基于AI视频+数字孪生的高速公路隧道安全运营管理应用

刘国文

（山西交通控股集团有限公司吕梁北高速公路分公司，山西吕梁 033000）

0 引言

AI视频+数字孪生成为新一代人工智能视频分析技术，其结合三维高精度地图GIS进行实景数字化还原展现的技术。准确地说，AI是工具，数字孪生是源自工业界的概念，通过AI视频与数字孪生结合，赋予机器以人的智慧，让机器去处理耗时、危险的事情，反映相应的实体装备的全生命周期过程。因此，AI视频+数字孪生技术凭借其优势，被有效应用于智能城市的发展中。

1 高速公路隧道运营安全风险因素

1.1 人为因素

在隧道运营工作的开展中，不仅施工人员会对运营工作带来影响，驾驶员和行人穿越等都会影响高速公路隧道运营的稳定性。驾驶员如果出现了疲劳驾驶和超速驾驶等情况，或在驾驶过程中注意力分散，没有注意前后的车距，就会导致判断失误，进而引发交通事故[1]。

1.2 车辆因素

高速公路隧道安全运营管理中的车辆因素，一般是指车辆本身的使用性能，如车辆的制动能力和车辆自身的操作性能等。此外，还有车辆停驶、车辆逆行、抛洒物、车辆拥堵、车辆驶离、超速、慢速等诸多因素。如果车辆在行驶过程中，出现了制动失灵和爆胎等问题，可能出现安全风险，对人们的生命安全造成威胁。

2 隧道AI视频+数字孪生分析

隧道“AI视频+数字孪生分析”技术通过像素级、二维空间和大地坐标三层坐标等映射模型算法，对车辆和物体的大小以及地理坐标进行综合性分析，进而保证轨迹采集和记录的有效性。

隧道AI视频+数字孪生系统的优势较多，其不仅可以采集交通参数、道路运行态势和道路环境等宏观信息，还可以在视觉感知等技术的基础上实时感知车辆、非机动车位置和速度，并结合道路基础设施的实际状态进行感知，如信号灯状态和车道状态等，充分结合本时段高速公路实际情况，为隧道运营方、常规车辆和无人驾驶汽车等构建数字世界，并将隧道内实时运行的车辆、行人等通过AI视频分析检测，然后通过建模的方式在数字世界实现隧道1∶1的实时还原，提供准确和全面的车路感知信息，从而为隧道“可测、可知、可控、可服务”提供数据基础。AI数字孪生监测下高速公路隧道内实时运行图如图1所示。

图1 AI数字孪生监测下高速公路隧道内实时运行图

3 数字孪生智能系统在高速公路隧道安全运营管理的应用

随着科技的不断进步，5G、物联网的应用，国家对交通运输安全尤为重视。在第十五届中国智能交通年会上，“AI+数字孪生公路”的概念被提出，目的是使智能一体化与新时期的创新发展深度融合。因此，高速公路隧道应建立“完善的监测感知体系、可靠的通信保障体系、实时的预警体系”，从而实现隧道“可测、可知、可控、可服务”的总体目标。

3.1 智能系统下的隧道监测管理

3.1.1 隧道主体结构健康监测

结合高速公路隧道的结构特点，大部分隧道都会修筑在山岭地区，周围环境和基础设备均比较差，通风、照明、形状等都是一大考验，因此在隧道的运营过程中，极易出现安全问题。特别是在6月—8月雨季时，衬砌表面和施工缝隙经常出现渗漏水的现象，有时甚至会造成隧道拱顶表面脱落或路面积水，影响出行安全。此外，一些隧道深埋于山体内部，如果围岩应力出现变化，或者是分布不均，会导致衬砌受力不均匀，造成局部围岩压力过高，极易导致隧道等部位出现变形，严重情况下会引起隧道二次衬砌开裂，需要相关的管理人员定期对其进行检测，对高速公路的隧道进行实时监测，并科学设置隧道中的传感设施，采集相关数据。同时，还要定期检测专业巡检人员的工作情况，通过专业设备，实现对隧道以及周围环境各项指标参数的检验，对隧道结构体的测量值进行准确判断。隧道结构体的健康检测流程图如图2所示。

图2 隧道结构体的健康检测流程图

在此过程中，可以结合实际需要，调整人工设置的数据采集频率，一般情况下30～60min采集一次数据即可。所采集的数据可直接上传至监控中心的服务器，然后通过系统内预先设置的健康评价模型，对数据进行整合和计算，从而得出隧道健康度数值。如果此数值大于等于系统设定的健康最低数值，会显示隧道运营正常。当其低于设定值时，系统会发出报警提醒，然后将其分为三个等级，分别为普通、严重以及危急。

3.1.2 隧道交通事件检测

系统可在行车道、紧急行车道和紧急停车道等基础上实现对各种交通事件的自动检测和分析，主要从事件开始时间、事件类型、检测地点和检测方向等内容出发，将其实时上传到中心的综合管理平台，有助于工作人员及时检测行人穿越、车辆拥堵、车辆驶离和慢速等问题[2]。如果事件发生，系统会自动报警，且可对相关事件进行自动录像，前后控制时长不少于3min。此外，系统能记录720h的事件录像，每台检测摄像机视域内设置的检测区域不少于128个，每个检测区域都可单独进行各类交通数据采集。系统可实现图像分析处理和维护管理的异地化组网功能，较少占用网络资源，当前端交通参数检测分析处理设备在与中心服务器通讯出现故障时，能够满足本地的全部检测功能不受影响，所有数据全部存储在内部存储器上。一旦通讯恢复，设备能够自动将全部数据转移到后端应用设备及平台，保证与通信中断时数据不丢失。

3.2 智能系统下设备运行安全与实现

人工智能与数字孪生的融合，可对隧道内的机电设备进行实时监测并进行安全风险识别、可视化管理，人工智能凭借其最佳算法优势，加之数字孪生的实时性、精准性、虚实交互、干预性、软件定义典型特征，能够实现虚拟世界-数据世界-现实世界同步运行与管理，从而提高效率，降低成本。

隧道管理人员可通过用户界面，在GIS地图信息中更加直观地查看隧道周围的环境，及时发现其中的问题，及时处理。此外，也要做好救援、疏散等应急措施，提前做好防护，规划好逃生路线，并做好设备养护工作，任何情况下都应确保人员生命安全[3]。

4 结语

综上所述，相较于BIM三维模型，AI视频+数字孪生监测联动系统表现出了更加突出的优势。因此，数字孪生更适用于路桥工程、隧道工程、轨道工程等城市对应物通过虚拟世界模拟建立高精度、智能化反馈现实世界的数字模型，实时扫描和捕获其运行状态、工况以及位置信息，不仅能对建筑物进行性能模拟，还可对建筑物进行全生命周期维护。数字孪生还适用于各种工业施工领域，通过AI视频+数字孪生的描述、预测、诊断、决策功能，为智能城市医疗健康、工业制造、建筑建设、交通运输、智慧农业、电力设施等垂直行业赋能。