi)空變位計(jì)、表面裂縫計(jì)等設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)拱頂下沉、周邊位移及襯砌開裂等情況，以便第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)安全隱患并將現(xiàn)場(chǎng)情況及時(shí)上傳至管理平臺(tái)。隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)應(yīng)具備溫濕度監(jiān)測(cè)、位移監(jiān)測(cè)、傾斜監(jiān)測(cè)、相對(duì)變形監(jiān)測(cè)、拉索應(yīng)力監(jiān)測(cè)及混凝土應(yīng)變監(jiān)測(cè)等功能，通過隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，實(shí)時(shí)掌握隧道健康狀況，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)科學(xué)開展養(yǎng)護(hù)作業(yè)，有效保證隧道運(yùn)營安全。

圖2.隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)斷面?zhèn)鞲衅鞑荚O(shè)示意圖

（二）基于AI檢測(cè)的視頻分析子系統(tǒng)

在隧道出入口及隧道內(nèi)每150米處安裝一處監(jiān)控?cái)z像頭，將前端視頻圖像傳輸至視頻分析子系統(tǒng)。利用圖像預(yù)處理技術(shù)、車輛檢測(cè)與分類技術(shù)、目標(biāo)連續(xù)跟蹤技術(shù)、交通事件識(shí)別技術(shù)等人工智能分析算法，實(shí)現(xiàn)交通擁堵、障礙物、交通事故、火災(zāi)、行人或非機(jī)動(dòng)車闖入以及車輛異常停駛、緩駛、逆行、倒車等檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果、截圖、類型等相關(guān)信息推送至綜合管理平臺(tái)，第一時(shí)間提醒隧道管理人員進(jìn)行異常事件確認(rèn)、啟動(dòng)應(yīng)用預(yù)案，減少監(jiān)控人員視頻巡檢工作量，提高事件檢測(cè)效率及準(zhǔn)確率。

圖3.基于AI檢測(cè)的視頻事件分析

（三）基于多光譜火災(zāi)探測(cè)預(yù)警子系統(tǒng)

現(xiàn)有的高速公路隧道火災(zāi)檢測(cè)方案仍參照建筑物消防技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，存在時(shí)效性低、無法偵測(cè)移動(dòng)火情等問題，而隧道因其環(huán)境的封閉性，一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢(shì)將迅速蔓延。為確?；馂?zāi)發(fā)生初期有效感知，探索移動(dòng)火情監(jiān)測(cè)的可行性與科學(xué)性，項(xiàng)目組在杭州繞城西復(fù)線高速九曲嶺隧道開展了“高速公路隧道火災(zāi)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究”，提出了基于多光譜的火災(zāi)探測(cè)技術(shù)，通過感知近紅外、遠(yuǎn)紅外等全部光譜信號(hào)，捕捉火焰特有的燃燒變化頻率和光譜分布特性，有效識(shí)別火災(zāi)發(fā)生初期的光譜特征，實(shí)現(xiàn)快速、遠(yuǎn)距、移動(dòng)的早期火災(zāi)偵測(cè)，了解火災(zāi)初期的移動(dòng)火情。目前，此項(xiàng)研究已通過交通運(yùn)輸部國家交通安全設(shè)施質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的檢測(cè)及應(yīng)急管理部消防產(chǎn)品合格評(píng)定中心的3C認(rèn)證，并在杭州繞城西復(fù)線高速沿線隧道進(jìn)行推廣應(yīng)用。

同時(shí)，項(xiàng)目組還以九曲嶺隧道火災(zāi)檢測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，同步推進(jìn)《公路隧道點(diǎn)型紅外火焰探測(cè)器火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)制訂，積極推動(dòng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)參數(shù)的修訂。

（四）隧道入口管控子系統(tǒng)

當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生重大事件如火災(zāi)、交通事故時(shí)，隧道口前方布設(shè)的號(hào)角揚(yáng)聲器、門架式可變情報(bào)板、路側(cè)多功能LED情報(bào)板、車輛指示器，爆閃燈、轉(zhuǎn)體欄桿機(jī)等全方位、多渠道的聲、光、圖像預(yù)警設(shè)施，能有效阻止后方車輛駛?cè)胧鹿仕淼溃苊舛问鹿实陌l(fā)生，同時(shí)降低事故發(fā)生后造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，提高公路隧道運(yùn)營管理水平。

