智慧隧道,争议之下如何破冰?

现状

智慧隧道建设热潮下的“智慧”之争
对智慧隧道的发力建设起源于国家对智慧高速的大力支持。自2010年以来,国务院、国家发改委、工信部等多部委陆续印发了支持、规范智慧公路行业的发展政策,各省市也随之陆续发布了相关发展目标。隧道是高速公路的重要组成部分,成为智慧高速建设中的核心环节之一。但由于此前智慧隧道的建设先例较少,因此各地的建设标准和要求各异。2018年,交通运输部划定了九个智慧公路试点地区,为智慧高速的建设按下了快进键,智慧隧道也遍地开花。目前,北京、上海、山东、浙江、江苏、四川、新疆等多地的高速公路中均已启动智慧隧道的建设,部分项目已建成投入使用。
在各地加载着诸多先进技术的智慧隧道持续开工建设,并承载着人们对隧道安全、高效、智能的美好愿景,在喝彩和掌声中陆续投入使用的背后,对于智慧隧道是否“智慧”的质疑之声也逐渐增多。

尤其是在2021年郑州“720”特大暴雨灾害中,建成刚两个月、号称“会思考、会说话”的郑州京广路智慧隧道在关键时刻“失智失语”后,对于智慧隧道的质疑之声甚嚣尘上。在灾害发生前的媒体宣传报道中,郑州京广路隧道被认为是郑州最为完善的智慧隧道,其“智慧化”特点主要有六大模块,分别是综合业务展示模块、隐患事故感知模块、隧道定位/导航模块、应激管理模块、信息多渠道发布模块、移动APP模块,能够为设备问题、恶劣天气、突发情况提供早识别、早发现、早跟踪、早处置的应急处置工作基础。

但遗憾的是,看似强大的智慧隧道在灾难来临时没有担负起它应有的职责。经历者反映没有收到有关道路安全的提示或预警,路边没有看到封路或禁止通行的标志,车辆如常地驶入。特大暴雨让隧道的排水功能检测、应急管理模块停摆,京广路隧道成为暴雨期间郑州市积水最为严重的地段之一,造成巨大的人员及财产损失。至此之后,相较于从前对智慧隧道的热捧,行业内外开始更为理性地看待这一热点。在本届中国高速公路信息化大会上,与会专家对此次灾难造成的严重后果表示痛惜的同时,也指出行业内应该反思:智慧隧道的智行之路,应该如何走下去?

隧道智能照明控制方案

痛点

不解决“真问题”难有“真智慧”
在寻求智慧隧道的解题思路之前,应该先找到目前智慧隧道建设中的症结所在。随着部分智慧高速项目建设逐渐接近尾声,各地也交出了自己的智慧隧道项目答卷。这些融合了云计算、大数据等新技术的智慧隧道为交通出行带来改善的同时,在实际使用中也遇到一些问题。中咨泰克集团国内机电工程事业部总工夏长青对部分问题进行了总结。

  • 智慧隧道在建设中存在只注重新技术、高端设备的使用,忽略设备的相融性、实用性。一些项目为了追求舆论噱头,盲目堆砌高端设备、新兴技术、系统平台,忽略了需求导向和问题导向,部分设备和功能成为“鸡肋”。
  • 各子类系统处于各自分立、没有整合的状态,且未形成实时联动。隧道场景中的设备极其复杂,包括照明、通风、指示标示、监控、检测、消防等,尽管很多设备已实现智能化,但设备与设备之间产生的数据不能互联、互通,难以支撑设备之间的智慧调控。
  • 部分隧道系统保障体系的稳定性差,缺乏科学、合理、可操作性强的应急预案。在极端条件下,如供电、通信等基础系统的稳定性无法保障,导致信息的采集、分析和传输无法实现,整个系统失去牢固地基,瞬间倾覆。 
  • 行业缺少成熟的方案供推广,还处于盲人摸象阶段。尽管近年来不断有建成案例,且各地建设方案也有趋同趋势,但仍然缺少标准规范的指导,尚未形成可供全行业推广的成熟方案。

