隧道云智能感知技术与方法

第1章 概述 
　　1.1 背景和意义 
　　我国地势西高东低，复杂多样，山地、高原和丘陵约占陆地面积的 67%，盆地和平原约占陆地面积的 33%，公路隧道在改善道路线形、缩短行车里程、保护生态环境等方面发挥了积极作用。近 10年来，我国年均新建公路隧道约 350km，已经成为世界上公路隧道昀多、昀复杂、发展昀快的国家。截至 2020年底，全国公路隧道 21316处、2199.93万延米，增加 2249处、303.27万延米，其中特长隧道 1394处、623.55万延米，长隧道 5541处、963.32万延米，且多以隧道群的形式出现 [1]。此外，随着社会经济的快速发展和交通建设进程的深入，高速公路建设正快速向中西部山区延伸，长距离连续隧道群的规模将日益增大，隧道的运营管理与维护问题逐步凸显。 
　　国内外长距离隧道中，我国秦岭终南山隧道双洞、四车道，单洞全长 18.02km，目前为我国**、世界第二长公路隧道，于 2007年 1月 20日正式通车；挪威洛达尔隧道全长 24.51km，单洞，双向两车道，被称为昀长的公路隧道，于 2000年 11月 27日正式通车；目前在建的中国乌尉天山胜利隧道单洞全长 22.035km，双向公路隧道，2018年开建，建设期 6年(图1-1)。近 30年来我国高速公路隧道飞速发展，尤其是近 10年来长大隧道大量出现，然而与发达国家相比，公路隧道运营安全风险感知与防控经验不足，总体水平和效率较低。特别是长大公路隧道运营安全智能感知与防控技术，已经成为高速公路运营安全领域的突出重点问题。主要表现在以下几方面。 
　　(a)秦岭终南山隧道 (b)挪威洛达尔隧道 (c)天山胜利隧道 
　　图1-1 国内外典型长大隧道 
　　(1)长大公路隧道安全问题日益凸显。作为高速公路上的关键路段和控制节点，公路隧道大多位于山脉交叉、丘陵沟壑区域，地理环境复杂、地质构造特殊、隧道内空间封闭、噪声大、能见度低，“黑洞”、“白洞”及“端墙”效应明显，特别是长大隧道受长度、交通流量、车型、车载危化物等因素影响较大，决定了隧道发生结构、消防、交通、危化物泄漏等事故的不确定性更高。由于结构设施复杂、通风条件受限、交通流量较大、安全疏散难度较大，事故影响的时间长、影响范围大，事后处理中“进入难、分流难、疏通难、救援难”的问题非常突出，极易造成严重的二次灾害，短时间内，往往会造成惨重的人员伤亡、交通阻断、重大经济损失及社会影响。 
　　近年来，我国高速公路隧道内频繁发生的各种安全事故，给社会造成了巨大的负面影响、经济损失和人员伤亡，近年我国公路隧道部分安全事故见表1-1。 
　　表1-1 近年我国公路隧道部分安全事故统计表 
　　隧道内常见的交通事故因素主要包括车辆违法驾驶行为、车辆承载物意外掉落、隧道内设备零部件掉落、隧道衬砌掉落等，影响其他车辆行驶(图1-2)。当发生意外安全事故时，因隧道封闭的交通环境很容易造成二次事故，导致隧道交通瘫痪。 
　　(a)车辆违法驾驶行为 (b)车辆承载物掉落 (c)隧道设备零部件散落 (d)隧道衬砌掉落 
　　图1-2 隧道交通常见事故诱因 
　　隧道内常见的交通事故包括隧道交通事故、隧道积水事故、突发安全事故以及隧道燃爆事故等(图1-3)，由于隧道交通环境狭窄、半封闭，因此当发生以上情况时，对交通的影响都会比普通的交通环境要大，维护救援难度也较大。 
　　(a)隧道交通事故 (b)隧道积水事故(c)突发安全事故 (d)隧道燃爆事故 
　　图1-3 常见隧道事故 
