基于北斗的隧道内行车状态综合监测系统及应用

● 文 |北京国交信通科技发展有限公司 张炳琪 吴晓东

基于北斗的隧道内行车状态综合监测系统及应用

● 文 |北京国交信通科技发展有限公司 张炳琪 吴晓东

一、背景

2010年国务院要求运输企业按照《国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知》要求，必须为“两客一危”车辆安装符合《道路运输车辆卫星定位系统车载终端技术要求》（JT/T794-2011）的卫星定位装置，并接入全国重点营运车辆联网联控系统，对全国范围“两客一危”等重点营运车辆进行安全监管。目前全国已经有超过400万辆公路营运车辆安装了卫星导航定位终端并接入全国联网联控系统。但是，当重点营运车辆进入隧道后，由于导航卫星被遮蔽，车载卫星定位装置无法正常工作，无法辨识车辆的位置状态，当此类车辆出现运行异常后，监控系统无法及时感知，存在重大安全隐患。构建基于卫星导航、光学探头、雷达的隧道内行车状态综合监测系统，有效补充现有重点营运车辆联网联控系统在隧道内车辆安全监管的空白，完善全国路网重点营运车辆无缝监管，实时完整获取“两客一危”车辆的行车状态，有利于保障隧道中的行车安全、避免重大交通事故的发生，提高隧道事故应急处理工作的开展和实施，并有效地预防二次事故的发生。

在此背景下，北京市科学技术委员会在2015年重点科技项目“基于北斗导航的隧道内行车状态综合监测系统研制”中，支持开展隧道导航信号复现设备、雷达设备、隧道车辆行车状态后台监控系统的研制工作，并确定在北京市青龙桥隧道开展示范应用。

二、需求分析

通过对国内（广东清远、韶关、成都、上海以及北京等地）隧道监控系统现状进行调研分析，了解隧道监控系统现状和隧道车辆行车状态监控系统功能需求。

1. 用户需求分析

交通运输部用户：联网联控系统无法监管隧道内营运车辆状态，隧道车辆行车状态监控系统是联网联控系统重要补充。

隧道管理方：要求实时提供即将进入隧道的营运车辆行驶状态信息，以及隧道内车辆行驶状态信息，及时发现隧道周边及隧道内车辆异常状态，为隧道快速采取安全管理措施提供决策依据。

途经隧道的驾驶员和车辆：在具备信息接收条件下，接收监管方系统信息，并能够逐步反馈给监管方现场信息。

隧道安全事故救援方：及时获取隧道监测预警和报警信息。

2. 系统功能需求分析

系统能够通过接入联网联控系统下发的重点营运车辆信息（包括车牌号，车辆类型，位置和速度等），并结合隧道端视频摄像头和雷达设备采集的车辆信息，能够为隧道管理单位提供以下功能：

● 重点营运车辆进入隧道提醒

● 进入隧道车辆数量统计

● 车辆超速、停车监控及报警（即将进入隧道和已进入隧道车辆）

● 隧道运行状态报告及决策信息

三、系统设计

依据需求分析，在不更换现有重点营运车辆已安装北斗车载监控终端前提下，开展基于北斗导航、光学探头、雷达的隧道内行车状态综合监测系统设计。系统通过处理联网联控系统推送的重点营运车辆信息，以及隧道端导航信号复现终端、雷达设备、光学摄像头等传感器所采集的车辆信息，判断隧道内车辆行驶状态，当发生异常状态时能够及时报警，为隧道安全管理提供决策支撑信息。选择在北京市青龙桥隧道，开展基于隧道内行车状态监测应用示范，实现“重点营运车辆进入隧道提醒”、“进入隧道车辆数量统计”、“车辆超速、停车监控及报警”等功能，保障隧道中的行车安全、降低隧道内重大交通事故发生的概率。

隧道内行车状态综合监测系统主要由隧道导航信号复现设备、雷达设备、视频设备和隧道车辆行车状态后台监控系统组成。以青龙桥隧道为例，该隧道全长2800m，按照600m覆盖范围计算，需5套隧道导航信号复现设备。由于雷达设备成本较高，本示范仅规划覆盖距离洞口700m，按照平均120m计算，需要6套雷达设备。此外，在隧道入口处部署4个视频摄像头。总体方案如图1所示。

