基于热成像技术的山区高速公路隧道车辆超温检测及预警系统设计

肖应红 冯严

摘  要：系统安装在高速公路长隧道入口前，部署红外热能检测设备，用于实时监控过往车辆的车身温度分布。当发现超温车辆时即时通报给隧道管理所及上级单位，并通过与高速公路主线及隧道监控系统联动，调用信息发布设施向司机发布提示信息，引导司乘人员进入服务区或驶离高速及时停车处理，将事故隐患消除在隧道外，从而降低隧道火灾事故发生的概率，为隧道管理提供危险热源的主动探测能力，整体实现主动防护。

关键词：高速公路；红外热成像；超温检测；预警系统

中图分类号：TP277     文献标识码：A   文章编号：2096-4706（2023）14-0152-05

Design of Vehicle Over-Temperature Detection and Early Warning System in Mountain Highway Tunnel Based on Thermal Imaging Technology

XIAO Yinghong， FENG Yan

（Hunan Provincial Communications Planning， Survey & Design Institute Co.， Ltd.， Changsha  410200， China）

Abstract： This system is installed in front of the long tunnel entrance of the expressway， equipped with infrared thermal energy detector， which is used to monitor the real-time temperature distribution of passing vehicles. When the vehicle with over-temperature is found， it will be immediately reported to the tunnel monitoring station and superior management unit. Through linking with the main line of the expressway and the tunnel monitoring system， it invokes the information release facilities to release the prompt information to the driver， and guide the driver to enter service area or get off the expressway to pull up， so as to eliminate a hidden danger outside the tunnel and reduce the probability of the tunnel fire accident. This system provides active detection capability of dangerous heat source for tunnel management， realizing overall active protection.

Keywords： expressway; infrared thermal imaging; over-temperature detection; early warning system

0  引  言

受车辆长时间驾驶、长时间刹车制动、天气高温，或车辆线路、供油系统故障等多种原因影响，高速公路车辆自燃等火灾事故时有发生。当这类事故发生在长/特长隧道内时，火势极易沿隧道纵向快速蔓延，引起严重的交通事故和伤亡。如何在隧道洞外，及时发现超温车辆并进行预警，并通知车辆在进入隧道前采取适当的处置措施，对减少隧道火灾事故的发生及人员伤亡意义重大。

车辆超温超限监测系统可实现高速公路车辆行驶过程中超温隐患的及时预警，加强监控系统对车辆超温以及流量监测能力。本项目通过在隧道两端路段适当位置，安装车辆超温检测设施，综合车身测温、流量统计、车辆识别、信息预警与发布等多种功能，為交通监控和运行管理提供主动预警及干预能力。

1  选址与布局

1.1  路段特征

G60沪昆高速湖南段邵阳至怀化高速公路自通车以来，曾发生过数起车辆自燃事故。为实现对超温车辆的监控和预警处置，本系统在邵怀高速选取一段重点路段开展超温车辆监测系统建设。本次工程将监测点位的选址定在邵怀段鸡公界隧道两侧洞口外，该隧道为东西走向；隧道东侧为雪峰山脉，自雪峰山由东往西驶来车辆，已行驶了一段长约20 km的长下坡路段；隧道洞口西侧也存在数千米的下坡路段。车辆在高速公路上长时间行驶，特别是遇到长大下坡时，伴随着车辆的频繁刹车，刹车装置容易升温过高，进而可能导致车辆自燃。

1.2  选址要点

鸡公界隧道西侧的中方互通路段情况复杂，存在枢纽互通和多座桥梁，为确保系统实施可行性和超温检测效果，应明确该处检测设备和信息发布设备的安装点位。

鸡公界隧道东侧洞口距最近的服务区（安江服务区）约为13 km。由雪峰山隧道自东向西驶来的车辆，要经过一段20 km的平直+缓下坡路段，到达服务区以东路段时，会存在一定的超温积累和风险。考虑到后续还有6 km爬坡和进入鸡公界隧道，安江服务区是最佳的超温检测和停靠区，具备车辆停车休整、降温处理的条件。故该检测点设置在安江服务区前适当位置。

因此，超温检测及预警系统的基本布设思路如下：在鸡公界隧道西侧和东侧约10 km之前设置门架式超温检测门架1和超温检测门架2，同时设置门架式可变情报板，对超温车辆信息进行预警和发布，提示车辆经中方互通驶离高速（对于西侧来车），或进入安江服务区进行查验和降温处置（对于东侧来车）。

