基于數(shù)字孿生技術(shù)的高速公路隧道數(shù)智化管控系統(tǒng)

摘要：文章提出一種高速公路隧道數(shù)字孿生智能監(jiān)控系統(tǒng)，依托毫米波雷達視頻融合感知技術(shù)，通過數(shù)字孿生和交通管控技術(shù)的融合，實現(xiàn)隧道運行數(shù)據(jù)化、可視化、智能化，具備隧道交通流仿真、視頻融合、設(shè)備遠程控制、交通事件檢測、交通態(tài)勢統(tǒng)計分析、車輛軌跡跟蹤、應(yīng)急管控預(yù)案模擬等功能，為隧道安全預(yù)警、應(yīng)急指揮、分析決策提供基礎(chǔ)支撐。該系統(tǒng)部署于廣西高速公路隧道，應(yīng)用效果顯著，通行車輛軌跡丟失率低，隧道告警信息檢測正確率高，事故發(fā)生預(yù)案處置及時完善，提升了高速公路隧道運營管理水平，保障高速公路網(wǎng)安全高效運行，對高速公路隧道智能管控水平的提高具有現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；隧道管控；雷視融合；高速公路

中圖分類號：U491.1+16

0 引言

隨著高速公路建設(shè)里程的不斷增加，高速公路隧道的數(shù)量也在不斷增長，每年高速公路隧道的事故率也在逐年增加。然而傳統(tǒng)的隧道管控在智能化監(jiān)控技術(shù)和一路多方聯(lián)合機制等方面存在很多不足，因此構(gòu)建高速公路隧道交通智能管控體系具有很高的迫切性和重要性［1］。

結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，可實現(xiàn)對隧道真實場景的擬真再現(xiàn)，變被動感知為主動預(yù)警［2］，實現(xiàn)隧道全面探測感知、安全風(fēng)險識別、事故主動預(yù)警，強化數(shù)據(jù)通路、業(yè)務(wù)整合，最終實現(xiàn)應(yīng)用智能化、管理精細化和決策科學(xué)化的高速公路隧道智能管控體系。

1 傳統(tǒng)隧道智能管控存在的主要問題

高速公路長隧道具有半隱蔽結(jié)構(gòu)、近封閉空間、車輛行駛時間長、車輛多、事故高發(fā)等特點，一旦發(fā)生交通安全事件，將導(dǎo)致嚴重的車輛物資損失和人員傷亡，并且救援處置困難，其風(fēng)險后果的嚴重程度遠大于洞外普通路段［3］。而目前高速公路隧道監(jiān)控還處于人工巡查及上報等傳統(tǒng)維護方式，無法及時有效地預(yù)知和規(guī)避風(fēng)險，當(dāng)事故發(fā)生時，往往無法及時進行有效的處置和聯(lián)動，錯失寶貴的救援時間。傳統(tǒng)的隧道管控存在較大不足，可以歸納為以下兩個方面。

1.1 缺乏智能化監(jiān)控技術(shù)

因為駕駛?cè)藛T法規(guī)意識差、安全意識淡薄、駕駛經(jīng)驗不足等各種原因?qū)е碌能囕v停車、拋灑物、違規(guī)變道等違章行為極易造成交通事故。而傳統(tǒng)的視頻分析技術(shù)采用模式識別算法，分析準確性差、誤報多，難以適應(yīng)隧

道光照較暗、車流量大的復(fù)雜環(huán)境。并且傳統(tǒng)的技術(shù)手段，對隧道內(nèi)的交通流量、車輛集體減速等異常情況掌握不及時、不準確，缺乏更先進更智能的技術(shù)手段來進行有效監(jiān)測，也無法直觀展示隧道內(nèi)當(dāng)前的交通態(tài)勢情況。

1.2 一路多方聯(lián)合機制不易落實

高速公路隧道內(nèi)系統(tǒng)繁多，但是各個系統(tǒng)還是獨立工作，無法實現(xiàn)有效的信息共享和聯(lián)動機制，智能化預(yù)警處置流程薄弱。事故發(fā)生后，管理者需要同時操作多個系統(tǒng)，應(yīng)急處置措施不智能、不及時，容易錯失最佳處置時間。當(dāng)隧道內(nèi)產(chǎn)生突發(fā)事件時，往往需要人工手動進行聯(lián)動處置動作，如隧道風(fēng)機開啟、照明開啟、情報板預(yù)警顯示等，無法爭取事故發(fā)生后前幾分鐘的寶貴時間，極易引發(fā)二次事故。

