浅谈高速公路隧道管控系统

石胜华 王安娜 阙飚

（杭州都市高速公路有限公司，浙江 杭州 310024）

一、引言

众所周知，高速公路隧道的交通环境极为特殊，如何提升隧道的安全管控水平一直是行业的重难点问题。杭州绕城西复线高速是我国首批智慧公路试点项目，建设过程中，项目始终秉承试点目标，遵循“问题导向、技术探索、注重实效”的原则开展先行试点。考虑到项目桥隧比较高，施工过程中还特别细化了隧道事故发现处置方面的需求，同时设定目标，稳步推进，为高速公路隧道安全事故应急处置打下了良好的基础。

二、项目概况

杭州绕城西复线高速是G25长深高速杭州过境路段通道的分流道路，全长约148.8公里，共有隧道27座32.43公里（其中杭绍段有25座隧道和5个隧道群）、互通枢纽23处、收费站17处，具有高桥隧比、多路网交织以及沿线地区台风、暴雨和团雾等异常天气多发等特点。同时，项目还承担着疏解杭州绕城高速西线交通压力，改善杭州及项目沿线区域招商引资环境，服务世界互联网大会、云栖大会、工业大数据大会等重要会议以及第19届亚运会外围交通流疏导的责任，预计道路交通流量大、客货混杂、货车比例高，且公众对出行服务的要求较高。

此外，杭州绕城西复线高速也是贯彻落实《交通运输部办公厅关于开展新一代国家交通控制网和智慧公路试点（第一批）工作的通知》（交办规划函〔2017〕1084号）的第一批智慧公路试点项目，重点从基础设施数字化、基于大数据的路网综合管理和新一代国家交通控制网三方面进行试点探索。

项目建设紧扣交通运输部和浙江省相关要求，基于试点路段桥隧比高、重载交通多、提供实时精准服务等需求，充分利用浙江“智慧高速”建设取得的成果和经验，结合项目建设实际和特点，按照“需求导向、重点提升、迭代发展、动态优化”的原则，通过总结借鉴国内外智慧公路建设经验，把握数字化、网络化、智能化融合发展的契机，着力推进互联网、大数据、人工智能等新技术、新应用与传统机电相结合，持续开展智慧公路试点建设工作，以实际行动践行“交通强国”战略，提升道路安全性和畅通性。

三、隧道管控需求分析

高速公路隧道的行车环境较为封闭，受隧道线形、路面特性、防护设施、照明条件等因素的影响，车辆在隧道路段的行驶风险比基本路段要高，且隧道内一旦发生事故，加之救援困难、信息传递不畅等，极易引发二次事故，造成重大经济损失和负面社会影响。

高速公路运营期间，常见的隧道安全事故主要包括：（1）隧道结构损坏，因雨水等长时间浸泡导致隧道结构损坏或坍塌，或因泥石流、滑坡等灾害造成的隧道出入口阻塞、交通中断等。（2）道路交通事故，车辆在行驶过程中有较大随意性，易发生碰撞、翻车等事故，如遇雨雪、大雾等不良天气及光照不足影响，则更易诱发交通事故。（3）火灾事故，主要分为车辆自身原因（如发动机过热、电路故障等）引发的火灾事故、货物自燃等，以及因交通事故碰撞或翻车等引发的火灾事故。

四、隧道管控系统总体架构

结合杭州绕城西复线高速桥隧比高、交通量大、管理风险高的实际，项目在道路监控、有害气体检测、传统火灾检测、隧道通风照明等传统机电系统的基础上，结合隧道运营管理实际，通过新技术、新应用试点推动互联网+、大数据、人工智能的应用落地，着力打造集多种检测手段、管控手段与发布手段于一体的智慧隧道综合解决方案。

（一）检测手段方面

融合结构、视频、火灾、温度、气体检测等多种感知手段，实现对隧道运行状态和交通事件的精准感知。

（二）管控手段方面

在前端感知设备收集精准信息的基础上，融合气象、流量等信息，利用大数据算法并结合历史数据，形成不同交通流特征及隧道区域的针对性管控策略，同时生成隧道突发事件应急预案，实现一键下发。

（三）发布手段方面

根据管控策略，一键生成应急预案，通过隧道入口智能拦截、隧道洞口灯光预警以及声、光、图像预警设施阻止后方车辆进入事故隧道，避免了传统隧道因拦截不及时引发的二次事故、恶性事件；通过隧道内统一调频广播系统将广播信号引入隧道，系统预留的广播强插功能可以第一时间将交通指令告知司乘人员，助力其在智能逃生诱导标志的引导下快速有序疏散。

五、智慧隧道管控实践

充分结合杭州绕城西复线高速的隧道特点，在现有隧道机电系统的基础上搭建完善的高速公路隧道管控系统，实现隧道各子系统互联互通、安全防控、集中管控、服务协同、绿色节能的总体目标。本文对智慧隧道管控系统的研究主要包含以下几个方面：隧道结构安全监测、AI视频分析、多光谱移动火灾探测、隧道入口管控、隧道内统一调频广播以及隧道内智能逃生诱导等。

图1.杭州绕城西复线智慧隧道系统架构图

（一）隧道结构安全监测子系统

隧道周边区域的地质条件复杂，且存在许多潜在、无法预知的不稳定环境因素，杭州绕城西复线高速的隧道占比较高、规模较大，受恶劣环境的影响，稍有不慎就会出现塌方、突泥涌水、沉陷、支护结构变形及人员伤亡等重大问题，对隧道安全生产造成重大影响。为确保隧道工程安全、即时预报险情，实现对隧道结构安全的实时监测和评估，建立完善的隧道结构安全监测子系统尤为重要。