1. 隧道导航信号复现设备

（1）主要功能

能够同步复现隧道外空旷位置站点北斗导航信号。现有车载监控终端无需任务改动，即可接收该复现信号进行定位。

（2）系统组成

隧道导航信号复现设备包括卫星导航主控设备以及导航信号发射终端设备。具体包括以下功能模块：

授时分机：接收星上的导航信号，解析出当前时间和真实星历，通过串口发送给上位机。同时为导航信号发射终端设备提供高精度的1PPS和10.23M时钟。

上位机：运行北斗卫星导航隧道内定位系统主控软件。

DSP模块：执行DSP软件程序，完成参数解算的工作。

FPGA模块：执行FPGA软件程序，完成导航信号生成的工作。

AD9520模块：为AD9739模块和FPGA模块提供时钟信号。

AD9739模块：将FPGA模块输出的数字信号转换为模拟信号。

合路调理模块：将噪声信号和导航信号进行合路放大。

（3）结构设计

为实现便携式设计，课题重点考虑产品结构上的强度、防护性，充分考虑了防水、防盐雾、防腐蚀、对抗强振动、强阳光、强电磁干扰、潮湿、多粉尘等恶劣条件的影响，同时在结构设计（如图2所示）中考虑到板卡的散热问题以及安装问题。

2. 雷达设备设计

（1）主要功能

能够连续探测隧道内车辆行驶轨迹，获取车辆位置、速度等信息。

（2）系统组成

雷达设备基于ivq905进行开发，主要包括雷达前端和雷达控制卡两个模块。

● 雷达前端：雷达前端工作于FMCW 模式，通过控制VCO电压控制信号频率，实现锯齿波或者三角波调频。

● 雷达控制卡：雷达控制卡由CPLD子模块、电源子模块、四路带通滤波子模块组成。

3. 视频设备

视频设备已经比较成熟，主要功能是为了实现进入隧道车辆车牌信息采集，与雷达设备、导航信号复现设备采集的车辆信息进行融合处理。

● 能够接收联网联控系统推送的重点营运车辆信息；

● 能够监控隧道内及周边重点营运车辆行驶状态；

● 向联网联控系统推送隧道内重点营运车辆异常行驶行为信息。

（2）系统组成

系统软件主要由部级平台隧道监控软件接口插件和隧道车辆行车状态监控软件两部分组成。

● 部级平台隧道监控软件接口插件

● 隧道车辆行车状态监控软件

四、测试验证

4. 隧道车辆行车状态后台监控系统

（1）主要功能

2016年4-8月，在北京市青龙桥隧道开展了多次试验，本次测试主要验证隧道导航信号复现设备和雷达设备在隧道复杂环境下工作性能。

青龙桥隧道位于北京市延庆县，东西走向，单向隧道全长2825m，是八达岭过境线的控制性工程，在节假日期间来往客运车辆较多。青龙桥隧道实景见图3。

开展试验期间，在距隧道进京方向入口400m和1200m处，各安装1个隧道导航信号复现设备。在距隧道进京方向入口400m处，每隔100m安装1个雷达设备，共计4个。在试验车上安装符合JT/T 794标准的车载终端，从隧道入口处至驶出隧道出口，全程记录车载终端定位数据，同时记录雷达设备采集的车辆轨迹信息。经数据分析，导航信号复现设备广播的导航信号，隧道内行驶车辆所安装的车载终端接收该导航信号可实现定位解算，定位结果95%散落在该导航信号复现设备发射天线已知位置的10m范围内。每个雷达设备在其100m有效探测范围内，可以连续精确地采集隧道内车辆轨迹信息。测试分析结果见图4所示。

五、应用情况

“隧道车辆行车状态后台监控系统研制和示范应用”课题成果在北京市青龙桥隧道开展了示范应用，获得用户报告。该课题是面向公路隧道车辆运行安全监控需求，创新性的提出了隧道内扩展定位技术（正申请专利），综合视频、雷达等信息，开发了省市级和隧道管理站级两级隧道行车状态监控系统，能够实时监控隧道内车辆停车、超速等异常情况，并可通过全国重点营运车辆联网联控系统获取危险品运输车等重点营运车辆信息，为隧道管理单位提供安全管理决策支撑。

示范工作中，在该隧道入口处安装了4套视频设备，用于获取社会车辆车牌信息。在进京方向隧道内安装部署了5套导航信号复现设备、6套雷达终端。隧道端硬件部署情况见图5。

在距隧道500m处隧道管理站控制指挥中心安装部署部级平台隧道监控软件接口插件1套以及隧道车辆行车状态监控软件1套，用于接收交通运输部重点营运车辆联网联控系统推送的青龙桥隧道周边5km范围营运车辆信息，并结合隧道入口视频设备、隧道内雷达设备和卫星导航设备采集的车辆状态信息，综合分析隧道内车辆异常驾驶行为，当隧道内发生超速、停车等异常情况是，系统能及时通知隧道管理方采取应急措施。隧道内车辆行车状态监控系统软件运行情况见图6、图7所示。

经青龙桥隧道管理站试用、测试，示范应用目标完成，成果显著，达到预期效果。下一步，将继续做好成果转化及推广应用工作。