1.3  布设方案

鸡公界隧道以西：怀化至邵阳方向（西往东方向）距离鸡公界隧道洞口约10 km为中方互通，在中方互通出口的分流端前约1.5 km设置一套超温检测设施，该处检测设备利用既有的路径识别门架进行安装。检测点后约1 km距离设置一套门架式可变信息标志。在之后中方互通的高速出口0.5 km预告标志牌前后，设置悬臂式静态标志牌，显示文字为“超温车辆，请下高速”，用于引导车辆下匝道驶离高速，进行降温处理或事故检查。设备布设情况如图1所示。

鸡公界隧道以东：邵阳至怀化方向（东往西方向）安江服务区以东约1.6 km处，设置一套超温检测设施。该处检测设备利用既有的交警测速门架进行安装。检测门架后约0.6 km距离设置一套门架式可变信息标志。在随后的安江服务区前约1 km的服务区预告牌附近，于路侧设置一处悬臂式静态标志牌，显示文字为“超温车辆，进服务区”，引导车辆驶入服务区做降温处理。设备布设情况如图2所示。

2  基本原理

超温检测及预警系统以远红外热能成像技术为核心，辅以车牌识别、边缘计算、交通信息发布与诱导、超温检测管理系统软件等相关技术和应用，实现车身温度的主动监测，对异常温度车辆进行识别和智能分析，通过网络数据传输，在后台监控平台及时预警，提醒监控人员对进行重点跟踪；同时联动可变信息标志对超温车辆进行信息发布与诱导，引导车辆进入指定地点进行降温处理。

超温检测采用了远红外测温及热能成像技术，具备精确度高、安装简单、全天候、可热成像等优势，其基于以下基本原理：车辆向外界辐射电磁波，且车身辐射的能量大小及波长的分布，与其表面温度有着密切的关系，高速公路上的车辆超温检测设施正是利用这一原理而实现对超温车辆的非接触式检测。

在本系统中，超温检测设施通过探测到的温度差进行红外成像，并与视频图像进行融合，经过边缘计算单元进行数据分析，测量结果还可以通过成像装置进行信号输出，模拟扫描出物体表面温度的空间分布，经过系统处理，可生成直观的表面热分布相对应的热像图；再通过通信系统传输至后端监控中心的显示屏上进行显示。当被测车辆温度与数据库（超温检测管理系统）中的超温条件符合，则会触发系统的超温预警措施。

3  红外热成像仪波长选型

超温检测的核心设备是高精度红外热成像仪，按检测的红外线波长不同主要可分为两种：基于3～5 μm和8～14 μm两个不同波长的红外线检测。

大气可吸收可见光和近红外线，但是对3～5 μm中红外线和8～14 μm远红外线，大气对其吸收却很低，衰减较小，因而这两个波段被称为红外线的“大气窗口”。3～5 μm波长的红外热成像仪，通常采用制冷型传感器（原件材料一般为碲镉汞（CdxHg1-xTe）、锑化铟（InSb）、铂化硅（PtSi）等，为发挥其最佳性能，需在低温下制冷，增加了系统的复杂性和成本），分辨率较高，多用于军事及测高温领域（1 000 ℃以上），但由于制冷原件成本高，价格也相对较高。8～14 μm波长的红外热成像仪，通常采用非制冷型传感器（原件材料一般为氧化钒、硅掺杂（或多晶硅）），成本相对较低，分辨率也相对低，广泛应用于各工业领域。针对高速公路超温检测的实际要求，以及考虑性价比因素，选用8～14 μm远红外波长段热成像技术进行车辆超温检测。

4  方案设计

高速公路车辆超温检测及预警系统由前端超温检测级边缘计算设施、信息预警联动与发布设施、管理平台（含软件）等构成，对过往车辆进行实时超温监测及预警。系统构成图详如图3所示。

通信系统由工业以太网交换机、光纤收发器和通信光缆等组成，利用高速公路通信专网实现前端检测点与桥隧所的数据通信。

4.1  前端超温检测及边缘计算设施

本次设计针对高速公路上下行两个方向各设置1套检测门架，每个门架上布置前端超温检测及边缘计算设施，由高精度红外热能检测仪、车牌识别摄像机、补光灯、边缘计算服务器等构成，完成过往车辆车身任意点位的温度检测和温度异常车辆的车型识别与车牌抓拍。

高精度红外热能检测仪按车道配置，每车道左右对称各设置1套，双向四车道每处门架共设置4套（不含应急车道）。红外热能检测仪用于完成对过往车辆车身任意点位的温度检测。

视频采集设备由专用摄像机和补光灯构成，完成过往车辆的前后图像捕捉、车辆特征识别、视频事件处理以及通行过程的全景视频存储。视频采集设备按车道布置，每处门架设置2套。

边缘计算服务器每处检测门架设置1台。边缘计算服务器可同步控制超温超限检测设备的扫描检测，并通过视频采集设备完成过往车辆的匹配，形成有效的事件、报警信息；同时，可通过协议将系统采集数据及事件、报警信息上传至上级监控平台。前端设施布设如图4所示。

