全息隧道安全管理系统研究

摘要 高速公路隧道所处环境复杂，内部空间狭窄，当车辆驶入时，光照的变化、环境空气的变化、危险驾驶行为等极易引发安全事故。同时，隧道信息化建设不足，导致隧道安全风险感知薄弱、应急救援效率低下，易酿成严重后果。文章主要基于高精地图、三维建模及AI视频感知系统等技术，对隧道内车辆进行高精度感知，构建了车辆在隧道内的数字化孪生模型和车辆轨迹数据，从而搭建出全息隧道安全管理系统。该系统能及时发现隧道安全风险，对隧道内交通事件、火灾、环境及重点车辆通行情况进行感知和预警，并在管理中心进行实时展示，助力隧道重点车辆的精准管控、安全监管和数字运维工作，从而提高隧道安全管理效率和数字化运维能力，减少交通事故的发生，为高速公路隧道智慧安全管理提供建设思路。

关键词 高速公路；隧道；全息隧道安全管理系统；安全风险

中图分类号 U458 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）24-0017-04

0 引言

随着全国高速公路里程的不断增加，我国已是世界上公路隧道规模最大的国家，也是隧道数量最多、地质条件和结构形式最复杂、发展速度最快的国家，但高速公路隧道安全基层基础薄弱、管理模式多元、资金投入不足、监管机制和相关制度亟待完善等问题依然突出。一方面，高速公路隧道所处环境复杂、内部空间狭窄[1]，当车辆驶入时，洞内外亮度的瞬间变化、环境空气的差异、危险驾驶行为等极易引发安全事故；另一方面，由于隧道信息化建设不足，导致隧道安全风险感知薄弱、应急救援效率低下，易酿成严重后果。目前，多个省市的《交通强国建设纲要》和《十四五交通运输规划》中，也明确提出了隧道发展建设的相关内容，主要包括交通感知网络覆盖，全要素、全周期数字化，运行情况实时监测，安全风险预警和管控等[2]。因此，研究全息隧道安全管理系统具有重要意义。

该文主要研究以高速公路长隧道安全管理为应用场景，根据隧道内车辆通行安全管控存在的问题，研究一套全息隧道安全管理系统，实现对隧道内车辆停靠、变道、超速、堵塞等特殊事件及危化品车辆的自动识别并锁定事件位置，发出警报信息，将可视化界面推送至监控中心，实现隧道通行的可视化管控，极大提高事故应急响应能力，保障司乘人员安全通行。

1 项目概况

该文以云南省某高速公路为研究对象，其地处云贵高原，是云南省道网规划的重要组成部分，主线全长48.198 km，共计隧道7处，按照双向四车道设计建设，双向隧道总长约19.313 km。公路隧道所处环境复杂、内部空间狭窄，当车辆驶入时，洞内外亮度的瞬间变化、环境空气的差异、危险驾驶行为等极易引发安全事故。现阶段高速公路隧道信息化建设不足，导致隧道安全风险感知薄弱、应急救援效率低下，易酿成严重后果[3]。因此，探索一种隧道安全风险感知的新方式、智能化隧道监管模式至关重要。

2 高速公路隧道安全管理现状

2.1 高速公路隧道环境复杂

高速公路隧道环境错综复杂，其内部空间紧凑，导致空气流通性受限。特别是隧道中段，易积聚有害气体与灰尘，通风条件欠佳，难以维持优质空气质量，从而可能产生烟雾积聚现象，对驾驶员的视线和呼吸健康构成潜在威胁。此外，隧道内的光线条件变化显著，由外部明亮环境驶入隧道阴暗区域，或由隧道驶出至外部强光环境，此类光线的急剧变化极易导致驾驶员视觉暂盲，特别是危化品运输的车辆，发生事故后极易诱发火灾事故，进而造成重大的人员伤亡和财产损失。鉴于隧道内车道相对狭窄，车辆间距有限，一旦发生事故，极易引发交通拥堵和次生事故。

2.2 高速公路隧道信息化建设不足

当前对高速公路隧道的运营管理相对复杂，一旦隧道内发生异常事件难以快速发现、及时预警，处置空间受限，容易引发二次事故，造成重大的人员伤亡和财产损失，处置代价大[4]，且隧道内各项指标的检测、隧道监控、设备管理、事件处置、信息发布等系统独立运行，相互间没有关联。同时，隧道监管系统的标准不统一、资源整合程度普遍低，不能实现各系统间的信息共享、自动控制与信息发布等。

