张春声 周东

广东省公路建设有限公司 杭州海康威视数字技术股份有限公司广州分公司

摘 要：随着未来大数据、物联网、人工智能、超级计算等新技术在交通行业的应用，针对车辆高温、违规行为、异常事件进行实时动态监测预警，并通过与路段监控一体化平台进行联动提前预警和主动诱导，可大大降低高速公路特长隧发生交通事故的概率。采用基于毫米波雷达和视频相结合的事件智能检测技术，对动态交通流状况进行实时拟合，实现数据按需汇聚和归类，结合车辆运动目标实时坐标的分析计算，对交通状况全过程跟踪和异常通行行为进行预判和提前告警，把实时的三维元素从复杂的交通路网中抽离出来进行平面二维虚拟化精确展示，提高隧道应对突发事件的处置能力和主动安全防护能力，为车路协同技术在隧道环境下的应用提供了有益的探索。

关键词：数字雷达;热成像;视频自动检测;

随着高速公路隧道通车里程增加，对高速公路行驶车辆状况进行实时监测并及时对异常行为进行判断，是隧道运营部门控制隧道风险和通行安全的主要手段。特别是在隧道区域内，空间相对狭小，行车视线能见度低，高温车辆停车或者起火极易造成连续事故。传统方式对隧道监控主要是采取监控员人工对视频图像轮巡，很难及时发现异常通行车辆和高温高风险车辆，无法满足主动预防和管控的需要。对此，需要建立一套隧道车辆事件智能检测系统，实现对车辆温度异常的自动抓拍、自动分级预警、自动联动、持续跟踪和精确定位，解决隧道运营管理中对于高温车辆和异常车辆的“事前预防、持续跟踪、事中处置”问题，从而有效提升车辆通行隧道的安全性。

1 现状分析

在高速公路上，当机动车辆温度过高时，不仅需要即时的进行预警，也需要对车辆进行持续的跟踪、观察，时刻关注高温车辆的动态，直到危险解除为止。特别是在隧道区域内，空间相对狭小、车辆发生火灾引发的二次事故带来的危险更大。

目前，高速公路营运管理单位对于隧道内的管理主要还是采用监控员24小时人工轮巡或调用视频的方式对车辆通行状况进行监视。平均每100km(含10km隧道)高速公路主线上一般达到185路监控视频(隧道内按照150米1处固定摄像枪)。如果一个人监视的视频画面太多，就会远远超出人类的承受能力，导致实际监控效果显著降低。实验结果表明，集中精力看视频在40min，基本达到人眼疲劳极限，人眼将对视频画面里95%以上的活动信息或异常信息很难进行准确辨识。因而，靠单一的人工对所有视频图像进行轮巡，很难实时、有效地监视和发现突发或有威胁的异常事件。

因此，基于雷达与热成像技术的事件检测系统采取前端热成像摄像枪和高清摄像枪、辅助毫米波雷达精确定位，后端服务器智能事件分析仪采用基于深度学习的智能视频分析系统对部分重点路段的异常事件进行实时监测，可实时识别多种交通异常事件，实现秒级异常事件告警，对通行隧道的车辆全天候信息采集和处理，有效提升隧道运营安全管理的智能化水平。

2 系统设计方案

2.1 技术先进性

在系统设计过程中，充分利用热成像的全天候温度检测优势，实现车辆的胎温异常检测。同时基于雷达和视频结合的技术，保证车辆在单个检测终端中能被有效检测并实现跟踪，按照毫秒级的固定时间间隔将覆盖区域中的车辆位置坐标输出。并在不同的检测终端中实现同一车辆的连续跟踪。

2.2 运行可靠性

考虑系统全天候实时性要求，该系统具备7×24h连续不间断运行、且连续无故障时间不低于5万小时的能力，设计时充分考虑了系统的高可靠性，选用高集成、高性能设备，采用自动检测、自动报警、单点自愈、冗余配置、负载均衡等技术来有效地保证系统的高可用性和可靠性。

2.3 系统开放性

系统依据相关的标准、规范进行设计，采用通用、规范和安全的数据通讯协议和接口，为与其它系统的对接集成提供开放性的数据接口。

(1)经济的合理性

充分考虑用户实际需要和技术发展趋势，在满足用户对功能、质量、性能、价格和服务等各方面要求的前提下，实现最优化的系统设备配置，降低系统造价。

(2)业务的可拓展性

考虑到以后的需求会不断增加，系统建设的数量将随之扩大，系统采用灵活、开放的模块化设计，赋予结构上极大的灵活性，为系统扩展、升级及可预见的管理模式改变留有余地，能够很好地随业务系统未来的扩充和变化进行横向或纵向的扩展。

