高速公路隧道交通運行狀態(tài)全面感知技術(shù)的應(yīng)用研究

林奕俊

（廣東華路交通科技有限公司，廣東 廣州 510080）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市間交通需求持續(xù)增加，高速公路交通網(wǎng)絡(luò)承受運輸壓力與日俱增。高速公路交通擁堵導(dǎo)致出行效率降低，引發(fā)交通環(huán)境問題，由于私家車使用比例提高，導(dǎo)致道路交通碳排放量逐年升高，提升高速公路運行效率是亟待解決的問題。當(dāng)前，我國高速公路基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)規(guī)模過渡到基本匹配狀態(tài)，智能交通系統(tǒng)的出現(xiàn)可以有效緩解交通擁堵問題，通過深化發(fā)展智慧交通能充分發(fā)揮現(xiàn)有道路效能。隧道因其建設(shè)運營成本高等問題受到各級交管部門的高度關(guān)注，隧道運行關(guān)系到高速公路運營效益，要研究利用智能交通系統(tǒng)監(jiān)測高速公路隧道交通運行狀態(tài)，保證隧道交通的高效通行。

1 高速公路隧道交通運行狀態(tài)感知技術(shù)

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的持續(xù)發(fā)展，高速公路建設(shè)也得到跨越式發(fā)展。我國中西部地區(qū)與山地丘陵為主，隧道作為減少出行里程的交通設(shè)施取得長足發(fā)展。但由于隧道結(jié)構(gòu)地理條件的特殊性，導(dǎo)致隧道內(nèi)發(fā)生交通擁堵事故的概率很高，如何協(xié)助及時準(zhǔn)確作出管理決策日益受到重視。交通運行狀態(tài)研究是ITS 的重要部分，利用信息技術(shù)可以及時處理交通問題，隧道交通狀態(tài)判別能提高決策的有效性。

1.1 高速公路隧道交通運行特點

公路隧道環(huán)境具有很強(qiáng)的特殊性，主要體現(xiàn)在光照變化與空氣質(zhì)量方面。由于隧道結(jié)構(gòu)狹長封閉，導(dǎo)致車輛尾氣不容易及時消散排出，隧道內(nèi)積累高濃度CO 等有毒氣體。高速公路隧道半封閉環(huán)境出入口光線強(qiáng)度變化較大，駕駛?cè)私?jīng)歷視覺明暗適應(yīng)變化，隧道出口與外界亮度差異形成白洞效應(yīng)，駛出隧道出現(xiàn)較強(qiáng)眩光。隧道內(nèi)發(fā)生交通事故時救援難度較大，為保證車輛安全通過，隧道內(nèi)禁止變道超車并要求低速行駛。

車輛不同類型是造成速度差異的直接原因。車輛類型多速度差別大，導(dǎo)致交通流紊亂，增加駕駛員超車需求。高速公路路段交通狀態(tài)應(yīng)根據(jù)平均行程車速判斷，交通運行表征客觀狀態(tài)可通過交通流參數(shù)變化定量描述，不同人對交通狀態(tài)心理容忍度不同，道路管理者與使用者最關(guān)注交通是否擁擠。世界各國主要根據(jù)使用者需求判別交通狀態(tài)。美國HCM 定義服務(wù)水平為交通流運行狀況質(zhì)量指標(biāo)規(guī)定不同等級服務(wù)水平對應(yīng)密度。實際應(yīng)用中交通流密度難以直接采集，通常采用其他參數(shù)代替密度。我國交通運輸部頒布公路網(wǎng)運行監(jiān)測技術(shù)要求按速度劃分交通狀態(tài)，用不同顏色代表擁擠程度。規(guī)定速度為路段中不同斷面平均車速平均值。國內(nèi)外對高速公路交通狀態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn)主要基于國情制定。

1.2 公路交通智能感知技術(shù)

公路交通智能感知是交通信息獲取的基礎(chǔ)，指信息感知主體根據(jù)需求大規(guī)模獲取復(fù)雜交通事物外在表征過程，核心技術(shù)包括信息傳輸及感知數(shù)據(jù)處理分析，建立交通傳感器網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)信息感知的關(guān)鍵。公路交通系統(tǒng)是確保社會生產(chǎn)有序發(fā)展的基礎(chǔ)，隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大，建立高效便捷的交通系統(tǒng)成為城市發(fā)展的迫切需求。公路交通系統(tǒng)空間分為市內(nèi)與城際交通，根據(jù)空間分為固定設(shè)施與移動設(shè)備。為確保交通可持續(xù)發(fā)展，需要建立交通智能管理系統(tǒng)掌握運行狀態(tài)。

