基于数字孪生的秦岭隧道群安防体系建设探索

基于数字孪生的秦岭隧道群安防体系建设探索与研究2023年7月目

录项目实施背景和建设思路010203安全风险管理运行机制建设成果车路协同和交通异常态势预警关键技术研究04

隧道安全监测预警设备及关键技术研究秦岭隧道群安防体系数字孪生系统建设05项目进度和展望0601项目实施背景和建设思路——项目实施背景和建设思路项目实施背景公路隧道事故率比普通路段事故率高30%左右，呈现白天多发、灾害性天气多发、出入口多发的态势。陕西省作为西部隧道大省，分析高速公路隧道安全运营管理影响因素、研究隧道交通流事故发展规律、建设一套全国领先的隧道运营安全防控体系为全国隧道运营安全管理提供样板，具有重大意义。2020年，交通运输部印发了《关于陕西省开展现代化国际一流航空枢纽建设等交通强国试点工作的意见》，同意“秦岭隧道群安全防控体系建设”作为陕西省5个试点任务之一，由陕西交通控股集团承担建设。通过充分调研和西汉分公司的隧道安全管理的迫切需要，我们依托西汉高速公路崂峪至皇冠段秦岭隧道群，建设实施本项目。西汉高速全线隧道（单洞）137座，隧道里程103.5k，隧道占比近20%；涝峪至皇冠段高速公路穿过秦岭主山脉，全长59.1公里，共由25个隧道组成隧道群。其中秦岭Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号特长隧道组成秦岭隧道群穿过秦岭主山脉，其中秦岭Ⅰ号隧道6144米、秦岭Ⅱ号隧道6125米、秦岭Ⅲ号隧道4930米。——项目实施背景和建设思路项目建设思路我们针对秦岭隧道群风险管理不完善的问题，通过攻关关键技术、转化成熟科技成果、打通产业化发展渠道，以解决西汉分公司隧道安全管控工作中的难点痛点为出发点，以提高我省在高速公路隧道风险管控领域的自主创新能力和产业核心竞争力为目标导向，开展本项目的研究、建设工作，主要从以下四个方面开展：（1）构建安全生产风险管理运行机制。开展秦岭隧道群运营安全风险辨识研究、建立秦岭隧道群风险评估体系，加强风险防控能力建设，提高秦岭隧道群的安全风险管理运行能力。（2）研究隧道交通车路协同关键技术和交通异常态势预警关键技术。（3）研究隧道结构安全、周边环境安全监测预警设备及关键技术研究。（4）开展交通流和驾驶行为的监测数据分析和研究，研建基于数字孪生的秦岭隧道群安防系统平台，最终建成路网级安全监测系统平台。02安全风险管理运行机制建设成果——风险管理运行机制关键技术研究成果隧道运营安全风险管控挑战隧道运营安全风险管理存在的问题Ø

全国尚缺乏建立、健全的公路隧道运营安全风险管理系统理论，其内涵、方法不明晰隧道运营安全风险管理缺乏理论依据，导致风险管理内容不明确、管理界限不清晰Ø导Ø

隧道运营安全风险管理方法不合理、不科学，导致隧道运营管理人员开展风险管理工作时缺乏抓手，存在缺项漏项、风险管控不到位致Ø

缺乏对公路隧道运营安全风险进行辨识的标准、规范或依据，缺乏系统、全面的隧道运行安全风险评估方法和风险分级管控标准Ø

不能有效降低运营安全的风险等级，应急救援效率不高亟需完善隧道安全运营风险源辨识、风险评估和风险防控等技术难题！——风险管理运行机制关键技术研究成果成果1-隧道影响区域交通事故状况2021年1月-2022年4月上下行方向事故对比统计图隧道事故情况综合排名事故时间分布事故空间分布上行下行同隧道类型事故统计事故形态分布事故气候分布整体事故状况事故分布特征——风险管理运行机制关键技术研究成果成果2-隧道运营安全风险源辨识风险辨识流程风险辨识范围秦岭隧道风险辨识——风险管理运行机制关键技术研究成果成果3-隧道运营安全风险评估方法风险评估模型影响安全的风险源指标体系及权重安全影响程度影响安全的风险源基础模型X