2.3 高速公路隧道应急救援能力不足

在现有阶段，高速公路隧道内部署的监测设备在精度与覆盖范围上存在显著不足，无法实现对隧道内车辆实时通行情况及车辆分布的实时监控。仅凭人工巡查的方式，难以及时准确地发现潜在的事故隐患，这种传统方法暴露出较大的局限性。此外，隧道预警信息的发布渠道相对单一，难以确保信息能够及时有效地传达至驾驶员和相关部门。同时，大部分驾驶员对隧道内的应急设施和逃生通道缺乏了解，安全风险感知能力薄弱，且缺乏必要的应急知识和技能，这些因素共同导致应急救援效率的低下。

3 设计与规划

该文针对上述高速公路隧道安全管理存在的问题，研究打造出一套全息隧道安全管理系统以解决该问题。

该项目建设方案拟采用硬件+软件相结合的方式，在高速公路隧道部署视频车辆采集系统，同步采集隧道入口、隧道内及隧道出口的实时信息，运用视频车型识别技术实现隧道内的数字化监控。通过数字孪生2.5D建模技术，构建隧道数字化孪生模型，以拟合车辆轨迹数据[5]，打造全息隧道安全管理系统，实现全时全域全程的隧道全息化管理，助力隧道重点车辆的精准管控、安全监管和数字化运维，设计方案如图1所示。

3.1 方案设计

图1 全息隧道总体方案架构图

全息隧道建设网络方案如图2所示：

3.2 关键技术

3.2.1 数字孪生2.5D建模

通过应用前端AI采集算法和2.5D GIS高精度地图核心引擎等创新技术，全息隧道安全管理系统可快速构建车辆与隧道的数字化孪生模型和车辆轨迹数据，实现全时全域全程的隧道全息化管理，助力隧道重点车辆的精准管控、安全监管和数字运维工作。

3.2.2 视频车型识别技术

基于智能视频识别技术，对车辆进行连续扫描、检测、识别，输出车辆车型、轮轴数、外轮廓大致尺寸等信息及车身高清图片，通过网络与高清车牌图像识别设备进行无缝连接和数据交换，实现车头、车尾、车身信息的匹配，形成多维度的特征数据。

3.2.3 视频车型追踪与事件检测技术

视频车型追踪与事件检测相关技术原理详见图3所示 ：

3.3 硬件部署

3.3.1 隧道入口信息采集

在隧道入口前100余米处的ETC门架部署1台车牌识别设备、3台门架车型识别设备、1台全息近景一体机、1台全息远程一体机，以及车头补光灯/车侧补光灯/车顶补光灯各3台。

卡口车牌识别设备采集车辆号牌信息及车头图片，将识别结果传输至门架视频车型识别设备；车型识别设备采集车辆的收费车型、轴数、轮数等特征，输出侧面扫描大图，对危化品车辆等进行识别，并接收卡口车牌识别设备的结果，融合输出车辆的完整特征信息；全息路段近景/远景一体机，可实现车辆车牌、车型等信息的采集，并采集车辆位置信息，实现车辆定位。所有采集数据传输至后端全息隧道系统平台进行融合展示，实现全时全域全程的隧道全息化管理。

3.3.2 隧道内信息采集

该项目隧道全长2.1 km，为更好地实现隧道的数字化管控，隧道内共设置15个视频采集点位，每个点位间隔150 m，根据隧道内弯道视线的影响程度，视频采集点可适度加密。每个点位的采集设备包含全息路段近景/远景一体机各一台，实现车辆车牌、车型的采集，以及车辆定位、车辆跟踪、车速检测等。设备最多可同时跟踪250个目标，探测范围可覆盖10～250 m区域。数据上传至后端全息隧道系统，对车辆通行情况、车辆位置进行分析展示。

3.3.3 隧道出口信息采集

在隧道出口距离隧道洞内最后一个点位150 m处，新建ETC门架或L杆，安装卡口摄像机1台、视频车型识别设备3台、车头补光灯/车侧补光灯/车顶补光灯各3台。环保卡口抓拍单元采集车辆号牌信息及车头图片，识别结果并上传至后端全息隧道安全通行预警系统平台进行融合展示，对车辆驶离隧道情况进行确认。