公路隧道交通智能管理系統(tǒng)基礎(chǔ)是交通智能感知網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)交通領(lǐng)域研究中交通信息指為出行者提供輔助交通相關(guān)參數(shù)，交通系統(tǒng)是復(fù)雜的巨大系統(tǒng)，常用交通信息包括基礎(chǔ)設(shè)施服役信息、交通事件信息等。目前開發(fā)感知技術(shù)建立系統(tǒng)，根據(jù)感知對象特性分為基礎(chǔ)設(shè)施與車載感知系統(tǒng)等。隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，交通信息感知網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展得到技術(shù)支持。傳感器網(wǎng)絡(luò)是在通信技術(shù)發(fā)展下由通信能力等節(jié)點構(gòu)成，可自主完成任務(wù)的指南異構(gòu)分布式網(wǎng)絡(luò)感知系統(tǒng)。由于傳感器節(jié)點制造成本降低，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到深入研究。美國交通部提出智能交通系統(tǒng)項目將傳感器技術(shù)，信息技術(shù)等結(jié)合運用于城市交通大規(guī)模感知管理。利用泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控交通運輸系統(tǒng)運行狀態(tài)，向駕駛員推薦最優(yōu)行駛路線。傳感器網(wǎng)絡(luò)包括有線與無線混合網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)布設(shè)便捷性具有優(yōu)勢，需要合理研究各種架構(gòu)的傳感器網(wǎng)絡(luò)性能特點，針對高速公路隧道交通運行特點選擇合理的傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

2 高速公路隧道交通運營管理現(xiàn)狀

我國高速公路規(guī)劃構(gòu)建縱貫?zāi)媳备采w全國的高速公路網(wǎng)，與農(nóng)村干線公路網(wǎng)構(gòu)成基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)。可以通過高速公路出省通道與周圍省快速相通，實現(xiàn)省會到地級市高速公路直接連通。山區(qū)特殊地理環(huán)境使高速公路建設(shè)呈現(xiàn)明顯特征，山嶺重丘高速公路道路線形復(fù)雜，山區(qū)地形地貌特征造就橋隧比例大特點，建設(shè)管理難度大，地勢呈東北斜向西南平行四邊形，高速公路管理線長點多，隧道運營環(huán)境復(fù)雜。

2.1 公路隧道運營管理中的問題

隨著路網(wǎng)建設(shè)延伸，大量立交橋隧加大高速公路運營管理難度。隨著公路隧道工程技術(shù)的發(fā)展，隧道運營安全問題日益突出。目前高速公路隧道運營管理在設(shè)施建設(shè)、設(shè)備聯(lián)動與運行管理等方面存在很多問題。公路隧道運營管理安全設(shè)施分為機(jī)電及緊急安全逃生設(shè)施等，高速公路隧道監(jiān)控設(shè)施分為ABCD四個等級，監(jiān)控設(shè)備包括環(huán)境交通與火災(zāi)警報及緊急求救設(shè)備等，建設(shè)單位通常建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)滿足設(shè)計規(guī)范，由于建設(shè)運營管理制度割裂，導(dǎo)致系統(tǒng)功能不完善。隧道惡劣環(huán)境條件造成設(shè)備故障率高維護(hù)成本大。隧道內(nèi)供配電通風(fēng)照明監(jiān)控系統(tǒng)等處于分立狀態(tài)，監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)聯(lián)控成為主要發(fā)展方向，但由于機(jī)電監(jiān)控信息系統(tǒng)業(yè)務(wù)特征等因素，各專業(yè)系統(tǒng)單獨運行。監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動策略與設(shè)備技術(shù)參數(shù)及交通運行情況等多種復(fù)雜因素相關(guān)，難以制定統(tǒng)一固定的應(yīng)急預(yù)案；設(shè)備控制發(fā)布流程不匹配，隧道發(fā)生交通事故等事件缺乏系統(tǒng)聯(lián)動體系，影響應(yīng)急處置與緊急救援效率。高速公路隧道投運后以人工管理為主，在特殊運營車輛通行等管控中投入大量人力資源，由于長大隧道特殊構(gòu)造，通信運營商覆蓋信號有限，導(dǎo)致隧道運營中特殊車輛運行監(jiān)控存在盲區(qū)。

