基于數字孿生技術的高速公路隧道數智化管控系統

摘要：文章提出一種高速公路隧道數字孿生智能監控系統，依托毫米波雷達視頻融合感知技術，通過數字孿生和交通管控技術的融合，實現隧道運行數據化、可視化、智能化，具備隧道交通流仿真、視頻融合、設備遠程控制、交通事件檢測、交通態勢統計分析、車輛軌跡跟蹤、應急管控預案模擬等功能，為隧道安全預警、應急指揮、分析決策提供基礎支撐。該系統部署于廣西高速公路隧道，應用效果顯著，通行車輛軌跡丟失率低，隧道告警信息檢測正確率高，事故發生預案處置及時完善，提升了高速公路隧道運營管理水平，保障高速公路網安全高效運行，對高速公路隧道智能管控水平的提高具有現實意義。

關鍵詞：數字孿生；隧道管控；雷視融合；高速公路

中圖分類號：U491.1+16

0 引言

隨著高速公路建設里程的不斷增加，高速公路隧道的數量也在不斷增長，每年高速公路隧道的事故率也在逐年增加。然而傳統的隧道管控在智能化監控技術和一路多方聯合機制等方面存在很多不足，因此構建高速公路隧道交通智能管控體系具有很高的迫切性和重要性［1］。

結合數字孿生技術，可實現對隧道真實場景的擬真再現，變被動感知為主動預警［2］，實現隧道全面探測感知、安全風險識別、事故主動預警，強化數據通路、業務整合，最終實現應用智能化、管理精細化和決策科學化的高速公路隧道智能管控體系。

1 傳統隧道智能管控存在的主要問題

高速公路長隧道具有半隱蔽結構、近封閉空間、車輛行駛時間長、車輛多、事故高發等特點，一旦發生交通安全事件，將導致嚴重的車輛物資損失和人員傷亡，并且救援處置困難，其風險后果的嚴重程度遠大于洞外普通路段［3］。而目前高速公路隧道監控還處于人工巡查及上報等傳統維護方式，無法及時有效地預知和規避風險，當事故發生時，往往無法及時進行有效的處置和聯動，錯失寶貴的救援時間。傳統的隧道管控存在較大不足，可以歸納為以下兩個方面。

1.1 缺乏智能化監控技術

因為駕駛人員法規意識差、安全意識淡薄、駕駛經驗不足等各種原因導致的車輛停車、拋灑物、違規變道等違章行為極易造成交通事故。而傳統的視頻分析技術采用模式識別算法，分析準確性差、誤報多，難以適應隧

道光照較暗、車流量大的復雜環境。并且傳統的技術手段，對隧道內的交通流量、車輛集體減速等異常情況掌握不及時、不準確，缺乏更先進更智能的技術手段來進行有效監測，也無法直觀展示隧道內當前的交通態勢情況。

1.2 一路多方聯合機制不易落實

高速公路隧道內系統繁多，但是各個系統還是獨立工作，無法實現有效的信息共享和聯動機制，智能化預警處置流程薄弱。事故發生后，管理者需要同時操作多個系統，應急處置措施不智能、不及時，容易錯失最佳處置時間。當隧道內產生突發事件時，往往需要人工手動進行聯動處置動作，如隧道風機開啟、照明開啟、情報板預警顯示等，無法爭取事故發生后前幾分鐘的寶貴時間，極易引發二次事故。

2 高速公路隧道數智化管控系統設計

為彌補傳統的隧道管控在智能化監控技術和一路多方聯合機制等方面的不足，設計一款基于數字孿生技術的高速公路隧道智能管控系統方案。結合數字孿生技術，對隧道真實場景擬真再現，變被動感知為主動預警，實現隧道全面探測感知、安全風險識別、事故主動預警，使管理者可獲得更多現場信息，通過視頻融合技術以及高精定位，準確地了解事件位置和發生情況。系統有利于使用者更細致管控路段行車，使車輛行車更加規范，創造安全文明的行車環境，同時車主行車過程中得到更高效、可靠的安全保障。隧道數智化管控強化數據通路、業務整合，最終實現應用智能化、管理精細化、決策科學化的高速公路隧道智能管控體系。

