淺談高速公路隧道管控系統

石勝華 王安娜 闕飚

（杭州都市高速公路有限公司，浙江 杭州 310024）

一、引言

眾所周知，高速公路隧道的交通環境極為特殊，如何提升隧道的安全管控水平一直是行業的重難點問題。杭州繞城西復線高速是我國首批智慧公路試點項目，建設過程中，項目始終秉承試點目標，遵循“問題導向、技術探索、注重實效”的原則開展先行試點。考慮到項目橋隧比較高，施工過程中還特別細化了隧道事故發現處置方面的需求，同時設定目標，穩步推進，為高速公路隧道安全事故應急處置打下了良好的基礎。

二、項目概況

杭州繞城西復線高速是G25長深高速杭州過境路段通道的分流道路，全長約148.8公里，共有隧道27座32.43公里（其中杭紹段有25座隧道和5個隧道群）、互通樞紐23處、收費站17處，具有高橋隧比、多路網交織以及沿線地區臺風、暴雨和團霧等異常天氣多發等特點。同時，項目還承擔著疏解杭州繞城高速西線交通壓力，改善杭州及項目沿線區域招商引資環境，服務世界互聯網大會、云棲大會、工業大數據大會等重要會議以及第19屆亞運會外圍交通流疏導的責任，預計道路交通流量大、客貨混雜、貨車比例高，且公眾對出行服務的要求較高。

此外，杭州繞城西復線高速也是貫徹落實《交通運輸部辦公廳關于開展新一代國家交通控制網和智慧公路試點（第一批）工作的通知》（交辦規劃函〔2017〕1084號）的第一批智慧公路試點項目，重點從基礎設施數字化、基于大數據的路網綜合管理和新一代國家交通控制網三方面進行試點探索。

項目建設緊扣交通運輸部和浙江省相關要求，基于試點路段橋隧比高、重載交通多、提供實時精準服務等需求，充分利用浙江“智慧高速”建設取得的成果和經驗，結合項目建設實際和特點，按照“需求導向、重點提升、迭代發展、動態優化”的原則，通過總結借鑒國內外智慧公路建設經驗，把握數字化、網絡化、智能化融合發展的契機，著力推進互聯網、大數據、人工智能等新技術、新應用與傳統機電相結合，持續開展智慧公路試點建設工作，以實際行動踐行“交通強國”戰略，提升道路安全性和暢通性。

三、隧道管控需求分析

高速公路隧道的行車環境較為封閉，受隧道線形、路面特性、防護設施、照明條件等因素的影響，車輛在隧道路段的行駛風險比基本路段要高，且隧道內一旦發生事故，加之救援困難、信息傳遞不暢等，極易引發二次事故，造成重大經濟損失和負面社會影響。

高速公路運營期間，常見的隧道安全事故主要包括：（1）隧道結構損壞，因雨水等長時間浸泡導致隧道結構損壞或坍塌，或因泥石流、滑坡等災害造成的隧道出入口阻塞、交通中斷等。（2）道路交通事故，車輛在行駛過程中有較大隨意性，易發生碰撞、翻車等事故，如遇雨雪、大霧等不良天氣及光照不足影響，則更易誘發交通事故。（3）火災事故，主要分為車輛自身原因（如發動機過熱、電路故障等）引發的火災事故、貨物自燃等，以及因交通事故碰撞或翻車等引發的火災事故。

四、隧道管控系統總體架構

結合杭州繞城西復線高速橋隧比高、交通量大、管理風險高的實際，項目在道路監控、有害氣體檢測、傳統火災檢測、隧道通風照明等傳統機電系統的基礎上，結合隧道運營管理實際，通過新技術、新應用試點推動互聯網+、大數據、人工智能的應用落地，著力打造集多種檢測手段、管控手段與發布手段于一體的智慧隧道綜合解決方案。

