高速公路智慧隧道综合管控系统研究

兰 良

(广西交科集团有限公司,广西 南宁 530007)

0 引言

由于广西西部、北部和东部主要为山地和丘陵地形,山地起伏较大,山地占广西总面积的40%左右,因此高速公路中隧道占比较高。而作为高速公路特殊路段的隧道是事故多发地带,其特点是光线较暗、环境单一、密闭狭窄、视觉参照物缺乏。隧道机电设备种类多,包含红绿灯、车道指示器、通风、照明、消防、摄像机等几十种设备,同种设备可能还来自不同厂家,存在接口、协议不统一等突出问题,系统各自独立且未形成实时联动,难以支撑设备之间的智能联动调控。一旦发生危化品车辆泄露、车辆碰撞等事故,由于应急预案难以实施、应急救援响应时间过长,容易造成二次事故发生。在隧道建设规模不断扩大的情况下,加快推进隧道智能化改造刻不容缓。本文响应国家《“十四五”现代综合交通运输体系发展规划》号召,利用多元感知、数据融合、云计算、AI、数字孪生等技术,研究设计一套高速公路智慧隧道综合管控系统,实现隧道内通行车辆全域感知、交通机电设备可视化管控、异常事件快速联动处置。

1 隧道信息化建设现状与问题

隧道具有光线暗、空间狭长、结构封闭等特点,为事故多发区,是高速公路运营管理的关键风险点。现阶段存在的主要问题有:

(1)广西隧道的信息化建设中,通常已经包含了通风、调光、视频监控、电力控制、紧急电话、情报板等管理系统,但各子系统分散部署,集成度低(界面集成)。由于各设备的协议、接口及编码方式不统一,对数据开发利用不足等原因,导致在运营管理过程中积累的大量交通、环境、设备数据不能互联互通,形成多个“数据孤岛”。仅能从单一维度对数据进行分析生成统计报表,没有真正打通数据“壁垒”,实现数据互通联动与多维度的分析,难以支撑设备智慧调控,为用户提供高效决策支持[1]。

(2)隧道机电设备数量众多、种类复杂,厂家各不相同,机电设备状态不稳定,可用性无法保证,经常出现通信中断或控制失败的情况。运维人员无法及时掌握隧道内设备运行状况从而导致故障发现和处理不及时。

