高速公路智慧隧道綜合管控系統研究

蘭 良

(廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

由于廣西西部、北部和東部主要為山地和丘陵地形,山地起伏較大,山地占廣西總面積的40%左右,因此高速公路中隧道占比較高。而作為高速公路特殊路段的隧道是事故多發地帶,其特點是光線較暗、環境單一、密閉狹窄、視覺參照物缺乏。隧道機電設備種類多,包含紅綠燈、車道指示器、通風、照明、消防、攝像機等幾十種設備,同種設備可能還來自不同廠家,存在接口、協議不統一等突出問題,系統各自獨立且未形成實時聯動,難以支撐設備之間的智能聯動調控。一旦發生危化品車輛泄露、車輛碰撞等事故,由于應急預案難以實施、應急救援響應時間過長,容易造成二次事故發生。在隧道建設規模不斷擴大的情況下,加快推進隧道智能化改造刻不容緩。本文響應國家《“十四五”現代綜合交通運輸體系發展規劃》號召,利用多元感知、數據融合、云計算、AI、數字孿生等技術,研究設計一套高速公路智慧隧道綜合管控系統,實現隧道內通行車輛全域感知、交通機電設備可視化管控、異常事件快速聯動處置。

1 隧道信息化建設現狀與問題

隧道具有光線暗、空間狹長、結構封閉等特點,為事故多發區,是高速公路運營管理的關鍵風險點。現階段存在的主要問題有:

(1)廣西隧道的信息化建設中,通常已經包含了通風、調光、視頻監控、電力控制、緊急電話、情報板等管理系統,但各子系統分散部署,集成度低(界面集成)。由于各設備的協議、接口及編碼方式不統一,對數據開發利用不足等原因,導致在運營管理過程中積累的大量交通、環境、設備數據不能互聯互通,形成多個“數據孤島”。僅能從單一維度對數據進行分析生成統計報表,沒有真正打通數據“壁壘”,實現數據互通聯動與多維度的分析,難以支撐設備智慧調控,為用戶提供高效決策支持[1]。

(2)隧道機電設備數量眾多、種類復雜,廠家各不相同,機電設備狀態不穩定,可用性無法保證,經常出現通信中斷或控制失敗的情況。運維人員無法及時掌握隧道內設備運行狀況從而導致故障發現和處理不及時。

