高速公路隧道交通运行状态全面感知技术的应用研究

林奕俊

（广东华路交通科技有限公司，广东 广州 510080）

0 引言

随着我国经济快速发展，城市间交通需求持续增加，高速公路交通网络承受运输压力与日俱增。高速公路交通拥堵导致出行效率降低，引发交通环境问题，由于私家车使用比例提高，导致道路交通碳排放量逐年升高，提升高速公路运行效率是亟待解决的问题。当前，我国高速公路基础设施网络规模过渡到基本匹配状态，智能交通系统的出现可以有效缓解交通拥堵问题，通过深化发展智慧交通能充分发挥现有道路效能。隧道因其建设运营成本高等问题受到各级交管部门的高度关注，隧道运行关系到高速公路运营效益，要研究利用智能交通系统监测高速公路隧道交通运行状态，保证隧道交通的高效通行。

1 高速公路隧道交通运行状态感知技术

随着我国经济社会的持续发展，高速公路建设也得到跨越式发展。我国中西部地区与山地丘陵为主，隧道作为减少出行里程的交通设施取得长足发展。但由于隧道结构地理条件的特殊性，导致隧道内发生交通拥堵事故的概率很高，如何协助及时准确作出管理决策日益受到重视。交通运行状态研究是ITS 的重要部分，利用信息技术可以及时处理交通问题，隧道交通状态判别能提高决策的有效性。

1.1 高速公路隧道交通运行特点

公路隧道环境具有很强的特殊性，主要体现在光照变化与空气质量方面。由于隧道结构狭长封闭，导致车辆尾气不容易及时消散排出，隧道内积累高浓度CO 等有毒气体。高速公路隧道半封闭环境出入口光线强度变化较大，驾驶人经历视觉明暗适应变化，隧道出口与外界亮度差异形成白洞效应，驶出隧道出现较强眩光。隧道内发生交通事故时救援难度较大，为保证车辆安全通过，隧道内禁止变道超车并要求低速行驶。

车辆不同类型是造成速度差异的直接原因。车辆类型多速度差别大，导致交通流紊乱，增加驾驶员超车需求。高速公路路段交通状态应根据平均行程车速判断，交通运行表征客观状态可通过交通流参数变化定量描述，不同人对交通状态心理容忍度不同，道路管理者与使用者最关注交通是否拥挤。世界各国主要根据使用者需求判别交通状态。美国HCM 定义服务水平为交通流运行状况质量指标规定不同等级服务水平对应密度。实际应用中交通流密度难以直接采集，通常采用其他参数代替密度。我国交通运输部颁布公路网运行监测技术要求按速度划分交通状态，用不同颜色代表拥挤程度。规定速度为路段中不同断面平均车速平均值。国内外对高速公路交通状态划分标准主要基于国情制定。

1.2 公路交通智能感知技术

公路交通智能感知是交通信息获取的基础，指信息感知主体根据需求大规模获取复杂交通事物外在表征过程，核心技术包括信息传输及感知数据处理分析，建立交通传感器网络是实现信息感知的关键。公路交通系统是确保社会生产有序发展的基础，随着城市规模的扩大，建立高效便捷的交通系统成为城市发展的迫切需求。公路交通系统空间分为市内与城际交通，根据空间分为固定设施与移动设备。为确保交通可持续发展，需要建立交通智能管理系统掌握运行状态。

公路隧道交通智能管理系统基础是交通智能感知网络。传统交通领域研究中交通信息指为出行者提供辅助交通相关参数，交通系统是复杂的巨大系统，常用交通信息包括基础设施服役信息、交通事件信息等。目前开发感知技术建立系统，根据感知对象特性分为基础设施与车载感知系统等。随着传感器网络的发展，交通信息感知网络化发展得到技术支持。传感器网络是在通信技术发展下由通信能力等节点构成，可自主完成任务的指南异构分布式网络感知系统。由于传感器节点制造成本降低，因此传感器网络技术得到深入研究。美国交通部提出智能交通系统项目将传感器技术，信息技术等结合运用于城市交通大规模感知管理。利用泛在传感器网络监控交通运输系统运行状态，向驾驶员推荐最优行驶路线。传感器网络包括有线与无线混合网络，无线传感器网络布设便捷性具有优势，需要合理研究各种架构的传感器网络性能特点，针对高速公路隧道交通运行特点选择合理的传感器网络架构。

