全息隧道安全管理系統研究

摘要 高速公路隧道所處環境復雜，內部空間狹窄，當車輛駛入時，光照的變化、環境空氣的變化、危險駕駛行為等極易引發安全事故。同時，隧道信息化建設不足，導致隧道安全風險感知薄弱、應急救援效率低下，易釀成嚴重后果。文章主要基于高精地圖、三維建模及AI視頻感知系統等技術，對隧道內車輛進行高精度感知，構建了車輛在隧道內的數字化孿生模型和車輛軌跡數據，從而搭建出全息隧道安全管理系統。該系統能及時發現隧道安全風險，對隧道內交通事件、火災、環境及重點車輛通行情況進行感知和預警，并在管理中心進行實時展示，助力隧道重點車輛的精準管控、安全監管和數字運維工作，從而提高隧道安全管理效率和數字化運維能力，減少交通事故的發生，為高速公路隧道智慧安全管理提供建設思路。

關鍵詞 高速公路；隧道；全息隧道安全管理系統；安全風險

中圖分類號 U458 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）24-0017-04

0 引言

隨著全國高速公路里程的不斷增加，我國已是世界上公路隧道規模最大的國家，也是隧道數量最多、地質條件和結構形式最復雜、發展速度最快的國家，但高速公路隧道安全基層基礎薄弱、管理模式多元、資金投入不足、監管機制和相關制度亟待完善等問題依然突出。一方面，高速公路隧道所處環境復雜、內部空間狹窄[1]，當車輛駛入時，洞內外亮度的瞬間變化、環境空氣的差異、危險駕駛行為等極易引發安全事故；另一方面，由于隧道信息化建設不足，導致隧道安全風險感知薄弱、應急救援效率低下，易釀成嚴重后果。目前，多個省市的《交通強國建設綱要》和《十四五交通運輸規劃》中，也明確提出了隧道發展建設的相關內容，主要包括交通感知網絡覆蓋，全要素、全周期數字化，運行情況實時監測，安全風險預警和管控等[2]。因此，研究全息隧道安全管理系統具有重要意義。

該文主要研究以高速公路長隧道安全管理為應用場景，根據隧道內車輛通行安全管控存在的問題，研究一套全息隧道安全管理系統，實現對隧道內車輛?？?、變道、超速、堵塞等特殊事件及?；奋囕v的自動識別并鎖定事件位置，發出警報信息，將可視化界面推送至監控中心，實現隧道通行的可視化管控，極大提高事故應急響應能力，保障司乘人員安全通行。

1 項目概況

該文以云南省某高速公路為研究對象，其地處云貴高原，是云南省道網規劃的重要組成部分，主線全長48.198 km，共計隧道7處，按照雙向四車道設計建設，雙向隧道總長約19.313 km。公路隧道所處環境復雜、內部空間狹窄，當車輛駛入時，洞內外亮度的瞬間變化、環境空氣的差異、危險駕駛行為等極易引發安全事故?，F階段高速公路隧道信息化建設不足，導致隧道安全風險感知薄弱、應急救援效率低下，易釀成嚴重后果[3]。因此，探索一種隧道安全風險感知的新方式、智能化隧道監管模式至關重要。

2 高速公路隧道安全管理現狀

2.1 高速公路隧道環境復雜

高速公路隧道環境錯綜復雜，其內部空間緊湊，導致空氣流通性受限。特別是隧道中段，易積聚有害氣體與灰塵，通風條件欠佳，難以維持優質空氣質量，從而可能產生煙霧積聚現象，對駕駛員的視線和呼吸健康構成潛在威脅。此外，隧道內的光線條件變化顯著，由外部明亮環境駛入隧道陰暗區域，或由隧道駛出至外部強光環境，此類光線的急劇變化極易導致駕駛員視覺暫盲，特別是?；愤\輸的車輛，發生事故后極易誘發火災事故，進而造成重大的人員傷亡和財產損失。鑒于隧道內車道相對狹窄，車輛間距有限，一旦發生事故，極易引發交通擁堵和次生事故。

2.2 高速公路隧道信息化建設不足

當前對高速公路隧道的運營管理相對復雜，一旦隧道內發生異常事件難以快速發現、及時預警，處置空間受限，容易引發二次事故，造成重大的人員傷亡和財產損失，處置代價大[4]，且隧道內各項指標的檢測、隧道監控、設備管理、事件處置、信息發布等系統獨立運行，相互間沒有關聯。同時，隧道監管系統的標準不統一、資源整合程度普遍低，不能實現各系統間的信息共享、自動控制與信息發布等。

