朱立 鄧芳明 姚道金

摘要 在信息化時(shí)代環(huán)境下，各種新型技術(shù)在高速公路隧道工程內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，如大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等，為智慧隧道的建設(shè)與發(fā)展創(chuàng)造有利條件，是踐行智慧交通理念的有力證明。對(duì)此，文章運(yùn)用文獻(xiàn)綜述法和系統(tǒng)分析法，圍繞智慧隧道，對(duì)其內(nèi)涵及技術(shù)架構(gòu)加以論述，從智慧感知技術(shù)、智慧管控技術(shù)、智慧養(yǎng)護(hù)技術(shù)三個(gè)方面入手，重點(diǎn)探討智慧隧道建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)。文章意在通過(guò)研究，為相關(guān)人員提供借鑒參考，為智慧隧道建設(shè)及交通強(qiáng)國(guó)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)貢獻(xiàn)自己的一點(diǎn)力量。

關(guān)鍵詞 智慧隧道；體系架構(gòu)；關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào) U495 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）04-0018-03

0 引言

根據(jù)《2021年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》的統(tǒng)計(jì)，截至2021年年底，我國(guó)公路隧道總數(shù)達(dá)到23 268座，總長(zhǎng)達(dá)到24 698 900 m，其中特長(zhǎng)隧道1 599座，7 170 800 m；長(zhǎng)隧道6 211座，10 844 300 m^[1]。如何管理運(yùn)營(yíng)好如此眾多的隧道，保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，已然成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

韓直^[2]等（2000年）較早提出應(yīng)加強(qiáng)對(duì)隧道ITS（Intelligent Transportation System）的研究，但關(guān)注點(diǎn)主要集中在隧道的智能監(jiān)控上；之后的曾盛（2004年）^[3]、王志偉^[4]等（2009年）和王少飛^[5]等（2013年）提出的公路隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成方案并未涉及運(yùn)營(yíng)階段養(yǎng)護(hù)管理的信息化、智能化問(wèn)題；曾磊^[6]等（2016年）首次提出智慧型隧道的概念，定義了智慧隧道的主要技術(shù)架構(gòu)和依賴的技術(shù)手段。新型信息技術(shù)的快速發(fā)展，使得云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)應(yīng)用于公路隧道管理中，通過(guò)智慧感知技術(shù)獲取要素信息，結(jié)合多源數(shù)據(jù)融合構(gòu)建隧道數(shù)字孿生環(huán)境，通過(guò)三維可視化等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)隧道、人、環(huán)境、路和車(chē)的系統(tǒng)管理正逐漸成為業(yè)界的共識(shí)^[7]。

目前智慧隧道概念正快速發(fā)展，該文結(jié)合近年成功的案例，詳細(xì)介紹了運(yùn)營(yíng)期智慧隧道中應(yīng)用到的總體架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)，并探討智慧隧道的應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)。

1 智慧隧道的內(nèi)涵及技術(shù)架構(gòu)

目前，隧道機(jī)電已經(jīng)囊括了照明系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)等諸多子系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，這些系統(tǒng)已經(jīng)逐步完善，每一個(gè)子系統(tǒng)都具備相當(dāng)?shù)男畔⒒?，并?shí)現(xiàn)了一定程度的智能化^[8]。然而，由于各個(gè)系統(tǒng)之間的業(yè)務(wù)隔離，造成了數(shù)據(jù)煙囪情況極為突出，這對(duì)于隧道機(jī)電的整體管理和運(yùn)營(yíng)效率都造成了很大的負(fù)面影響，因此急需實(shí)質(zhì)意義上的數(shù)據(jù)打通，以實(shí)現(xiàn)隧道機(jī)電的高效運(yùn)作。

智慧隧道技術(shù)是利用新一代信息技術(shù)，如物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等來(lái)提升隧道運(yùn)營(yíng)的效率和安全性的一種創(chuàng)新方式。這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)使用先進(jìn)的傳感技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多源數(shù)據(jù)的采集，包括隧道內(nèi)的車(chē)輛、行人的位置和移動(dòng)軌跡，以及隧道周?chē)沫h(huán)境參數(shù)等。然后，利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，可以對(duì)這些多源數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)的交通流量、車(chē)速、行車(chē)安全等方面的全面管控，提高隧道通行能力和安全性。同時(shí)，智慧隧道技術(shù)還可以通過(guò)對(duì)隧道內(nèi)的設(shè)備和照明系統(tǒng)進(jìn)行智能化控制，有效控制隧道能耗，降低隧道全生命周期運(yùn)營(yíng)管理成本，從而實(shí)現(xiàn)隧道的高效運(yùn)營(yíng)和管理^[9]。