2 高速公路隧道交通运营管理现状

我国高速公路规划构建纵贯南北覆盖全国的高速公路网，与农村干线公路网构成基础设施网络。可以通过高速公路出省通道与周围省快速相通，实现省会到地级市高速公路直接连通。山区特殊地理环境使高速公路建设呈现明显特征，山岭重丘高速公路道路线形复杂，山区地形地貌特征造就桥隧比例大特点，建设管理难度大，地势呈东北斜向西南平行四边形，高速公路管理线长点多，隧道运营环境复杂。

2.1 公路隧道运营管理中的问题

随着路网建设延伸，大量立交桥隧加大高速公路运营管理难度。随着公路隧道工程技术的发展，隧道运营安全问题日益突出。目前高速公路隧道运营管理在设施建设、设备联动与运行管理等方面存在很多问题。公路隧道运营管理安全设施分为机电及紧急安全逃生设施等，高速公路隧道监控设施分为ABCD四个等级，监控设备包括环境交通与火灾警报及紧急求救设备等，建设单位通常建设标准满足设计规范，由于建设运营管理制度割裂，导致系统功能不完善。隧道恶劣环境条件造成设备故障率高维护成本大。隧道内供配电通风照明监控系统等处于分立状态，监控系统联网联控成为主要发展方向，但由于机电监控信息系统业务特征等因素，各专业系统单独运行。监控系统联动策略与设备技术参数及交通运行情况等多种复杂因素相关，难以制定统一固定的应急预案；设备控制发布流程不匹配，隧道发生交通事故等事件缺乏系统联动体系，影响应急处置与紧急救援效率。高速公路隧道投运后以人工管理为主，在特殊运营车辆通行等管控中投入大量人力资源，由于长大隧道特殊构造，通信运营商覆盖信号有限，导致隧道运营中特殊车辆运行监控存在盲区。

2.2 高速公路隧道运营安全管理问题分析

高速公路隧道运营管理工作位置偏远，工作环境恶劣等问题制约高级管理人才引进，管理人员技能不足制约隧道运营工作。高速公路隧道运营中面临较高的安全风险，隧道运营安全影响因素包括人车环境与管理方面，使得隧道安全事故处置更加复杂。根据隧道安全运营管理因素等方面分析，隧道安全运输是系统工程，需要从多方面入手解决安全运营管理问题，全面感知隧道交通运行状态，协调控制隧道相关路网是避免事故发生提高应急处置效率的关键手段。

国内各地高速公路运营管理单位在路网协同控制等方面进行大量探索，目前我国高速公路隧道安全运营管理仍处于发展阶段，现有安全管理水平不能满足服务需求，主要存在隧道恶劣环境条件导致机电设备故障率高，系统发生故障后难以及时修复；技术管理人员能力水平有待提高，工作生活条件不便使得高级隧道管理人才缺位，制约技术设施系统功能的发挥；隧道机电附属设施系统复杂庞大，功能应用不够系统效能低。系统化设计与实际运营需求脱节导致无法发挥功能效用；隧道控制系统应用效果差，机电设施存在通风照明控制策略关联性不强等现象；隧道交通运营状况监测依赖于闭路电视监视，不能进行车辆状态自动判别，无法减少安全事故的发生。

