高速公路智慧隧道綜合管控系統(tǒng)研究

蘭 良

(廣西交科集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

由于廣西西部、北部和東部主要為山地和丘陵地形,山地起伏較大,山地占廣西總面積的40%左右,因此高速公路中隧道占比較高。而作為高速公路特殊路段的隧道是事故多發(fā)地帶,其特點(diǎn)是光線較暗、環(huán)境單一、密閉狹窄、視覺參照物缺乏。隧道機(jī)電設(shè)備種類多,包含紅綠燈、車道指示器、通風(fēng)、照明、消防、攝像機(jī)等幾十種設(shè)備,同種設(shè)備可能還來自不同廠家,存在接口、協(xié)議不統(tǒng)一等突出問題,系統(tǒng)各自獨(dú)立且未形成實(shí)時聯(lián)動,難以支撐設(shè)備之間的智能聯(lián)動調(diào)控。一旦發(fā)生危化品車輛泄露、車輛碰撞等事故,由于應(yīng)急預(yù)案難以實(shí)施、應(yīng)急救援響應(yīng)時間過長,容易造成二次事故發(fā)生。在隧道建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大的情況下,加快推進(jìn)隧道智能化改造刻不容緩。本文響應(yīng)國家《“十四五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》號召,利用多元感知、數(shù)據(jù)融合、云計算、AI、數(shù)字孿生等技術(shù),研究設(shè)計一套高速公路智慧隧道綜合管控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)通行車輛全域感知、交通機(jī)電設(shè)備可視化管控、異常事件快速聯(lián)動處置。

1 隧道信息化建設(shè)現(xiàn)狀與問題

隧道具有光線暗、空間狹長、結(jié)構(gòu)封閉等特點(diǎn),為事故多發(fā)區(qū),是高速公路運(yùn)營管理的關(guān)鍵風(fēng)險點(diǎn)。現(xiàn)階段存在的主要問題有:

(1)廣西隧道的信息化建設(shè)中,通常已經(jīng)包含了通風(fēng)、調(diào)光、視頻監(jiān)控、電力控制、緊急電話、情報板等管理系統(tǒng),但各子系統(tǒng)分散部署,集成度低(界面集成)。由于各設(shè)備的協(xié)議、接口及編碼方式不統(tǒng)一,對數(shù)據(jù)開發(fā)利用不足等原因,導(dǎo)致在運(yùn)營管理過程中積累的大量交通、環(huán)境、設(shè)備數(shù)據(jù)不能互聯(lián)互通,形成多個“數(shù)據(jù)孤島”。僅能從單一維度對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析生成統(tǒng)計報表,沒有真正打通數(shù)據(jù)“壁壘”,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通聯(lián)動與多維度的分析,難以支撐設(shè)備智慧調(diào)控,為用戶提供高效決策支持[1]。

(2)隧道機(jī)電設(shè)備數(shù)量眾多、種類復(fù)雜,廠家各不相同,機(jī)電設(shè)備狀態(tài)不穩(wěn)定,可用性無法保證,經(jīng)常出現(xiàn)通信中斷或控制失敗的情況。運(yùn)維人員無法及時掌握隧道內(nèi)設(shè)備運(yùn)行狀況從而導(dǎo)致故障發(fā)現(xiàn)和處理不及時。

(3)隧道內(nèi)為密閉空間、光線暗,環(huán)境變化難以及時有效地感知。

(4)隧道運(yùn)營過程中,通風(fēng)和照明能耗高,風(fēng)機(jī)、照明設(shè)備的使用情況與實(shí)際車流量、內(nèi)環(huán)境情況不匹配。

(5)隧道內(nèi)事件檢測手段單一,雖然部分隧道已經(jīng)提供視頻事件檢測功能,但誤報率高,需要人工二次確認(rèn)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)旨在構(gòu)建一套集監(jiān)測、管控、告警、應(yīng)急、決策為一體的管理平臺,實(shí)現(xiàn)設(shè)備可視可測可控、車輛駕駛行為可跟蹤,應(yīng)急處置流程化目標(biāo)。總體架構(gòu)[2]如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

感知層:由各種視頻設(shè)備、環(huán)境設(shè)備、交通檢測設(shè)備、電力消防設(shè)備構(gòu)建成多源感知體系,實(shí)現(xiàn)對隧道環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)、交通流量、異常事件等數(shù)據(jù)的實(shí)時采集與動態(tài)感知。

