高速公路特長隧道交通監(jiān)控與控制策略分析

宋曉軒

（云南省交通科學研究院有限公司，云南 昆明 650011）

0 引言

在我國高速公路交通安全建設(shè)中，特長隧道方面的安全問題尤其突出。在長距離、封閉化的客觀設(shè)施條件下，一旦特長隧道內(nèi)部出現(xiàn)火災(zāi)、交通事故等風險情況，將很可能伴隨內(nèi)外聯(lián)絡(luò)難、搶險救援難、情況不明確、處理滯后化等負面問題發(fā)生。同時，特長隧道災(zāi)害事故不僅會造成交通路網(wǎng)的阻塞甚至癱瘓，還會對內(nèi)部及周邊的人物安全構(gòu)成嚴重威脅，致使其監(jiān)測控制與應(yīng)急處理具有較高的緊迫性。由此，為了更好地實施交通管理、保障交通安全，有必要對高速公路特長隧道的交通監(jiān)控與控制策略展開討論。

1 高速公路特長隧道交通監(jiān)控的需求分析

在設(shè)計高速公路特長隧道交通監(jiān)控系統(tǒng)并規(guī)劃相關(guān)控制策略時，主要應(yīng)明確如下需求：其一，常規(guī)情況下行車引導(dǎo)、道路管控的交通管理需求；其二，半封閉條件下機械通風系統(tǒng)、人工照明系統(tǒng)的合理應(yīng)用需求；其三，隧道內(nèi)部環(huán)境信息、路況信息、事故信息的動態(tài)化采集與可視化呈現(xiàn)需求；其四，火災(zāi)、施工、交通事故等特殊場景下實踐輔助需求，如火災(zāi)自動報警、事故區(qū)域定位、交通指示切換、施工風險評估等[1]。

2 高速公路特長隧道交通監(jiān)控的系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

在進行高速公路特長隧道交通監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計時，系統(tǒng)應(yīng)具有前端感知、監(jiān)控管理、終端顯示三個主要層次，并做好相關(guān)監(jiān)控設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)通信、輔助裝置等方面的配置工作。其中，前端感知層是監(jiān)控系統(tǒng)獲取隧道信息的基礎(chǔ)，主要由各類傳感裝置、檢測設(shè)備組成，如影像監(jiān)控器、一氧化碳濃度監(jiān)測器、能見度監(jiān)測器、亮度檢測器、衛(wèi)星定位裝置等。在系統(tǒng)應(yīng)用過程中，前端感知層應(yīng)保持全天候監(jiān)測、動態(tài)化上傳的運行狀態(tài)，從而為系統(tǒng)監(jiān)控分析、程序控制、風險告警、通信聯(lián)絡(luò)等行為的實施提供可靠依據(jù)。監(jiān)控管理層是監(jiān)控系統(tǒng)的核心，主要包括主控制器及消防監(jiān)控、照明監(jiān)控、影像監(jiān)控、通風監(jiān)控等子系統(tǒng)模塊。在系統(tǒng)應(yīng)用過程中，監(jiān)控管理層主要通過程序自動控制與人工手動控制兩種模式來實現(xiàn)各類信息的分析處理、信號指令的反饋發(fā)送。同時，為了滿足歷史查詢、趨勢分析、大數(shù)據(jù)管理等需求，監(jiān)控管理層還應(yīng)配置有數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)儲存等模塊。終端顯示層的主要作用是實現(xiàn)隧道監(jiān)控信息、系統(tǒng)運行信息的可視化呈現(xiàn)，主要配置包括監(jiān)視器、視頻工作站、LED 拼接屏等。通過各類顯示平臺、顯示設(shè)備，監(jiān)控站相關(guān)人員可對特長隧道內(nèi)部的實時情況進行了解，并根據(jù)顯示內(nèi)容開展實況分析、系統(tǒng)操控、應(yīng)急處理等活動。在此基礎(chǔ)上，還需要結(jié)合具體的隧道條件、管控需求，落實通風、消防、照明、排水、交通引導(dǎo)等多個方面的設(shè)備設(shè)施配置，并依托交換機、公共通信網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)建隧道交通監(jiān)控通信體系，確?？刂浦行摹F(xiàn)場設(shè)備、監(jiān)控站、移動終端等保有高效、順暢、穩(wěn)定的通信條件[2]。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

設(shè)計高速公路特長隧道交通監(jiān)控系統(tǒng)的根本目的是保障隧道內(nèi)部的行車安全與道路暢通，并全程化、全面化地實現(xiàn)各類風險隱患的及時感知與控制處理?；诖?，在開展設(shè)計實踐時，應(yīng)保證系統(tǒng)具備如下功能。