3 高速公路隧道交通运行状态感知技术应用

隧道安全运营管理问题需要从多方面入手，关键是依据交通运营状态监测情况协调相关路网，避免事故的发生扩大。公路隧道安全管理是复杂系统的工程，涉及各种型号设备等多方面因素，有效的运营管理对防止隧道事故扩大具有重要作用。目前国内常用的交通信息监测技术包括红外数字视频、超声波检测等，其中红外数字视频检测技术的检测精度易受到沙尘等外界环境影响，因此交通事件监测迫切需要全天候构筑智能运行技术。

3.1 公路隧道交通运行状态感知网络构架

随着世界各国城市化进程加快，人口数量急剧增加，城市交通设施矛盾日益突出，机动车保有量飞速增加，城市交通负荷加大产生拥堵等问题对可持续发展带来严重影响，有效利用交通资源科学调度需要提供交通监管决策支持系统，交通传感器网络是实现信息获取传输的关键。可以针对不同感知对象选择感知模型结构将感知信息融合。交通信息感知是信息感知主体将感知对象敏感特征转化为内部信息的过程，是借助传感器采集信息获取的过程，具有真实准确与实时性特点。

公路隧道交通系统全方面感知是复杂的过程，对交通系统全面多元化感知需要引入智能感知概念。交通智能感知是对环境变化积极反应的感知过程，可以随环境变化而进行调整。智能感知使用传感器具有自适应调整能力。交通智能感知具有网络化关联性与适应性特征，是信息获取过程，是人类交通信息感知活动中积累知识经验的实际体现，能体现智能感知的相关特性。交通感知传感器网络是系统具体体现形式，主要功能是利用经济方式对隧道交通组成元素状态进行感知。如何根据不同对象选择合理的感知方式，通过构建有效传感器网络信息传输是交通感知网络实现功能的关键。公路隧道交通系统是基础设施与交通运输参与人员组成的复杂系统，各元素具有相互关联特性。

3.2 公路隧道交通运行状态全面感知技术

山西晋阳高速在其牛王山隧道将雷达精准感知技术应用于隧道运行安全状态监测取得良好效果。基于视频微波的检测技术应用普遍，雷达交通事件自动检测系统由雷达传感器装置、以太网交换机等构成。系统硬件包括雷达传感器、专用处理服务器等。雷达传感器通过以太网交换机汇聚与雷达专用处理器构成局域网，雷达专用处理服务器对原始数据进行分析。隧道管理站设置工作站实现监测结果显示，接收服务器输出事件报警实现管理。表1为系统运行情况统计。

表1 系统运行情况统计

项目中结合隧道外场设施与管理站信息系统情况，将毫米雷达波组成稳定系统。系统工程包括视频监控集成联动、隧道运行状态监测、隧道运行智能预警等。通过雷达对隧道交通运行环境进行扫描，全天候持续监测隧道交通流运行状态，实现车辆超速行人动物等异常交通时间精准监测，实时采集交通数据信息动态监视运行状态。系统检测功能与摄像机联动，根据事件发生位置调用最近监控摄像机指向发生位置，方便及时查看确认现场情况，使管理人员快速及时应急处置。系统监测异常事件及时收到报警信息系，根据事件紧急度智能分析研判，形成预警信息发布到道路可变信息标志。系统自动记录近3 个月异常事件发生的实时相关数据、业务日志及历史交通事件轨迹。投入使用后系统运行稳定，雷达事件检测系统应用实现基础交通路况智能化监控，有效降低交通事故率。

4 结语

随着社会经济的发展，高速公路隧道工程建设趋于规范化，隧道运营管理中借助信息技术，探索安全运营管理对提高公路运营效率具有重要意义。交通智能感知系统是涉及交通工程、电子嵌入式技术等多方面的复杂系统，推进交通系统科学化发展，需要多学科相互配合。毫米波雷达事件监测应用为隧道运营管理提供先进智能技术手段，可以提高社会经济效益。事件检测技术的广泛应用有益于加强路网运行感知能力，提高基础设施建设智能管理水平。