2 高速公路隧道數(shù)智化管控系統(tǒng)設(shè)計

為彌補傳統(tǒng)的隧道管控在智能化監(jiān)控技術(shù)和一路多方聯(lián)合機制等方面的不足，設(shè)計一款基于數(shù)字孿生技術(shù)的高速公路隧道智能管控系統(tǒng)方案。結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，對隧道真實場景擬真再現(xiàn)，變被動感知為主動預(yù)警，實現(xiàn)隧道全面探測感知、安全風(fēng)險識別、事故主動預(yù)警，使管理者可獲得更多現(xiàn)場信息，通過視頻融合技術(shù)以及高精定位，準確地了解事件位置和發(fā)生情況。系統(tǒng)有利于使用者更細致管控路段行車，使車輛行車更加規(guī)范，創(chuàng)造安全文明的行車環(huán)境，同時車主行車過程中得到更高效、可靠的安全保障。隧道數(shù)智化管控強化數(shù)據(jù)通路、業(yè)務(wù)整合，最終實現(xiàn)應(yīng)用智能化、管理精細化、決策科學(xué)化的高速公路隧道智能管控體系。

2.1 數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

基于數(shù)字孿生技術(shù)的高速公路隧道智能管控系統(tǒng)在整體上設(shè)計為三層架構(gòu)，分別是感知層、服務(wù)層和應(yīng)用層，如下頁圖1所示。

（1）感知層：感知層主要職責(zé)是對隧道路面交通狀態(tài)實時感知、及時采集。隧道交通狀態(tài)實時感知主要由監(jiān)控攝像機、雷視一體機、熱成像相機、卡口等構(gòu)成的路面動態(tài)交通信息感知體系，負責(zé)對交通流、交通運行狀況、交通違法、交通事件等動態(tài)交通信息進行感知和采集。感知層獲取的數(shù)據(jù)是后續(xù)信息數(shù)據(jù)融合、分析、應(yīng)用的基礎(chǔ)。

（2）服務(wù)層：獲取高速公路設(shè)備狀態(tài)信息、視頻監(jiān)控信息、交通流信息、車輛信息、事件等信息，并借助采集、匯總、分類、存儲及融合等手段，為應(yīng)用層提供能力支撐。

（3）應(yīng)用層：在前端采集層、平臺支撐層的硬件、數(shù)據(jù)等支撐下，提供面向交通管理的監(jiān)測、控制、研判、指揮等應(yīng)用，同時還提供面向公眾的出行服務(wù)應(yīng)用。

從另一層面考慮，高速公路隧道智能管控系統(tǒng)包含隧道監(jiān)控前端設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)及隧管站三層架構(gòu)。隧道監(jiān)控前端設(shè)備包含毫米波雷達和視頻結(jié)構(gòu)化卡口融合一體機、監(jiān)控相機等設(shè)備，實現(xiàn)對隧道內(nèi)外及道路狀況的監(jiān)測。同時，通過熱成像高溫檢測和交通事件檢測及時發(fā)現(xiàn)異常風(fēng)險，檢測信息可以回傳至隧管站或者路段監(jiān)控中心，并由數(shù)字孿生業(yè)務(wù)整體、直觀地呈現(xiàn)隧道實施運行狀況，避免由于隧道的半封閉性導(dǎo)致更大災(zāi)禍發(fā)生。

2.2 數(shù)字孿生系統(tǒng)軟件

依托毫米波雷達視頻融合感知技術(shù)，通過構(gòu)建高速公路隧道數(shù)字孿生感知系統(tǒng)（見圖2），實現(xiàn)隧道車流狀態(tài)的感知、車輛軌跡的跟蹤、車輛結(jié)構(gòu)化信息的提取和呈現(xiàn)，實現(xiàn)立體化監(jiān)管，為隧道安全預(yù)警、應(yīng)急指揮、分析決策提供基礎(chǔ)支撐。高速公路隧道數(shù)字孿生系統(tǒng)軟件集合了多個模塊組件，包括設(shè)備運維模塊、實時數(shù)據(jù)展示模塊、事件統(tǒng)計模塊、實時報警模塊、實況播放模塊、全息展示模塊等，整體實現(xiàn)了一個全局化、立體化、無盲區(qū)的隧道監(jiān)控管理系統(tǒng)。