2 智慧隧道的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 智慧感知技術(shù)

利用雷視融合、AI學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)的核心技術(shù)，可以更加精準(zhǔn)地感知到隧道內(nèi)的交通流和異常事件，從而更加有效地處理這些事件，實(shí)現(xiàn)隧道交通的安全性和可靠性。而基于視頻的AI識(shí)別，可以實(shí)現(xiàn)交通流檢測(cè)和異常事件的檢測(cè)，形成了最具性價(jià)比的解決方案。另外，結(jié)合激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等新型裝備，可以進(jìn)一步提升遠(yuǎn)端小目標(biāo)識(shí)別和跟蹤效果，以及車(chē)輛遮擋情況下的處理效果，從而更加高效地保障隧道內(nèi)的交通安全。

2.1.1 毫米波雷達(dá)

毫米波雷達(dá)在隧道內(nèi)工作時(shí)，因其出色的抗干擾性能，能夠很好地感知車(chē)輛通行所造成的振動(dòng)、煙塵、油煙和黑白洞現(xiàn)象，即使在惡劣的隧道環(huán)境中也能保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)高精度的雷達(dá)檢測(cè)和定位，可以大幅提高隧道的通行效率和安全性，并且該設(shè)備的故障率極低，維護(hù)成本也相對(duì)較低，因此在隧道內(nèi)的應(yīng)用潛力巨大。相對(duì)于目前市場(chǎng)上的其他感知設(shè)備，如攝像頭、激光雷達(dá)等，毫米波雷達(dá)在數(shù)字化、感知精度、感知顆粒度方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，不僅能夠滿足隧道內(nèi)的各類(lèi)感知需求，還能以較低的綜合造價(jià)實(shí)現(xiàn)高精度的雷達(dá)檢測(cè)和定位，是目前性價(jià)比最高的隧道感知設(shè)備之一^[10]。

2.1.2 AI卡口

使用高清AI卡口抓拍相機(jī)可以有效地對(duì)過(guò)往的車(chē)輛進(jìn)行整車(chē)特征分析，從而識(shí)別出其中的?；奋?chē)輛、大客車(chē)以及普通車(chē)輛，進(jìn)而對(duì)每一輛車(chē)進(jìn)行分類(lèi)，這無(wú)疑提高了抓拍和識(shí)別精度，為后續(xù)的車(chē)輛通行規(guī)律統(tǒng)計(jì)提供了有力的支持。該高清AI卡口相機(jī)還可以與綜合監(jiān)控平臺(tái)相連接，使得對(duì)進(jìn)入隧道的車(chē)輛抓拍和分析更為精準(zhǔn)。通過(guò)對(duì)隧道內(nèi)客貨車(chē)的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理和分析，可以關(guān)注到隧道內(nèi)的總體客貨比例變化，以及車(chē)輛密度的變化情況，對(duì)車(chē)輛類(lèi)型、車(chē)輛歸屬地以及出行時(shí)間分布等進(jìn)行深入的分析和總結(jié)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決可能存在的問(wèn)題。此外，結(jié)合定點(diǎn)測(cè)速以及區(qū)間測(cè)速功能，可以根據(jù)車(chē)輛實(shí)際的行駛里程，計(jì)算每一輛車(chē)的行駛速度，并對(duì)車(chē)速異常的車(chē)輛在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行警告展示，這可以幫助提前發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)的異常情況，避免可能出現(xiàn)的交通事故，為隧道內(nèi)的行車(chē)安全提供了有力的保障^[11]。

2.1.3 視頻事件檢測(cè)

AI視頻事件識(shí)別功能可以對(duì)進(jìn)入隧道的車(chē)輛進(jìn)行實(shí)時(shí)的視頻識(shí)別，一旦檢測(cè)到車(chē)輛出現(xiàn)違停、超速、逆行、氣體泄漏、拋灑物體、起火等危險(xiǎn)行為時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)發(fā)出告警，通知相關(guān)的工作人員采取必要的處置措施。在得到確認(rèn)后，系統(tǒng)將會(huì)在PC端、監(jiān)控中心大屏端、移動(dòng)端等多個(gè)平臺(tái)同步顯示并同步處理，確保事件的及時(shí)、有效處理，最大程度減少事故的發(fā)生。在這個(gè)過(guò)程中，AI視頻事件識(shí)別功能可以同時(shí)檢測(cè)和識(shí)別車(chē)輛逆行、車(chē)輛停止、拋灑物、違規(guī)行人、路障等多種事件，還可以進(jìn)行車(chē)流量統(tǒng)計(jì)、煙霧檢測(cè)、車(chē)輛信息識(shí)別、交通參數(shù)檢測(cè)等多項(xiàng)功能，以便更好地輔助相關(guān)工作人員進(jìn)行事件的判斷和處理^[12]。

