公路隧道安全節能智慧管理系統研究

劉成禹，譚詩樵，羅業富，劉敏賢，熊海君，劉琦

（四川縱橫交安科技有限公司，四川 綿陽 621000）

0 引言

我國目前大多公路隧道及運營管理的現狀是建設技術標準低，設備設施老舊，管理手段落后，主要表現在：

0.1 產生黑洞與白洞現象

由于隧道洞內和洞口照明光源設計不合理，造成白天從洞外看洞內是黑洞（見圖1）；夜晚從洞內看洞外也是黑洞（見圖2）。反過來夜晚從洞外看洞內是白洞（見圖3）；白天從洞內看洞外也像白洞（見圖4）。

圖1 白天從洞外看洞內是黑洞

圖2 夜晚從洞內看洞外也是黑洞

圖3 夜晚從洞外看洞內是白洞

圖4 白天從洞內看洞外也是白洞

各地隧道由此引發的交通事故十分頻繁。比較典型的案例是中央電視臺曾經報道過的，浙江溫州三都嶺隧道因黑洞現象，一年內就發生交通事故735起，最多一天發生了40起。

0.2 耗能嚴重

由于隧道設計落后，使用的照明等設備設施和材料陳舊。不僅不能適應現代化管理的需要，而且耗能也特別嚴重。

0.3 洞內環境差

（1）隧道洞內光線昏暗，視野不清，容易引發交通事故。

（2）洞內通風不良，廢氣、揚塵嚴重，容易造成司乘人員頭昏腦漲眼花。

（3）消防設施和手段落后，一旦發生火情，不能及時排除險情，后果十分嚴重。

（4）通訊、信號、監控設施落后，不能準確及時掌控和處理隧道內發生的情況。

（5）救援、逃生設備和系統缺失或不完善，一旦發生重大事故或災害，因不能及時處理，往往造成嚴重后果。

1 影響安全行車的因素分析

通過對交通事故成因分析（見圖5）和駕駛員感官、感知交通信息量分布對比（見圖6）；根據行車安全視認需求理論，可以確定：在所有交通行為中，駕駛員及其視覺感官是決定性因素。

圖5 交通事故成因對比分析圖

圖6 駕駛員感官感知交通信息量分布對比圖

2 公路隧道安全節能智慧管理系統研究的提出

為了解決上述存在的問題，確保公路隧道營運既要安全又要節能；通過對交通事故成因分析和駕駛員感官、感知交通信息量分布對比；根據交通運輸部JTG/T2340—2020《公路工程節能規范》等有關規范和文件要求，對公路隧道智慧管理系統的研究和推廣應用刻不容緩。

3 公路隧道安全節能智慧管理系統研究的意義

通過對公路隧道智慧管理系統的研究和推廣應用，可以大大提高公路隧道建設與管理水平，做到安全節能，方便高效。為國家智慧公路建設與管理提供相關經驗和科學數據，進而形成全國智慧公路隧道建設管理規范。助力“科技興路、交通強國”的偉大戰略。

4 公路隧道安全節能智慧管理系統研究的目標

1、安全。有效降低隧道交通事故的發生。根據數據推算，使用智慧管理系統后，可降低80%以上的交通事故。增強公路隧道通行的安全，確保交通參與者生命財產的安全。同時還可以降低隧道維護的安全風險。

2、節能、經濟。通過智慧管理系統的三次節能措施和相關技術手段，可實現55%以上的節能效果。降低隧道營運管理成本。據測算，每公里單洞每月可以減少電費人民幣5萬元。

3、方便高效。智慧管理系統的同步照明措施，使隧道不再有“黑洞”和“白洞”的視覺效應，配合車輛距離監控系統，使隧道內行車不再減速。系統可以及時精準地解決隧道內的各種影響正常通行的問題和事故，使車輛運行更加暢通。

5 公路隧道安全節能智慧管理系統研究的方向、理論、方法、成果

5.1 研究的主要方向

從駕駛員行車安全、穩定和舒適的視認需求理論出發，通過光環境研究分析，以5G通信、人工智能、北斗導航、大數據、云儲存等技術支撐，通過軟件平臺對隧道硬件設施、設備的智慧化管控，從而實現公路隧道安全節能的智慧化運營管理。