智慧隧道在建设过程中出现的问题固然与软硬件设备、所采用技术的局限性等客观条件有关,但部分地区过度追求所谓的“智慧化建设”,忽视了隧道建管养实际需求的现实情况也广被行业内外诟病。在项目上马之前,关于智慧隧道的灵魂拷问值得深思:隧道在运营管理中有哪些常见问题需要解决?建设智慧隧道的目的是什么? 
作为公路路网中监管难度最高的路段,隧道是公路场景中难啃的“黑盒子”。繁杂的机电设备加上特殊的环境因素,使得隧道建设需要解决多项难题,这也是智慧隧道建设的基础需求所在。湖南省交通规划勘察设计院有限公司智慧交通与数字技术设计研究院院长李永汉指出了隧道在建设中需要解决的部分痛点。

  • 隧道与普通道路环境相比存在较大的差异。隧道环境构造比较特殊,处于狭长地带,较为封闭,隧道内无应急车道、无白昼黑夜,这些特殊性对交通安全造成影响。
  • 隧道内发生事故的严重程度高于普通路段。在运营管理中应更加注重对交通拥堵、隧道火灾、违法变道、交通事故、行人入侵、车辆逆行、路面抛撒、停车占道、非机动车检测等场景的高效预测与处置。
  • 由于隧道内的业务场景复杂,存在“数据孤岛”,各个数据离散化,难以支持高效决策。
  • 隧道运营安全相关监管机制体系尚不完善,交安、监控等设施损坏后维护不及时。
  • 目前隧道内人工巡查基本以事后特情处置为主,缺乏对洞内“两客一危”重点车辆实时监控,无法实时识别交通风险及评估交通安全态势采取对应措施。
隧道智能照明控制方案优点

作为传统隧道的升级版,智慧隧道只有回归初心,脚踏实地、因地制宜地解决上述隧道建管养过程中的痛点、难点,才能让“智慧”二字不再悬浮于概念,找到智慧隧道真正的破题、解题思路,实现运行安全舒畅、出行便捷舒适、管理高效智能、道路绿色经济的目标。

破题

问题导向下的新技术支撑
在厘清智慧隧道当下在建管养方面的实际需求及痛点、难点基础上,智慧隧道的破题思路可以从智慧管控、智慧防灾、低碳节能、智慧养护四大方向去思考。

智慧管控针对在隧道运营和管理过程中遇到的实际问题:积累了大量的设施、车辆、运行、管理、环境等信息,但对数据的开发和利用不够;缺少主动安全预警与控制诱导的智能化手段,对异常事件发生时的交通组织与快速救援效率不高;交通事件只知关联关系,不知因果,以及多系统孤岛式运行,难协同等,湖南省交通科学研究院有限公司智慧交通事业部副总经理曹佳宝认为,可以通过采集前端设备数据进行融合计算分析,实现全天候、全要素隧道运行状态监测,辅助管理人员及时掌握隧道运行状况。根据隧道内实时交通状态执行主动管控策略,注重事前主动预防,激发道路运能,提升应急处置能力,以达到隧道内的安全高效运营目的。
从车辆、断面、路段、路网四个层级,在隧道内采用速度和谐、动态车道分配、极端天气响应、动态车距诱导等手段进行安全管控,采取拥堵响应处置、匝道控制等手段进行效率管控,为管理方提供可视、可控、可处置的管理平台,为出行者提供及时有效的信息服务。整合电子监控、事件检测、照明控制、风机控制等九类机电设备系统。模拟系统可通过PLC控制各个子系统,制定多套隧道应急管控预案,包括隧道内车辆故障、隧道施工、隧道火灾、危化品泄漏等应急管控预案。同时,对隧道监控、应急处置、安全监测、节能损耗、资产养护等全方位业务统一管理,打破各自系统之间的阻隔,实现数据和资源的有效整合、联动、协调。通过隧道风险识别、风险主动管控、应急协同联动、智慧管控平台等实现安全、提质、稳流和均量的管控目标。

