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文/《中國交通信息化》記者 戶利華
近年來，在政策與技術(shù)的雙重驅(qū)動下，數(shù)字孿生與隧道正在“雙向奔赴”。隧道作為特殊構(gòu)造物，面對環(huán)境封閉、設(shè)備繁雜、管理機制尚不完善等諸多原因，其運營管理工作面臨著嚴峻挑戰(zhàn)，當前利用創(chuàng)新技術(shù)手段實現(xiàn)隧道智慧化升級至關(guān)重要。在此背景下，業(yè)內(nèi)人士認為“隧道有必要通過數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)全息化應(yīng)用”，“低延時、全過程、精個體地展示隧道內(nèi)全部交通狀態(tài)至關(guān)重要”。隧道具有空間狹長、結(jié)構(gòu)封閉、無應(yīng)急車道、黑白洞效應(yīng)等特點，隧道內(nèi)發(fā)生事故的嚴重程度和造成的人員傷亡后果更為嚴重，起火事故造成的經(jīng)濟損失常伴隨交通擁堵和對隧道結(jié)構(gòu)物的破壞。在隧道日常運營管理中，交通擁堵、隧道火災(zāi)、違法變道、交通事故、行人入侵、車輛逆行、路面拋撒、停車占道、非機動車檢測等成為關(guān)注重點。業(yè)內(nèi)人士認為，當前隧道運營管理中面臨兩大痛點。一方面，當前事件檢測精度普遍較低。隧道內(nèi)發(fā)生交通事故、車輛故障、路障、行人后，需要及時發(fā)送警告信息，快速響應(yīng)要求極高。當前隧道監(jiān)控普遍以人工巡視為主，無法保證全天候尤其是凌晨時段的工作狀態(tài)；視頻事件檢測為輔助手段，但仍存在著精度低、誤報率高、誤報次數(shù)多的現(xiàn)狀，需要人工反復(fù)確認，難以達到全類型事件精準檢測的要求。另一方面，無法識別交通安全風險。國內(nèi)外通過對事故分析發(fā)現(xiàn)，多數(shù)事故是由野蠻變更車道和車速過快導(dǎo)致，交通事故的重大隱患，當前的人工巡查基本以事后特情處置為主，無法對洞內(nèi)“兩客一?！敝攸c車輛的實時監(jiān)控，更無法實時識別交通風險及評估交通安全態(tài)勢來采取對應(yīng)措施。面對隧道營運的剛性需求，近年來在隧道建設(shè)升級中，數(shù)字孿生技術(shù)得到越來越多的應(yīng)用。數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程。據(jù)業(yè)內(nèi)人士介紹，2018年及以前，數(shù)字孿生技術(shù)大多處于概念培育期、技術(shù)方案架構(gòu)期（探索）；2018年以后，數(shù)字孿生迎來“整體性落地建設(shè)”探索期，隨著新一代信息技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)高仿真，沉浸式的孿生模型。在此背景下，基于隧道營運需求與數(shù)字孿生的契合點，數(shù)字孿生隧道受到越來越多的關(guān)注。事實上，為了實現(xiàn)隧道運營管理更智能、更精準、更安全，多地已經(jīng)在逐步開展數(shù)字孿生隧道的建設(shè)與落地。據(jù)介紹，廣西信梧高速借助現(xiàn)代化智慧高速建設(shè)理念打造基于毫米波雷達實現(xiàn)精準感知隧道數(shù)字孿生安全管控系統(tǒng)。該項目建設(shè)的隧道精準感知和數(shù)字孿生系統(tǒng)平臺，不僅要滿足目前的隧道安全管理和服務(wù)需求，也將實現(xiàn)未來的功能擴容，與其他子系統(tǒng)進行有機整合，為未來實現(xiàn)更全面、高效、便捷、節(jié)能的管理和服務(wù)目標提供支撐，以開展更高級別的車路協(xié)同、自動駕駛等智慧高速探索，減少基礎(chǔ)建設(shè)和設(shè)備的重復(fù)投入。太湖隧道作為全國最長最寬的水下隧道，涵蓋了大多隧道存在的應(yīng)急救援難、設(shè)備管控難等運營難題，對于實時在線運行監(jiān)測、預(yù)防性管控等安全運營管理要求更高。據(jù)了解，太湖隧道通過打造的基于數(shù)字孿生技術(shù)的路隧一體化云聯(lián)智控平臺有效解決了運營管理難題。通過引入數(shù)字孿生技術(shù)，不僅完成了映射、控制和預(yù)警等基本功能，而且實現(xiàn)了很多在現(xiàn)實中難以嘗試的事情，這些均可在虛擬隧道中進行仿真、試驗和優(yōu)化，再配合后臺對應(yīng)的具體模型算法，基本達到了L4級“以虛優(yōu)實”的效果。