本書詳細闡述隧道雲智能感知技術與方法。全書共7章，首先，對現有隧道感知設備與技行逐一分析和介紹，並從隧道結構病害、機電繫統運營狀態、交通運行的雲智能感知技術與方法三個方面分行闡述；然後，通過構建以雲智能巡檢機器人為支撐的隧道實時感知與數據解臺，介紹以雲計算與人工智能為基礎的長大隧道群復雜多場景大數據法；後，以青蘭高速公路六盤山特長隧道運營風險智能監測與防控技術提升示範工程為例，將隧道病害結構監測、隧道運營環境監測、隧道機電運營狀況監測、隧道內交通運行監測及雲智能巡檢機器人融為一體，充分地發揮雲計算與大數據技術在異質海量數據實時面的優勢，打造隧道雲智能綜合感知繫臺。

序 
前言 
第1章 概述 pan> 
1.1 背景和意義 pan> 
1.2 國內外研究現狀分析及評價 7 
1.2.1 國外研究現狀 7 
1.2.2 國內研究現狀 9 
1.3 市場需求前景與推廣應用領域 pan> 
第2章 隧道雲智能感知的新型設備與技術 pan> 
2.1 激光雷達感知技術與方法 pan> 
2.1.1 激光雷達簡介 pan> 
2.1.2 激光雷達工作原理 pan> 
2.1.3 激光雷達在隧道雲智能感知方面的應用 pan> 
2.2 毫米波雷達感知技術與方法 2pan> 
2.2.1 毫米波雷達簡介 2pan> 
2.2.2 毫米波雷達工作原理 23 
2.2.3 毫米波雷達在隧道雲智能感知方面的應用 28 
2.3 攝像機感知技術與方法 29 
2.3.1 攝像機簡介 29 
2.3.2 攝像機的工作原理 3pan> 
2.3.3 攝像機在隧道雲智能感知方面的應用 33 
2.4 紅外熱像儀感知技術與方法 38 
2.4.1 紅外熱像儀簡介 38 
2.4.2 紅外熱像儀的工作原理 39 
2.4.3 紅外熱像儀在隧道雲智能感知方面的應用 45 
2.5 光纖光柵感知技術與方法 52 
2.5.1 光纖光柵簡介 52 
2.5.2 光纖光柵的火災檢測原理 53 
2.5.3 光纖光柵在隧道雲智能感知方面的應用 55 
2.6 聲音感知技術與方法 59 
2.6.1 聲音檢測技術簡介 59 
2.6.2 基於行車聲音的檢測原理 59 
2.6.3 聲音檢測在隧道雲智能感知方面的應用 63 
第3章 隧道結構病害雲智能感知技術與方法 76 
3.1 隧道滲漏水感知技術 76 
3.1.1 隧道滲漏水病害概述 76 
3.1.2 隧道滲漏水病害檢測方法研究 78 
3.1.3 隧道滲漏水智能感知技術應用 87 
3.2 隧道結構裂損與脫落感知技術 89 
3.2.1 隧道裂損與脫落概述 89 
3.2.2 隧道襯砌裂損與脫落檢測方法研究 9pan> 
3.2.3 隧道裂損或者脫落智能感知技術應用 99 
3.3 隧道結構形變與位移感知技術 102 
3.3.1 隧道形變與位移概述 102 
3.3.2 隧道形變與位移檢測方法研究 103 
3.3.3 隧道結構形變與位移智能感知技術應用 1pan> 
第4章 隧道機電繫統雲智能感知技術與方法 1pan> 
4.1 隧道照明繫統運營感知 1pan> 
4.1.1 隧道照明繫統概述 1pan> 
4.1.2 隧道照明繫統運營方法研究 1pan> 
4.1.3 隧道照明繫統智能感知技術應用 1pan> 
4.2 隧道供配電繫統運營感知 1pan> 
4.2.1 隧道供配電繫統概述 1pan> 
4.2.2 隧道供配電繫統運營方法研究 1pan> 
4.2.3 隧道供配電繫統智能感知技術應用 120 
4.3 隧道消防繫統運營感知 12pan> 
4.3.1 隧道消防繫統 122 
4.3.2 隧道消防感知方法研究 123 
4.3.3 隧道消防繫統智能感知技術應用 124 
4.4 隧道通風繫統運營感知 128 
4.4.1 隧道通風繫統概述 128 
4.4.2 隧道通風繫統運營方法研究 13pan> 
4.4.3 隧道通風繫統智能感知技術應用 13pan> 
4.5 隧道監控繫統運營感知 132 
4.5.1 隧道監控繫統概述 133 
4.5.2 隧道監控繫統運營方法研究 134 
4.5.3 隧道監控繫統智能感知技術應用 136 
4.6 隧道交通管控繫統運營感知 137 
4.6.1 隧道交通管控繫統概述 137 
4.6.2 隧道交通管控繫統運營方法研究 137 
4.6.3 隧道交通管控繫統智能感知技術應用 138 
第5章 隧道交通雲智能感知技術與方法 14pan> 
5.1 隧道內交通事故感知技術 14pan> 
5.1.1 隧道交通事故概述 14pan> 
5.1.2 隧道交通事故影響因素分析 144 
5.1.3 交通事故感知技術 148 
5.2 隧道火災感知技術 149 
5.2.1 隧道火災概述 149 
5.2.2 隧道火災影響因素分析 150 
5.2.3 火災感知技術 152 
5.3 隧道內交通量感知技術 154 
5.3.1 隧道交通量概述 154 
5.3.2 隧道內交通運行影響因素 155 
5.3.3 交通量感知技術 157 
5.4 隧道異常駕駛行為感知技術 159 
5.4.1 隧道異常交通行為概述 159 
5.4.2 隧道異常交通行為影響因素分析 160 
5.4.3 異常駕駛行為感知技術 16pan> 
第6章 基於雲智能感知的隧道巡檢繫統 163 
6.1 智能巡檢繫統簡介 163 
6.1.1 智能巡檢繫統研究現狀 163 
6.1.2 智能巡檢繫統應用現狀 166 
6.1.3 智能巡檢繫統設計要求 170 
6.2 基於雲智能感知的巡檢繫統組成 173 
6.2.1 巡檢機器人 173 
6.2.2 通信繫統 175 
6.2.3 監控後臺 177 
6.3 智能巡檢能 178 
6.3.1 結構巡檢 178 
6.3.2 機電繫統巡檢 179 
6.3.3 交通運營巡檢 180 
第7章 六盤山特長隧道雲智能感知工程案例分析 183 
7.1 項目概況 183 
7.1.1 項目背景 183 
7.1.2 現有隧道檢測存在的主要問題 186 
7.1.3 項目目標 188 
7.2 項目內容 189 
7.2.1 隧道結構辨識與評估 189 
7.2.2 隧道機電運行監測與管控 190 
7.2.3 交通運營監測與管控 190 
7.3 項目實施 19pan> 
7.3.1 巡檢機器人安裝 19pan> 
7.3.2 結構感知檢測 194 
7.3.3 機電繫統感知檢測 195 
7.3.4 交通管控感知檢測 196 
7.3.5 雲智能分臺 196 
參考文獻 208 
彩圖