　　对于长大公路隧道的运营管理，我国尚无具体的行业标准，对长大隧道应急救援的研究也刚刚起步，隧道管理部门对隧道的防灾救援对策并未明确和系统化，也没有一个完整的公路隧道防火救援体系。目前，在隧道安全领域，绝大多数成果均来自隧道灾难后的事故调查结论，隧道安全风险管理通常为事后型的归纳式被动风险管理，难以保障长大公路隧道系统的安全性。 
　　近年来，国内主要针对隧道建设期的安全风险问题进行研究，对运营期安全研究相对较少。针对监控、防灾与通风进行过专项研究；针对隧道进出口的线形、照明、路面抗滑等方面进行了一定探索；针对交通事故防治、火灾、通风、安全疏散和烟雾控制等单方面的安全风险因素进行了研究，但安全风险问题研究缺乏系统性和全局性。隧道在高速公路交通系统中占有极其重要的地位，提高隧道的管理监控水平如风险防控、事故应急措施、事故应急预案等应变能力，具有十分重要的意义。昀大限度地减少隧道事故对社会的不利影响，是关系经济社会发展全局和人民群众生命财产安全的大事，是交通行业落实科学发展观，以人为本、执政为民、全面履行政府职能的重要内容。 
　　(2)长大公路隧道安全事故危害巨大。由于隧道环境密闭、机电设施较多、通道狭窄、疏散出口少、疏散救援路径长、救援条件受限，一旦发生重大事故，其后果比开放性公路事故严重得多。轻则影响交通效率，重则导致瞬间交通整体瘫痪，甚至造成惨重的群死群伤、交通污染、经济损失等重特大社会公共安全事件。 
　　隧道结构损毁、隧道交通事故、隧道危险化学品事故、隧道火灾事故是目前高速公路隧道主要的安全风险类型。隧道结构损毁安全风险： 2012年 2月 2日，日本山梨县笸子隧道坍塌，混凝土天花板掉落，造成 9人死亡、 2人受伤。隧道交通事故安全风险：数据统计表明，超过 60%的隧道交通事故是因驾驶员超速行驶引发的， 30%的隧道交通事故是由车辆自身机械故障引发的 [2]。隧道危险化学品事故安全风险：据统计，危险化学品运输已占国内公路货运总量的 30%，化学品燃烧爆炸直接威胁着隧道结构和人员安全。隧道火灾事故安全风险：国外 20世纪 90年代统计表明，隧道发生火灾的概率是 10～17次/(亿车 km)。国内公路隧道每 km行驶 5000万辆，就有 1次火灾发生，其火灾发生的概率是铁路隧道发生火灾的 20～25倍。 
　　(3)长大公路隧道事故救援急迫性突出。隧道事故的影响程度具有明显的不确定性。当隧道发生严重结构损毁、交通事故、危险化学品事故、火灾事故和堵塞事故时，事态恶化发展迅速，易产生高温、浓烟、热气、缺氧及人员恐慌等恶劣状况，进而引发机电设施失效、交通混乱、爆炸、车辆追尾等救援更难、范围更大、损失更重的二次事故。以隧道火灾为例，由国内外隧道火灾事故和科研试验的调查可知，公路隧道火灾事故救援过程依时序可归纳为以下 3个阶段：紧急救援、应急救援和交通恢复，公路隧道火灾救援过程时序分段见表1-2。 
　　表1-2 公路隧道火灾救援过程的时序性与阶段性划分表 
　　失火爆发成灾的时间一般为 2～10min。因此，火灾发生后的 10min内是救援的**阶段——紧急救援阶段，也可以称为即时救援阶段。车辆在隧道内发生火灾后，一般需要几分钟后才能造成危害，大约 10min可达一定规模，若不加以控制，则灾情将进一步扩大。特别强调，在即时救援过程中，存在一个短期的混沌阶段。这个阶段的主要特点是救援机构的组织机能尚未形成，救援活动完全由现场人员自发性地进行，一般可使用的灭火设备有灭火器和消防水喉。当隧道管理所的专业兼职消防人员到达现场后，表示这个混沌阶段结束。 
