智慧隧道事故主動預防系統設計

摘 要：【目的】高速公路隧道洞內外亮度差異大、環境單一易疲勞、視線效果差，導致隧道路段的事故發生率遠高于其他路段。而傳統的隧道事故預防手段均是事后控制，無法在事故發生前做到主動預防。為解決此問題，設計了一種智慧隧道事故主動預防系統。【方法】該系統將洞口輪廓強化控制模塊、主動引導模塊、逃生誘導模塊、車輛檢測模塊以及基于ZigBee和射頻433技術的通信模塊相互結合，實現對高速公路隧道區間車輛的主動引導，通過道路輪廓主動發光誘導標識指示車輛安全通過。事故發生后，也可啟動逃生誘導裝置，指引人員車輛迅速朝最近的出口逃生。【結果】該系統經過實際道路安裝測試，可以有效地減少隧道區段的交通事故發生概率，年度事故發生量下降42.9%。【結論】該系統具備較強的實用性，在高速公路隧道尤其是特長隧道場景中具有較高的應用價值。

關鍵詞：高速公路；智慧隧道；主動引導；事故預防

中圖分類號：TP23 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）18-0005-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.18.001

Design of Active Prevention System for Intelligent Tunnel Accident

GUO Xiaopeng1，2

（1.Shanxi Intelligent Transportation Research Institute Co.， Ltd.， Taiyuan 030000， China;

2.Shanxi Intelligent Transportation Laboratory Co.， Ltd.， Taiyuan 030000， China）

Abstract： [Purposes] The highway tunnel has characteristics such as differences in brightness between the inner and outer tunnels， a single environment that is prone to fatigue， and poor visual effects， resulting in a much higher accident rate in tunnel sections compared to other sections. Traditional tunnel accident prevention methods are all post event control， which cannot achieve proactive prevention before accidents occur. To solve this issue， this article proposes an active prevention system for intelligent tunnel accident. [Methods] The system combines the reinforcement control of tunnel entrance contour， active guidance module， escape guidance， vehicle detection module， and communication module based on ZigBee and RF433 technology to achieve active guidance of vehicles in highway tunnel sections. The road contour actively emits guidance signs to indicate safe passage of vehicles. After an acciQpQOd2BoPUJRwYLzW9ApHQ==dent occurs， the escape guidance device can also be activated to guide personnel and vehicles to quickly evacuate towards the nearest exit. [Findings] The system has been tested and installed on actual roads and can effectively reduce the probability of traffic accidents in tunnel sections， with the annual number of accidents decreasing by 42.9%. [Conclusions] This system has strong practicality and high application value in highway tunnels， especially in the scenario of extra long tunnels.

Keywords： highway；intelligent tunnel；active guidance；accident prevention

0 引言

截至2023年底，山西省已建成高速公路6 010 km，4縱15橫33聯的高速公路網基本形成。山西省地形地貌復雜，兩山夾一川，東臨太行山，西臨呂梁山，山地占全省面積的40%，因此山西省的高速公路橋隧比高，單公里造價高。山西高速現有隧道759座，隧道單洞長度達到1 034.5 km，特長隧道單洞長度達到511.7 km，其中政府還貸路的特長隧道單洞長度達到382.2 km。

高速公路隧道洞內外亮度差異大、環境單一易疲勞、視線效果差，導致隧道路段的事故發生率遠高于其他路段。同時，現有的隧道因環境相對封閉、指引標志不全及智能化程度低下，造成隧道內易發生二次事故。

隧道作為現代交通網絡的重要組成部分，其安全性和可靠性對于整個交通系統的運行至關重要。常見的隧道事故原因包含：車輛故障、駕駛員疲勞、駕駛員操作不當、車輛超載、非法運輸危化品、應急車道占用、拋灑物及人員非法闖入等［1］。由于隧道內空間相對封閉，一旦發生事故，往往會造成嚴重的人員傷亡和財產損失［2］。針對這一問題，目前常見的預防手段主要包括以下幾個方面。