2.1.4 智慧隧道應(yīng)急預(yù)警

隧道是一種特殊的建筑結(jié)構(gòu)，具有封閉、狹窄、陰暗等特點(diǎn)，因此在發(fā)生火災(zāi)等緊急情況時(shí)，需要及時(shí)采取有效的措施，保障人員和財(cái)產(chǎn)的安全。然而，即使通過(guò)情報(bào)板或者交通信號(hào)燈進(jìn)行提示，仍然有一些車(chē)輛不遵守交通規(guī)則，進(jìn)入隧道，從而加劇了事故的嚴(yán)重性。為了應(yīng)對(duì)這種情況，平臺(tái)應(yīng)用應(yīng)急預(yù)案和管控技術(shù)，根據(jù)應(yīng)急聯(lián)動(dòng)預(yù)案，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析研判，采用智慧化手段，可以在第一時(shí)間自動(dòng)判斷并反饋隧道內(nèi)事故狀態(tài)，通過(guò)多種方式提醒駕乘人員并進(jìn)行交通管制，以避免或減輕事故損失，降低二次事故風(fēng)險(xiǎn)。云控平臺(tái)可以通過(guò)各種傳感器、攝像頭等設(shè)備，獲取隧道內(nèi)的實(shí)時(shí)信息，從而確定事故的具體情況，然后通過(guò)無(wú)線傳輸、互聯(lián)網(wǎng)等手段，將信息發(fā)送至隧道外預(yù)警系統(tǒng)設(shè)備，進(jìn)行聯(lián)動(dòng)預(yù)警，讓隧道口的加強(qiáng)警示系統(tǒng)及多級(jí)聯(lián)動(dòng)預(yù)警發(fā)布系統(tǒng)發(fā)揮作用，使隱患事故車(chē)輛和危險(xiǎn)車(chē)輛停在洞外，從而保障隧道內(nèi)人員和財(cái)產(chǎn)的安全^[13]。

2.1.5 北斗增強(qiáng)技術(shù)

借鑒室外衛(wèi)星導(dǎo)航高精度定位技術(shù)，基于偽距差分原理和基于載波相位差分原理兩種實(shí)現(xiàn)方式，來(lái)提高北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的定位精度和準(zhǔn)確性。其中，基于偽距差分原理的定位方式是一種實(shí)時(shí)處理技術(shù)，而基于載波相位差分原理的定位方式則是一種事后處理技術(shù)。至于基于短基線解算原理的定位方式，主要用于對(duì)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行修正和處理，以提高定位精度和準(zhǔn)確性。

2.1.6 4G/5G無(wú)線通信及定位

根據(jù)隧道施工的工程要求和工作難點(diǎn)，通過(guò)建設(shè)隧道4G/5G無(wú)線通信及定位系統(tǒng)，利用無(wú)線調(diào)度、有線調(diào)度、安全監(jiān)控、視頻回傳、機(jī)車(chē)控制等系統(tǒng)進(jìn)行深度融合，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一監(jiān)控、智能聯(lián)動(dòng)，確保隧道施工過(guò)程的高效、安全、穩(wěn)定和高效。同時(shí)，采用遠(yuǎn)程維護(hù)管理，將技術(shù)專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)和技能及時(shí)傳遞到現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)時(shí)解決現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題，保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行和維護(hù)，最終構(gòu)建成一套智慧隧道的應(yīng)用系統(tǒng)，充分發(fā)揮科技的力量，為隧道施工提供更高質(zhì)量、更高效、更安全的解決方案^[14]。

2.2 智慧管控技術(shù)

由于使用基于鴻蒙操作系統(tǒng)的智能終端，可以對(duì)傳統(tǒng)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)機(jī)電設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)。這一功能的實(shí)現(xiàn)可以幫助隧道管理人員實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障并采取有效措施，避免因設(shè)備故障導(dǎo)致的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。在鴻蒙操作系統(tǒng)的支持下，基于聯(lián)動(dòng)控制策略，系統(tǒng)可以對(duì)感知的事件進(jìn)行決策輔助。例如，當(dāng)發(fā)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)向管理人員發(fā)送警報(bào)，同時(shí)給出故障原因和解決建議，方便管理人員一鍵啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備故障的快速處理。這種決策輔助功能可以大幅提高隧道管理效率，減少因設(shè)備故障導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間，保障隧道運(yùn)行的安全、穩(wěn)定和高效。