隧道數(shù)字孿生感知系統(tǒng)使管理者可獲得更多現(xiàn)場信息，通過視頻融合技術(shù)以及高精定位，準確了解事件位置和發(fā)生情況。系統(tǒng)有利于使用者更細致管控路段行車，使車輛行車更加規(guī)范，創(chuàng)造安全文明的行車環(huán)境，同時車主行車過程中得到更高效、可靠的安全保障。系統(tǒng)具體包括了交通流仿真、視頻融合、設(shè)備遠程控制、交通事件檢測、交通態(tài)勢統(tǒng)計分析、車輛軌跡跟蹤、應(yīng)急管控預(yù)案模擬等主要功能。

2.2.1 交通流仿真

從現(xiàn)有道路交通流量傳感器中獲取的時空數(shù)據(jù)、樣本軌跡合成新的可實施觀看的交通流，還原軌跡態(tài)勢支持全息多維度觀察分析，對比傳統(tǒng)二維監(jiān)控視頻管理可獲取更多現(xiàn)場信息，判斷現(xiàn)場實際交通狀況。

2.2.2 視頻融合

將視頻信息與高精度數(shù)字孿生三維場景結(jié)合，可支持視頻信息結(jié)構(gòu)化能（AI識別車流視頻仿真）。虛實結(jié)合，將虛擬場景和真實影像融合展示，建立監(jiān)控視頻與周圍世界的空間關(guān)系，提升監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)使用價值。傳統(tǒng)方式二維監(jiān)控未發(fā)揮視頻數(shù)據(jù)的潛在價值。

2.2.3 設(shè)備遠程控制

遠程控制依靠實時數(shù)據(jù)饋送的交通設(shè)備，用來改善交通流量。傳統(tǒng)方式的設(shè)備控制僅依靠設(shè)備指令反饋，控制效率與反饋效果較差。

2.2.4 交通事件檢測

對整體交通流擁堵狀況可進行告警定位，自動確定事件發(fā)生的物理位置，可以通過管理平臺自動聯(lián)動相關(guān)聯(lián)位置的攝像機進行實時現(xiàn)場任務(wù)調(diào)度，可直觀、高效、科學(xué)地形成事前告警，而傳統(tǒng)的告警方式難以做到高精度定位。交通事件檢測包括對車輛逆行、車輛超速、拋灑物、行人穿越等交通事件進行分析檢測預(yù)警。

2.2.5 交通態(tài)勢統(tǒng)計分析

隧道內(nèi)交通流量的實時統(tǒng)計，包括車流量、平均車速、車道占有率、車頭時距，每個車道車輛運行平均速度統(tǒng)計展示，歷史車流量記錄與查詢等。高速公路實際運行情況可以通過交通參數(shù)分析來得出，有利于高速公路管理者在應(yīng)對特殊情況時做出正確的指揮。

2.2.6 車輛軌跡跟蹤

整個孿生系統(tǒng)可以對隧道內(nèi)同一輛車進行路徑持續(xù)跟蹤，車輛經(jīng)過兩雷達交接區(qū)時，系統(tǒng)可克服隧道多徑效應(yīng)，過濾干擾信號，接力后的車輛ID不變化，使車輛軌跡的呈現(xiàn)效果連續(xù)且流暢。

2.2.7 應(yīng)急管控預(yù)案模擬

對應(yīng)急預(yù)案進行高度擬真復(fù)現(xiàn)，比傳統(tǒng)方式更能精確與無損地還原應(yīng)急事件現(xiàn)場情況。

3 高速公路隧道數(shù)字孿生數(shù)智化管控系統(tǒng)應(yīng)用效果顯著

目前高速公路隧道數(shù)字孿生數(shù)智化管控系統(tǒng)已在廣西信都至梧州高速公路的爽沖隧道試運行，隧道右洞長1 283 m，左洞長度為1 117 m。高速公路隧道數(shù)字孿生數(shù)智化管控系統(tǒng)結(jié)合雷視融合技術(shù)，準確獲取通行車輛的特征數(shù)據(jù)和雷達目標(biāo)軌跡數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)準確率達到了89%，基本實現(xiàn)隧道內(nèi)全域感知，車輛軌跡跟蹤丟失率＜10%。