[1]近期，廣東省首個數(shù)字孿生智慧隧道平臺已于深圳市南山區(qū)塘朗山隧道開展試點應(yīng)用。據(jù)介紹，該平臺主要運用了物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，將城市維度整體路網(wǎng)、周邊環(huán)境、塘朗山隧道及附屬設(shè)施進行三維數(shù)字孿生管理，擁有隧道設(shè)備設(shè)施數(shù)字化運維、重點車輛管控、自動應(yīng)急處置、結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測等幾大核心應(yīng)用?？傮w來看，該平臺可以解決塘朗山隧道日常運營存在的基礎(chǔ)設(shè)施難監(jiān)測、隱形病害難發(fā)現(xiàn)、風險車輛難監(jiān)控、應(yīng)急事件處置慢等難題。近期，浙江省高速公路首個“數(shù)字孿生隧道試點項目”在杭金衢高速新嶺隧道正式落項，這也是浙江在高速公路隧道路段的唯一數(shù)字試點項目。據(jù)了解，新嶺隧道“數(shù)字孿生項目”是基于前端數(shù)據(jù)采集、后臺數(shù)據(jù)分析、平臺直觀展現(xiàn)的一個“元宇宙”數(shù)字化項目。項目建成后，通過前端視頻加雷達的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對每一輛通行隧道的車輛進行“身份綁定”，并進行全程管控跟蹤。后臺經(jīng)過數(shù)據(jù)計算和三維模型建立，將通行車輛的特征、行駛狀態(tài)、交通狀況等信息直觀地在平臺展示，管理人員能隨時掌握隧道內(nèi)流量情況和設(shè)備運行狀況，從而更高效、更直觀、更準確地發(fā)現(xiàn)和處置各類應(yīng)急突發(fā)事件，提升隧道安全應(yīng)急管控能力。從技術(shù)功能方面來看，業(yè)內(nèi)人士指出，通過數(shù)字孿生技術(shù)可以實現(xiàn)隧道內(nèi)的全域全息交通感知、實現(xiàn)高效的事故處置協(xié)同、實現(xiàn)隧道照明智能控制、實現(xiàn)隧道內(nèi)伴隨式出行服務(wù)、拓展隧道運營風險決策分析。以下以廣西信梧高速智慧隧道的“隧道數(shù)字孿生安全管控系統(tǒng)”為例介紹系統(tǒng)構(gòu)建。該系統(tǒng)將隧道內(nèi)的監(jiān)控攝像機、火災(zāi)檢測攝像機、車道管理器、情報板、廣播、誘導(dǎo)燈等子系統(tǒng)，接入路側(cè)邊緣計算服務(wù)器，通過數(shù)字孿生安全管控系統(tǒng)，對隧道管理子系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行分析、展示，將子系統(tǒng)有機整合在管控系統(tǒng)平臺內(nèi)，實現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通。[2]數(shù)字孿生安全管控系統(tǒng)架構(gòu)圖[2] 隧道數(shù)字孿生安全管控系統(tǒng)的架構(gòu)包括感知控制層、技術(shù)及數(shù)據(jù)支撐層、應(yīng)用層。[2]其中，感知層由CitRadra-TD380高精度毫米波雷達、高清抓拍卡口、監(jiān)控攝像機、火災(zāi)檢測攝像機、氣象檢測器等設(shè)備組成；技術(shù)及數(shù)據(jù)支撐層分為路側(cè)數(shù)據(jù)層和中心數(shù)據(jù)層；數(shù)字孿生管控平臺是應(yīng)用層的中心，基于高精度地圖信息，對隧道通行數(shù)據(jù)、路況數(shù)據(jù)、車輛目標數(shù)據(jù)、事故事件數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等進行詳細展示。