網(wǎng)絡(luò)層:通過光纖、視頻專網(wǎng)、緊急電話專網(wǎng)、VPN專網(wǎng)等提供數(shù)據(jù)傳輸通道。

數(shù)據(jù)層:采用統(tǒng)一協(xié)議的數(shù)據(jù)交換平臺,實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)據(jù)采集、清洗、存儲、交換和共享,解決隧道內(nèi)設(shè)備種類、數(shù)量多,協(xié)議、接口及編碼方式不統(tǒng)一的問題。

支撐層:主要實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)應(yīng)用層的支持,包括數(shù)字孿生、AI數(shù)據(jù)分析、GIS、工作流引擎、統(tǒng)一用戶管理、消息中間件、日志服務(wù)等。

應(yīng)用層:包括設(shè)備智能管控、車輛日常監(jiān)控、報警管理、應(yīng)急處置、隧道基礎(chǔ)信息管理、預(yù)案管理、決策支持等功能模塊。

角色層:根據(jù)角色分配菜單權(quán)限、按鈕權(quán)限、設(shè)施設(shè)備權(quán)限和事件處置、應(yīng)急保障權(quán)限,如公司領(lǐng)導(dǎo)、客服、運(yùn)維、監(jiān)控、路政、醫(yī)療等角色。

3 系統(tǒng)功能

3.1 隧道設(shè)備智能管控

為解決各機(jī)電系統(tǒng)之間相互獨(dú)立、聯(lián)動不足、集成度不高等問題,本系統(tǒng)打通隧道內(nèi)各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)“壁壘”,整合監(jiān)控、照明、通風(fēng)、消防、電力等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源,對隧道設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理。通過二維/三維場景直觀展示隧道各類設(shè)備狀態(tài)、位置分布、監(jiān)測值、設(shè)備編號、IP,幫助監(jiān)控和調(diào)度人員隨時掌握和監(jiān)控隧道設(shè)備工作狀態(tài)、車流量、環(huán)境指數(shù)。可根據(jù)需求按設(shè)備種類進(jìn)行圖標(biāo)的隱藏/顯示,突出監(jiān)控重點(diǎn)。同時支持遙控設(shè)備,隧道機(jī)電設(shè)備控制模式分為就地模式和遠(yuǎn)程模式,當(dāng)控制模式為就地模式時,僅支持現(xiàn)場操作設(shè)備;當(dāng)控制模式調(diào)整為遠(yuǎn)程模式時,可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的全時段、全功能操作。包括:風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)控制;車道指示器開關(guān)、信號變換;情報板群發(fā)/單發(fā);卷簾門全開/半開/關(guān)閉控制;消防水渠抽水控制;燈具開關(guān)、亮度條件等操作。使用設(shè)備策略和預(yù)案功能可批量控制各類設(shè)備,提高工作效率。

3.2 隧道車輛日常監(jiān)控

系統(tǒng)通過實(shí)時采集隧道內(nèi)外布設(shè)的感知設(shè)備數(shù)據(jù),如毫米波雷達(dá)、高清卡口、高清攝像機(jī)、車檢器等,進(jìn)行多數(shù)據(jù)多空間的同步融合分析,結(jié)合車道級的高精地圖把隧道的真實(shí)場景1∶1還原到數(shù)字孿生畫面中,對隧道內(nèi)車輛進(jìn)行全過程的跟蹤定位。支持對單車、多車并行、車隊(duì)實(shí)施連續(xù)跟蹤監(jiān)控。可通過三維可視化的方式展示車輛行駛狀況,點(diǎn)擊車輛時,在頁面展示車輛的詳細(xì)信息,包括車牌號、實(shí)時車速、所在位置、外觀尺寸、品牌等。在二維場景下,用戶鎖定跟蹤目標(biāo)后,地圖跟隨車輛進(jìn)行移動,始終保持車輛在地圖中心,并實(shí)時加載播放車輛經(jīng)過的攝像機(jī)和即將經(jīng)過的攝像機(jī)視頻,全程跟蹤監(jiān)測車輛行駛狀況。

3.3 報警管理

報警管理分為三大類:事件報警、設(shè)備報警、系統(tǒng)報警。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到任何報警時,頁面會自動彈出報警彈窗,同時語音播報報警信息。點(diǎn)擊報警彈窗,可查看報警詳情并支持快速處置,實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)異常風(fēng)險事件的全天候?qū)崟r監(jiān)測和自動報警。