2.2.1 精準(zhǔn)管控

在隧道內(nèi)設(shè)置車(chē)牌識(shí)別+雷視一體機(jī)作為數(shù)字孿生前端硬件設(shè)施，可以建立起一個(gè)全面的數(shù)字孿生系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道的全場(chǎng)景、全過(guò)程、全要素的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析和預(yù)警，從而提高隧道交通安全水平。雷視一體機(jī)在大霧、煙塵、低照度的情況下也能準(zhǔn)確識(shí)別動(dòng)態(tài)物體，保障隧道內(nèi)行車(chē)安全。雷達(dá)可以有效彌補(bǔ)視頻監(jiān)控的不足，進(jìn)一步加強(qiáng)隧道交通管理，并提高對(duì)交通事故的應(yīng)急處置能力。在尾氣、金屬顆粒等影響毫米波雷達(dá)識(shí)別精度的情況下，視頻監(jiān)控仍可以持續(xù)工作，全方位保障隧道交通安全。綜合應(yīng)用這些技術(shù)可以更好地發(fā)揮交通環(huán)境監(jiān)測(cè)的作用，進(jìn)一步保障隧道交通安全，提高道路通行效率。在這個(gè)平臺(tái)上，管理人員可以對(duì)隧道群的運(yùn)行狀況、異常事件、重點(diǎn)監(jiān)控車(chē)輛、聯(lián)動(dòng)救援等進(jìn)行可視化管控，同時(shí)利用前端感知設(shè)備與后端數(shù)字孿生進(jìn)行擬合，實(shí)現(xiàn)隧道車(chē)輛的實(shí)時(shí)狀態(tài)展示、隧道內(nèi)異常事件展示、輔助聯(lián)動(dòng)救援等功能，進(jìn)一步提高了隧道交通管理的效率和安全性^[15]。

2.2.2 邊緣計(jì)算

邊緣計(jì)算與控制（邊端），其中主要包括區(qū)域控制單元和邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)兩個(gè)組成部分。通過(guò)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，可以匯總隧道內(nèi)多個(gè)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的信息，并將這些信息傳輸?shù)饺斯ぶ悄芎痛髷?shù)據(jù)業(yè)務(wù)后臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)交通狀況的全面感知和智能化調(diào)控。在具體的操作過(guò)程中，邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)不僅可以實(shí)現(xiàn)邊邊協(xié)同，還可以實(shí)現(xiàn)邊云協(xié)調(diào)，快速在不同邊緣節(jié)點(diǎn)之間作狀態(tài)信息同步，從而保證用戶業(yè)務(wù)在邊緣節(jié)點(diǎn)切換過(guò)程中的連續(xù)性和穩(wěn)定性，避免對(duì)用戶業(yè)務(wù)產(chǎn)生不良影響。另外，區(qū)域控制單元是另一個(gè)重要的組成部分，其主要職責(zé)是負(fù)責(zé)隧道內(nèi)大部分機(jī)電設(shè)備的信息收集、預(yù)處理和監(jiān)視控制功能，從而確保隧道內(nèi)各項(xiàng)設(shè)施能夠正常運(yùn)行，為車(chē)輛的順利通行提供保障^[16]。

3 結(jié)語(yǔ)

在《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》《數(shù)字交通“十四五”發(fā)展規(guī)劃》《加快建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)五年行動(dòng)計(jì)劃（2023—2027年）》等一系列政策的指導(dǎo)下，我國(guó)已經(jīng)開(kāi)始積極推進(jìn)交通基礎(chǔ)設(shè)施的智能化建設(shè)。智慧隧道是在新一代信息技術(shù)環(huán)境下對(duì)傳統(tǒng)隧道交通工程的全新演繹，是未來(lái)隧道運(yùn)營(yíng)管理新的發(fā)展趨勢(shì)。它可以提高隧道的運(yùn)行效率，降低運(yùn)營(yíng)成本，提升用戶體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)交通雙碳目標(biāo)，為社會(huì)帶來(lái)更多的福祉。應(yīng)該積極推進(jìn)智慧隧道的建設(shè)，為實(shí)現(xiàn)交通強(qiáng)國(guó)的目標(biāo)作出貢獻(xiàn)。

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收稿日期：2023-11-27

作者簡(jiǎn)介：朱立（1984—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：交通信息化。