（一）檢測手段方面

融合結構、視頻、火災、溫度、氣體檢測等多種感知手段，實現對隧道運行狀態和交通事件的精準感知。

（二）管控手段方面

在前端感知設備收集精準信息的基礎上，融合氣象、流量等信息，利用大數據算法并結合歷史數據，形成不同交通流特征及隧道區域的針對性管控策略，同時生成隧道突發事件應急預案，實現一鍵下發。

（三）發布手段方面

根據管控策略，一鍵生成應急預案，通過隧道入口智能攔截、隧道洞口燈光預警以及聲、光、圖像預警設施阻止后方車輛進入事故隧道，避免了傳統隧道因攔截不及時引發的二次事故、惡性事件；通過隧道內統一調頻廣播系統將廣播信號引入隧道，系統預留的廣播強插功能可以第一時間將交通指令告知司乘人員，助力其在智能逃生誘導標志的引導下快速有序疏散。

五、智慧隧道管控實踐

充分結合杭州繞城西復線高速的隧道特點，在現有隧道機電系統的基礎上搭建完善的高速公路隧道管控系統，實現隧道各子系統互聯互通、安全防控、集中管控、服務協同、綠色節能的總體目標。本文對智慧隧道管控系統的研究主要包含以下幾個方面：隧道結構安全監測、AI視頻分析、多光譜移動火災探測、隧道入口管控、隧道內統一調頻廣播以及隧道內智能逃生誘導等。

圖1.杭州繞城西復線智慧隧道系統架構圖

（一）隧道結構安全監測子系統

隧道周邊區域的地質條件復雜，且存在許多潛在、無法預知的不穩定環境因素，杭州繞城西復線高速的隧道占比較高、規模較大，受惡劣環境的影響，稍有不慎就會出現塌方、突泥涌水、沉陷、支護結構變形及人員傷亡等重大問題，對隧道安全生產造成重大影響。為確保隧道工程安全、即時預報險情，實現對隧道結構安全的實時監測和評估，建立完善的隧道結構安全監測子系統尤為重要。

通過在襯砌、圍巖中布設溫度計、內空變位計、表面裂縫計等設備，實時監測拱頂下沉、周邊位移及襯砌開裂等情況，以便第一時間發現安全隱患并將現場情況及時上傳至管理平臺。隧道結構安全監測子系統應具備溫濕度監測、位移監測、傾斜監測、相對變形監測、拉索應力監測及混凝土應變監測等功能，通過隧道結構安全監測子系統，實時掌握隧道健康狀況，根據監測數據科學開展養護作業，有效保證隧道運營安全。

圖2.隧道結構安全監測斷面傳感器布設示意圖

（二）基于AI檢測的視頻分析子系統

在隧道出入口及隧道內每150米處安裝一處監控攝像頭，將前端視頻圖像傳輸至視頻分析子系統。利用圖像預處理技術、車輛檢測與分類技術、目標連續跟蹤技術、交通事件識別技術等人工智能分析算法，實現交通擁堵、障礙物、交通事故、火災、行人或非機動車闖入以及車輛異常停駛、緩駛、逆行、倒車等檢測，并將檢測結果、截圖、類型等相關信息推送至綜合管理平臺，第一時間提醒隧道管理人員進行異常事件確認、啟動應用預案，減少監控人員視頻巡檢工作量，提高事件檢測效率及準確率。

圖3.基于AI檢測的視頻事件分析

（三）基于多光譜火災探測預警子系統

現有的高速公路隧道火災檢測方案仍參照建筑物消防技術標準設計，存在時效性低、無法偵測移動火情等問題，而隧道因其環境的封閉性，一旦發生火災，火勢將迅速蔓延。為確保火災發生初期有效感知，探索移動火情監測的可行性與科學性，項目組在杭州繞城西復線高速九曲嶺隧道開展了“高速公路隧道火災檢測技術應用研究”，提出了基于多光譜的火災探測技術，通過感知近紅外、遠紅外等全部光譜信號，捕捉火焰特有的燃燒變化頻率和光譜分布特性，有效識別火災發生初期的光譜特征，實現快速、遠距、移動的早期火災偵測，了解火災初期的移動火情。目前，此項研究已通過交通運輸部國家交通安全設施質量監督檢驗中心的檢測及應急管理部消防產品合格評定中心的3C認證，并在杭州繞城西復線高速沿線隧道進行推廣應用。