3.3.4 前端设备数据传输

上述设备均采用AC220V市电供电，各设备在不影响原供电设计容量的前提下，按照就近原则从相应配电箱进行取电，车侧、车顶补光灯采用光敏控制，将车头补光灯控制线接入卡口摄像机的控制端口，在减少控制线布设的前提下实现同频工作。卡口摄像机、视频车型识别设备分别通过网线接入光交换机，通过光纤接入并汇聚到隧道配电管理站。

3.4 软件部署

全息隧道系统平台的软件部署，应根据实际情况确定功能需求、界面需求及性能需求，选择合适的技术将隧道内各设备采集的信息，通过数据分析处理，以可视化方式呈现在平台上，并根据初步需求设计，最终实现隧道内通行情况、车辆分布、车型类型的直观展示，自动判断隧道通行的风险等级，展示隧道过车数据、平均车速等，以及隧道内车辆、行人等事件的检测结果，展示隧道通行数据的统计情况，实现全时全域全程的隧道全息化管理。

3.5 系统平台功能

全息隧道系统平台属于隧道交通监控子系统的重要部分，可独立运行，可与其他隧道子系统共同形成完整的隧道管理系统，也可嵌入融合到其他子系统，为隧道管理系统提供模块化的管理功能。经过硬件+软件的部署，目前全息隧道安全系统能够实现隧道通行动态信息的态势展示，提供隧道视频监控、事件管理、通行记录查询、两客一危、流量分析、资产管理、统计报表、流水记录查询等功能，具体如表1所示：

4 应用效果

经过实际部署与运行，全息隧道安全管理系统实现了对隧道全时段、全地域、全流程的精准管理。作为云南省首个高速公路全息隧道监测系统，自2023年8月正式启用以来，该系统显著提升了该路段隧道对重点车辆的精准管控能力、安全监管效能及数字运维水平。截至目前，已精准识别并处理了80起车辆违停事件，监测到7650起隧道内的车辆故障、实线变道及区间超速等违规操作，成功预警了2次道路拥堵情况，并对1 613辆危化品车辆实施了有效监控。此外，系统还协助处理了5起交通事故。全息隧道安全管理系统的成功应用，不仅显著提高了公路运营的整体效率，而且显著增强了长隧道的安全管控能力，有效降低了二次交通事故的发生率，并大幅减少了因重大道路交通事故导致的封路时间。

隧道管理员通过在工作站输入全息隧道安全管理系统地址，可远程访问系统平台，通过曲面显示屏展示隧道系统平台界面，对隧道通行情况进行实时监管、查看，直观体现隧道的通行情况。全息隧道安全通行预警系统对于隧道安全管控具有重要意义，它能直观地显示隧道的实时通行情况，并对各类事件进行预警，帮助隧道监控员提高工作质量和效率。全息隧道安全通行预警系统作为隧道安全管控的辅助系统，具有较强的应用前景，为高速公路隧道管理提供了经验借鉴。

5 结语

该文通过构建一套创新的全息隧道安全管理系统，使得隧道管理员能够在管理中心实现对隧道内车辆通行情况的实时监管。通过这一系统，管理员可以实时监测隧道内的车辆停靠、变道、超速、堵塞及危化品车辆等事件，并能够自动识别和锁定这些事件的准确位置，随即发出警报信息，从而大大减少隧道安全事故的发生概率。这一系统为隧道的安全管控提供了强有力的保障，同时也显著提高了隧道的应急处置效率。

此外，该系统还能有效减少隧道的人工巡查次数，降低事故处置的成本，进一步提升隧道行车的安全性。全息隧道安全管理系统建设的背后，是国家《十四五交通运输规划》的政策要求，也是未来交通行业发展的重要需求。在隧道风险预警、安全管控等方面，这套全息隧道安全管理系统具有极强的应用价值，有望成为未来隧道管理的重要工具之一。

参考文献

[1]杨杰.隧道安全管理中信息技术的应用分析[J].水上安全， 2024（10）：46-48.

[2]吕军.论当前高速公路隧道运营安全管理现状[J].云南水力发电， 2022（3）：82-86.

[3]张海亮，彭树智.高速公路隧道交通运行状态全面感知技术与应用[J].中国交通信息化， 2019（4）：96-100.

[4]林思风.高速公路隧道监控系统智慧化提升改造应用实践[J].福建交通科技， 2022（10）：117-119.

[5]陈贤杰.基于事件检测的隧道安全预警系统的设计和应用[J].广东公路交通， 2017（4）：110-112.