隨著“西部大開發”“”“交通強國”等國家戰略的相繼實施和，以及《國家綜合立體交通網規劃綱要》的貫徹和落實，西部地區具有山地城市的交通智能化建設需求愈發強烈。與此同時，受交通基礎設施建設大發展時期的歷史因素和技術條件影響，在很長一段時間內，我國的“重建輕養”現像比較突出。加之隨著交通基礎設施存量的持續增加和服務年限的不斷增加，交通基礎設施的養護需求和壓力與日俱增。新形勢下，“建養並重”逐漸成為行業的共識，交通基礎設施養護工作，是智慧養護技術越來越受到各方重視。

作為交通基礎設施的典型代表之一，公路隧道在提升道路通達能力，解決交通干線跨江越海受到的限制，縮短線路裡程，降低對周圍環境和人民生產、生活的影響等方面有其的優勢些年來在國內外發展迅速。然而，公路隧道結構設施復雜，通風條件受限，出入口少，疏散線路長，發生事故後持續時間長，影響範圍大，短時間內，往往會造成慘重的人員傷亡和重大的經濟損失，甚至造成二次災害。因此，加強對隧道的檢測與養護是保障隧道長期服役性能、確保車輛與行人的重要措施，正確辨認隧道運營狀況、健康狀態也成為該領域為重要的關鍵問題。