同時，項目組還以九曲嶺隧道火災檢測試點數據為依據，同步推進《公路隧道點型紅外火焰探測器火災報警系統技術規程》團體標準制訂，積極推動行業標準的檢測參數的修訂。

（四）隧道入口管控子系統

當隧道內發生重大事件如火災、交通事故時，隧道口前方布設的號角揚聲器、門架式可變情報板、路側多功能LED情報板、車輛指示器，爆閃燈、轉體欄桿機等全方位、多渠道的聲、光、圖像預警設施，能有效阻止后方車輛駛入事故隧道，避免二次事故的發生，同時降低事故發生后造成的人員傷亡和財產損失，提高公路隧道運營管理水平。

圖4.隧道入口管控

（五）隧道內統一調頻廣播子系統

傳統隧道廣播一般采用有線廣播的形式，主要依靠號角揚聲器對車輛喊話傳遞信息，但在嘈雜的環境下，司乘人員很難聽清有線廣播告知的內容。同時因隧道自身條件限制，無法通過FM無線廣播信號為隧道內行駛的車輛傳遞信息。在隧道內建設具有插播功能的全頻段調頻廣播系統，一方面，能夠為隧道內用戶提供調頻信號，解決日常情況下隧道內無調頻信號的問題，另一方面，當發生緊急事件時，隧道調頻廣播可實現緊急插播的功能，任何頻段的收音機均可接收到緊急信號。

通過對傳統的隧道緊急電話和有線廣播系統進行優化，共用一套主機、傳輸光纜，實現對隧道緊急電話、有線廣播和調頻廣播的統一管理和對話應用，以及對隧道內分機的分區管理、調度操作、排隊處理、有線與調頻廣播音頻源選擇及廣播、插播與喊話功能，可以快速有效地將信息傳遞給司乘人員。

（六）隧道內智能逃生誘導子系統

當隧道內發生交通事故，需要對洞內車輛及人員進行警示或緊急疏散時，隧道洞口彌漫燈光警示系統能夠和隧道入口管控系統進行聯動控制，通過安裝在隧道洞口的雙基色LED燈，對入口管控未攔截即將進入隧道的車輛進行視覺警示。正常狀態下為綠光或正常光源；隧道內發生事故時，以黃光進行提示；隧道內發生重大事故時，以紅光進行警示。

與此同時，智能指示標志接收系統觸發信號，對指示燈進行控制，實現疏散方向調整，將司乘人員安全快速地引導至人（汽）通門位置，從而提高疏散效率，降低人員傷亡。為了凸顯人（汽）通門位置及操作方式，在門框及控制按鈕處還設置了頻閃照明控制燈帶及LED信息顯示屏，以發布引導信息，實現有序疏散。

六、結語

本文對杭州繞城西復線高速的隧道特點及常見隧道事故進行詳細分析，在傳統隧道機電系統的基礎上，深入研究了如何在建設期做好隧道系統建設、在運營期有效管控隧道突發事件等系列難點問題。通過對隧道結構安全監測、AI視頻分析、多光譜移動火災探測、隧道入口管控、隧道內統一調頻廣播及隧道內智能逃生誘導等方面的技術探索與研究，提出了集多種檢測手段、管控手段與發布手段于一體的智慧隧道綜合解決方案，以期在主動快速發現、嚴格入口管理、緊急疏散等方面提高隧道安全運營管理水平，為其他智慧隧道建設提供借鑒經驗。

圖5.隧道洞口彌漫燈光警示