第一，隧道現(xiàn)場信息的綜合采集功能。具體來講，采集對象應(yīng)包括車速、車流量、能見度、空氣質(zhì)量、現(xiàn)場畫面、設(shè)備狀態(tài)、系統(tǒng)運行信息等。在此基礎(chǔ)上，信息采集的精度越高、可靠性越強，監(jiān)控系統(tǒng)運行控制的基礎(chǔ)條件越好。

第二，已采集信息的處理功能。對于已采集、已接收的信息，監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具備一定的自動分析能力，并快速執(zhí)行針對化、合理化的控制行為或處理動作。例如，在編制系統(tǒng)運行程序時，應(yīng)針對能見度、車速、一氧化碳濃度等監(jiān)測指標設(shè)置相應(yīng)的安全值或標準區(qū)間。在此基礎(chǔ)上，一旦實測結(jié)果超出安全值或標準區(qū)間，即代表特長隧道內(nèi)部存在異常情況，監(jiān)控系統(tǒng)就需要對此做出響應(yīng)。

第三，信息提供的功能。一方面，監(jiān)控系統(tǒng)在采集信息、分析信息、反饋響應(yīng)的同時，要將各類信息同步提供給監(jiān)控站及相關(guān)移動終端設(shè)備，以保證相關(guān)人員能夠全面掌握特長隧道內(nèi)部的實際情況，并可實現(xiàn)監(jiān)控畫面的切換與監(jiān)控信息的調(diào)用。另一方面，監(jiān)控系統(tǒng)需要通過信號燈、指示牌、廣播等設(shè)施，為特長隧道內(nèi)外的車輛駕駛者提供可靠信息，如通行信息、災(zāi)情信息、管制信息等。例如，當隧道內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)，需要進行暫時的封閉處理時，系統(tǒng)應(yīng)將入口處信號燈切換為紅色或黃色，并改變指示牌上的文字信息，以避免有車輛誤入隧道。

第四，專項控制功能。在系統(tǒng)綜合監(jiān)控的基礎(chǔ)上，通風、消防、照明等子系統(tǒng)均應(yīng)具備獨立的控制機制。例如，通風系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)隧道內(nèi)部空氣質(zhì)量進行自動的運行控制，從而將隧道內(nèi)空氣環(huán)境長期維持在健康狀態(tài)。又如，照明系統(tǒng)應(yīng)獨立分為普通照明、加強照明、應(yīng)急照明等多種模式，并能分時段、分情況地對照明燈具進行控制。只有如此，才能達到隧道內(nèi)部照明條件的供需平衡，并避免照明資源出現(xiàn)過度浪費[3]。

3 高速公路特長隧道交通監(jiān)控的控制策略

3.1 常規(guī)情況下的控制策略

在無事故、無災(zāi)害的特長隧道交通場景下，交通監(jiān)控系統(tǒng)主要起到動態(tài)監(jiān)測、自動調(diào)節(jié)的作用，從而保證隧道交通的穩(wěn)定性與隧道環(huán)境的適宜性。

首先，在常規(guī)情況下，影像監(jiān)控子系統(tǒng)將全程化、動態(tài)化地對隧道場景進行機器視覺感知，并對相關(guān)圖像、影像信息進行記錄。在此基礎(chǔ)上，影像監(jiān)控子系統(tǒng)一方面可依據(jù)預(yù)設(shè)的跟蹤機制與判定標準，對隧道內(nèi)車輛的身份性、特征性數(shù)據(jù)信息進行識別，并自動判斷有無停車、逆行等異常交通違規(guī)行為。另一方面，現(xiàn)場監(jiān)控探頭采集的各類信息可同步傳輸至主控監(jiān)視端，從而滿足相關(guān)人員觀看實時畫面、切換監(jiān)控視角、調(diào)出歷史錄像等需求。

