关小杰：数字孪生隧道技术路线、建设成本

编者按：近日，在赛文交通网举办的“新基建下的智慧隧道技术应用与实践”线上研讨会上，广东省交通规划设计研究院机电与智慧交通所长关小杰就广东省智慧隧道技术的探索与实践工作，作了《数字孪生隧道技术路线——广东省智慧交通探索与实践》报告。

首先，该报告就现如今隧道运营管理的痛难点与数字孪生的契合点进行了深入分析；其次，阐述了基于“激光+视频”、“毫米波+视频”和“AI视频”的数字孪生隧道三条主流技术路线，并详细介绍了各个技术路线所对应的广东省内实际应用场景；最后，针对数字孪生技术的三条技术路线进行多场景比对，从路段交通量、道路安全、隧道规模、投资性价比等多维统筹考虑，提出了具体实施建议供行业参考。

一、隧道营运痛难点与数字孪生

1. 隧道运营管理关注重点

一是隧道与普通道路环境存在差异。隧道作为特殊构造物，空间狭长、结构封闭、无应急车道、黑白洞效应，以及隧道内的照明条件、光线环境、横截面的形状、路面摩擦系数等综合因素，都会对驾驶人的环境感知和驾驶反应都造成障碍，从而影响驾驶行为。

二是隧道事故严重程度高于普通路段。隧道内发生交通事故的风险低于相同条件下的普通道路，但隧道内事故的程度和造成的人员伤亡后果更为严重。据国外统计数据，隧道内事故致人死亡的风险是普通路段的两倍。

三是隧道内起火事故易造成群死群伤。起火事故率在所有严重事故中占比高达32%，并且隧道起火事故造成的经济损失常伴随交通拥堵和对隧道结构物的破坏，后果严重。

具体的关注重点涉及以下9方面：

2. 隧道运营管理痛难点

一是当前事件检测精度普遍较低。在隧道内发生交通事故、车辆故障、路障、行人、非机动车后，需要及时发送警告信息给相关主体，快速响应要求极高。当前隧道监控普遍以人工巡视为主，无法保证全天候尤其是凌晨时段的工作状态；视频事件检测为辅助手段，但仍存在着精度低、误报率高、误报次数多的现状，需要人工反复确认，难以达到全类型事件精准检测的要求。

二是无法实时评估隧道交通态势。国内外通过对事故分析发现，多数事故是由野蛮变更车道和车速过快导致，交通事故的重大隐患，当前的人工巡查基本以事后特情处置为主，无法对洞内“两客一危”重点车辆的实时监控，更无法实时评估交通安全态势来采取对应措施。

总体来看， “人工+事件检测” 的传统方式已无法满足微观层面安全监管需求的情况下，如何实现精准感知、快速发现、避免二次事故，成为隧道安全营运要解决的首要问题。

3. 隧道营运需求与数字孪生的契合点

■ 以“单个事件”的微观视角，解决交通事件检测是“精准”难题。

■ 以“全域感知”的中观视角，提升对交通安全运营态势的评估能力。

4. 数字孪生隧道技术路线

一、 基于激光+视频的数字孪生隧道。目前已在广明高速的祈福隧道运行，于2021年中投入使用，由万集科技集成实施。

二、 基于毫米波+视频的数字孪生隧道。目前已在连英高速的金门隧道运行，于2021年初投入使用，由海康威视集成实施。

三、 基于AI视频的数字孪生隧道。目前已在惠清高速的杨梅隧道运行，部分功能仍处于研发调试中，由百度集成实施。

5. 数字孪生隧道核心技术

核心技术一：高精度地图。包括可行驶边界线、车道线、车道单元、交通标识以及固定地物。

核心技术二：三维建模与引擎。包括实景三维建模和三维渲染引擎。

核心技术三：高精度授时服务。包括高精授时服务和时间对齐服务。

二、基于激光+视频的数字孪生隧道

1. 广明高速公路概况

广州（番禺）至佛山（高明）高速公路。项目全长为30.8公里，双向六车道，通车时间为2015年12月31日，设计时速为100公里（隧道限速80km/h）。

2. 祈福隧道概况

结构形式：左右线整体式框架结构，隧道净5m，净宽14.5m。

隧道全长：1848m。敞开段共240m，封闭段1178m，设天井段430m。

日均交通量：2021年上半年日均交通量双向合计为7万pcu/d以上。

车型构成：客车占比约75%，货车占比约25%。

3. 祈福隧道特情发现及处置统计

根据隧道特情发现及处置统计数据，祈福隧道平均每月发生特情约30次，以某月祈福隧道特情处理为例，共计特情27次，其中车辆故障10次、轻微事故5次、路障1次、电动车上路1次、拥堵7次、日常巡检3次。其中占比最大的是车辆故障，其次是交通拥堵。