低碳节能

高速公路隧道的高能耗、尾气排放造成的环境污染问题越来越受到运管部门的关注,而隧道的照明和通风是运营管理费用中最大的日常开支之一,也是智慧隧道实现低碳运营的关键。
隧道照明智慧调光系统是实现照明节能的方式之一。采用物联网随车调光方式,在保障安全的情况下实现对公路隧道照明系统“与车相随”的按需自动照明控制,达到节能效果。采用“云-网-边-端”技术架构,基于无线组网技术,将端侧亮度、车检、隧道事件、灯具监测等数据实时采集并传输至边缘计算网关,进行多源数据融合分析,根据计算结果,调光设备渐次动态调节灯具亮度、色温,实现隧道内按需照明的同时,也避免了“黑洞”“白洞”效应,达到“车来灯亮、车走灯暗、灯随车走”的安全节能照明效果。隧道内的通风系统可通过数据采集、分析、联动、报警、管理一体化系统,实现对尾气排放等内部环境状况、通风等进行实时监测;与风机进行联动控制,实现隧道中废气含量过高时风机自动启动通风;与烟感设备进行联动预警,当发生火灾等灾害时及时调度救援力量到达现场。通过遥测、遥调、遥信、遥控、遥传,实现精细化管理,节能降耗的同时,也可在灾害发生时安全高效处置。此外,为打通各系统的关联性,实现平台一体化操作,还可通过高速公路隧道智能管控平台,在监控系统中实现对照明、通风等各类机电设备的统一控制。招商局重庆交通科研设计院有限公司数字交通与智慧城市研究院成果转化中心主任付立家介绍,通过平台的专项管控系统可实现照明调光精细化、模块化、智能化控制,隧道通风全场景、多参数、智能化控制,达到低碳绿色目标的同时也更加高效智能。

隧道智能照明控制方案架构图图

智慧防灾隧道由于处于狭长密闭的空间环境,发生灾害容易造成严重后果,因此遇到险情时的响应和处理效率成为应对灾害的关键。
在发生火灾险情时,隧道内烟雾扩散快但不易排出,引导疏散难度大,救援空间有限。通过综合监控系统可利用烟感及多位监控设备,及时对隧道内部情况进行监测。通过车辆联网监控对具有危险性的车辆进行定位。一旦出现险情,该路段立刻进行报警封闭,智能排烟系统自动启动。同时启动消防措施,通过观察可视化大屏确定火灾的大小,确定指派的救援车辆型号,配合外部救援行动形成双重保障措施,有效缩短救援时间。对水灾的预防与应对是高速公路隧道运营管理的薄弱环节。除应提高水灾的预警和处置能力外,还应该提高防灾减灾设备自身的抗灾能力和可靠性。设备、通信及电力线缆布设、电缆接头,应综合考虑提高抵御水灾、火灾及碰撞等因素影响的能力,除水位检测传感器外的机电设备均应布设于一定高度。水灾、火灾及交通事件检测系统,与报警、交通控制系统的联动、综合控制功能,不能影响系统的独立工作,隧道监测、控制系统应具备本地闭环控制和远端控制功能。当应急事件发生后,通过多种方式(电子屏、隧道广播、新媒体等)进行信息提示与诱导,并且聚焦发布效果与发布后的反馈。隧道结构的特殊性决定了在隧道建设和管理过程中,需要对可能发生的灾害引起更高的重视。在智慧隧道的建设中,应杜绝概念炒作、锦上添花,明确哪些是在灾害中最基础、保命的设备和系统,夯实其根基,才能在面临灾害大考时化险为夷。