F

x,

y影响安全的风险源Y潜在的风险源nm

iX影响安全的风险源=(w

s

)ij

iji

1

j

1综合风险等级安全等级百分率≥90%安全等级风险等级低优良≥80%较低中≥70%中≥60%差较高高＜60%很差风险等级修正潜在风险源及风险分值范围潜在风险影响系数潜在的风险源最终安全等级初步安全等级优良中差很差优良=0————≤5≤5———≤10≤10≤10—≤20≤20≤20≤20—>20>20>20>20—中差很差———风险管理运行机制关键技术研究成果成果4-秦岭隧道群风险评估结论基础设施交通安全设施应急管理设施交通运营管理设施隧道风险数量排序结果隧道风险等级评估结果隧道风险分布地图——风险管理运行机制关键技术研究成果成果5-隧道运营安全风险防控分级标准风险辨识风险评估风险管控03车路协同和交通异常态势预警关键技术研究——车路协同和交通异常态势预警关键技术研究成果1：隧道复杂场景下的多传感器自适应融合算法基于动态偏移对齐策略和注意力机制的多模态自适应融合多尺度图像特征提取多尺度点云特征提取动态偏移对齐策略基于注意力机制的融合技术瓶颈点云特征点云特征提取骨干网的侧输出恶劣环境因素干扰图像特征传感器自身局限性异构数据对齐策略有效的融合算法图像特征提取骨干网的侧输出建立动态的跨模态对齐策略构建基于深度注意机制的融合模块搭建双流多尺度多模态融合架构——车路协同和交通异常态势预警关键技术研究成果2-基于自适应尺度自学习的多模态感知方法解决的科学问题提出的方法取得的结果自适应尺度融合体系结构双流跨模态融合感知算法框架Ø

实际环境中，由于光反射、传感器

Ø分辨率等，获得的点云数据往往是稀疏、不完整的（如图中的黄色框自适应尺度融合体系结构：实现了稀疏3D点与密集2D像素间跨模态特征的高效融合，获取了目标更完整的结构信息。双流跨模态融合感知算法：搭建以点云特征提取网络为主导的双流跨模态融合感知框架，实现鲁棒高效的自适应多源信息融合。目标点的总数受到从物体到激光雷达的距离和遮挡的影响，导致远距离处的点云数据分布比较稀疏。足够的图像信息增强了3D边界框的检测结果，一些远处的或者被遮挡的目标也被成功的检测出来（如图中的黄色框所示）

。ØØ内汽车玻璃上的投影点就比较少）。ØØ

由于校准误差，点云和像素之间不可避免地存在投影偏差。——车路协同和交通异常态势预警关键技术研究成果3-基于领域自适应的道路布局参数提取方法解决的科学问题提出的方法取得的结果Ø基于三步流水线的道路布局参数提取框架：Stage1

基于金字塔场景解析网络的道路场景语义分割Ø

模型任务输入与输出实例Ø场景感知与理解是智能车规划自身行为的先要条件。然而，现有大多数场景理解方法局限于像素化输出，不能自然地支持下游的高级推理和规划任务。实现道路交通场景的像素级分割与识别，降低图像像素冗余信息。Stage2

基于残差增补的道路遮挡推理Ø

模型中间产出效果展示Ø目前智能驾驶测试场景的建立通常仅借助专家经验，缺乏基于多样化真实复杂交通场景的测试实例。实现不可见区域语义推理与像素生成，还原完整道路布局语义信息。Stage3

基于双域混合对抗学习的道路布局参数提取实现双域数据关联特征挖掘与源域信息利用，生成道路布局参数。——车路协同和交通异常态势预警关键技术研究成果4-隧道复杂场景下的低光照图像增强算法基于零样本学习策略的多颜色空间嵌入低光照图像增强多颜色空间构建

自校准模块监督与Retinex理论结合级联模块训练优化多要素耦合提取，实现光照鲁棒估计基于自校准的零样本学习策略鲁棒性仅从测试图像中学习增强准确性零样本不需要配对或非配对数据•

有效过滤噪声•

特征提取完整•

多种光照环境•

不同数据集Transformer多颜色空间自校准可靠性轻量化•

随机扰动•

参数空间较大•

运行速度快多阶段级联渐进的方式来优化网络模型利用曲线参数算子搭建各阶段之间的线性关系•

恶劣光照条件Retinex理论重参数化结构——车路协同和交通异常态势预警关键技术研究成果5-基于混合注意力机制的双流LSTM轨迹车间交互建模时序依赖捕获时空耦合重构历史信息选择性重利用技术瓶颈时空信息耦合关系混乱双流LSTM——时空信息耦合关系重构混合注意力机制——历史信息选择性重利用长时预测性能急剧下降双流LSTM混合注意力网络架构——车路协同和交通异常态势预警关键技术研究成果6-隧道复杂场景下的交通参与目标行为预测算法基于稀疏权重共享的多模态轨迹预测方法基于车辆横向偏移的意图分类颜—非结构化迭代剪枝稀疏权重共享的编码器

