高速公路隧道交通運行狀態全面感知技術的應用研究

林奕俊

（廣東華路交通科技有限公司，廣東 廣州 510080）

0 引言

隨著我國經濟快速發展，城市間交通需求持續增加，高速公路交通網絡承受運輸壓力與日俱增。高速公路交通擁堵導致出行效率降低，引發交通環境問題，由于私家車使用比例提高，導致道路交通碳排放量逐年升高，提升高速公路運行效率是亟待解決的問題。當前，我國高速公路基礎設施網絡規模過渡到基本匹配狀態，智能交通系統的出現可以有效緩解交通擁堵問題，通過深化發展智慧交通能充分發揮現有道路效能。隧道因其建設運營成本高等問題受到各級交管部門的高度關注，隧道運行關系到高速公路運營效益，要研究利用智能交通系統監測高速公路隧道交通運行狀態，保證隧道交通的高效通行。

1 高速公路隧道交通運行狀態感知技術

隨著我國經濟社會的持續發展，高速公路建設也得到跨越式發展。我國中西部地區與山地丘陵為主，隧道作為減少出行里程的交通設施取得長足發展。但由于隧道結構地理條件的特殊性，導致隧道內發生交通擁堵事故的概率很高，如何協助及時準確作出管理決策日益受到重視。交通運行狀態研究是ITS 的重要部分，利用信息技術可以及時處理交通問題，隧道交通狀態判別能提高決策的有效性。

1.1 高速公路隧道交通運行特點

公路隧道環境具有很強的特殊性，主要體現在光照變化與空氣質量方面。由于隧道結構狹長封閉，導致車輛尾氣不容易及時消散排出，隧道內積累高濃度CO 等有毒氣體。高速公路隧道半封閉環境出入口光線強度變化較大，駕駛人經歷視覺明暗適應變化，隧道出口與外界亮度差異形成白洞效應，駛出隧道出現較強眩光。隧道內發生交通事故時救援難度較大，為保證車輛安全通過，隧道內禁止變道超車并要求低速行駛。

車輛不同類型是造成速度差異的直接原因。車輛類型多速度差別大，導致交通流紊亂，增加駕駛員超車需求。高速公路路段交通狀態應根據平均行程車速判斷，交通運行表征客觀狀態可通過交通流參數變化定量描述，不同人對交通狀態心理容忍度不同，道路管理者與使用者最關注交通是否擁擠。世界各國主要根據使用者需求判別交通狀態。美國HCM 定義服務水平為交通流運行狀況質量指標規定不同等級服務水平對應密度。實際應用中交通流密度難以直接采集，通常采用其他參數代替密度。我國交通運輸部頒布公路網運行監測技術要求按速度劃分交通狀態，用不同顏色代表擁擠程度。規定速度為路段中不同斷面平均車速平均值。國內外對高速公路交通狀態劃分標準主要基于國情制定。

1.2 公路交通智能感知技術

公路交通智能感知是交通信息獲取的基礎，指信息感知主體根據需求大規模獲取復雜交通事物外在表征過程，核心技術包括信息傳輸及感知數據處理分析，建立交通傳感器網絡是實現信息感知的關鍵。公路交通系統是確保社會生產有序發展的基礎，隨著城市規模的擴大，建立高效便捷的交通系統成為城市發展的迫切需求。公路交通系統空間分為市內與城際交通，根據空間分為固定設施與移動設備。為確保交通可持續發展，需要建立交通智能管理系統掌握運行狀態。

公路隧道交通智能管理系統基礎是交通智能感知網絡。傳統交通領域研究中交通信息指為出行者提供輔助交通相關參數，交通系統是復雜的巨大系統，常用交通信息包括基礎設施服役信息、交通事件信息等。目前開發感知技術建立系統，根據感知對象特性分為基礎設施與車載感知系統等。隨著傳感器網絡的發展，交通信息感知網絡化發展得到技術支持。傳感器網絡是在通信技術發展下由通信能力等節點構成，可自主完成任務的指南異構分布式網絡感知系統。由于傳感器節點制造成本降低，因此傳感器網絡技術得到深入研究。美國交通部提出智能交通系統項目將傳感器技術，信息技術等結合運用于城市交通大規模感知管理。利用泛在傳感器網絡監控交通運輸系統運行狀態，向駕駛員推薦最優行駛路線。傳感器網絡包括有線與無線混合網絡，無線傳感器網絡布設便捷性具有優勢，需要合理研究各種架構的傳感器網絡性能特點，針對高速公路隧道交通運行特點選擇合理的傳感器網絡架構。