(3)隧道内为密闭空间、光线暗,环境变化难以及时有效地感知。

(4)隧道运营过程中,通风和照明能耗高,风机、照明设备的使用情况与实际车流量、内环境情况不匹配。

(5)隧道内事件检测手段单一,虽然部分隧道已经提供视频事件检测功能,但误报率高,需要人工二次确认。

2 系统架构

本系统旨在构建一套集监测、管控、告警、应急、决策为一体的管理平台,实现设备可视可测可控、车辆驾驶行为可跟踪,应急处置流程化目标。总体架构[2]如图1所示。

图1 系统总体架构图

感知层:由各种视频设备、环境设备、交通检测设备、电力消防设备构建成多源感知体系,实现对隧道环境、设备状态、交通流量、异常事件等数据的实时采集与动态感知。

网络层:通过光纤、视频专网、紧急电话专网、VPN专网等提供数据传输通道。

数据层:采用统一协议的数据交换平台,实现各系统的设备数据采集、清洗、存储、交换和共享,解决隧道内设备种类、数量多,协议、接口及编码方式不统一的问题。

支撑层:主要实现对系统应用层的支持,包括数字孪生、AI数据分析、GIS、工作流引擎、统一用户管理、消息中间件、日志服务等。

应用层:包括设备智能管控、车辆日常监控、报警管理、应急处置、隧道基础信息管理、预案管理、决策支持等功能模块。

角色层:根据角色分配菜单权限、按钮权限、设施设备权限和事件处置、应急保障权限,如公司领导、客服、运维、监控、路政、医疗等角色。

3 系统功能

3.1 隧道设备智能管控

为解决各机电系统之间相互独立、联动不足、集成度不高等问题,本系统打通隧道内各系统之间的数据“壁垒”,整合监控、照明、通风、消防、电力等系统的数据资源,对隧道设备进行统一管理。通过二维/三维场景直观展示隧道各类设备状态、位置分布、监测值、设备编号、IP,帮助监控和调度人员随时掌握和监控隧道设备工作状态、车流量、环境指数。可根据需求按设备种类进行图标的隐藏/显示,突出监控重点。同时支持遥控设备,隧道机电设备控制模式分为就地模式和远程模式,当控制模式为就地模式时,仅支持现场操作设备;当控制模式调整为远程模式时,可实现设备的全时段、全功能操作。包括:风机正转/反转控制;车道指示器开关、信号变换;情报板群发/单发;卷帘门全开/半开/关闭控制;消防水渠抽水控制;灯具开关、亮度条件等操作。使用设备策略和预案功能可批量控制各类设备,提高工作效率。

3.2 隧道车辆日常监控

系统通过实时采集隧道内外布设的感知设备数据,如毫米波雷达、高清卡口、高清摄像机、车检器等,进行多数据多空间的同步融合分析,结合车道级的高精地图把隧道的真实场景1∶1还原到数字孪生画面中,对隧道内车辆进行全过程的跟踪定位。支持对单车、多车并行、车队实施连续跟踪监控。可通过三维可视化的方式展示车辆行驶状况,点击车辆时,在页面展示车辆的详细信息,包括车牌号、实时车速、所在位置、外观尺寸、品牌等。在二维场景下,用户锁定跟踪目标后,地图跟随车辆进行移动,始终保持车辆在地图中心,并实时加载播放车辆经过的摄像机和即将经过的摄像机视频,全程跟踪监测车辆行驶状况。

3.3 报警管理

报警管理分为三大类:事件报警、设备报警、系统报警。当系统监测到任何报警时,页面会自动弹出报警弹窗,同时语音播报报警信息。点击报警弹窗,可查看报警详情并支持快速处置,实现隧道内异常风险事件的全天候实时监测和自动报警。

3.3.1 事件报警

系统结合高精度AI算法,可自动检测隧道违停、拥堵、逆行、超速行驶、慢速行驶、连续变道、紧急停车带停车、压线、加塞、违规行人、非机动车、抛洒物、路障、烟火等多种异常事件,可根据用户实际需求配置多个预置位、自动识别检测区域,当车辆行驶至标定区域时,主动监测其驾驶行为。当检测到危险驾驶、安全隐患事件时,自动弹窗并语音报警,显示报警详情、抓拍图片和抓拍视频等全过程证据,同时支持查看报警摄像机的直播视频。识别准确率经过大量的机器学习和模型训练可达到 94%。

3.3.2 设备报警

可在系统选择需要报警的设备并配置该类设备的报警阈值、报警频率等。当某一设备发生或检测到异常时触发报警,系统自动弹出报警信息,与设备桩号2 km范围内的摄像机关联,使管理者第一时间知晓现场情况。支持快速处置报警,一键升级为事件。若设备出现故障,可使用微信小程序给运维人员派单。

3.3.3 系统报警

系统各功能模块报警信息,如OSS连接失败、录像截取获取失败、厂家录像请求失败时生成报警信息,让维护人员及时发现并解决问题,确保系统稳定运行。

3.4 隧道智能巡检

在隧道侧壁滑轨道上挂载智能巡检机器人,借助搭载巡检机器人身上的雷达、可见光、红外光摄像头、环境监测等设备,应用视频识别算法,全天候自动巡检隧道事件、行人、抛洒物、烟雾以及机电设备等情况。当突发异常时联动系统生成报警消息,必要时可使用扬声器进行声光预警疏导救援,指引车辆安全通行,避免二次事故发生。