①加強隧道設施建設和管理。在隧道設計中充分考慮通風、照明、消防、監控、報警、廣播及環境監測等設施的配置和布局［3］。加強隧道內設備的日常維護和管理。

②加強交通安全宣傳和管理。通過交通安全宣傳教育，加強駕駛員的安全意識，規范交通行為，防止車輛超載、非法運輸危化品等［4］。

③加強應急救援和預案制定。建立完善的應急救援體系，制定詳細的應急預案流程，明確應急響應流程和責任分工，確保在事故發生時，能夠迅速、準確地應對。

上述預防手段雖然能起到一定的作用，但仍無法從根本上解決隧道事故多發的問題［2］。隨著技術手段的提升，越來越多的專家學者提出通過引進先進的消防技術和監控技術，來構建集隧道運行狀態監測、交通監控、安全管控、應急管控和智慧運維于一體的智能管控模式［5］。然而，無論消防還是監控，均是事后控制，無法在事故發生前做到主動預防。基于此，本研究設計了一種智慧隧道事故主動預防系統，通過自動化和智能化的技術手段，實現車輛通過隧道時的全過程主動引導，主動降低事故發生的可能性，做到事前預防。

1 系統概況

智慧隧道事故主動預防系統包含3大模塊：洞口輪廓強化模塊、洞內外主動引導模塊及逃生誘導模塊。

洞口輪廓強化模塊主要是安置在高速公路隧道洞口上的示廓單元；洞內外主動引導模塊是布置在高速公路隧道洞內外沿線的多功能警示單元；逃生誘導模塊是事故發生時用于引導隧道內人員逃生路線的指引單元。隧道沿線布置區域控制器，通過ZigBee和433技術與各模塊進行組網，實現數據通信和區域聯控，從而完成本地數據和隧管站控制中心的數據通信和控制指令下達。主動引導模塊內置車輛檢測裝置，通過紅外光柵檢測車輛異常情況，包括車輛在隧道因事故、違章、車流量大等原因導致的車輛緩慢行駛、車輛違停及車輛事故。該智慧隧道事故主動預防系統旨在通過主動引導，實現隧道內車輛事故預防，并結合逃生誘導，盡量規避二次事故次生災害的發生，其總體設計如圖1所示。

1.1 洞口輪廓強化模塊

洞口輪廓強化模塊主要由供電模塊、通信模塊、傳感器模塊、顯示模塊組成。該模塊主要利用傳感器模塊采集高速公路隧道入口區段的溫度、濕度、能見度等氣象信息，并將信息主動上傳至區域控制中心。當遭遇惡劣天氣，道路能見度低于閾值時，開啟隧道洞口顯示單元，通過燈光提醒駕駛人員臨近隧道，提前減速。

1.1.1 供電模塊。該模塊采用太陽能供電系統，為整個洞口輪廓強化模塊供電，利用太陽能電池板，實現控制單元就地補能，方便模塊在不易接入市電的區域運行。

1.1.2 通信模塊。該模塊利用ZigBee通信模組和433通信模組，完成與洞內引導設備控制器和誘導設備控制器的組網，實現數據信息互聯互通。

1.1.3 傳感器模塊。該模塊主要是由能見度檢測傳感器構成，通過檢測空氣中的離散光粒子的總數量，判斷隧道洞口區域的能見度狀況，并將信息傳遞至總控制器和隧管站控制中心。

1.1.4 顯示模塊。該模塊由紅黃雙色燈和情報板構成，當能見度較低時，自動模式下，主控制自行控制顯示模塊啟動，通過黃燈，強化隧道洞口輪廓。當遇到隧道內事故時，切換紅燈警示洞外車輛，同時聯動情報板，提醒車輛發生事故，禁止駛入隧道。

1.2 主動引導模塊

主動引導模塊是智慧隧道事故主動預防系統的核心模塊，該模塊使用ARM芯片作為主控制器，集成zigbee通信模塊、光柵車輛檢測器、多色引導指示燈。ARM主控制器既可以通過接收車輛檢測器信號，又可以通過接收隧管站指令，切換各種引導模式，包括警示模式、車輛尾跡引導模式及禁止模式等。

主動引導模塊沿高速公路沿線布置，安裝在高速公路兩側、隧道壁及中間隔離護欄上。主動引導模塊的布設和工作原理如圖2所示。

1.2.1 道路輪廓指示功能。當遇到惡劣天氣或隧道內因事故產生濃煙導致能見度降低時，系統可接收隧管站控制指令，開啟道路輪廓指示功能，通過將燈光顏色切換為黃燈，增強能見度較低的情況下，道路輪廓顯示的視覺效果［6］。

1.2.2 車輛檢測功能。主動引導裝置集成光柵車輛檢測器，光柵車輛檢測器發射紅外光，收發單元分別布置在隧道壁兩側，如果有車輛通過，將會對紅外光產生遮擋，從而判斷出有車輛通過。主動引導模塊內置ARM主控制器，利用控制器內的編程實現自學習算法，通過是否遮擋、遮擋時長及連續遮擋間隔時間等特征，自動判斷車輛狀態。特征分析見表1。