2.3 高速公路隧道應急救援能力不足

在現有階段，高速公路隧道內部署的監測設備在精度與覆蓋范圍上存在顯著不足，無法實現對隧道內車輛實時通行情況及車輛分布的實時監控。僅憑人工巡查的方式，難以及時準確地發現潛在的事故隱患，這種傳統方法暴露出較大的局限性。此外，隧道預警信息的發布渠道相對單一，難以確保信息能夠及時有效地傳達至駕駛員和相關部門。同時，大部分駕駛員對隧道內的應急設施和逃生通道缺乏了解，安全風險感知能力薄弱，且缺乏必要的應急知識和技能，這些因素共同導致應急救援效率的低下。

3 設計與規劃

該文針對上述高速公路隧道安全管理存在的問題，研究打造出一套全息隧道安全管理系統以解決該問題。

該項目建設方案擬采用硬件+軟件相結合的方式，在高速公路隧道部署視頻車輛采集系統，同步采集隧道入口、隧道內及隧道出口的實時信息，運用視頻車型識別技術實現隧道內的數字化監控。通過數字孿生2.5D建模技術，構建隧道數字化孿生模型，以擬合車輛軌跡數據[5]，打造全息隧道安全管理系統，實現全時全域全程的隧道全息化管理，助力隧道重點車輛的精準管控、安全監管和數字化運維，設計方案如圖1所示。

3.1 方案設計

圖1 全息隧道總體方案架構圖

全息隧道建設網絡方案如圖2所示：

3.2 關鍵技術

3.2.1 數字孿生2.5D建模

通過應用前端AI采集算法和2.5D GIS高精度地圖核心引擎等創新技術，全息隧道安全管理系統可快速構建車輛與隧道的數字化孿生模型和車輛軌跡數據，實現全時全域全程的隧道全息化管理，助力隧道重點車輛的精準管控、安全監管和數字運維工作。

3.2.2 視頻車型識別技術

基于智能視頻識別技術，對車輛進行連續掃描、檢測、識別，輸出車輛車型、輪軸數、外輪廓大致尺寸等信息及車身高清圖片，通過網絡與高清車牌圖像識別設備進行無縫連接和數據交換，實現車頭、車尾、車身信息的匹配，形成多維度的特征數據。

3.2.3 視頻車型追蹤與事件檢測技術

視頻車型追蹤與事件檢測相關技術原理詳見圖3所示 ：

3.3 硬件部署

3.3.1 隧道入口信息采集

在隧道入口前100余米處的ETC門架部署1臺車牌識別設備、3臺門架車型識別設備、1臺全息近景一體機、1臺全息遠程一體機，以及車頭補光燈/車側補光燈/車頂補光燈各3臺。

卡口車牌識別設備采集車輛號牌信息及車頭圖片，將識別結果傳輸至門架視頻車型識別設備；車型識別設備采集車輛的收費車型、軸數、輪數等特征，輸出側面掃描大圖，對?；奋囕v等進行識別，并接收卡口車牌識別設備的結果，融合輸出車輛的完整特征信息；全息路段近景/遠景一體機，可實現車輛車牌、車型等信息的采集，并采集車輛位置信息，實現車輛定位。所有采集數據傳輸至后端全息隧道系統平臺進行融合展示，實現全時全域全程的隧道全息化管理。

3.3.2 隧道內信息采集

該項目隧道全長2.1 km，為更好地實現隧道的數字化管控，隧道內共設置15個視頻采集點位，每個點位間隔150 m，根據隧道內彎道視線的影響程度，視頻采集點可適度加密。每個點位的采集設備包含全息路段近景/遠景一體機各一臺，實現車輛車牌、車型的采集，以及車輛定位、車輛跟蹤、車速檢測等。設備最多可同時跟蹤250個目標，探測范圍可覆蓋10～250 m區域。數據上傳至后端全息隧道系統，對車輛通行情況、車輛位置進行分析展示。

3.3.3 隧道出口信息采集

在隧道出口距離隧道洞內最后一個點位150 m處，新建ETC門架或L桿，安裝卡口攝像機1臺、視頻車型識別設備3臺、車頭補光燈/車側補光燈/車頂補光燈各3臺。環保卡口抓拍單元采集車輛號牌信息及車頭圖片，識別結果并上傳至后端全息隧道安全通行預警系統平臺進行融合展示，對車輛駛離隧道情況進行確認。