圖4.隧道入口管控

（五）隧道內(nèi)統(tǒng)一調(diào)頻廣播子系統(tǒng)

傳統(tǒng)隧道廣播一般采用有線廣播的形式，主要依靠號(hào)角揚(yáng)聲器對(duì)車輛喊話傳遞信息，但在嘈雜的環(huán)境下，司乘人員很難聽清有線廣播告知的內(nèi)容。同時(shí)因隧道自身?xiàng)l件限制，無法通過FM無線廣播信號(hào)為隧道內(nèi)行駛的車輛傳遞信息。在隧道內(nèi)建設(shè)具有插播功能的全頻段調(diào)頻廣播系統(tǒng)，一方面，能夠?yàn)樗淼纼?nèi)用戶提供調(diào)頻信號(hào)，解決日常情況下隧道內(nèi)無調(diào)頻信號(hào)的問題，另一方面，當(dāng)發(fā)生緊急事件時(shí)，隧道調(diào)頻廣播可實(shí)現(xiàn)緊急插播的功能，任何頻段的收音機(jī)均可接收到緊急信號(hào)。

通過對(duì)傳統(tǒng)的隧道緊急電話和有線廣播系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，共用一套主機(jī)、傳輸光纜，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道緊急電話、有線廣播和調(diào)頻廣播的統(tǒng)一管理和對(duì)話應(yīng)用，以及對(duì)隧道內(nèi)分機(jī)的分區(qū)管理、調(diào)度操作、排隊(duì)處理、有線與調(diào)頻廣播音頻源選擇及廣播、插播與喊話功能，可以快速有效地將信息傳遞給司乘人員。

（六）隧道內(nèi)智能逃生誘導(dǎo)子系統(tǒng)

當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生交通事故，需要對(duì)洞內(nèi)車輛及人員進(jìn)行警示或緊急疏散時(shí)，隧道洞口彌漫燈光警示系統(tǒng)能夠和隧道入口管控系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，通過安裝在隧道洞口的雙基色LED燈，對(duì)入口管控未攔截即將進(jìn)入隧道的車輛進(jìn)行視覺警示。正常狀態(tài)下為綠光或正常光源；隧道內(nèi)發(fā)生事故時(shí)，以黃光進(jìn)行提示；隧道內(nèi)發(fā)生重大事故時(shí)，以紅光進(jìn)行警示。

與此同時(shí)，智能指示標(biāo)志接收系統(tǒng)觸發(fā)信號(hào)，對(duì)指示燈進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)疏散方向調(diào)整，將司乘人員安全快速地引導(dǎo)至人（汽）通門位置，從而提高疏散效率，降低人員傷亡。為了凸顯人（汽）通門位置及操作方式，在門框及控制按鈕處還設(shè)置了頻閃照明控制燈帶及LED信息顯示屏，以發(fā)布引導(dǎo)信息，實(shí)現(xiàn)有序疏散。

六、結(jié)語

本文對(duì)杭州繞城西復(fù)線高速的隧道特點(diǎn)及常見隧道事故進(jìn)行詳細(xì)分析，在傳統(tǒng)隧道機(jī)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，深入研究了如何在建設(shè)期做好隧道系統(tǒng)建設(shè)、在運(yùn)營期有效管控隧道突發(fā)事件等系列難點(diǎn)問題。通過對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)、AI視頻分析、多光譜移動(dòng)火災(zāi)探測(cè)、隧道入口管控、隧道內(nèi)統(tǒng)一調(diào)頻廣播及隧道內(nèi)智能逃生誘導(dǎo)等方面的技術(shù)探索與研究，提出了集多種檢測(cè)手段、管控手段與發(fā)布手段于一體的智慧隧道綜合解決方案，以期在主動(dòng)快速發(fā)現(xiàn)、嚴(yán)格入口管理、緊急疏散等方面提高隧道安全運(yùn)營管理水平，為其他智慧隧道建設(shè)提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

圖5.隧道洞口彌漫燈光警示