智慧隧道關鍵技術的研究

朱立 鄧芳明 姚道金

摘要 在信息化時代環境下，各種新型技術在高速公路隧道工程內得到廣泛應用，如大數據、人工智能、物聯網等，為智慧隧道的建設與發展創造有利條件，是踐行智慧交通理念的有力證明。對此，文章運用文獻綜述法和系統分析法，圍繞智慧隧道，對其內涵及技術架構加以論述，從智慧感知技術、智慧管控技術、智慧養護技術三個方面入手，重點探討智慧隧道建設的關鍵技術。文章意在通過研究，為相關人員提供借鑒參考，為智慧隧道建設及交通強國目標實現貢獻自己的一點力量。

關鍵詞 智慧隧道；體系架構；關鍵技術

中圖分類號 U495 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）04-0018-03

0 引言

根據《2021年交通運輸行業發展統計公報》的統計，截至2021年年底，我國公路隧道總數達到23 268座，總長達到24 698 900 m，其中特長隧道1 599座，7 170 800 m；長隧道6 211座，10 844 300 m^[1]。如何管理運營好如此眾多的隧道，保障國民經濟和社會的發展，已然成為當前研究的熱點問題。

韓直^[2]等（2000年）較早提出應加強對隧道ITS（Intelligent Transportation System）的研究，但關注點主要集中在隧道的智能監控上；之后的曾盛（2004年）^[3]、王志偉^[4]等（2009年）和王少飛^[5]等（2013年）提出的公路隧道綜合監控系統集成方案并未涉及運營階段養護管理的信息化、智能化問題；曾磊^[6]等（2016年）首次提出智慧型隧道的概念，定義了智慧隧道的主要技術架構和依賴的技術手段。新型信息技術的快速發展，使得云計算、物聯網、大數據、人工智能、區塊鏈等技術應用于公路隧道管理中，通過智慧感知技術獲取要素信息，結合多源數據融合構建隧道數字孿生環境，通過三維可視化等技術，實現隧道、人、環境、路和車的系統管理正逐漸成為業界的共識^[7]。

目前智慧隧道概念正快速發展，該文結合近年成功的案例，詳細介紹了運營期智慧隧道中應用到的總體架構及關鍵技術，并探討智慧隧道的應用和發展趨勢。

1 智慧隧道的內涵及技術架構

目前，隧道機電已經囊括了照明系統、監控系統、通風系統、環境監測系統、消防系統、報警系統、廣播系統等諸多子系統，經過多年的發展，這些系統已經逐步完善，每一個子系統都具備相當的信息化水平，并實現了一定程度的智能化^[8]。然而，由于各個系統之間的業務隔離，造成了數據煙囪情況極為突出，這對于隧道機電的整體管理和運營效率都造成了很大的負面影響，因此急需實質意義上的數據打通，以實現隧道機電的高效運作。

智慧隧道技術是利用新一代信息技術，如物聯網、大數據、人工智能等來提升隧道運營的效率和安全性的一種創新方式。這項技術通過使用先進的傳感技術，可以實現對多源數據的采集，包括隧道內的車輛、行人的位置和移動軌跡，以及隧道周圍的環境參數等。然后，利用大數據和人工智能技術，可以對這些多源數據進行實時處理和分析，從而實現對隧道內的交通流量、車速、行車安全等方面的全面管控，提高隧道通行能力和安全性。同時，智慧隧道技術還可以通過對隧道內的設備和照明系統進行智能化控制，有效控制隧道能耗，降低隧道全生命周期運營管理成本，從而實現隧道的高效運營和管理^[9]。

2 智慧隧道的關鍵技術

2.1 智慧感知技術

利用雷視融合、AI學習、大數據等先進的核心技術，可以更加精準地感知到隧道內的交通流和異常事件，從而更加有效地處理這些事件，實現隧道交通的安全性和可靠性。而基于視頻的AI識別，可以實現交通流檢測和異常事件的檢測，形成了最具性價比的解決方案。另外，結合激光雷達、毫米波雷達等新型裝備，可以進一步提升遠端小目標識別和跟蹤效果，以及車輛遮擋情況下的處理效果，從而更加高效地保障隧道內的交通安全。