3.3.4 前端設備數據傳輸

上述設備均采用AC220V市電供電，各設備在不影響原供電設計容量的前提下，按照就近原則從相應配電箱進行取電，車側、車頂補光燈采用光敏控制，將車頭補光燈控制線接入卡口攝像機的控制端口，在減少控制線布設的前提下實現同頻工作?？跀z像機、視頻車型識別設備分別通過網線接入光交換機，通過光纖接入并匯聚到隧道配電管理站。

3.4 軟件部署

全息隧道系統平臺的軟件部署，應根據實際情況確定功能需求、界面需求及性能需求，選擇合適的技術將隧道內各設備采集的信息，通過數據分析處理，以可視化方式呈現在平臺上，并根據初步需求設計，最終實現隧道內通行情況、車輛分布、車型類型的直觀展示，自動判斷隧道通行的風險等級，展示隧道過車數據、平均車速等，以及隧道內車輛、行人等事件的檢測結果，展示隧道通行數據的統計情況，實現全時全域全程的隧道全息化管理。

3.5 系統平臺功能

全息隧道系統平臺屬于隧道交通監控子系統的重要部分，可獨立運行，可與其他隧道子系統共同形成完整的隧道管理系統，也可嵌入融合到其他子系統，為隧道管理系統提供模塊化的管理功能。經過硬件+軟件的部署，目前全息隧道安全系統能夠實現隧道通行動態信息的態勢展示，提供隧道視頻監控、事件管理、通行記錄查詢、兩客一危、流量分析、資產管理、統計報表、流水記錄查詢等功能，具體如表1所示：

4 應用效果

經過實際部署與運行，全息隧道安全管理系統實現了對隧道全時段、全地域、全流程的精準管理。作為云南省首個高速公路全息隧道監測系統，自2023年8月正式啟用以來，該系統顯著提升了該路段隧道對重點車輛的精準管控能力、安全監管效能及數字運維水平。截至目前，已精準識別并處理了80起車輛違停事件，監測到7650起隧道內的車輛故障、實線變道及區間超速等違規操作，成功預警了2次道路擁堵情況，并對1 613輛?；奋囕v實施了有效監控。此外，系統還協助處理了5起交通事故。全息隧道安全管理系統的成功應用，不僅顯著提高了公路運營的整體效率，而且顯著增強了長隧道的安全管控能力，有效降低了二次交通事故的發生率，并大幅減少了因重大道路交通事故導致的封路時間。

隧道管理員通過在工作站輸入全息隧道安全管理系統地址，可遠程訪問系統平臺，通過曲面顯示屏展示隧道系統平臺界面，對隧道通行情況進行實時監管、查看，直觀體現隧道的通行情況。全息隧道安全通行預警系統對于隧道安全管控具有重要意義，它能直觀地顯示隧道的實時通行情況，并對各類事件進行預警，幫助隧道監控員提高工作質量和效率。全息隧道安全通行預警系統作為隧道安全管控的輔助系統，具有較強的應用前景，為高速公路隧道管理提供了經驗借鑒。

5 結語

該文通過構建一套創新的全息隧道安全管理系統，使得隧道管理員能夠在管理中心實現對隧道內車輛通行情況的實時監管。通過這一系統，管理員可以實時監測隧道內的車輛?？?、變道、超速、堵塞及?；奋囕v等事件，并能夠自動識別和鎖定這些事件的準確位置，隨即發出警報信息，從而大大減少隧道安全事故的發生概率。這一系統為隧道的安全管控提供了強有力的保障，同時也顯著提高了隧道的應急處置效率。

此外，該系統還能有效減少隧道的人工巡查次數，降低事故處置的成本，進一步提升隧道行車的安全性。全息隧道安全管理系統建設的背后，是國家《十四五交通運輸規劃》的政策要求，也是未來交通行業發展的重要需求。在隧道風險預警、安全管控等方面，這套全息隧道安全管理系統具有極強的應用價值，有望成為未來隧道管理的重要工具之一。

參考文獻

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[2]呂軍.論當前高速公路隧道運營安全管理現狀[J].云南水力發電， 2022（3）：82-86.

[3]張海亮，彭樹智.高速公路隧道交通運行狀態全面感知技術與應用[J].中國交通信息化， 2019（4）：96-100.

[4]林思風.高速公路隧道監控系統智慧化提升改造應用實踐[J].福建交通科技， 2022（10）：117-119.

[5]陳賢杰.基于事件檢測的隧道安全預警系統的設計和應用[J].廣東公路交通， 2017（4）：110-112.