　　(4)长大公路隧道应急处置救援困难重重。公路隧道突发事故的发生具有不可预见性，事故处置救援往往呈现“进入难、分流难、疏通难、救援难”的特点。隧道内空间狭小，分流疏散难、疏通困难，救援力量很难及时到达和进入事故区进行施救，大型施救设备和医疗急救难以施展。当在公路隧道内发生意外事故时，可能会造成有别于开放性路面的各种不利于救援的危险情况。 
　　①联络困难。司乘人员在隧道内无法用移动电话与外界取得联系，而电台广播接收也有困难，仅能对司乘人员单向传递信息，无法进行双向信息沟通，因此司乘人员如何利用紧急电话迅速与监控中心取得联系或增强隧道内移动电话信号就显得尤为重要。 
　　②状况不明。事故发生初期虽然可通过监测系统等监测事故变化，但随着时间推移，部分监测设备可能遭受损坏或造成功能受损，使外部救援人员无法完整掌握现场灾情发展。 
　　③救援急迫性。长大公路隧道发生重大事故除了造成交通阻塞，也会导致隧道内部废气量迅速增加、温度升高等情形，从而对车辆内司乘人员的身体造成伤害，还容易引发二次事故，因此隧道事故救援具有急迫性。 
　　④进入抢救困难，可及性低。长大公路隧道发生交通事故时，因连接外部的开口有限，救援人员进入不易，仅能利用非事故隧道和横通道等迂回进入。 
　　随着我国公路建设的发展，长隧道及特长隧道不断增多，公路隧道交通安全形势变得更加严峻，隧道已经成为安全事故的主要空间分布点和事故黑点，提高公路隧道运营安全防控与管理水平，已经是我国公路交通运营管理面临的重要难题。长大公路隧道运营安全防控是一个复杂系统工程，主要表现在以下几方面。 
　　(1)隧道运营安全事故诱因众多。除了人、车、隧道、环境、管理因素，必须重点考虑隧道地质条件、工程结构、行车环境、设施设备、灾害天气等特殊影响因素。 
　　(2)隧道运营安全事故特征复杂。事故形态复杂，如隧道结构损毁及车辆追尾碰撞、撞隧道壁、翻车、失火、危险化学品泄漏等。事故时空分布复杂，既存在一定的必然性、规律性，又表现出极强的突发性、不确定性。 
　　(3)隧道运营安全防控面广点多。既有技术性的“硬”措施，也有组织管理等“软”措施；既有安全预防、安全维护、安全监测措施，也有事故管理、事故处置措施；既涵盖规划设计、建设施工、管理维护全过程，又涉及土建结构、交通工程、供配电、照明、通风、给排水、监控等众多专业工程领域。 
　　(4)隧道运营安全研究的学科交叉融合性强。理论与应用研究中，需要隧道、道路、交通、运输、管理、信息、力学、材料、机械、电气等多学科的交叉、融合、综合、协同。 
　　由于公路隧道运营安全防控综合性、复杂性、多变性的特点，目前国内外尚未建立完善的隧道安全理论体系，也没有成熟完整的隧道安全风险管控实用系统。虽然国内分别在隧道结构、火灾、照明、通风、交通事故等方面开展了一些研究，但还没有从全局角度，建立起适应我国高速公路隧道发展阶段和特点的成熟理论，公路隧道安全诱因及其内在机理、安全风险综合监测与辨识、安全风险综合评估等研究领域较为薄弱。在应用层面，目前公路隧道运营安全管理信息资源缺乏，公路隧道安全智能监控预警系统、安全事故管理决策系统、安全事故应急保障体系、安全事故应急预案及处置措施、救援设施等尚不健全，不能适应公路隧道快速发展和长期需求。 
　　近年来，随着以深度学习(deep learning)为代表的人工智能技术的突飞猛进，相关技术应用在众多领域取得突破性进展。我国《交通强国建设纲要》和《交通运输部关于推动交通运输领域新型基础设施建设的指导意见》中，均明确提出研发应用智能化的交通装备和技术。同时，主要发达国家均将交通事故“零伤亡”作为长期发展的愿景，而智能感知技术是当前交通发展的前沿方向。在交通系统车载端，无……