該系統(tǒng)在功能上，包括實景漫游模塊、運行監(jiān)控模塊、全景回溯模塊、事件管控智能誘導(dǎo)模塊、氣象感知模塊、設(shè)備管控模塊。[2]實景漫游模塊。數(shù)字孿生安全管控系統(tǒng)采用全新的AI建模技術(shù)，在實現(xiàn)現(xiàn)場實景快速一比一還原的基礎(chǔ)上，采集包括毫米波雷達在內(nèi)布設(shè)的所有感知設(shè)備數(shù)據(jù)，將其綜合應(yīng)用至三維數(shù)字孿生場景中，實現(xiàn)從靜態(tài)場景到動態(tài)數(shù)據(jù)的全路段完整還原。實景漫游功能模塊使監(jiān)控人員掌握交通運行狀態(tài)、交通事件分布、設(shè)備設(shè)施分布、道路氣象狀態(tài)等全路段宏觀狀態(tài)。同時，監(jiān)控人員可通過預(yù)定的多個視角及巡視路線功能，實現(xiàn)關(guān)鍵點位、關(guān)鍵路線的局部微觀監(jiān)視。運行監(jiān)控模塊。運行監(jiān)控模塊是數(shù)字孿生安全管控系統(tǒng)的核心，主要包括全線道路運行狀態(tài)、車輛監(jiān)視和重點車輛管控功能。全景回溯模塊。全景回溯模塊實現(xiàn)了對關(guān)注車輛及周邊車輛在時間與空間上的完整回溯。事件管控智能誘導(dǎo)模塊。系統(tǒng)前端布設(shè)高精度毫米波雷達，進行道路交通事件感知。雷達將數(shù)據(jù)傳輸至邊緣計算服務(wù)器，由邊緣計算進行事件二次分析，同時分析可能產(chǎn)生的次生事件，確保交通事件上報精準。數(shù)字孿生安全管控系統(tǒng)接收到交通事件報警時，自動進行聲光提醒，方便監(jiān)控人員及時介入。事件發(fā)生時，系統(tǒng)將自動調(diào)度事件位置周邊的多臺監(jiān)控攝像機，對事件進行聚焦及視頻、圖像采集記錄，同時針對特定事件提供快速處置方案。氣象感知模塊。系統(tǒng)接入小型氣象檢測器等氣象感知設(shè)備數(shù)據(jù)，將局部天氣狀態(tài)實時映射至數(shù)字孿生系統(tǒng)。對局部陰晴雨雪霧等天氣情況及氣象濃度進行直觀展示，通過系統(tǒng)內(nèi)置的“氣象條件對道路交通的影響分析算法”，實時分析氣象數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)惡劣氣象，則自動進行氣象影響報警，提醒監(jiān)控人員介入。設(shè)備管控模塊。設(shè)備管控模塊實現(xiàn)對隧道的“一張圖”展示。監(jiān)控人員可以查看隧道內(nèi)所有設(shè)備設(shè)施，通過點擊選擇指定設(shè)備，查看設(shè)備信息，實現(xiàn)設(shè)備開啟、關(guān)閉、修改等操作。可管控設(shè)備包括雷達、監(jiān)控攝像機、抓拍攝像機、邊緣計算服務(wù)器、車道指示燈、可變情報板、隧道照明燈、風機、火災(zāi)報警設(shè)施、報警電話、隧道機器人等。系統(tǒng)實時偵測設(shè)備設(shè)施的運行情況，當設(shè)備設(shè)施出現(xiàn)異常時，自動發(fā)出報警，提示監(jiān)控人員查看；匯總問題設(shè)備形成養(yǎng)護工單，發(fā)送至設(shè)備管理系統(tǒng)或設(shè)備養(yǎng)護終端APP，交予養(yǎng)護管理人員。模擬仿真模塊。模擬仿真模塊通過采集歷史交通流信息或人工設(shè)置交通流信息，對特定路段道路進行交通流模擬仿真，通過交通流仿真和節(jié)假日交通流仿真，展現(xiàn)道路通行能力。系統(tǒng)具備交通事件應(yīng)急演練功能，對重大活動、交通事故、道路施工、氣象災(zāi)害、地質(zhì)災(zāi)害等事件實施應(yīng)急預(yù)案，借助實景影像，對沿途環(huán)境進行微觀觀察和分析，動態(tài)模擬展示預(yù)案區(qū)域和路線的周邊環(huán)境、應(yīng)急資源部署情況。應(yīng)急演練主要包括現(xiàn)場環(huán)境模擬、人員調(diào)度模擬、行徑路線模擬、實時調(diào)度模擬等。總體來看，目前多個省份開展數(shù)字孿生隧道建設(shè)，取得了多個應(yīng)用突破，但尚未形成行業(yè)統(tǒng)一共識和建設(shè)范式。數(shù)字孿生隧道未來的建設(shè)重點是建設(shè)期BIM模型如何輕量化應(yīng)用于運營期數(shù)字孿生，孿生系統(tǒng)如何與業(yè)務(wù)系統(tǒng)深度融合，從而解決實際業(yè)務(wù)應(yīng)用。[1]劉睿健.江浙高速公路信息化建設(shè)實踐探索·管控篇[EB/OL].[2023-06-09].https://mp.weixin.qq.com/s/34MGtukcBjjkEA0BCWxJCg[2] 黎琮瑩,聶杰雄,許振偉.基于毫米波雷達的隧道數(shù)字孿生安全管控系統(tǒng)[J].中國交通信息化,2023(04).
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