解码器技术瓶颈基于稀疏权重共享模型结构道路拓扑结构交通参与者的交互参数稀疏化处理，产生具有特定驾驶意图特征的子网稀疏掩码矩阵。采用多子网并行训练策略，动态更新子网络的共享参数驾驶行为解析驾驶意图的不确定性04第四部分隧道周边环境安全监测预警设备及关键技术研究——隧道周边环境安全监测预警设备及关键技术研究成果1-实时交通流感知成果2-开发了软件中短临气象预测模块成果3-实现了路面状况精准监测智慧信标通过LPWAN通基于实时监测的气象数据，开发融合摄像和红外光谱的结信技术进行组网，将感知、上

了软件中短临气象预测模块，对以团雾

冰监测技术，实现了路面识别报、控制链路打通，将交通数

为代表的恶劣天气进行实时预测；结合

干燥、潮湿、积水、结冰、积据和环境数据传回数据终端，

基于散射光的强度检测的散射式能见度

雪等状态精准监测，为实时交实现了实时交通流感知。仪方法，为团雾预警提供支撑。通预警提供数据依据。——隧道周边环境安全监测预警设备及关键技术研究小型化静力水准仪能见度天气现象检测仪激光遥感式路面状况检测仪智能信标智能安全帽激光测距仪小型化静力水准仪隧道养护作业安全卫士05秦岭隧道群安防体系数字孪生系统建设——秦岭隧道群安防体系数字孪生系统建设基于分形技术利用遥感影像数据实现了三维地形构建，利用多源数据融合建模实现隧道三维场景平台构建。——秦岭隧道群安全防控体系数字孪生系统平台实现秦岭隧道群数字化、全息化，构建秦岭隧道群综合数据库，实现全方位动态全息感知。全息感知对关键目标全域跟踪、突发事件全域发布、应急响应全域联动，实现全域信息互通、一体协调。全域联动运用BIM、GIS、数字孪生等新技综合集成

术，做到多系统综合集成、多服务按需推送、多业务集中展示，实现全域接入、综合管理。——秦岭隧道群安全防控体系数字孪生系统平台建成了由风险管控地图、交通行为安全、结构安全、机电设施安全、周边环境安全、交通应急管控六大模块构成的“秦岭隧道群安全防控体系数字孪生系统平台”，打破秦岭现有各系统间信息壁垒，结合基于BIM+GIS技术，在系统中真实还原隧道内交通流、结构体、周边环境、应急救援等实体或事件状态，利用监测数据分析处理，实现了风险动态实时监测智能预警，达到信息赋能、感知预警、联防联控、应急救援的目标。——秦岭隧道群安全防控体系数字孪生系统平台1.隧道结构安全监测在秦岭Ⅰ、Ⅱ隧道上下行分别安装自研监测设备300余套，实时监测隧道群结构安全状态，展示监测设备状况。结构安全监测内容包括局部裂缝监测、应变监测、沉降监测、收敛监测。——秦岭隧道群安全防控体系数字孪生系统平台2.隧道机电设施监测结合秦岭隧道日常运营检查报告，确定布设方案，分析隧道机电、照明、消防设施运行管理流程，建立不同交通状况与特定光环境下的照明光源特性，制定满足隧道内不良空气环境下的通风策略。——秦岭隧道群安全防控体系数字孪生系统平台3.隧道周边环境监测Ø落石监测：利用分布式光纤感测技术实时了解隧道洞口山坡落石情况，进行预警。Ø团雾监测：由能见度仪和智能路侧单元协同监测，实现隧道口、服务区团雾监测预警，同时诱导车辆安全通行。Ø凝冰监测：利用路面状态监测仪准确了解隧道周边路面结冰情况，及时预警，保障行车安全，在长大下坡段朱雀隧道与仙人崖之间已完成凝冰监测。路侧单元分布式光纤凝冰监测——秦岭隧道群安全防控体系数字孪生系统平台4.隧道交通行为安全监测

异常事件检测违章停车、车辆碰撞、非法逆行、交通拥堵等

交通流量统计车辆流量统计、分车型车流统计、人流量预估

交通参数分析平均车速、道路占有率、车头间距、排队长度等

全域监控及告警隧道日常监控、危化品车辆监控、可视化监控告警等

车辆异常行为检测车牌识别、车身识别、车辆变道、车辆低速等——秦岭隧道群安全防控体系数字孪生系统平台5.隧道应急管控综合应用无人机1套、应急卫星天线4套、应急电话10套，路政指挥车1台实现隧道高效联动应急处理，数据集中管理展示，信息按需及时分发。重大事件光纤实时传输关键时间长期稳定可靠通畅无线区域组网5G广域全覆盖应急联动监测卫星远程通信移动应急中继辅助指挥决策多手段保障确保应急指挥数据及时满足参与应急处置职能——秦岭隧道群安全防控体系数字孪生系统平台6.隧道风险管控将西汉高速秦岭段的各隧道风险源进行统计分析，得出不同位置的风险源地图，为运营单位及时掌握隧道内各类风险事件提供数据支撑