其次，在常規(guī)情況下，通風、照明等子系統(tǒng)始終處于正常運行狀態(tài)，在通過各類傳感器分析隧道內(nèi)部空氣質(zhì)量、能見度等環(huán)境條件的基礎(chǔ)上，自動實施適宜性的控制調(diào)節(jié)動作。例如，當空氣質(zhì)量監(jiān)測器、一氧化碳濃度監(jiān)測器、能見度監(jiān)測器等監(jiān)測傳感裝置顯示正常值時，即代表特長隧道內(nèi)部空氣質(zhì)量良好、能見度達標。此時，通風系統(tǒng)無需執(zhí)行特殊動作，風機設(shè)施處于關(guān)閉狀態(tài)。而當相關(guān)監(jiān)測結(jié)果超出標準范圍時，通風系統(tǒng)便會在控制中心指令反饋的導(dǎo)向下，對通風設(shè)施進行電機驅(qū)動，從而達到開啟機械通風、改善隧道環(huán)境的目的。在此基礎(chǔ)上，通風系統(tǒng)還可切換時序控制、手動控制等模式，以滿足不同時期、不同條件下的常態(tài)控制需求。又如，照明系統(tǒng)可依托亮度檢測器的現(xiàn)場安裝運行，實現(xiàn)照明強度、照明時間等方面的自動控制?？刂茖嵺`中，照明系統(tǒng)應(yīng)按照自然亮度、同日時段分成日間、夜間、深夜、全關(guān)、陰天、重陰6 種運行模式，并由此對特長隧道內(nèi)照明燈具的開啟數(shù)量、照明強度、工作功率進行調(diào)節(jié)。如此一來，既能滿足隧道內(nèi)部車輛行駛的照明需求，也能達到節(jié)約電能資源、降低設(shè)備損耗的效果。

最后，在常規(guī)情況下，由于無隱患、無報警、無應(yīng)急指令，消防監(jiān)控系統(tǒng)始終處在穩(wěn)定運行狀態(tài)中，同時各類消防設(shè)施、給排水設(shè)施均為待命模式。隧道入口及內(nèi)部車道沿線的指示燈、信號牌均顯示正常通行，即表明特長隧道當前可投入交通使用[4]。

3.2 交通事故場景下的控制策略

在特長隧道內(nèi)部發(fā)生擁擠、阻塞等交通異?；蜍嚨準鹿屎?，交通監(jiān)控系統(tǒng)可基于現(xiàn)場影像采集與預(yù)設(shè)分析程序?qū)κ鹿是闆r進行初步判定，并向監(jiān)控中心自動發(fā)送報警信號。同時，監(jiān)控中心相關(guān)人員也可通過人工報警對隧道內(nèi)事故進行感知。其后，相關(guān)人員應(yīng)將主控監(jiān)視端畫面切換至事故區(qū)域，以實現(xiàn)交通事故發(fā)生與否、報警信息正確與否的確認。確認屬實后，即可采取多方面行動進行事故的控制與處理。一方面，監(jiān)控中心相關(guān)人員應(yīng)立即通知巡邏、維護、清障、救護、警察等多方人員趕赴現(xiàn)場，并配合做好交通疏導(dǎo)、現(xiàn)場保護、傷員搶救、事故定責等工作。另一方面，監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)在自動控制或人為控制的條件下做出綜合反饋，如將隧道入口處信號燈切換為黃色或紅色，對內(nèi)部車道指示信息進行聯(lián)動調(diào)整，從而達到暫時關(guān)閉隧道交通或引導(dǎo)規(guī)避事故路段的目的[5]。

在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)針對不同的交通事故類型規(guī)劃更加具體、適宜的控制策略。例如，在非擁擠、車禍等條件下，若特長隧道內(nèi)部存在車輛拋錨、車輛明顯慢行（通常速度小于5km/h）等異常情況，相關(guān)人員應(yīng)在監(jiān)控確認后啟用隧道現(xiàn)場廣播系統(tǒng)，明確要求相關(guān)車輛保持正常行駛或加快行駛速度。若目標車輛已響應(yīng)，則無需進行后續(xù)處理，或按上游交通擁堵情況實施進一步處理。若目標車輛無響應(yīng)，則需要通知隧道附近巡邏人員、管理人員達到現(xiàn)場進行實際情況的評估與處理。同時，應(yīng)依托交通監(jiān)控系統(tǒng)，對上游交通實施適當控制，如限制上游車輛行駛速度、暫時關(guān)閉事故車道等。這樣一來，便能在保障特長隧道內(nèi)部監(jiān)控反饋效果與交通管理質(zhì)量的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)交通異常情況的妥善處理。又如，在交通擁堵事故發(fā)生后，相關(guān)人員應(yīng)先以影像監(jiān)控畫面、定位傳感信息等實況資料為依據(jù)，對擁堵路段的位置、長度進行掌握。此外，通過隧道現(xiàn)場廣播系統(tǒng)，對擁堵車隊前方車輛提出快速行駛要求，并播報擁堵事故的情況信息。同時，控制入口處及車道沿線的信號燈、指示牌，建立基于擁堵事故的限速、限行機制。最后根據(jù)擁堵車隊的交通運行情況，動態(tài)調(diào)整限速值與信號燈的綠信比。當擁堵問題明顯緩解，擁堵車隊的平均車速達到20km/h時，即可解除事故控制，將特長隧道內(nèi)部的交通管控恢復(fù)至正常狀態(tài)。