智慧养护隧道养护是隧道运营的重要板块,直接影响隧道内通行质量和安全。中交第二公路勘察设计研究院有限公司交通公司副总经理王恩师介绍,近年来,部分隧道通过使用巡检机器人解决养护过程中的人力成本高、作业效率低、隐蔽工程养护难、设备维护不及时等问题。
隧道巡检机器人沿隧道拱顶或边墙纵向布置轨道,根据轨道上固定标记结合机器人旋转编码器实现精确定位。将隧道衬砌按展平进行网格化区域划分,并利用视觉相机,拍摄每一个网格内的隧道衬砌图像,并基于机器学习算法实现自动识别和检测衬砌裂缝、掉块、渗漏水等表观病害,及测量病害的形态特征参数,结合基于新的结构安全评价方法进行分级评价,完成结构安全评价。还可对路面上出现抛洒物、掉落物或路面发生积水等可能会影响行车安全的情况进行实时排查和提醒,对隧道内拥挤程度、堵点等交通状况进行实时监控,实现隧道内高频率、全覆盖养护和监测。除从智慧管控、智慧防灾、低碳节能、智慧养护四大方向出发,通过信息化技术解决智慧隧道的难点、痛点外,近年来飞速发展的新技术手段也为隧道智能化运营和管理提供了更广阔的思路和途径。

数字孪生以高精度地图、三维建模与引擎和高精度授时服务为核心技术,采用“激光+视频”“毫米波+视频”“AI视频”等技术路线,实现隧道内车辆、设备、环境等各系统及设备的统一接入管理,并以3D效果呈现。对隧道内所有机电设施、智能感知设备进行可视化监管,实时监测设备运行状态,根据隧道内通风、照明需求远程控制设备状态。同时,基于设备运行监测数据进行节能管控。
广东省交通规划设计研究院机电与智慧交通所所长关小杰认为,通过数字孪生技术,可解决以往隧道内人工巡视为主,无法保证全天候尤其是凌晨时段的工作状态;视频事件检测为辅助手段时,存在精度低、误报率高、误报次数多的现状,需要人工反复确认,难以达到全类型事件精准检测要求;洞内“两客一危”重点车辆无法实时监控,交通风险无法实时识别,交通安全态势无法评估并采取对应措施等多种隧道运营管理难点。

AI感知技术以雷视融合、AI学习、大数据等核心技术为基础,通过大量真实样本训练,让AI感知系统达到应用级别。同时融合GMM、Yolo和ResNet等思想设计深度网络检测目标物体,对目标进行分类和定位,结合交通流模型等交通行业相关技术,有效进行交通事件及交通流检测。广州国交润万交通信息有限公司研发总监刘电指出,AI感知技术可解决隧道内远端小目标识别和跟踪效果差、车辆被部分或者完全遮挡后容易跟踪失败、目标检测因飘框问题影响车辆跟踪等实际问题,实现隧道智能化监测、预警预防重大交通事故、交通态势感知的目标,全面保障隧道安全运营。

多重感知功能与无间隙监测通过全方位覆盖的毫米波雷达、高清摄像及光栅传感器等智慧设施,对包括隧道在内的高速全路段实现无间隙监测,对人、车、环境精准感知,对异常停车、大雾天气等交通异常事件进行识别、智能决策和精准发布。交通运输部路网监测与应急处置中心处长郝盛介绍,通过以上方式,可实现隧道内的智慧运维、智慧照明、智慧管控、智慧收费等多项功能,智慧灯杆集成的气象雷达功能则可自动调节路灯开闭。

ETC技术郝盛处长同时指出,通过ETC多波束雷达、大数据以及人工智能技术对在隧道通行的车辆进行画像,对高危车辆进入隧道通行实施事前管控、全过程监控、事后快速反应及时处置的标准化操作流程,可提高隧道的安全通行水平,有力保障隧道交通安全。