4.2  信息预警联动发布设施

本系统在测温设施后方的匝道前和服务区前的适当位置，设立静态标识牌，提示超温车辆就近停靠的信息，用以引导车辆进入相应车道。信息預警联动发布设施包括动态信息提示设施和静态信息提示设施。

动态信息提示设施为设置在检测设施门架后的门架式可变信息标志，用于告警信息的联动发布，以文字显示车辆号牌及超温提示信息，提示车辆就近驶离高速或驶进服务区。

静态信息提示设施为行车引导的静态标志牌。标志牌设置在互通出口的匝道前和服务区前的适当位置，提示超温车辆就近驶入相应车道。

为加强超温检测点附近的交通监控，本项目拟在检测门架增设一套高清监控摄像机，用于过往车辆的抓拍和录像。监控摄像机通过工业以太网交换机接入监控网络，传输至上级监控系统。

4.3  管理平台

在桥隧所或上级监控中心设置后端管理平台，部署管理平台服务器、超温检测系统管理软件，实现超温自动检测及预警管理、车牌识别和视频事件报警软件的融合监测。超温预警管理系统软件包括：测温采集软件、超温分析及管理软件、数据库管理软件及移动管理软件。此外，超温预警管理软件还需具备与桥隧所监控平台、服务区监控平台对接的能力和接口，实现本项目中车辆数据、预警信息及诱导信息的共享。超温检测管理平台软件配置界面图如图5所示。

5  系统功能

本系统是以主动识别和检测危险热源为目的、以红外热能成像技术为核心，将边缘计算、通信、控制、数字图像等众多相关的新技术有机集成为整套检测预警功能的系统。通过把红外热能扫描仪和高清车牌识别等多维度不同类型的检测信息进行统一规划，实现过往车辆超温自动化监控管理。

主要功能包括：

1）建立流量断面，对断面过往车辆进行前后车牌识别、通行全景视频存储、车身超温检测。

2）综合各系统的数据，对车辆的超温情况自动生成报警信息。

3）向上级监控系统传输报警信息，为隧道管理提供主动探测手段，信息内容包括但不限于：报警类型、车牌识别结果、车身温度分布图像、超温点标识、车辆通行全景视频。

4）利用可变信息标志等多种信息发布方式提示司乘人员及时分流或检修，排除事故隐患后再继续行驶。

5）一旦超温车辆无视警告进入隧道，通过隧道监控系统也可进行视频跟踪，为超温事件形成管理闭环。

6）建议怀化分公司在鸡公界隧道试点超温超限检测系统后，结合该系统的技术特点和相应的联动发布及引导措施，完善本路段主线及隧道超温、超限车辆事故的应急处置措施和监控运营管理制度。

超温检测管理平台超温车辆抓拍及数据记录界面如图6所示。

6  结  论

本系统利用高精度红外热能检测、车牌识别、信息预警及發布等手段，可实现高速公路超温车辆的自动化监管，减少车辆在运输状态下的安全隐患，降低隧道内火灾事故的发生，避免造成巨大的人员伤亡和经济损失，紧密契合了当下智慧高速、平安高速的建设理念。同时，受制于路段现状和建设成本，本系统在信息发布方面暂未考虑广播这一形式的信息发布，也未设置雷达对异常车辆进行轨迹动态跟踪监测，以确保车辆驶离高速公路，在后续的工程实践中，可考虑从这两方面进一步试点建设。

参考文献：

[1] 赵旭敏.汽车自燃问题的研究 [J].黑龙江科技信息，2014（22）：12-13.

[2] 费伦林.特长纵坡智能监控系统集成设计及应用 [J].公路交通科技：应用技术版，2019，15（2）：259-261.

[3] 郑兆平，曾汉生，丁翠娇，等.红外热成像测温技术及其应用 [J].红外技术，2003（1）：96-98.

[4] 孙惠娟，李婷.基于物联网的高速公路安全预警系统研究 [J].公路交通科技：应用技术版，2016，12（8）：273-274.

[5] 伍永豪，余正红，李聪.基于物联网的高速公路安全预警系统研究 [J].计算机与数字工程，2014，42（2）：280-285.

[6] 刘清，佘廉.高速公路预警管理系统研究 [J].科技进步与对策，2002（3）：167-168.

作者简介：肖应红（1983—），男，汉族，湖南长沙

人，工程师，本科，研究方向：高速公路监控、通信、收费系统及智慧高速的设计；冯严（1996—），男，汉族，河南开封人，助理工程师，本科，研究方向：高速公路监控、通信、收费系统的设计。