(3)隧道內為密閉空間、光線暗,環境變化難以及時有效地感知。

(4)隧道運營過程中,通風和照明能耗高,風機、照明設備的使用情況與實際車流量、內環境情況不匹配。

(5)隧道內事件檢測手段單一,雖然部分隧道已經提供視頻事件檢測功能,但誤報率高,需要人工二次確認。

2 系統架構

本系統旨在構建一套集監測、管控、告警、應急、決策為一體的管理平臺,實現設備可視可測可控、車輛駕駛行為可跟蹤,應急處置流程化目標。總體架構[2]如圖1所示。

圖1 系統總體架構圖

感知層:由各種視頻設備、環境設備、交通檢測設備、電力消防設備構建成多源感知體系,實現對隧道環境、設備狀態、交通流量、異常事件等數據的實時采集與動態感知。

網絡層:通過光纖、視頻專網、緊急電話專網、VPN專網等提供數據傳輸通道。

數據層:采用統一協議的數據交換平臺,實現各系統的設備數據采集、清洗、存儲、交換和共享,解決隧道內設備種類、數量多,協議、接口及編碼方式不統一的問題。

支撐層:主要實現對系統應用層的支持,包括數字孿生、AI數據分析、GIS、工作流引擎、統一用戶管理、消息中間件、日志服務等。

應用層:包括設備智能管控、車輛日常監控、報警管理、應急處置、隧道基礎信息管理、預案管理、決策支持等功能模塊。

角色層:根據角色分配菜單權限、按鈕權限、設施設備權限和事件處置、應急保障權限,如公司領導、客服、運維、監控、路政、醫療等角色。

3 系統功能

3.1 隧道設備智能管控

為解決各機電系統之間相互獨立、聯動不足、集成度不高等問題,本系統打通隧道內各系統之間的數據“壁壘”,整合監控、照明、通風、消防、電力等系統的數據資源,對隧道設備進行統一管理。通過二維/三維場景直觀展示隧道各類設備狀態、位置分布、監測值、設備編號、IP,幫助監控和調度人員隨時掌握和監控隧道設備工作狀態、車流量、環境指數。可根據需求按設備種類進行圖標的隱藏/顯示,突出監控重點。同時支持遙控設備,隧道機電設備控制模式分為就地模式和遠程模式,當控制模式為就地模式時,僅支持現場操作設備;當控制模式調整為遠程模式時,可實現設備的全時段、全功能操作。包括:風機正轉/反轉控制;車道指示器開關、信號變換;情報板群發/單發;卷簾門全開/半開/關閉控制;消防水渠抽水控制;燈具開關、亮度條件等操作。使用設備策略和預案功能可批量控制各類設備,提高工作效率。

3.2 隧道車輛日常監控

系統通過實時采集隧道內外布設的感知設備數據,如毫米波雷達、高清卡口、高清攝像機、車檢器等,進行多數據多空間的同步融合分析,結合車道級的高精地圖把隧道的真實場景1∶1還原到數字孿生畫面中,對隧道內車輛進行全過程的跟蹤定位。支持對單車、多車并行、車隊實施連續跟蹤監控。可通過三維可視化的方式展示車輛行駛狀況,點擊車輛時,在頁面展示車輛的詳細信息,包括車牌號、實時車速、所在位置、外觀尺寸、品牌等。在二維場景下,用戶鎖定跟蹤目標后,地圖跟隨車輛進行移動,始終保持車輛在地圖中心,并實時加載播放車輛經過的攝像機和即將經過的攝像機視頻,全程跟蹤監測車輛行駛狀況。

3.3 報警管理

報警管理分為三大類:事件報警、設備報警、系統報警。當系統監測到任何報警時,頁面會自動彈出報警彈窗,同時語音播報報警信息。點擊報警彈窗,可查看報警詳情并支持快速處置,實現隧道內異常風險事件的全天候實時監測和自動報警。

3.3.1 事件報警

系統結合高精度AI算法,可自動檢測隧道違停、擁堵、逆行、超速行駛、慢速行駛、連續變道、緊急停車帶停車、壓線、加塞、違規行人、非機動車、拋灑物、路障、煙火等多種異常事件,可根據用戶實際需求配置多個預置位、自動識別檢測區域,當車輛行駛至標定區域時,主動監測其駕駛行為。當檢測到危險駕駛、安全隱患事件時,自動彈窗并語音報警,顯示報警詳情、抓拍圖片和抓拍視頻等全過程證據,同時支持查看報警攝像機的直播視頻。識別準確率經過大量的機器學習和模型訓練可達到 94%。

3.3.2 設備報警

可在系統選擇需要報警的設備并配置該類設備的報警閾值、報警頻率等。當某一設備發生或檢測到異常時觸發報警,系統自動彈出報警信息,與設備樁號2 km范圍內的攝像機關聯,使管理者第一時間知曉現場情況。支持快速處置報警,一鍵升級為事件。若設備出現故障,可使用微信小程序給運維人員派單。

3.3.3 系統報警

系統各功能模塊報警信息,如OSS連接失敗、錄像截取獲取失敗、廠家錄像請求失敗時生成報警信息,讓維護人員及時發現并解決問題,確保系統穩定運行。

3.4 隧道智能巡檢

在隧道側壁滑軌道上掛載智能巡檢機器人,借助搭載巡檢機器人身上的雷達、可見光、紅外光攝像頭、環境監測等設備,應用視頻識別算法,全天候自動巡檢隧道事件、行人、拋灑物、煙霧以及機電設備等情況。當突發異常時聯動系統生成報警消息,必要時可使用揚聲器進行聲光預警疏導救援,指引車輛安全通行,避免二次事故發生。