解题

实践中寻求多种解法
随着智慧高速公路建设的不断推进,行业企业也在持续尝试采用新技术、新手段来实现隧道营运和管理真正意义上的智能化、信息化,越来越多的解决方案为智慧隧道的前行之路提供了不同的解题思路。
华为与江西交投开展深化战略合作后发布智慧隧道解决方案方案依托鸿蒙操作系统、云端控制平台等信息技术,对隧道内所有设备及其子系统进行监测和控制,帮助隧道运管人员远程实时掌控隧道运行情况,解决传统隧道存在“哑”设备多、状态识别困难、安装施工维护复杂及巡检难度大等弊端。拓维信息联合中南交科共同发布“开源鸿蒙智慧隧道解决方案”方案基于开源鸿蒙的智慧隧道建设,致力于打造一个开放、可持续的产业生态,通过软件定义硬件,最终促进高速机电终端设备的智能化升级。阿里云与蜀道集团合作,为峨汉智慧高速提供数字技术解决方案该项目是四川省内在建高速中桥隧比最高、安全风险极大的山区高速公路。通过云计算、人工智能、智能感知、高精度定位、车道级导航等技术的运用,实现全线隧道、桥梁、高边坡等全场景智能化覆盖以及车路协同、智慧隧道控制系统的数据融合与协同应用。与此同时,一批极具借鉴和参考价值的智慧隧道相继建成。这些项目根据自身的实际情况采用不同的技术手段,作为探路者,为后续智慧隧道的规划和建设提供了宝贵的经验。

太湖隧道:新技术手段为国内最长湖底隧道护航太湖隧道位于苏锡常南部高速公路常州至无锡段,全长10.79公里,为双洞双向六车道,是目前国内最长的湖底隧道。隧道结合5G、北斗精确定位、光纤检测、多目标雷达跟踪、光谱检测、大数据分析等技术,采用视觉疲劳唤醒系统、交通事件检测及预警系统、智能无极调光照明系统和隧道通风运营节能系统等,目标建设“安全、智能、绿色、舒适”的智慧隧道。

杭绍台高速公路隧道:将“智慧隧道”列为智慧高速核心的四大特色场景之一杭绍台高速规划全长约162公里,是连接杭州湾通道的南北向交通大动脉。项目重点推进智慧隧道、智慧服务区、准全天候通行、车路协同四个特色场景建设。针对项目路段高达80.3%的桥隧比,高速主线布设近2000台摄像机,应用AI识别系统替代人工巡检,异常事件秒级发现、联动处置,自动识别率达97%以上,实现对风险、事故苗头的超前预控;依托安装隧道应急逃生“智能诱导指示系统”,突发事件发现率从“分”级提升到“秒”级,实现隧道全覆盖式智能诱导;项目引入智慧照明,实现隧道自动调光和六种灯带模式切换,缓解隧道内行驶的视觉疲劳,提高驾驶体验感。延崇高速公路隧道:智能巡检机器人多角度保障隧道安全延崇高速是连通北京冬奥会延庆赛区和张家口赛区的公路主通道,是交通运输部智慧公路试点项目。为保障隧道安全,延崇高速金家庄螺旋隧道采用公路巡检机器人实时采集隧道内环境和交通运行情况,并对信息进行分析预测,为高速公路隧道应急救援提供技术支撑。公路巡检机器人配备高清视频监控系统、3D激光雷达扫描模块、测温型热成像模块、红紫外复合型火焰探测模块、温湿度及有毒有害气体检测模块,实现隧道内全方位无死角监控覆盖,在巡检时对路面异物、火灾隐患进行识别,对隧道内物体温度、环境温湿度、氧气及有毒有害气体浓度进行测量。

结语

智慧高速建设风口下,高速公路隧道的“智慧”升级已成为必然发展趋势,智慧隧道的建设热潮仍将持续。在我们为一个个智慧隧道的建成喝彩时,也应理性地看到,智慧隧道作为新事物,还需经过一个曲折的探索过程。在建设热潮下,客观地总结实际使用中遇到的问题和痛点,采用新的技术手段以需求和问题为导向而非概念导向,明确服务于人民群众安全出行的建设初衷,才能找到智慧隧道的“破冰之法”,让高速公路隧道的“智慧之火”在各地点亮。

来源:张华彬 中国交通信息化 2022年第9期 。

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于灯火阑珊处,于暗香离别时,未曾放弃。
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