通過分析車輛狀態，實現ARM主控芯片自主判斷隧道內情況，如車輛違停、發生事故及車輛緩行擁堵等。根據主控制器內置的程序，系統可以依據隧道內態勢，自動切換引導狀態，也可以將異常報警信號上傳至隧道管理站指揮中心，由管理站下發指令程序，進行模式切換。

1.2.3 車輛尾跡指引功能。利用人眼的視覺暫留原理，當一輛車駛過車輛檢測器后，該點的指引模塊指示燈變紅，隨后聯控車輛后方兩組指引燈變紅，隨著車輛沿行車道前進，駛入下一組車輛檢測區，新的一組指引模塊變紅，車輛后方最后一組指引模塊變綠，由此在車輛后方形成三組紅色指引燈組成的尾跡線，給駕駛員形成一種車輛尾跡的視覺效果。同時，通過合理布設指引燈間距和ZigBee組網聯控組成尾跡的燈組數，給前后車之間留下足夠的安全距離，這種指引模式可以在能見度較低的情況下有效提醒后車司機前方的安全距離，防止追尾［7］。

1.2.4 緊急停車帶車輛警示功能。本研究設計的系統在隧道緊急停車帶除安裝光柵車輛檢測器外，還安裝有地磁車檢器。當車檢器檢測到有車輛進入緊急停車帶并停留時［8］，系統會自動聯動緊急停車帶內和駛入方向上的引導指示燈［9］，實現黃燈間隔閃爍，并聯動情報板，警示后方車輛減速慢行，注意緊急停車帶可能有車輛駛出。

1.2.5 隧道禁止駛入警示功能。當引導模塊檢測到隧道內發生事故，會自動聯動隧道洞口引導模塊切換紅燈爆閃模式，警示隧道外即將駛入的車輛，并聯動情報板及擴音器，顯示播報隧道事故，禁止駛入。

1.2.6 通信組網功能。隧道內外引導設備集成ZigBee和433通信模塊，其中引導模塊使用ZigBee組網模式，利用ZigBee短距通信傳輸速度快、組網方便、可路由中繼的特點，實現路段所有引導設備組網。當個別設備出現損壞時，其余設備仍可自由組網，不至于癱瘓；而433通信模塊頻率低、傳輸距離長，安裝在引導設備內可方便洞內外設備的遠距通信，利用GPS授時功能，實現所有引導設備基準時間一致性。Zigbee和433的互補使用，實現了系統內各模塊之間的數據傳輸同步和指令下發同步。

1.3 逃生誘導模塊

當隧道內發生事故，因人員撤離不及時，往往會造成二次事故。為盡量避免事故的發生，需在隧道內增加逃生誘導指示單元。該智慧隧道事故主動預防系統將逃生誘導模塊與主動引導模塊集成，當系統檢測出有事故發生時，主控制器會將事故報警信息傳至遠端隧道管理站，隧道管理人員只需下發指令，即可打開逃生誘導模塊。該逃生誘導模塊通過箭頭形指示燈指引隧道內不同位置人員的逃生路線，引導人群快速到達隧道洞口、人行橫洞及車行橫洞等逃生位置。逃生誘導模塊功能示意如圖3所示。

2 試驗數據和測試結果

該智慧隧道事故主動預防系統可以實時監測高速公路隧道區間行車狀況，通過分析研判各類隧道異常事件特征，系統主控芯片可以自主切換引導模式或根據隧管站的上級指令，完成隧道全域引導模式的切換。系統將能見度檢測器、洞口輪廓強化裝置、車檢器、情報板、車輛引導模塊集成組網，主動引導車輛規范安全行駛。該系統顯著降低了隧道內車輛行駛事故發生率，提升了隧道內行車安全。同時，系統還集成誘導逃生指引模塊，在事故發生的第一時間，引導隧道內人群逃生，降低二次事故發生率。該系統的主要硬件參數見表2。

3 結論

該智慧隧道事故主動預防系統主要針對高速公路隧道區間而設計，可對隧道區間內外車輛行駛做到實時指引。系統通過集成車檢器、能見度檢測傳感器感知隧道內環境的變化，并通過ARM主控芯片編程算法實現隧道內各類異常事件特征分類，最終實現車輛行駛的主動引導，為車輛在隧道內的安全通過提供了一種有效、可行的新方法。經實際路段測試，該系統使用效果良好。

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