3.3.1 事件報警

系統(tǒng)結(jié)合高精度AI算法,可自動檢測隧道違停、擁堵、逆行、超速行駛、慢速行駛、連續(xù)變道、緊急停車帶停車、壓線、加塞、違規(guī)行人、非機(jī)動車、拋灑物、路障、煙火等多種異常事件,可根據(jù)用戶實(shí)際需求配置多個預(yù)置位、自動識別檢測區(qū)域,當(dāng)車輛行駛至標(biāo)定區(qū)域時,主動監(jiān)測其駕駛行為。當(dāng)檢測到危險駕駛、安全隱患事件時,自動彈窗并語音報警,顯示報警詳情、抓拍圖片和抓拍視頻等全過程證據(jù),同時支持查看報警攝像機(jī)的直播視頻。識別準(zhǔn)確率經(jīng)過大量的機(jī)器學(xué)習(xí)和模型訓(xùn)練可達(dá)到 94%。

3.3.2 設(shè)備報警

可在系統(tǒng)選擇需要報警的設(shè)備并配置該類設(shè)備的報警閾值、報警頻率等。當(dāng)某一設(shè)備發(fā)生或檢測到異常時觸發(fā)報警,系統(tǒng)自動彈出報警信息,與設(shè)備樁號2 km范圍內(nèi)的攝像機(jī)關(guān)聯(lián),使管理者第一時間知曉現(xiàn)場情況。支持快速處置報警,一鍵升級為事件。若設(shè)備出現(xiàn)故障,可使用微信小程序給運(yùn)維人員派單。

3.3.3 系統(tǒng)報警

系統(tǒng)各功能模塊報警信息,如OSS連接失敗、錄像截取獲取失敗、廠家錄像請求失敗時生成報警信息,讓維護(hù)人員及時發(fā)現(xiàn)并解決問題,確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

3.4 隧道智能巡檢

在隧道側(cè)壁滑軌道上掛載智能巡檢機(jī)器人,借助搭載巡檢機(jī)器人身上的雷達(dá)、可見光、紅外光攝像頭、環(huán)境監(jiān)測等設(shè)備,應(yīng)用視頻識別算法,全天候自動巡檢隧道事件、行人、拋灑物、煙霧以及機(jī)電設(shè)備等情況。當(dāng)突發(fā)異常時聯(lián)動系統(tǒng)生成報警消息,必要時可使用揚(yáng)聲器進(jìn)行聲光預(yù)警疏導(dǎo)救援,指引車輛安全通行,避免二次事故發(fā)生。

3.5 應(yīng)急聯(lián)動管理

根據(jù)“一事件一預(yù)案”原則,用戶可在預(yù)案管理模塊預(yù)先錄入預(yù)案基本信息(預(yù)案名稱、類型、事件類型、適用隧道、預(yù)案介紹)、適用等級、預(yù)案啟動/解除人員、執(zhí)行步驟、應(yīng)急小組、應(yīng)急資源、聯(lián)動設(shè)備等。當(dāng)發(fā)生突發(fā)事件時,系統(tǒng)根據(jù)事件類型、等級匹配預(yù)案,預(yù)案啟動人員可一鍵啟動預(yù)案,通知應(yīng)急人員,遙控機(jī)電設(shè)備。如情報板發(fā)布預(yù)置的交通誘導(dǎo)節(jié)目單、車道指示器變?yōu)榧t叉、打開風(fēng)機(jī)、調(diào)節(jié)照明亮度、事件樁號附件的視頻上大屏等。同時支持通知系統(tǒng)外部人員實(shí)施救援和交通管控措施,如交警、醫(yī)療、消防、路政。形成“報警—事件—處置—完結(jié)—總結(jié)”的閉環(huán)管控。

3.6 低碳節(jié)能

眾所周知,隧道的通風(fēng)和照明耗電量大,是隧道運(yùn)營管理費(fèi)的主要體現(xiàn),也是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、低碳運(yùn)營的關(guān)鍵。本系統(tǒng)通過使用布設(shè)在隧道內(nèi)的毫米波雷達(dá),采集各檢測區(qū)域的車流量、車速等數(shù)據(jù),輸入全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行特征提取,得到調(diào)光控制特征,并結(jié)合亮度、照明監(jiān)測等環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析,根據(jù)模型分析結(jié)果對隧道各照明段的亮度、色溫進(jìn)行調(diào)控,既滿足節(jié)能減排目的,又避免出現(xiàn)“白洞效應(yīng)”和“黑洞效應(yīng)”,達(dá)到“車來燈亮、車走燈暗”的照明效果,實(shí)現(xiàn)能源高效利用。