2.2 高速公路隧道運營安全管理問題分析

高速公路隧道運營管理工作位置偏遠(yuǎn)，工作環(huán)境惡劣等問題制約高級管理人才引進(jìn)，管理人員技能不足制約隧道運營工作。高速公路隧道運營中面臨較高的安全風(fēng)險，隧道運營安全影響因素包括人車環(huán)境與管理方面，使得隧道安全事故處置更加復(fù)雜。根據(jù)隧道安全運營管理因素等方面分析，隧道安全運輸是系統(tǒng)工程，需要從多方面入手解決安全運營管理問題，全面感知隧道交通運行狀態(tài)，協(xié)調(diào)控制隧道相關(guān)路網(wǎng)是避免事故發(fā)生提高應(yīng)急處置效率的關(guān)鍵手段。

國內(nèi)各地高速公路運營管理單位在路網(wǎng)協(xié)同控制等方面進(jìn)行大量探索，目前我國高速公路隧道安全運營管理仍處于發(fā)展階段，現(xiàn)有安全管理水平不能滿足服務(wù)需求，主要存在隧道惡劣環(huán)境條件導(dǎo)致機(jī)電設(shè)備故障率高，系統(tǒng)發(fā)生故障后難以及時修復(fù)；技術(shù)管理人員能力水平有待提高，工作生活條件不便使得高級隧道管理人才缺位，制約技術(shù)設(shè)施系統(tǒng)功能的發(fā)揮；隧道機(jī)電附屬設(shè)施系統(tǒng)復(fù)雜龐大，功能應(yīng)用不夠系統(tǒng)效能低。系統(tǒng)化設(shè)計與實際運營需求脫節(jié)導(dǎo)致無法發(fā)揮功能效用；隧道控制系統(tǒng)應(yīng)用效果差，機(jī)電設(shè)施存在通風(fēng)照明控制策略關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)等現(xiàn)象；隧道交通運營狀況監(jiān)測依賴于閉路電視監(jiān)視，不能進(jìn)行車輛狀態(tài)自動判別，無法減少安全事故的發(fā)生。

3 高速公路隧道交通運行狀態(tài)感知技術(shù)應(yīng)用

隧道安全運營管理問題需要從多方面入手，關(guān)鍵是依據(jù)交通運營狀態(tài)監(jiān)測情況協(xié)調(diào)相關(guān)路網(wǎng)，避免事故的發(fā)生擴(kuò)大。公路隧道安全管理是復(fù)雜系統(tǒng)的工程，涉及各種型號設(shè)備等多方面因素，有效的運營管理對防止隧道事故擴(kuò)大具有重要作用。目前國內(nèi)常用的交通信息監(jiān)測技術(shù)包括紅外數(shù)字視頻、超聲波檢測等，其中紅外數(shù)字視頻檢測技術(shù)的檢測精度易受到沙塵等外界環(huán)境影響，因此交通事件監(jiān)測迫切需要全天候構(gòu)筑智能運行技術(shù)。

3.1 公路隧道交通運行狀態(tài)感知網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

隨著世界各國城市化進(jìn)程加快，人口數(shù)量急劇增加，城市交通設(shè)施矛盾日益突出，機(jī)動車保有量飛速增加，城市交通負(fù)荷加大產(chǎn)生擁堵等問題對可持續(xù)發(fā)展帶來嚴(yán)重影響，有效利用交通資源科學(xué)調(diào)度需要提供交通監(jiān)管決策支持系統(tǒng)，交通傳感器網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)信息獲取傳輸?shù)年P(guān)鍵?？梢葬槍Σ煌兄獙ο筮x擇感知模型結(jié)構(gòu)將感知信息融合。交通信息感知是信息感知主體將感知對象敏感特征轉(zhuǎn)化為內(nèi)部信息的過程，是借助傳感器采集信息獲取的過程，具有真實準(zhǔn)確與實時性特點。