2 高速公路隧道交通運營管理現狀

我國高速公路規劃構建縱貫南北覆蓋全國的高速公路網，與農村干線公路網構成基礎設施網絡。可以通過高速公路出省通道與周圍省快速相通，實現省會到地級市高速公路直接連通。山區特殊地理環境使高速公路建設呈現明顯特征，山嶺重丘高速公路道路線形復雜，山區地形地貌特征造就橋隧比例大特點，建設管理難度大，地勢呈東北斜向西南平行四邊形，高速公路管理線長點多，隧道運營環境復雜。

2.1 公路隧道運營管理中的問題

隨著路網建設延伸，大量立交橋隧加大高速公路運營管理難度。隨著公路隧道工程技術的發展，隧道運營安全問題日益突出。目前高速公路隧道運營管理在設施建設、設備聯動與運行管理等方面存在很多問題。公路隧道運營管理安全設施分為機電及緊急安全逃生設施等，高速公路隧道監控設施分為ABCD四個等級，監控設備包括環境交通與火災警報及緊急求救設備等，建設單位通常建設標準滿足設計規范，由于建設運營管理制度割裂，導致系統功能不完善。隧道惡劣環境條件造成設備故障率高維護成本大。隧道內供配電通風照明監控系統等處于分立狀態，監控系統聯網聯控成為主要發展方向，但由于機電監控信息系統業務特征等因素，各專業系統單獨運行。監控系統聯動策略與設備技術參數及交通運行情況等多種復雜因素相關，難以制定統一固定的應急預案；設備控制發布流程不匹配，隧道發生交通事故等事件缺乏系統聯動體系，影響應急處置與緊急救援效率。高速公路隧道投運后以人工管理為主，在特殊運營車輛通行等管控中投入大量人力資源，由于長大隧道特殊構造，通信運營商覆蓋信號有限，導致隧道運營中特殊車輛運行監控存在盲區。

2.2 高速公路隧道運營安全管理問題分析

高速公路隧道運營管理工作位置偏遠，工作環境惡劣等問題制約高級管理人才引進，管理人員技能不足制約隧道運營工作。高速公路隧道運營中面臨較高的安全風險，隧道運營安全影響因素包括人車環境與管理方面，使得隧道安全事故處置更加復雜。根據隧道安全運營管理因素等方面分析，隧道安全運輸是系統工程，需要從多方面入手解決安全運營管理問題，全面感知隧道交通運行狀態，協調控制隧道相關路網是避免事故發生提高應急處置效率的關鍵手段。

國內各地高速公路運營管理單位在路網協同控制等方面進行大量探索，目前我國高速公路隧道安全運營管理仍處于發展階段，現有安全管理水平不能滿足服務需求，主要存在隧道惡劣環境條件導致機電設備故障率高，系統發生故障后難以及時修復；技術管理人員能力水平有待提高，工作生活條件不便使得高級隧道管理人才缺位，制約技術設施系統功能的發揮；隧道機電附屬設施系統復雜龐大，功能應用不夠系統效能低。系統化設計與實際運營需求脫節導致無法發揮功能效用；隧道控制系統應用效果差，機電設施存在通風照明控制策略關聯性不強等現象；隧道交通運營狀況監測依賴于閉路電視監視，不能進行車輛狀態自動判別，無法減少安全事故的發生。