使用CO/VI檢測器、二氧化氮檢測器、火災(zāi)報警探測器感知隧道環(huán)境狀況,并與風(fēng)機(jī)聯(lián)動控制。在系統(tǒng)配置通風(fēng)策略,包括風(fēng)機(jī)控制類型(正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止)、自動觸發(fā)閾值、運(yùn)行數(shù)量、風(fēng)速、策略持續(xù)時間(固定時間或低于閾值自動停止)等,當(dāng)檢測值超過系統(tǒng)設(shè)定閾值時,自動執(zhí)行通風(fēng)策略,保證隧道運(yùn)營正常的同時達(dá)到低碳節(jié)能目的,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化管理。

3.7 隧道設(shè)備數(shù)據(jù)查詢及統(tǒng)計分析

隧道設(shè)備數(shù)據(jù)查詢包括設(shè)備實(shí)時狀態(tài)、隧道報警、操作記錄、設(shè)備故障、設(shè)備檢測值等內(nèi)容。統(tǒng)計分析包括對設(shè)備故障的統(tǒng)計分析和對設(shè)備報警的統(tǒng)計分析。系統(tǒng)支持使用所屬路段、所屬隧道、設(shè)備種類、時間、設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備名稱和設(shè)備樁號等各類條件組合查詢,并以圖表的形式展示統(tǒng)計結(jié)果,幫助高速公路管理者掌握隧道運(yùn)行狀況,提高決策支持的科學(xué)性。

4 技術(shù)特點(diǎn)

4.1 雷視融合技術(shù)

視頻監(jiān)控在隧道中充當(dāng)交通傳感的主力,但容易受到天氣、光照等因素影響,在雨天、夜晚等場景下表現(xiàn)欠佳、定位精度不高,出現(xiàn)大量的誤報、漏報。毫米波雷達(dá)能夠準(zhǔn)確地檢測目標(biāo)的位置、速度等信息并且不受天氣環(huán)境因素的干擾,覆蓋范圍大,但橫向精度較低,無法精確區(qū)分目標(biāo)類型。雷視融合技術(shù)正是充分結(jié)合視頻AI技術(shù)與毫米波雷達(dá)技術(shù)的優(yōu)勢,對原始視頻流進(jìn)行AI目標(biāo)提取并投影到雷達(dá)坐標(biāo)系中,揚(yáng)長避短將兩者數(shù)據(jù)多維度深度融合,結(jié)合算法能力,獲取每一輛車精準(zhǔn)的位置信息和實(shí)時矢量化數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)全天候、高精度、低成本、大范圍的車輛運(yùn)行狀況檢測。

4.2 超視距、跨鏡頭車輛跟蹤技術(shù)

系統(tǒng)打破視頻監(jiān)控技術(shù)的傳統(tǒng)化模式,利用雷視融合目標(biāo)軌跡跟蹤、數(shù)字孿生、軌跡拼接等技術(shù),通過“一張圖”實(shí)現(xiàn)駛?cè)胨淼纼?nèi)車輛的超視域和跨鏡頭連續(xù)跟蹤和展示,讓管理者從全局上感知整個隧道的交通運(yùn)行情況,及時掌握事件動態(tài)。

5 應(yīng)用

廣西信都至梧州高速公路主線全長74.89 km,于2022-11-30正式通車。全線共包含4座隧道,率先在陽爽隧道應(yīng)用上述技術(shù),接入高速公路智慧隧道管控系統(tǒng),包括監(jiān)測預(yù)警、事件處置、事件評估、隧道管理、隧道分析、設(shè)備管理等模塊,對隧道內(nèi)各類設(shè)備統(tǒng)一管控,狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測;感知洞內(nèi)異常事件并支持聯(lián)動應(yīng)急處置,實(shí)現(xiàn)隧道全線的“可感知、可控制、可聯(lián)動”,達(dá)到提高交通安全與通行能力,增強(qiáng)應(yīng)急處置能力的社會效益,實(shí)現(xiàn)通風(fēng)節(jié)能、照明節(jié)能,降低能源費(fèi)的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)語

本文通過研究與設(shè)計一套高速公路智慧隧道綜合管控系統(tǒng),匯聚融合隧道內(nèi)外各類設(shè)備數(shù)據(jù),打通數(shù)據(jù)底盤,應(yīng)用數(shù)字孿生、虛擬現(xiàn)實(shí)、AI等技術(shù),解決數(shù)據(jù)孤島、設(shè)備統(tǒng)一管控困難、異常事件發(fā)現(xiàn)不及時、應(yīng)急響應(yīng)速度慢等問題,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享互通,設(shè)備控制統(tǒng)一與可視化、事件及時響應(yīng)和快速處置,為廣西隧道安全保駕護(hù)航。