本書圍繞隧道運營問題，通過引入激光雷達、毫米波雷達、攝像機、紅外熱像儀、光纖光柵等感知設備以及聲音、影像等實時感知方法，從隧道結構病害、機電繫統運營狀態、交通運行三個應用場行闡述，論述了公路隧道實時的風險感知和防控方法。通過對隧道常見結構病行關鍵特征分析與參數提取，實現了基於深度學隧道滲漏水和裂縫的動態甄別；同時，利用示範工程中采集到的上萬張典型事故圖例，完成了隧道交通事故、火災、違章駕駛等多種交通感知實驗。通過構建雲-邊-端一體化隧道雲智能監測繫統，研發了基於智能巡檢機器人的隧道雲智能感知監臺，充分發揮雲計算與大數據技術在異質海量數據實時面的優勢；利用數字孿生技術實現對隧道群的雲智能感知及運營狀態監管。書中深入淺出地介紹如何完整地構建隧道雲智能感知監測繫統，同時詳細闡述隧道智能感知技術與方法，為制定相關的隧道感知監測繫統提供參考和借鋻。

全書在撰寫過程中得到國家研發計劃項目“道路基礎設施智能感知理論與方法”（2018YFB1600200）、交通運輸部科技示範工程“面向長大隧道的雲智能風險防控技術”的支持以及寧夏回族自治區交通運輸廳科技項目“長大隧道運營風險智能監測與防控技術示範”的支持。感謝何兆益、吳逸飛等在撰寫過程中的指導和幫助，感謝撰寫團隊中張書、劉豐傑、段學峰、何永福等的支持和配合。