通过在衬砌、围岩中布设温度计、内空变位计、表面裂缝计等设备，实时监测拱顶下沉、周边位移及衬砌开裂等情况，以便第一时间发现安全隐患并将现场情况及时上传至管理平台。隧道结构安全监测子系统应具备温湿度监测、位移监测、倾斜监测、相对变形监测、拉索应力监测及混凝土应变监测等功能，通过隧道结构安全监测子系统，实时掌握隧道健康状况，根据监测数据科学开展养护作业，有效保证隧道运营安全。

图2.隧道结构安全监测断面传感器布设示意图

（二）基于AI检测的视频分析子系统

在隧道出入口及隧道内每150米处安装一处监控摄像头，将前端视频图像传输至视频分析子系统。利用图像预处理技术、车辆检测与分类技术、目标连续跟踪技术、交通事件识别技术等人工智能分析算法，实现交通拥堵、障碍物、交通事故、火灾、行人或非机动车闯入以及车辆异常停驶、缓驶、逆行、倒车等检测，并将检测结果、截图、类型等相关信息推送至综合管理平台，第一时间提醒隧道管理人员进行异常事件确认、启动应用预案，减少监控人员视频巡检工作量，提高事件检测效率及准确率。

图3.基于AI检测的视频事件分析

（三）基于多光谱火灾探测预警子系统

现有的高速公路隧道火灾检测方案仍参照建筑物消防技术标准设计，存在时效性低、无法侦测移动火情等问题，而隧道因其环境的封闭性，一旦发生火灾，火势将迅速蔓延。为确保火灾发生初期有效感知，探索移动火情监测的可行性与科学性，项目组在杭州绕城西复线高速九曲岭隧道开展了“高速公路隧道火灾检测技术应用研究”，提出了基于多光谱的火灾探测技术，通过感知近红外、远红外等全部光谱信号，捕捉火焰特有的燃烧变化频率和光谱分布特性，有效识别火灾发生初期的光谱特征，实现快速、远距、移动的早期火灾侦测，了解火灾初期的移动火情。目前，此项研究已通过交通运输部国家交通安全设施质量监督检验中心的检测及应急管理部消防产品合格评定中心的3C认证，并在杭州绕城西复线高速沿线隧道进行推广应用。

同时，项目组还以九曲岭隧道火灾检测试点数据为依据，同步推进《公路隧道点型红外火焰探测器火灾报警系统技术规程》团体标准制订，积极推动行业标准的检测参数的修订。

（四）隧道入口管控子系统

当隧道内发生重大事件如火灾、交通事故时，隧道口前方布设的号角扬声器、门架式可变情报板、路侧多功能LED情报板、车辆指示器，爆闪灯、转体栏杆机等全方位、多渠道的声、光、图像预警设施，能有效阻止后方车辆驶入事故隧道，避免二次事故的发生，同时降低事故发生后造成的人员伤亡和财产损失，提高公路隧道运营管理水平。

图4.隧道入口管控

（五）隧道内统一调频广播子系统

传统隧道广播一般采用有线广播的形式，主要依靠号角扬声器对车辆喊话传递信息，但在嘈杂的环境下，司乘人员很难听清有线广播告知的内容。同时因隧道自身条件限制，无法通过FM无线广播信号为隧道内行驶的车辆传递信息。在隧道内建设具有插播功能的全频段调频广播系统，一方面，能够为隧道内用户提供调频信号，解决日常情况下隧道内无调频信号的问题，另一方面，当发生紧急事件时，隧道调频广播可实现紧急插播的功能，任何频段的收音机均可接收到紧急信号。

通过对传统的隧道紧急电话和有线广播系统进行优化，共用一套主机、传输光缆，实现对隧道紧急电话、有线广播和调频广播的统一管理和对话应用，以及对隧道内分机的分区管理、调度操作、排队处理、有线与调频广播音频源选择及广播、插播与喊话功能，可以快速有效地将信息传递给司乘人员。

（六）隧道内智能逃生诱导子系统

当隧道内发生交通事故，需要对洞内车辆及人员进行警示或紧急疏散时，隧道洞口弥漫灯光警示系统能够和隧道入口管控系统进行联动控制，通过安装在隧道洞口的双基色LED灯，对入口管控未拦截即将进入隧道的车辆进行视觉警示。正常状态下为绿光或正常光源；隧道内发生事故时，以黄光进行提示；隧道内发生重大事故时，以红光进行警示。

与此同时，智能指示标志接收系统触发信号，对指示灯进行控制，实现疏散方向调整，将司乘人员安全快速地引导至人（汽）通门位置，从而提高疏散效率，降低人员伤亡。为了凸显人（汽）通门位置及操作方式，在门框及控制按钮处还设置了频闪照明控制灯带及LED信息显示屏，以发布引导信息，实现有序疏散。

六、结语

本文对杭州绕城西复线高速的隧道特点及常见隧道事故进行详细分析，在传统隧道机电系统的基础上，深入研究了如何在建设期做好隧道系统建设、在运营期有效管控隧道突发事件等系列难点问题。通过对隧道结构安全监测、AI视频分析、多光谱移动火灾探测、隧道入口管控、隧道内统一调频广播及隧道内智能逃生诱导等方面的技术探索与研究，提出了集多种检测手段、管控手段与发布手段于一体的智慧隧道综合解决方案，以期在主动快速发现、严格入口管理、紧急疏散等方面提高隧道安全运营管理水平，为其他智慧隧道建设提供借鉴经验。

图5.隧道洞口弥漫灯光警示