3 高速公路隧道交通運行狀態感知技術應用

隧道安全運營管理問題需要從多方面入手，關鍵是依據交通運營狀態監測情況協調相關路網，避免事故的發生擴大。公路隧道安全管理是復雜系統的工程，涉及各種型號設備等多方面因素，有效的運營管理對防止隧道事故擴大具有重要作用。目前國內常用的交通信息監測技術包括紅外數字視頻、超聲波檢測等，其中紅外數字視頻檢測技術的檢測精度易受到沙塵等外界環境影響，因此交通事件監測迫切需要全天候構筑智能運行技術。

3.1 公路隧道交通運行狀態感知網絡構架

隨著世界各國城市化進程加快，人口數量急劇增加，城市交通設施矛盾日益突出，機動車保有量飛速增加，城市交通負荷加大產生擁堵等問題對可持續發展帶來嚴重影響，有效利用交通資源科學調度需要提供交通監管決策支持系統，交通傳感器網絡是實現信息獲取傳輸的關鍵?？梢葬槍Σ煌兄獙ο筮x擇感知模型結構將感知信息融合。交通信息感知是信息感知主體將感知對象敏感特征轉化為內部信息的過程，是借助傳感器采集信息獲取的過程，具有真實準確與實時性特點。

公路隧道交通系統全方面感知是復雜的過程，對交通系統全面多元化感知需要引入智能感知概念。交通智能感知是對環境變化積極反應的感知過程，可以隨環境變化而進行調整。智能感知使用傳感器具有自適應調整能力。交通智能感知具有網絡化關聯性與適應性特征，是信息獲取過程，是人類交通信息感知活動中積累知識經驗的實際體現，能體現智能感知的相關特性。交通感知傳感器網絡是系統具體體現形式，主要功能是利用經濟方式對隧道交通組成元素狀態進行感知。如何根據不同對象選擇合理的感知方式，通過構建有效傳感器網絡信息傳輸是交通感知網絡實現功能的關鍵。公路隧道交通系統是基礎設施與交通運輸參與人員組成的復雜系統，各元素具有相互關聯特性。

3.2 公路隧道交通運行狀態全面感知技術

山西晉陽高速在其牛王山隧道將雷達精準感知技術應用于隧道運行安全狀態監測取得良好效果。基于視頻微波的檢測技術應用普遍，雷達交通事件自動檢測系統由雷達傳感器裝置、以太網交換機等構成。系統硬件包括雷達傳感器、專用處理服務器等。雷達傳感器通過以太網交換機匯聚與雷達專用處理器構成局域網，雷達專用處理服務器對原始數據進行分析。隧道管理站設置工作站實現監測結果顯示，接收服務器輸出事件報警實現管理。表1為系統運行情況統計。

表1 系統運行情況統計

項目中結合隧道外場設施與管理站信息系統情況，將毫米雷達波組成穩定系統。系統工程包括視頻監控集成聯動、隧道運行狀態監測、隧道運行智能預警等。通過雷達對隧道交通運行環境進行掃描，全天候持續監測隧道交通流運行狀態，實現車輛超速行人動物等異常交通時間精準監測，實時采集交通數據信息動態監視運行狀態。系統檢測功能與攝像機聯動，根據事件發生位置調用最近監控攝像機指向發生位置，方便及時查看確認現場情況，使管理人員快速及時應急處置。系統監測異常事件及時收到報警信息系，根據事件緊急度智能分析研判，形成預警信息發布到道路可變信息標志。系統自動記錄近3 個月異常事件發生的實時相關數據、業務日志及歷史交通事件軌跡。投入使用后系統運行穩定，雷達事件檢測系統應用實現基礎交通路況智能化監控，有效降低交通事故率。

4 結語

隨著社會經濟的發展，高速公路隧道工程建設趨于規范化，隧道運營管理中借助信息技術，探索安全運營管理對提高公路運營效率具有重要意義。交通智能感知系統是涉及交通工程、電子嵌入式技術等多方面的復雜系統，推進交通系統科學化發展，需要多學科相互配合。毫米波雷達事件監測應用為隧道運營管理提供先進智能技術手段，可以提高社會經濟效益。事件檢測技術的廣泛應用有益于加強路網運行感知能力，提高基礎設施建設智能管理水平。