2.1.1 毫米波雷達

毫米波雷達在隧道內工作時，因其出色的抗干擾性能，能夠很好地感知車輛通行所造成的振動、煙塵、油煙和黑白洞現象，即使在惡劣的隧道環境中也能保持穩定的工作狀態，從而實現高精度的雷達檢測和定位，可以大幅提高隧道的通行效率和安全性，并且該設備的故障率極低，維護成本也相對較低，因此在隧道內的應用潛力巨大。相對于目前市場上的其他感知設備，如攝像頭、激光雷達等，毫米波雷達在數字化、感知精度、感知顆粒度方面都具有明顯的優勢，不僅能夠滿足隧道內的各類感知需求，還能以較低的綜合造價實現高精度的雷達檢測和定位，是目前性價比最高的隧道感知設備之一^[10]。

2.1.2 AI卡口

使用高清AI卡口抓拍相機可以有效地對過往的車輛進行整車特征分析，從而識別出其中的危化品車輛、大客車以及普通車輛，進而對每一輛車進行分類，這無疑提高了抓拍和識別精度，為后續的車輛通行規律統計提供了有力的支持。該高清AI卡口相機還可以與綜合監控平臺相連接，使得對進入隧道的車輛抓拍和分析更為精準。通過對隧道內客貨車的流量數據進行梳理和分析，可以關注到隧道內的總體客貨比例變化，以及車輛密度的變化情況，對車輛類型、車輛歸屬地以及出行時間分布等進行深入的分析和總結，以便及時發現并解決可能存在的問題。此外，結合定點測速以及區間測速功能，可以根據車輛實際的行駛里程，計算每一輛車的行駛速度，并對車速異常的車輛在系統內進行警告展示，這可以幫助提前發現隧道內的異常情況，避免可能出現的交通事故，為隧道內的行車安全提供了有力的保障^[11]。

2.1.3 視頻事件檢測

AI視頻事件識別功能可以對進入隧道的車輛進行實時的視頻識別，一旦檢測到車輛出現違停、超速、逆行、氣體泄漏、拋灑物體、起火等危險行為時，系統將會自動發出告警，通知相關的工作人員采取必要的處置措施。在得到確認后，系統將會在PC端、監控中心大屏端、移動端等多個平臺同步顯示并同步處理，確保事件的及時、有效處理，最大程度減少事故的發生。在這個過程中，AI視頻事件識別功能可以同時檢測和識別車輛逆行、車輛停止、拋灑物、違規行人、路障等多種事件，還可以進行車流量統計、煙霧檢測、車輛信息識別、交通參數檢測等多項功能，以便更好地輔助相關工作人員進行事件的判斷和處理^[12]。

2.1.4 智慧隧道應急預警

隧道是一種特殊的建筑結構，具有封閉、狹窄、陰暗等特點，因此在發生火災等緊急情況時，需要及時采取有效的措施，保障人員和財產的安全。然而，即使通過情報板或者交通信號燈進行提示，仍然有一些車輛不遵守交通規則，進入隧道，從而加劇了事故的嚴重性。為了應對這種情況，平臺應用應急預案和管控技術，根據應急聯動預案，通過大數據分析研判，采用智慧化手段，可以在第一時間自動判斷并反饋隧道內事故狀態，通過多種方式提醒駕乘人員并進行交通管制，以避免或減輕事故損失，降低二次事故風險。云控平臺可以通過各種傳感器、攝像頭等設備，獲取隧道內的實時信息，從而確定事故的具體情況，然后通過無線傳輸、互聯網等手段，將信息發送至隧道外預警系統設備，進行聯動預警，讓隧道口的加強警示系統及多級聯動預警發布系統發揮作用，使隱患事故車輛和危險車輛停在洞外，從而保障隧道內人員和財產的安全^[13]。

2.1.5 北斗增強技術

借鑒室外衛星導航高精度定位技術，基于偽距差分原理和基于載波相位差分原理兩種實現方式，來提高北斗衛星系統的定位精度和準確性。其中，基于偽距差分原理的定位方式是一種實時處理技術，而基于載波相位差分原理的定位方式則是一種事后處理技術。至于基于短基線解算原理的定位方式，主要用于對定位數據進行修正和處理，以提高定位精度和準確性。