5.2 研究的主要理論

隧道光環境是影響駕駛員行車安全和節能的主要因素。

5.3 研究主要的方法

（1）隧道光環境的特性及其光環境指標評定標準。

（2）實現隧道營運管理智能化。

5.4 研究需要達到的成果

（1）開發智能照明技術，從光源上實現隧道照明節能。

（2）實現風光電儲一體化，從能源結構實現照明節能。

（3）使用高分子納米反光材料，隧道墻體反光增亮。

（4）使用公路隧道智慧管理系統，確保安全暢通。

6 公路隧道安全節能智慧管理系統研究的技術支撐

6.1 云存儲

在線存儲，即把數據存放在由第三方托管的虛擬非專屬服務器上。營運商根據需求，在后端準備存儲虛擬化資源，并以存儲資源池的方式提供給客戶。

6.2 北斗導航

北斗導航系統是我國自主建設的全球衛星導航系統，是為用戶提供全天候、全天時、高精度定位、導航和授時服務的國家重要時空基礎設施。

6.3 大數據

5G時代海量物聯網感知層將產生海量數據，極大地驅動數據量增長，同時基于5G的新型應用將創造新的豐富的數據維度。

6.4 人工智能

5G網絡將與應用和云端更加緊密結合，幫助AI將應用延伸到邊緣拓展AI應用邊界。

7 公路隧道安全節能智慧管理系統研究的主要內容

7.1 研發風光電儲一體化技術

除了使用常規電源外，還可以利用自身的優勢，安裝微風發電、光伏發電和波谷蓄電等設備做到效益最大化。

7.2 研發同步照明技術

通過隧道內外的傳感器，實時捕捉隧道外的自然光和隧道內的光源及車流量與行車環境，經過處理器和照明系統分析，計算出相匹配自然光源的色溫、照度和顯色指數，并形成指令使照明設備變色變溫到達與自然光源同步。

7.3 研發儲能式自然光照明技術

光線充足時，陽光經集光器收集，利用光纖的物理特性，將自然光引導到目標區域，由終端放射裝置發出均勻柔和的散射光，實現陽光的直接利用。無光源時，儲能裝置可將白天儲存的太陽能以電能的形式供給照明裝置。該技術既能實現太陽光的直接利用，也利用光纖和導管實現光與電的混合利用，既節約能源、減少污染又無安全隱患。

7.4 研發使用高分子納米蓄能反光材料

高分子納米蓄能反光材料經可見光照射后，在黑暗環境 能持續發光12小時以上；材料具有增亮、降噪、延時發光、耐洗刷、耐污染、阻燃、使用壽命長等特點；可讓LED燈照射發光增亮率達25%以上；發生事故時，墻體材料具有應急逃生照明功效（見圖7）。

圖7 高分子蓄能反光材料使用效果圖

7.5 研發順光照明和逆反射技術

（1）順光照明技術，燈具沿車輛行駛方向對路面投射，直接入射駕駛員眼睛的照明光線與駕駛員視線夾角大于眩光產生的范圍角。順光照明能提升對前車的視認性，減少眩光。

（2）逆反射技術，光源使用逆反射材料制作的標志標線，能將照射到上面的車前燈光沿原路反射回來，進入駕駛員眼睛。使駕駛員在低照度的環境下也能看清前方的路況。

7.6 研發使用智能隧道清潔系統

使用智慧機器人進行操作（見圖8）。

圖8 隧道智慧安防機器人工作示意圖

7.7 研發使用應急照明系統

智慧機器人啟動應急照明裝置（見圖8）。

7.8 研發使用智慧通風系統

通過傳感器監測空氣質量和PM2.5濃度上傳處理器，當指標超或達標時，控制系統自動開關風機以保證洞內空氣質量。

7.9 研發使用智慧車輛監測系統

隧道內安裝車速、車距監測器，對違規車輛進行電子抓拍，上傳交管部門處理。

7.10 研發使用智能信號控制系統

通過電子監測或安防機器人巡查發現事故或災害情況，控制器自動切換入口為禁止駛入信號。并上報指揮中心組織救援。

7.11 研發建立災害預警及應急逃生系統

（1）通過監測，發現有交通事故造成的火災、停電等災害，智慧機器人將執行滅火、應急照明等作業，并將現場情況上傳指揮中心。同時人員、車輛逃生通道將自動開啟。

（2）通過隧道墻體壓力傳感器和地震預警裝置，對即將發生的地質災害發出預警，禁止車輛駛入隧道，避免次生災害發生。

7.12 研發建立消防救援系統

通過實時對隧道內煙霧、溫度、火光監測，隧道智慧安防機器人可以在發生火警時緊急出動。（見圖8）。

8結語

根據我國公路隧道營運管理的現狀，積極對公路隧道安全節能智慧管理系統的研發和推廣應用，將大大提高我國公路隧道營運管理水平；大幅度地降低隧道內的交通事故；大幅度地減少能耗，降低管理成本。為國家智慧公路建設與管理提供相關經驗和科學數據，助力“科技興路、交通強國”的偉大戰略。