2.4 关键技术要点

(1)热成像技术

一切物体只要其温度高于绝对零度都能辐射电磁波，热成像主要采集热红外波段(8μm-14μm)的光，来探测物体发出的热辐射。本系统基于热成像技术，能够对进入隧道的车辆进行高温检测、预警并联动卡口抓拍车牌。

(2) 77GHz事件雷达检测技术

采用77GHz雷达技术与采用24GHz频段下的只有200MHz带宽的ISM频段相比，77GHz频段下的SRR频带可提供高达4GHz的扫描带宽，显著提高了距离分辨率和精度，因此77GHz雷达在车辆检测具有显著的优势。事件检测器在隧道布设一般300米间距进行布设，实现隧道全覆盖(见图1)。

图1 事件检测雷达(AR)布置示意 下载原图

(3)多数据融合和大数据处理技术

隧道中存在大量的车辆，基于系统强大的多数据、大数据的处理能力，系统能同时对隧道内的车辆进行检测并输出每一车辆的坐标位置，并对跨域车辆进行算法匹配，连续跟踪。

(4)视频自动检测

视频检测子系统由前端摄像机图像、视频传输子系统、视频检测处理器、视频检测管理服务器(由系统集成提供虚拟服务器)等构成。道路段设置设备的情况，全线所有固定摄像机作为视频源输入到视频检测处理器进行事件自动检测。由处理器对图像进行处理，从图像序列的变化中选取目标信息进行计算处理，对车辆移动轨迹进行跟踪分析，根据图像处理算法产生事件告警。可以对以下交通事件进行检测:烟雾、停车、交通拥堵、车辆排队超限、行人进入高速公路、车辆逆行、低速车辆检测、交通事故、车辆抛撒物检测等，并且伴有报警信号提示监控值班员，提高路段监控管理的。

2.5 系统架构

(1)车温预警子系统

主要由热成像摄像机、卡口车牌抓拍摄像枪、全景摄像枪组成，热成像摄像枪基于热成像技术，在距离隧道入口前3～5KM的车辆全断面进行高温检测、预警并联动卡口对车牌进行抓拍，检测结果直接通过通信网络传输至路段监控中心管理平台。热成像摄像机其内部结合高灵敏度红外感应装置，即非接触式远红外热感应测温装置进行测温数据算法的整合编码;系统内部算法结合配以红外激光阵列车牌、车型及图像识别系统对车辆基础信息进行采集及前端预处理，并将结果通过通信网络传至后台再分析及处理，红外热成像摄像枪及车牌识别抓拍系统按每条车道一套进行布设，准确识别断面上的每个车辆。

(2)车辆测序子系统

车辆测序子系统前端设备为雷达视频一体化机，通过AI算法将毫米雷达技术和视频技术融合，打破传统单维度视频感知的局限和片面性，实现全天候、多场景、多目标、多车道、高精度的交通流信息检测，定位精度准、空间分辨率高，补充了传统仅靠视频难以精确检测目标的位置、速度等信息，一般在隧道内按照300米1处进行布设，对目标车辆进行持续跟踪和智能分析。并实时将车辆在隧道内通行的速度、位置信息与视频关联的结构化数据通过通信网络传输至路段监控中心管理平台。

(3)信息发布子系统

由门架情报板、交通通行灯和定向广播组成，对异常车温的车辆及时通过情报板进行信息提示或语音广播提醒，诱导车辆不要驶入隧道或紧急停靠。

(4)通信传输子系统

主要是指路段通信系统(一般是万兆环网或基层用户接入网)，采用MSTP综合业务接入网方案，在路段监控中心配置光线路单元OLT(SDH)作为用户接入网局端设备，在各无人通信站分别配置一套光纤网络远端设备ONU(SDH)，各通信站通过光纤线路以隔站相连的方式构成2芯通道自愈环，传输速率采用STM-16(2.5Gbps)等级。数据传输通路分为二级，第一级为监控外场设备(FCMS、CMS、VD等)至就近无人通信站的数据传输通路;第二级为无人通信站传至监控中心的监控数据传输通路。负责将路段前端信息采集设备(热成像摄像机、卡口车牌抓拍摄像枪、全景摄像枪、雷达视频一体化机)相关视频、图像、数据传输至路段监控中心管理平台。

(5)路段监控中心监控管理平台与事件自动检测子系统

监控管理平台包含的路段所涉及到的各种运营管理业务，为管理人员提供一个集成化的统一管理操作平台，具备统一的设备集成管理功能，一般包括:监控系统、隧道通风系统、隧道消防系统、供配电系统和照明系统等。