4. 祈福隧道外场硬件配置

在隧道洞口实施一套全断面检测卡口，以实现车辆信息的标定与采集。在整个隧道内1848米的范围内设置12套视频+激光融合高精度感知计算单元，每套单元中包括一套32线的路侧激光雷达、两个400万像素的高清视频以及36tops的边缘计算设备。

系统核心能力如下：

（1）隧道入口身份识别

■   车辆信息标定：在入口处通过激光对车牌硬触发，抓拍率达到99.5%。

■   车辆识别锁定：隧道入口处将车牌号、位置、速度、航向角等车辆信息进行绑定。

■   车型分类：分为客车、货车、7座车、工程车辆以及特种车辆。

■   两客一危车辆识别：两客一危车辆判别与跟踪提醒。

■   行人闯入识别：行人闯入判别、报警与跟踪提醒。

2）隧道全域感知、全程跟踪

■   系统能力：系统有效检测区域为半径100m环形；检测时延小于80ms；精度为隧道内±30cm定位精度；有效检测静止目标、慢行目标。

■   交通参与者检测能力：检测准确率为机动车³98%，行人、非机动车³95%；目标定位精度<30cm；速度检测准确率<±1.5km/h；机动车航向角±0.3°。

■   交通状态检测能力：可检测流量、密度、速度、排队长度和车头时距。

5. 激光+视频数字孪生隧道系统能力

（1） 高精度事件检测

主要检测项包括交通事故检测、异常停车检测、交通拥堵检测、车辆变道检测、车辆慢行检测、行人穿越检测、车辆逆行检测以及遗撒物检测八项。基于车辆全域运动轨迹对车辆运动相关的事件进行判断，从本质上提高交通事件检测的可能性，完成低时延上报。当发生异常情况时，触发监控中心事件报警，同时基于事件位置启动重点位置展示界面，辅助管理人员确认应急事件。

（2） 隧道内全域跟踪

多基站融合+身份传递：车辆隧道全域跟踪成功率大于98%。

■ 核心技术：单基站精准感知+多基站感知结果匹配，实现车辆全域运行轨迹。

■ 实现全域跟踪前提：目标车辆轨迹连续，不跳变；相邻感知基站有感知重叠区域；相邻感知对同一目标物识别位置准确测量；感知基站底部盲区小，算法补偿优异。

■ 车辆多视角呈现：根据高精度感知计算单元激光雷达和视频对车辆检测的融合结果，跟随车辆展示；实现车后视角、车内视角、车载视频呈现等。

（3）多维度的实时监测分析预判

■ 实时运行状态：车流、车辆总数、每车道车辆数、危化品车数、各车道通行速度实时数据展示；当前事件实时数据展示。

■ 运行趋势分析：断面车流量、通行速度、跟车百分比、时间占有率统计趋势分析。

■ 车辆行为分析与数据统计：按车牌号的车辆画像、车辆行为数据统计；当日车辆数、车道平均速度、各类型车辆数统计。

■ 图谱分析：车流图谱、占有率图谱、通行速度图谱、交通事件时空分布图谱。

6. 祈福隧道数字孪生平台效果

祈福隧道改造于2021年4月完成后，抽取3个月份事件实测数据统计及分析，对隧道内机动车、行人、超速、变道事件（不含抛撒物）检测准确率³98%，基本实现了“发现即上报”的快速精准检测能力，以及规范司乘人员驾驶行为，提高隧道主动安全防控水平。

三、基于毫米波+视频的数字孪生隧道

1. 连英高速公路金门隧道概况

连英高速公路为东西走向，全长148公里，双向4车道，设计时速为100公里每小时。金门隧道是目前广东交通集团里最长的一条隧道，全长为6481/6466m，为分离式路基。

2. 金门隧道外场硬件配置

（1）热成像+洞口高清卡口

隧道前方5km设置车辆超温检测、车辆超温警示及车辆降温判定系统，进行正面、双侧实时测温，测温范围为0℃-550℃，其中重点关注温度超过160℃的车辆。速度在100km/h以下的车辆测温误差在15%以内，测温距离为25m。此外，洞口处设置高清卡口来实现隧道内车辆图像信息的采集。