3.5 應急聯動管理

根據“一事件一預案”原則,用戶可在預案管理模塊預先錄入預案基本信息(預案名稱、類型、事件類型、適用隧道、預案介紹)、適用等級、預案啟動/解除人員、執行步驟、應急小組、應急資源、聯動設備等。當發生突發事件時,系統根據事件類型、等級匹配預案,預案啟動人員可一鍵啟動預案,通知應急人員,遙控機電設備。如情報板發布預置的交通誘導節目單、車道指示器變為紅叉、打開風機、調節照明亮度、事件樁號附件的視頻上大屏等。同時支持通知系統外部人員實施救援和交通管控措施,如交警、醫療、消防、路政。形成“報警—事件—處置—完結—總結”的閉環管控。

3.6 低碳節能

眾所周知,隧道的通風和照明耗電量大,是隧道運營管理費的主要體現,也是實現節能減排、低碳運營的關鍵。本系統通過使用布設在隧道內的毫米波雷達,采集各檢測區域的車流量、車速等數據,輸入全連接神經網絡進行特征提取,得到調光控制特征,并結合亮度、照明監測等環境數據進行融合分析,根據模型分析結果對隧道各照明段的亮度、色溫進行調控,既滿足節能減排目的,又避免出現“白洞效應”和“黑洞效應”,達到“車來燈亮、車走燈暗”的照明效果,實現能源高效利用。

使用CO/VI檢測器、二氧化氮檢測器、火災報警探測器感知隧道環境狀況,并與風機聯動控制。在系統配置通風策略,包括風機控制類型(正轉、反轉和停止)、自動觸發閾值、運行數量、風速、策略持續時間(固定時間或低于閾值自動停止)等,當檢測值超過系統設定閾值時,自動執行通風策略,保證隧道運營正常的同時達到低碳節能目的,實現精準化管理。

3.7 隧道設備數據查詢及統計分析

隧道設備數據查詢包括設備實時狀態、隧道報警、操作記錄、設備故障、設備檢測值等內容。統計分析包括對設備故障的統計分析和對設備報警的統計分析。系統支持使用所屬路段、所屬隧道、設備種類、時間、設備狀態、設備名稱和設備樁號等各類條件組合查詢,并以圖表的形式展示統計結果,幫助高速公路管理者掌握隧道運行狀況,提高決策支持的科學性。

4 技術特點

4.1 雷視融合技術

視頻監控在隧道中充當交通傳感的主力,但容易受到天氣、光照等因素影響,在雨天、夜晚等場景下表現欠佳、定位精度不高,出現大量的誤報、漏報。毫米波雷達能夠準確地檢測目標的位置、速度等信息并且不受天氣環境因素的干擾,覆蓋范圍大,但橫向精度較低,無法精確區分目標類型。雷視融合技術正是充分結合視頻AI技術與毫米波雷達技術的優勢,對原始視頻流進行AI目標提取并投影到雷達坐標系中,揚長避短將兩者數據多維度深度融合,結合算法能力,獲取每一輛車精準的位置信息和實時矢量化數據,實現全天候、高精度、低成本、大范圍的車輛運行狀況檢測。

4.2 超視距、跨鏡頭車輛跟蹤技術

系統打破視頻監控技術的傳統化模式,利用雷視融合目標軌跡跟蹤、數字孿生、軌跡拼接等技術,通過“一張圖”實現駛入隧道內車輛的超視域和跨鏡頭連續跟蹤和展示,讓管理者從全局上感知整個隧道的交通運行情況,及時掌握事件動態。

5 應用

廣西信都至梧州高速公路主線全長74.89 km,于2022-11-30正式通車。全線共包含4座隧道,率先在陽爽隧道應用上述技術,接入高速公路智慧隧道管控系統,包括監測預警、事件處置、事件評估、隧道管理、隧道分析、設備管理等模塊,對隧道內各類設備統一管控,狀態實時監測;感知洞內異常事件并支持聯動應急處置,實現隧道全線的“可感知、可控制、可聯動”,達到提高交通安全與通行能力,增強應急處置能力的社會效益,實現通風節能、照明節能,降低能源費的經濟效益。

6 結語

本文通過研究與設計一套高速公路智慧隧道綜合管控系統,匯聚融合隧道內外各類設備數據,打通數據底盤,應用數字孿生、虛擬現實、AI等技術,解決數據孤島、設備統一管控困難、異常事件發現不及時、應急響應速度慢等問題,實現數據共享互通,設備控制統一與可視化、事件及時響應和快速處置,為廣西隧道安全保駕護航。