管理人员能够根据管理需要对各系统设备的运行状态进行控制、调整，平台可实时监测设备的运行状态，发现设备故障或隐患后可向管理人员发出告警，提醒其及时处理，将不利影响降到最低。平台可存储预先制定的设备联动控制预案，当满足触发条件时，系统可自行调用预案、向管理员提示调用预案或由管理员人工启动预案，系统根据预案内容对相关的各项设施设备进行联动控制，为各项管理方案及应急处置预案的快速、有效执行提供有力的技术支撑。

事件自动检测子系统属于监控子系统的一部分，通过对路段前端设备采集来的信息进行AI核心算法分析，判断具体目标运动状态和趋势，实时判断异常事件，并予以告警与视频进行联动，实时定位违法车辆，并通过监控管理平台启动应急处置预案。

3 系统功能

根据《公路隧道设计规范》(JTG D70/2-2014)，我国特长隧道基本有较完整的交通安全设施、通风设施、照明设施、交通监控设施、紧急呼叫设施、火灾探测报警设施、消防设施与通道、供配电设施、中央控制管理系统等设施，但隧道区域内空间相对狭小，行车视线能见度低，隧道内高温车辆停车或者起火造成重大安全事故屡屡发生。在车辆通行隧道前，提前对超温异常车辆进行监测和预警、对交通流状况进行实时跟踪，降低隧道内发生火灾的风险是强化隧道本质安全管理的主要手段。在实际工程实施中，在高速公路隧道已有的监控摄像枪、门架情报板、通信网络等传统机电设备基础上，新增部分热成像摄像枪、雷达视频一体化机和后台事件自动检测子系统，就可以全过程跟踪和车辆异常通行行为，提高隧道突发事件处置能力和主动安全防护能力。

图2 系统架构示意图 下载原图

整套系统可以针对车辆高温、违规行为、异常事件进行实时动态监测预警，并联动相关系统进行即使干预，大大降低高速公路的交通事故发生概率，在实际应用中可以有效减少交通事故带来的人员伤亡和财产损失。此外，系统的事件自动检测解决了传统监控员单一人工巡视的工作方式，大大提高了监控中心工作人员的工作效率。

(1)超温报警联动系统的应用

前端热成像检测到超温车辆后，可以联动卡口抓拍车辆。平台接收报警信息后，自动联动情报板输出引导信息。并结合隧道雷视视频检测终端，进行报警车辆的持续跟踪。

(2)隧道虚拟路网

传统的交通监测主要由断面、静态的数据采集分析为主，这导致描绘出的交通状态不但有失真的可能，而且也无法做到动态实时。而此系统通过检测识别车辆的位置，并将车辆位置映射到统一坐标系中，并在虚拟化路段地图中显示，把实时的三维元素从复杂的交通路网中抽离，从而进行平面二维的展示。

(3)交通动态分析

系统内置交通参数测量工具和交通参数统计看板，交通运行状态按需呈现。系统在提供了精准、实时、直观、轻量化的数据基础上，可以按照业务需求，真正实现数据的按需汇聚和归类，不仅能够完成交通参数的测量，还能够提供对应的统计分析看板，如流量、时空占有率、平均速度、排队长度等。

图3 隧道虚拟路网示意图 下载原图

图4 交通动态分析示意图 下载原图

(4)交通事件检测

通过对于运动目标实时坐标的分析计算，结合目标点位周边的目标行为分析、比对，能够精准的定位交通异常事件(包括群体性事件)位置，并通过分析具体目标运动状态和趋势，即可快速锁定事件源头。平台弹窗报警，所在虚拟化路段提醒并联动监控画面显示。

图5 交通事件子检测示意图 下载原图

(5)异常通行行为检测

在传统检测方式无法很准确进行全过程跟踪的情况下，类似于连续变道、蛇形驾驶、龟速驾驶等异常通行行为，通过对目标实时运动坐标的分析计算，可实时判断类似违法行为，并予以告警，实时定位异常车辆，支持通过时间回溯。

图6 交通测序子系统示意图

4 结论

通过建立针对高速公路特长隧道机动车车辆温度异常的自动抓拍、自动分级预警、自动联动系统，实现了“事前预防、持续跟踪、事中处置”的闭环业务流程，提升了通行隧道的安全能。系统采取雷达与视频相结合的隧道虚拟路网交通测序技术，能够获取隧道内任意位置目标车辆的实时位置、号牌、流量、速度、占有率、交通事件等结构化数据，对交通状况全过程跟踪和异常通行行为进行预判和提前告警，为隧道安全运营管理提供实时量化的数据支撑和决策辅助。

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