公路隧道交通系統(tǒng)全方面感知是復(fù)雜的過程，對交通系統(tǒng)全面多元化感知需要引入智能感知概念。交通智能感知是對環(huán)境變化積極反應(yīng)的感知過程，可以隨環(huán)境變化而進(jìn)行調(diào)整。智能感知使用傳感器具有自適應(yīng)調(diào)整能力。交通智能感知具有網(wǎng)絡(luò)化關(guān)聯(lián)性與適應(yīng)性特征，是信息獲取過程，是人類交通信息感知活動中積累知識經(jīng)驗的實際體現(xiàn)，能體現(xiàn)智能感知的相關(guān)特性。交通感知傳感器網(wǎng)絡(luò)是系統(tǒng)具體體現(xiàn)形式，主要功能是利用經(jīng)濟(jì)方式對隧道交通組成元素狀態(tài)進(jìn)行感知。如何根據(jù)不同對象選擇合理的感知方式，通過構(gòu)建有效傳感器網(wǎng)絡(luò)信息傳輸是交通感知網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)功能的關(guān)鍵。公路隧道交通系統(tǒng)是基礎(chǔ)設(shè)施與交通運輸參與人員組成的復(fù)雜系統(tǒng)，各元素具有相互關(guān)聯(lián)特性。

3.2 公路隧道交通運行狀態(tài)全面感知技術(shù)

山西晉陽高速在其牛王山隧道將雷達(dá)精準(zhǔn)感知技術(shù)應(yīng)用于隧道運行安全狀態(tài)監(jiān)測取得良好效果?；谝曨l微波的檢測技術(shù)應(yīng)用普遍，雷達(dá)交通事件自動檢測系統(tǒng)由雷達(dá)傳感器裝置、以太網(wǎng)交換機(jī)等構(gòu)成。系統(tǒng)硬件包括雷達(dá)傳感器、專用處理服務(wù)器等。雷達(dá)傳感器通過以太網(wǎng)交換機(jī)匯聚與雷達(dá)專用處理器構(gòu)成局域網(wǎng)，雷達(dá)專用處理服務(wù)器對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。隧道管理站設(shè)置工作站實現(xiàn)監(jiān)測結(jié)果顯示，接收服務(wù)器輸出事件報警實現(xiàn)管理。表1為系統(tǒng)運行情況統(tǒng)計。

表1 系統(tǒng)運行情況統(tǒng)計

項目中結(jié)合隧道外場設(shè)施與管理站信息系統(tǒng)情況，將毫米雷達(dá)波組成穩(wěn)定系統(tǒng)。系統(tǒng)工程包括視頻監(jiān)控集成聯(lián)動、隧道運行狀態(tài)監(jiān)測、隧道運行智能預(yù)警等。通過雷達(dá)對隧道交通運行環(huán)境進(jìn)行掃描，全天候持續(xù)監(jiān)測隧道交通流運行狀態(tài)，實現(xiàn)車輛超速行人動物等異常交通時間精準(zhǔn)監(jiān)測，實時采集交通數(shù)據(jù)信息動態(tài)監(jiān)視運行狀態(tài)。系統(tǒng)檢測功能與攝像機(jī)聯(lián)動，根據(jù)事件發(fā)生位置調(diào)用最近監(jiān)控攝像機(jī)指向發(fā)生位置，方便及時查看確認(rèn)現(xiàn)場情況，使管理人員快速及時應(yīng)急處置。系統(tǒng)監(jiān)測異常事件及時收到報警信息系，根據(jù)事件緊急度智能分析研判，形成預(yù)警信息發(fā)布到道路可變信息標(biāo)志。系統(tǒng)自動記錄近3 個月異常事件發(fā)生的實時相關(guān)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)日志及歷史交通事件軌跡。投入使用后系統(tǒng)運行穩(wěn)定，雷達(dá)事件檢測系統(tǒng)應(yīng)用實現(xiàn)基礎(chǔ)交通路況智能化監(jiān)控，有效降低交通事故率。

4 結(jié)語

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高速公路隧道工程建設(shè)趨于規(guī)范化，隧道運營管理中借助信息技術(shù)，探索安全運營管理對提高公路運營效率具有重要意義。交通智能感知系統(tǒng)是涉及交通工程、電子嵌入式技術(shù)等多方面的復(fù)雜系統(tǒng)，推進(jìn)交通系統(tǒng)科學(xué)化發(fā)展，需要多學(xué)科相互配合。毫米波雷達(dá)事件監(jiān)測應(yīng)用為隧道運營管理提供先進(jìn)智能技術(shù)手段，可以提高社會經(jīng)濟(jì)效益。事件檢測技術(shù)的廣泛應(yīng)用有益于加強(qiáng)路網(wǎng)運行感知能力，提高基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)智能管理水平。