（2）视频+毫米波融合高精度感知计算单元

感知硬件配置包括900W全结构化摄像机、77GHz毫米波雷达以及16tops边缘计算设备。测量间距为150米。

3. 金门隧道数字孪生平台实际效果

■   隧道态势感知：包括重点隧道数据概览、重点隧道基础信息、重点隧道分布展示及重点隧道事件预警四大板块。

■   3D隧道：基于Uinty引擎，依托高精地图与三维场景建模技术，构建孪生世界内的隧道真实场景的细节刻画信息，可通过鼠标拖动、鹰眼地图点选的形式实现隧道全局的上帝视角查看。

4.金门隧道特色场景-防患于未“燃”

通过热成像与毫米波雷达的配合，实现提前感知、提前预警、及时处置。

■   车辆体温检测：在车辆进入隧道前5公里，通过部署三台热成像与一台卡口抓拍机，完成车辆三个侧面的温度识别与车牌提取、车型识别。同时进行后端告警，显示车辆温度与车牌，提示执勤人员进行注意。

■   车辆超温警示：当检测到有车辆超温时，自动通过交通诱导屏与高音喇叭提醒驾驶员车辆温度过高，指导其进行停车降温检修。

■   降温区停车确认：通过高清相机确认车辆是否驶入降温区，并自动记录车辆停车检修时间。

■   车辆降温判定：根据两卡口抓拍车辆的图片时间判断车辆是否在路途中的行程时间，同时再次进行测温，确认车辆已达安全温度。

■   车辆未降温提醒：对于未停车的超温车辆进行提醒，再次强调车辆温度过高，提醒驾驶员谨慎驾驶。

5. 金门隧道数字孪生平台效果

事件检测及跟踪精度：利用高清视频画面结构化与雷达动态目标追踪技术，实现车辆轨迹级别的跨设备、跨面面、无缝化、零盲区、无延迟连贯追踪。金门隧道事件检测实测数据如下：

四、基于AI视频的数字孪生隧道

1.惠清高速公路杨梅隧道概况

惠清高速全长126公里，双向6车道，设计时速为100公里每小时，于2020年10月正式通车，杨梅隧道长547/502米。

2.杨梅隧道数字孪生系统应用

（1）可视化管理：数字孪生可视化管理，立体呈现多场景：

■   隧道动静态数字孪生

■   隧道态势全息感知

■ 隧道安全主动预警

■ 车道级主动安全管控

■ 可视化指挥调度

■   智能决策分析

■   智能运维管理

（2）智能运营分析：隧道运营数据智能分析，为管理者提供工作报表和辅助决策。包括：

■   交通量分析

■    危化品车辆运行分析

■   货车运行分析

■   交通事件分析

■   隧道环境管理分析

■   基础设施安全性指标分析

■   应急救援高效性指标分析

■   隧道养护运营管理分析

■   设备运维管理分析

3.杨梅隧道数字孪生特色应用-互联网地图+I2V

隧道安全预警信息的多端I2V（路到车）发布，及时诱导疏散车辆，减少二次事故伤害。信息发布流程包括三步骤：事件主动发现、平台审核及事故信息预警发布。

五、数字孪生技术路线比对

1. 数字孪生技术路线比对

数字孪生隧道建设成本（以1km单洞隧道为样本）

2.数字孪生技术实施建议

数字孪生技术路线没有好坏优劣之分，需要考虑场景、成本与技术的匹配。

一是流量大、货车比例高的隧道，安全为首要考虑因素，建议考虑激光或毫米波+视频方案，快速发现，避免二次事故。

二是流量小、隧道占比高的隧道，性价比可作为首选条件，建议考虑纯AI视频方案，在一套数字孪生的平台下，多个隧道大范围低成本实施。

三是对于隧道占比高、改造成本高、营运压力大的路段，既达到高精度又兼顾性价比，可从交通安全风险产生机理考虑，可采用洞口激光或毫米波+视频组合方案，洞内纯视频的方案。

注：本表格引用自公安部道路交通安全研究中心官方账号《改善国内隧道交通安全？国外的这些研究成果可借鉴》，仅供参考，本文未经严格的学术研究论证，项目实施前需经具备公路设计咨询资质的单位复核论证。