3.5 应急联动管理

根据“一事件一预案”原则,用户可在预案管理模块预先录入预案基本信息(预案名称、类型、事件类型、适用隧道、预案介绍)、适用等级、预案启动/解除人员、执行步骤、应急小组、应急资源、联动设备等。当发生突发事件时,系统根据事件类型、等级匹配预案,预案启动人员可一键启动预案,通知应急人员,遥控机电设备。如情报板发布预置的交通诱导节目单、车道指示器变为红叉、打开风机、调节照明亮度、事件桩号附件的视频上大屏等。同时支持通知系统外部人员实施救援和交通管控措施,如交警、医疗、消防、路政。形成“报警—事件—处置—完结—总结”的闭环管控。

3.6 低碳节能

众所周知,隧道的通风和照明耗电量大,是隧道运营管理费的主要体现,也是实现节能减排、低碳运营的关键。本系统通过使用布设在隧道内的毫米波雷达,采集各检测区域的车流量、车速等数据,输入全连接神经网络进行特征提取,得到调光控制特征,并结合亮度、照明监测等环境数据进行融合分析,根据模型分析结果对隧道各照明段的亮度、色温进行调控,既满足节能减排目的,又避免出现“白洞效应”和“黑洞效应”,达到“车来灯亮、车走灯暗”的照明效果,实现能源高效利用。

使用CO/VI检测器、二氧化氮检测器、火灾报警探测器感知隧道环境状况,并与风机联动控制。在系统配置通风策略,包括风机控制类型(正转、反转和停止)、自动触发阈值、运行数量、风速、策略持续时间(固定时间或低于阈值自动停止)等,当检测值超过系统设定阈值时,自动执行通风策略,保证隧道运营正常的同时达到低碳节能目的,实现精准化管理。

3.7 隧道设备数据查询及统计分析

隧道设备数据查询包括设备实时状态、隧道报警、操作记录、设备故障、设备检测值等内容。统计分析包括对设备故障的统计分析和对设备报警的统计分析。系统支持使用所属路段、所属隧道、设备种类、时间、设备状态、设备名称和设备桩号等各类条件组合查询,并以图表的形式展示统计结果,帮助高速公路管理者掌握隧道运行状况,提高决策支持的科学性。

4 技术特点

4.1 雷视融合技术

视频监控在隧道中充当交通传感的主力,但容易受到天气、光照等因素影响,在雨天、夜晚等场景下表现欠佳、定位精度不高,出现大量的误报、漏报。毫米波雷达能够准确地检测目标的位置、速度等信息并且不受天气环境因素的干扰,覆盖范围大,但横向精度较低,无法精确区分目标类型。雷视融合技术正是充分结合视频AI技术与毫米波雷达技术的优势,对原始视频流进行AI目标提取并投影到雷达坐标系中,扬长避短将两者数据多维度深度融合,结合算法能力,获取每一辆车精准的位置信息和实时矢量化数据,实现全天候、高精度、低成本、大范围的车辆运行状况检测。

4.2 超视距、跨镜头车辆跟踪技术

系统打破视频监控技术的传统化模式,利用雷视融合目标轨迹跟踪、数字孪生、轨迹拼接等技术,通过“一张图”实现驶入隧道内车辆的超视域和跨镜头连续跟踪和展示,让管理者从全局上感知整个隧道的交通运行情况,及时掌握事件动态。

5 应用

广西信都至梧州高速公路主线全长74.89 km,于2022-11-30正式通车。全线共包含4座隧道,率先在阳爽隧道应用上述技术,接入高速公路智慧隧道管控系统,包括监测预警、事件处置、事件评估、隧道管理、隧道分析、设备管理等模块,对隧道内各类设备统一管控,状态实时监测;感知洞内异常事件并支持联动应急处置,实现隧道全线的“可感知、可控制、可联动”,达到提高交通安全与通行能力,增强应急处置能力的社会效益,实现通风节能、照明节能,降低能源费的经济效益。

6 结语

本文通过研究与设计一套高速公路智慧隧道综合管控系统,汇聚融合隧道内外各类设备数据,打通数据底盘,应用数字孪生、虚拟现实、AI等技术,解决数据孤岛、设备统一管控困难、异常事件发现不及时、应急响应速度慢等问题,实现数据共享互通,设备控制统一与可视化、事件及时响应和快速处置,为广西隧道安全保驾护航。