2.1.6 4G/5G無線通信及定位

根據隧道施工的工程要求和工作難點，通過建設隧道4G/5G無線通信及定位系統，利用無線調度、有線調度、安全監控、視頻回傳、機車控制等系統進行深度融合，實現統一調度、統一管理、統一監控、智能聯動，確保隧道施工過程的高效、安全、穩定和高效。同時，采用遠程維護管理，將技術專家的經驗和技能及時傳遞到現場，實時解決現場問題，保障系統的正常運行和維護，最終構建成一套智慧隧道的應用系統，充分發揮科技的力量，為隧道施工提供更高質量、更高效、更安全的解決方案^[14]。

2.2 智慧管控技術

由于使用基于鴻蒙操作系統的智能終端，可以對傳統機電設備進行改造，實現了傳統機電設備的在線監測。這一功能的實現可以幫助隧道管理人員實現對機電設備的實時監控，及時發現設備故障并采取有效措施，避免因設備故障導致的運行風險。在鴻蒙操作系統的支持下，基于聯動控制策略，系統可以對感知的事件進行決策輔助。例如，當發現機電設備故障時，系統會及時向管理人員發送警報，同時給出故障原因和解決建議，方便管理人員一鍵啟動，實現對設備故障的快速處理。這種決策輔助功能可以大幅提高隧道管理效率，減少因設備故障導致的停機時間，保障隧道運行的安全、穩定和高效。

2.2.1 精準管控

在隧道內設置車牌識別+雷視一體機作為數字孿生前端硬件設施，可以建立起一個全面的數字孿生系統，實現對隧道的全場景、全過程、全要素的實時監測、分析和預警，從而提高隧道交通安全水平。雷視一體機在大霧、煙塵、低照度的情況下也能準確識別動態物體，保障隧道內行車安全。雷達可以有效彌補視頻監控的不足，進一步加強隧道交通管理，并提高對交通事故的應急處置能力。在尾氣、金屬顆粒等影響毫米波雷達識別精度的情況下，視頻監控仍可以持續工作，全方位保障隧道交通安全。綜合應用這些技術可以更好地發揮交通環境監測的作用，進一步保障隧道交通安全，提高道路通行效率。在這個平臺上，管理人員可以對隧道群的運行狀況、異常事件、重點監控車輛、聯動救援等進行可視化管控，同時利用前端感知設備與后端數字孿生進行擬合，實現隧道車輛的實時狀態展示、隧道內異常事件展示、輔助聯動救援等功能，進一步提高了隧道交通管理的效率和安全性^[15]。

2.2.2 邊緣計算

邊緣計算與控制（邊端），其中主要包括區域控制單元和邊緣計算節點兩個組成部分。通過邊緣計算節點，可以匯總隧道內多個邊緣計算節點的信息，并將這些信息傳輸到人工智能和大數據業務后臺，從而實現對隧道內交通狀況的全面感知和智能化調控。在具體的操作過程中，邊緣計算節點不僅可以實現邊邊協同，還可以實現邊云協調，快速在不同邊緣節點之間作狀態信息同步，從而保證用戶業務在邊緣節點切換過程中的連續性和穩定性，避免對用戶業務產生不良影響。另外，區域控制單元是另一個重要的組成部分，其主要職責是負責隧道內大部分機電設備的信息收集、預處理和監視控制功能，從而確保隧道內各項設施能夠正常運行，為車輛的順利通行提供保障^[16]。

3 結語

在《交通強國建設綱要》《數字交通“十四五”發展規劃》《加快建設交通強國五年行動計劃（2023—2027年）》等一系列政策的指導下，我國已經開始積極推進交通基礎設施的智能化建設。智慧隧道是在新一代信息技術環境下對傳統隧道交通工程的全新演繹，是未來隧道運營管理新的發展趨勢。它可以提高隧道的運行效率，降低運營成本，提升用戶體驗，實現交通雙碳目標，為社會帶來更多的福祉。應該積極推進智慧隧道的建設，為實現交通強國的目標作出貢獻。

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收稿日期：2023-11-27

作者簡介：朱立（1984—），男，碩士，高級工程師，研究方向：交通信息化。