3.3 隧道火災(zāi)場景下的控制策略

當高速公路特長隧道內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)事故時，隧道交通監(jiān)控系統(tǒng)中的各子系統(tǒng)、各運行節(jié)點應(yīng)做好聯(lián)動響應(yīng)。首先，在自動監(jiān)測到火災(zāi)信息并經(jīng)過控制端確認后，應(yīng)立即對入口處、車道沿線的信號燈、指示牌實施切換處理，以表明隧道禁止通行。同時，應(yīng)將隧道火災(zāi)信息傳輸至上游交通節(jié)點，從而避免車輛向隧道方向行駛。其次，影像、通風、照明、給排水等子系統(tǒng)均與消防監(jiān)控建立聯(lián)動機制，全面進入火災(zāi)處理模式。其中，影像監(jiān)控子系統(tǒng)需要將主顯示畫面切換至火災(zāi)近端，從而為事故分析、控制調(diào)度、應(yīng)急規(guī)劃等提供可靠依據(jù)。通風系統(tǒng)則需要在傳感器支持下，對隧道內(nèi)部的煙氣量、可見度、一氧化碳濃度等情況進行感知，繼而對通風設(shè)施的開度、功率進行調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)火災(zāi)救援處理環(huán)境的改善。在確認不存在二次火災(zāi)風險的背景下，照明系統(tǒng)應(yīng)強制啟用所有照明燈具，從而將隧道內(nèi)部的照明條件提升至最高水平。若存在電氣火災(zāi)風險或火勢過大，且對隧道內(nèi)正常供電線路存在較大影響，則需要切斷除消防應(yīng)急照明以外的所有照明回路。給排水系統(tǒng)則應(yīng)對水泵、水閥等設(shè)施進行控制，為火災(zāi)處理工作提供穩(wěn)定、充足的消防用水。在火災(zāi)處理過后，給排水系統(tǒng)還應(yīng)控制排水裝置，實現(xiàn)隧道內(nèi)積水的快速排除。最后，在采取火災(zāi)場景下特長隧道內(nèi)部系統(tǒng)的控制處理時，相關(guān)人員還需要及時向交警、公安、急救、消防等部門請求援助，協(xié)調(diào)實施交通管制、人員救援、火情控制等工作。與此同時，還需要對特長隧道上下游的交通路段進行清理，從而為相關(guān)車輛、人員的高效到場提供保障。

3.4 道路施工場景下的控制策略

在道路施工場景下，特長隧道交通監(jiān)控系統(tǒng)既要建立交通管制與交通疏導(dǎo)機制，也要在保障施工安全、輔助施工設(shè)計、指導(dǎo)施工管理等方面發(fā)揮作用。例如，在影像、定位等傳感機制與監(jiān)控系統(tǒng)的支持下，相關(guān)人員需要對隧道內(nèi)施工活動的位置、動線做出明確，并由此控制信號燈、指示牌等對上游車輛、隧道內(nèi)車輛進行限速、限行或變道引導(dǎo)，從而避免施工、交通雙方發(fā)生沖突。又如，在施工作業(yè)過程中，相關(guān)人員可通過影像監(jiān)控、空氣質(zhì)量監(jiān)測、亮度監(jiān)測等系統(tǒng)功能，對圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、施工環(huán)境適宜性進行評估分析。如此一來，一旦隧道結(jié)構(gòu)在施工擾動中產(chǎn)生風險隱患，或施工區(qū)域存在照明加強需求，相關(guān)人員、系統(tǒng)便會及時進行響應(yīng)處理，從而達到保障施工安全、改善施工條件的目的。

4 結(jié)語

綜上所述，高速公路特長隧道的內(nèi)部環(huán)境具有一定特殊性，對相關(guān)監(jiān)控條件、管控機制提出了更高要求?；诖?，在監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計、控制策略規(guī)劃等相關(guān)實踐中，應(yīng)堅持全面化、多元化、靈活化的監(jiān)控管理原則，并致力提升特長隧道監(jiān)控行為的及時性與前瞻性。此外，還需要根據(jù)不同的特長隧道運行場景，實施針對性的控制策略手段。只有這樣，才能最大化地保證隧道交通安全，提高隧道管控質(zhì)量。