截至目前運行了6個月，系統(tǒng)自動上報事件占總事件數(shù)的96%，未自動上報情形主要為微小拋灑物，其中共收到隧道告警信息4 052條，異常事件檢測正確率為87%，其中92條隧道告警信息升級為突發(fā)事件信息。這些突發(fā)事件包括了行人進入隧道、車輛故障、兩車追尾、超車事故等多種突發(fā)事件類型，由于進行了及時妥善的應(yīng)急處置，并啟動了預(yù)先制定的響應(yīng)預(yù)案，使事故的不利影響降到了最低。隧道數(shù)智化管控水平得到了有效提升，應(yīng)急處置能力得到了提高，保障了隧道通行的安全。

4 高速公路隧道數(shù)字孿生數(shù)智化管控系統(tǒng)效益分析

高速公路隧道數(shù)字孿生智能管控系統(tǒng)提升高速公路隧道運營管理水平，保障高速公路網(wǎng)安全高效運行，賦能高速公路隧道運營管理及關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)，推動模式、業(yè)態(tài)、產(chǎn)品、服務(wù)等聯(lián)動創(chuàng)新。全面推廣實施應(yīng)用該系統(tǒng)，將取得顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。該系統(tǒng)有效提高了交通管控效率，提升高速公路通行能力，特別是交通事故、惡劣氣象條件下和節(jié)假日期間的通行能力，可較大程度降低通行車輛燃油消耗，以及帶來的間接經(jīng)濟損失；降低了高速公路交通事故數(shù)量及大型車輛事故數(shù)量，特別是減少互通區(qū)域、惡劣氣象條件下的重特大交通事故數(shù)量和傷亡人數(shù)，從而減少突發(fā)事件對公眾的影響和人民生命財產(chǎn)損失。

5 結(jié)語

針對傳統(tǒng)的隧道管控在智能化監(jiān)控技術(shù)和一路多方聯(lián)合機制等方面的不足，本文設(shè)計了基于數(shù)字孿生技術(shù)的高速公路隧道數(shù)智化管控系統(tǒng)方案。依托毫米波雷達視頻融合感知技術(shù)，通過數(shù)字孿生和交通管控技術(shù)的融合，變被動感知為主動預(yù)警，實現(xiàn)隧道交通流仿真、視頻融合、設(shè)備遠程控制、交通事件檢測、交通態(tài)勢統(tǒng)計分析、車輛結(jié)構(gòu)化信息的提取和呈現(xiàn)、立體化監(jiān)管，為隧道安全預(yù)警、應(yīng)急指揮、分析決策提供基礎(chǔ)支撐，最終實現(xiàn)應(yīng)用智能化、管理精細化、決策科學(xué)化的高速公路隧道智能管控體系。該系統(tǒng)應(yīng)用效果顯著，有效提高交通管控效率，提升高速公路通行能力，降低高速公路發(fā)生事故概率，為提升高速公路隧道智能管控水平提供了強有力的支持和可靠保證。

參考文獻

［1］交通運輸部綜合規(guī)劃司.在加快建設(shè)交通強國新征程上建新功——《2021年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》評讀［J］.交通財會，2022，419（6）：96-97.

［2］蘇保鋒，胡江碧.高速公路隧道事故風(fēng)險規(guī)避新技術(shù)應(yīng)用分析和探討［J］.隧道建設(shè)（中英文），2022，42（3）：363-371.

［3］郭永輝.高速公路隧道安全及事故預(yù)防對策研究［J］.交通世界，2020，540（18）：152-153.

收稿日期：2024-03-15

基金項目：中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項“廣西智慧道路機電系統(tǒng)新技術(shù)綜合平臺建設(shè)”（編號：桂科ZY20111015）

作者簡介：秦秋息（1988—），工程師，研究方向：智能交通與零碳交通的融合，智能交通和零碳交通的融合實現(xiàn)交通運輸?shù)母咝?、安全和環(huán)保。