2.1 數字孿生系統架構設計

基于數字孿生技術的高速公路隧道智能管控系統在整體上設計為三層架構，分別是感知層、服務層和應用層，如下頁圖1所示。

（1）感知層：感知層主要職責是對隧道路面交通狀態實時感知、及時采集。隧道交通狀態實時感知主要由監控攝像機、雷視一體機、熱成像相機、卡口等構成的路面動態交通信息感知體系，負責對交通流、交通運行狀況、交通違法、交通事件等動態交通信息進行感知和采集。感知層獲取的數據是后續信息數據融合、分析、應用的基礎。

（2）服務層：獲取高速公路設備狀態信息、視頻監控信息、交通流信息、車輛信息、事件等信息，并借助采集、匯總、分類、存儲及融合等手段，為應用層提供能力支撐。

（3）應用層：在前端采集層、平臺支撐層的硬件、數據等支撐下，提供面向交通管理的監測、控制、研判、指揮等應用，同時還提供面向公眾的出行服務應用。

從另一層面考慮，高速公路隧道智能管控系統包含隧道監控前端設備、網絡通信系統及隧管站三層架構。隧道監控前端設備包含毫米波雷達和視頻結構化卡口融合一體機、監控相機等設備，實現對隧道內外及道路狀況的監測。同時，通過熱成像高溫檢測和交通事件檢測及時發現異常風險，檢測信息可以回傳至隧管站或者路段監控中心，并由數字孿生業務整體、直觀地呈現隧道實施運行狀況，避免由于隧道的半封閉性導致更大災禍發生。

2.2 數字孿生系統軟件

依托毫米波雷達視頻融合感知技術，通過構建高速公路隧道數字孿生感知系統（見圖2），實現隧道車流狀態的感知、車輛軌跡的跟蹤、車輛結構化信息的提取和呈現，實現立體化監管，為隧道安全預警、應急指揮、分析決策提供基礎支撐。高速公路隧道數字孿生系統軟件集合了多個模塊組件，包括設備運維模塊、實時數據展示模塊、事件統計模塊、實時報警模塊、實況播放模塊、全息展示模塊等，整體實現了一個全局化、立體化、無盲區的隧道監控管理系統。

隧道數字孿生感知系統使管理者可獲得更多現場信息，通過視頻融合技術以及高精定位，準確了解事件位置和發生情況。系統有利于使用者更細致管控路段行車，使車輛行車更加規范，創造安全文明的行車環境，同時車主行車過程中得到更高效、可靠的安全保障。系統具體包括了交通流仿真、視頻融合、設備遠程控制、交通事件檢測、交通態勢統計分析、車輛軌跡跟蹤、應急管控預案模擬等主要功能。

2.2.1 交通流仿真

從現有道路交通流量傳感器中獲取的時空數據、樣本軌跡合成新的可實施觀看的交通流，還原軌跡態勢支持全息多維度觀察分析，對比傳統二維監控視頻管理可獲取更多現場信息，判斷現場實際交通狀況。

2.2.2 視頻融合

將視頻信息與高精度數字孿生三維場景結合，可支持視頻信息結構化能（AI識別車流視頻仿真）。虛實結合，將虛擬場景和真實影像融合展示，建立監控視頻與周圍世界的空間關系，提升監控視頻數據使用價值。傳統方式二維監控未發揮視頻數據的潛在價值。

2.2.3 設備遠程控制

遠程控制依靠實時數據饋送的交通設備，用來改善交通流量。傳統方式的設備控制僅依靠設備指令反饋，控制效率與反饋效果較差。

2.2.4 交通事件檢測

對整體交通流擁堵狀況可進行告警定位，自動確定事件發生的物理位置，可以通過管理平臺自動聯動相關聯位置的攝像機進行實時現場任務調度，可直觀、高效、科學地形成事前告警，而傳統的告警方式難以做到高精度定位。交通事件檢測包括對車輛逆行、車輛超速、拋灑物、行人穿越等交通事件進行分析檢測預警。

2.2.5 交通態勢統計分析

隧道內交通流量的實時統計，包括車流量、平均車速、車道占有率、車頭時距，每個車道車輛運行平均速度統計展示，歷史車流量記錄與查詢等。高速公路實際運行情況可以通過交通參數分析來得出，有利于高速公路管理者在應對特殊情況時做出正確的指揮。

2.2.6 車輛軌跡跟蹤

整個孿生系統可以對隧道內同一輛車進行路徑持續跟蹤，車輛經過兩雷達交接區時，系統可克服隧道多徑效應，過濾干擾信號，接力后的車輛ID不變化，使車輛軌跡的呈現效果連續且流暢。

2.2.7 應急管控預案模擬

對應急預案進行高度擬真復現，比傳統方式更能精確與無損地還原應急事件現場情況。

3 高速公路隧道數字孿生數智化管控系統應用效果顯著

目前高速公路隧道數字孿生數智化管控系統已在廣西信都至梧州高速公路的爽沖隧道試運行，隧道右洞長1 283 m，左洞長度為1 117 m。高速公路隧道數字孿生數智化管控系統結合雷視融合技術，準確獲取通行車輛的特征數據和雷達目標軌跡數據，數據準確率達到了89%，基本實現隧道內全域感知，車輛軌跡跟蹤丟失率＜10%。

截至目前運行了6個月，系統自動上報事件占總事件數的96%，未自動上報情形主要為微小拋灑物，其中共收到隧道告警信息4 052條，異常事件檢測正確率為87%，其中92條隧道告警信息升級為突發事件信息。這些突發事件包括了行人進入隧道、車輛故障、兩車追尾、超車事故等多種突發事件類型，由于進行了及時妥善的應急處置，并啟動了預先制定的響應預案，使事故的不利影響降到了最低。隧道數智化管控水平得到了有效提升，應急處置能力得到了提高，保障了隧道通行的安全。

4 高速公路隧道數字孿生數智化管控系統效益分析

高速公路隧道數字孿生智能管控系統提升高速公路隧道運營管理水平，保障高速公路網安全高效運行，賦能高速公路隧道運營管理及關聯產業，推動模式、業態、產品、服務等聯動創新。全面推廣實施應用該系統，將取得顯著的社會效益和經濟效益。該系統有效提高了交通管控效率，提升高速公路通行能力，特別是交通事故、惡劣氣象條件下和節假日期間的通行能力，可較大程度降低通行車輛燃油消耗，以及帶來的間接經濟損失；降低了高速公路交通事故數量及大型車輛事故數量，特別是減少互通區域、惡劣氣象條件下的重特大交通事故數量和傷亡人數，從而減少突發事件對公眾的影響和人民生命財產損失。

5 結語

針對傳統的隧道管控在智能化監控技術和一路多方聯合機制等方面的不足，本文設計了基于數字孿生技術的高速公路隧道數智化管控系統方案。依托毫米波雷達視頻融合感知技術，通過數字孿生和交通管控技術的融合，變被動感知為主動預警，實現隧道交通流仿真、視頻融合、設備遠程控制、交通事件檢測、交通態勢統計分析、車輛結構化信息的提取和呈現、立體化監管，為隧道安全預警、應急指揮、分析決策提供基礎支撐，最終實現應用智能化、管理精細化、決策科學化的高速公路隧道智能管控體系。該系統應用效果顯著，有效提高交通管控效率，提升高速公路通行能力，降低高速公路發生事故概率，為提升高速公路隧道智能管控水平提供了強有力的支持和可靠保證。

參考文獻

［1］交通運輸部綜合規劃司.在加快建設交通強國新征程上建新功——《2021年交通運輸行業發展統計公報》評讀［J］.交通財會，2022，419（6）：96-97.

［2］蘇保鋒，胡江碧.高速公路隧道事故風險規避新技術應用分析和探討［J］.隧道建設（中英文），2022，42（3）：363-371.

［3］郭永輝.高速公路隧道安全及事故預防對策研究［J］.交通世界，2020，540（18）：152-153.

收稿日期：2024-03-15

基金項目：中央引導地方科技發展專項“廣西智慧道路機電系統新技術綜合平臺建設”（編號：桂科ZY20111015）

作者簡介：秦秋息（1988—），工程師，研究方向：智能交通與零碳交通的融合，智能交通和零碳交通的融合實現交通運輸的高效、安全和環保。