由於作者有限，書中難免存在不足之處，敬請讀者批評指正。

第1章 概述 
1.1 背景和意義 
我國地勢西高東低，復雜多樣，山地、高原和丘陵約占陸地面積的 67%，盆地原約占陸地面積的 33%，公路隧道在改善道路線形、縮短行車裡程、保護生態環境等方面發揮了積極作用 10年來，我國年均新建公路隧道約 350km，已經成為世界上公路隧道昀多、昀復雜、發展昀快的國家。截至 2020年底，全國公路隧道 21316處、2199.93萬延米，增加 2249處、303.27萬延米，其中特長隧道 1394處、623.55萬延米，長隧道 5541處、963.32萬延米，且多以隧道群的形式出現 [1]。此外，隨著社會經濟的快速發展和交通建程的深入，高速公路建設正快速向中西部山區延伸，長距離連續隧道群的規模將日益增大，隧道的運營管理與維護問題逐步凸顯。 
國內外長距離隧道中，我國秦嶺終南山隧道雙洞、四車道，單洞全長 18.02km，目前為我國**、世界第二長公路隧道，於 2007年 1月 20日正式通車；挪威洛達爾隧道全長 24.51km，單洞，雙向兩車道，被稱為昀長的公路隧道，於 2000年 11月 27日正式通車；目前在建的中國烏尉天山勝利隧道單洞全長 22.035km，雙向公路隧道，2018年開建，建設期 6年(圖1-1) 30年來我國高速公路隧道飛速發展，尤其 10年來長大隧道大量出現，然而與發達國家相比，公路隧道運營風險感知與防控經驗不足體和效率較低。是長大公路隧道運營智能感知與防控技術，已經成為高速公路運營領域的突出問題。主要表現在以。 
(a)秦嶺終南山隧道 (b)挪威洛達爾隧道 (c)天山勝利隧道 
圖1-1 國內外典型長大隧道 
(1)長大公路隧道問題日益凸顯。作為高速公路上的關鍵路段和控制節點，公路隧道大多位於山脈交叉、丘陵溝壑區域，地理環境復雜、地質構造特殊、隧道內空間封閉、噪聲大、能見度低，“黑洞”、“白洞”及“端牆”效應明顯，是長大隧道受長度、交通流量、車型、車載危化物等因素影響較大，決定了隧道發生結構、消防、交通、危化物洩漏等事故的不確定性更高。由於結構設施復雜、通風條件受限、交通流量較大、疏散難度較大，事故影響的時間長、影響範圍大，事後處理中入難、分流難、疏通難、救援難”的問題突出，極易造成嚴重的二次災害，短時間內，往往會造成慘重的人員傷亡、交通阻斷、重大經濟損失及社會影響。 
年來，我國高速公路隧道內頻繁發生的各種事故，給社會造成了巨大的負面影響、經濟損失和人員傷公路隧道部分事故見表1-pan> 
表1-1年我國公路隧道部分事故統計表 
隧道內常見的交通事故因素主括車輛違法駕駛行為、車輛承載物意外掉落、隧道內設備零部件掉落、隧道襯砌掉落等，影響其他車輛行駛(圖1-2)。當發生意外事故時，因隧道封閉的交通環境很容易造成二次事故，導致隧道交通癱瘓。 
(a)車輛違法駕駛行為 (b)車輛承載物掉落 (c)隧道設備零部件散落 (d)隧道襯砌掉落 
圖1-2 隧道交通常見事故誘因 
隧道內常見的交通事括隧道交通事故、隧道積水事故、突發事故以及隧道燃爆事故等(圖1-3)，由於隧道交通環境狹窄、半封閉，因此當發生以上情況時，對交通的影響都會比普通的交通環境要大，維護救援難度也較大。 
(a)隧道交通事故 (b)隧道積水事故(c)突發事故 (d)隧道燃爆事故 
圖1-3 常見隧道事故 
對於長大公路隧道的運營管理，我國尚無具體的行業標準，對長大隧道應急救援的研究也剛剛起步，隧道管理部門對隧道的防災救援對策並未明確和繫統化，也沒有一個完整的公路隧道防火救援體繫。目前，在隧道領域，絕大多數成果均來自隧道災難後的事故調查結論，隧道風險管理通常為事後型的歸納式被動風險管理，難以保障長大公路隧道繫統的性。 
年來，國內主要針對隧道建設期的風險問行研究，對運營期研究相對較少。針對監控、防災與通行過專項研究；針對隧出口的線形、照明、路面抗滑等方行了一定探索；針對交通事故、火災、通風、疏散和煙霧控制等單方面的風險因行了研究，但風險問題研究缺乏繫統性和全局性。隧道在高速公路交通繫統中占有重要的地位，提高隧道的管理監控如風險防控、事故應急措施、事故應急預案等應變能力，具有十分重要的意義。昀大限度地減少隧道事故對社會的不利影響，是關繫經濟社會發展全局和人民群眾生命財產的大事，是交通行業落實科學發展觀，以人為本、執政為民、全面履行政府職能的重要內容。 
(2)長大公路隧道事故危害巨大。由於隧道環境密閉、機電設施較多、通道狹窄、疏散出口少、疏散救援路徑長、救援條件受限，一旦發生重大事故，其後果比開放性公路事故嚴重得多。輕則影響交通效率，重則導致瞬間交通整體癱瘓，甚至造成慘重的群死通污染、經濟損失等重特大社會全事件。 
隧道結構損毀、隧道交通事故、隧道危險化學品事故、隧道火災事故是目前高速公路隧道主要的風險類型。隧道結構損毀風險： 2012年 2月 2日，日本山梨縣笸子隧道坍塌，混凝土天花板掉落，造成 9人死亡、 2人受傷。隧道交通事故風險：數據統計表明，超過 60%的隧道交通事故是因駕駛員超速行駛引發的， 30%的隧道交通事故是由車輛自身機械故障引發的 [2]。隧道危險化學品事故風險：據統計，危險化輸已占國內公路貨量的 30%，化學品燃燒爆炸直接威脅著隧道結構和人員。隧道火災事故風險：國外 20世紀 90年代統計表明，隧道發生火災的概率是 10～17次/(億車 km)。國內公路隧道每 km行駛 5000萬輛，就有 1次火災發生，其火災發生的概率是鐵路隧道發生火災的 20～25倍。 
(3)長大公路隧道事故救援急迫性突出。隧道事故的影響程度具有明顯的不確定性。當隧道發生嚴重結構損毀、交通事故、危險化學品事故、火災事故和堵塞事故時，事態惡化發展迅速，易產生高溫、濃煙、熱氣、缺氧及人員恐慌等惡劣狀況而引發機電設施失效、交通混亂、爆炸、車輛追尾等救援更難、範圍更大、損失更重的二次事故。以隧道火災為例，由國內外隧道火災事故和科研試驗的調查可知，公路隧道火災事故救援過程依時序可歸納為以下 3個階段：緊急救援、應急救通恢復，公路隧道火災救援過程時序分段見表1-2。 
表1-2 公路隧道火災救援過程的時序性與階段性劃分表 
失發成災的時間一般為 2～10min。因此，火災發生後的 10min內是救援的**階段——緊急救援階段，也可以稱為即時救援階段。車輛在隧道內發生火災後，一般需要幾分鐘後纔能造成危害，大約 10min可達一定規模，若不加以控制，則災情一步擴大。強調，在即時救援過程中，存在一個短期的混沌階段。這個階段的主要特點是救援機構的組織機能尚未形成，救援活動由現場人員自發性行，一般可使用的滅火設備有滅火器和消防水喉。當隧道管理所的專業消防人員到達現場後，表示這個混沌階段結束。 
(4)長大公路隧道應急處置救援困難重重。公路隧道突發事故的發生具有不可預見性，事故處置救援往往呈現入難、分流難、疏通難、救援難”的特點。隧道內空間狹小，分流疏散難、疏通困難，救援力量很難及時到達入事故行施救，大型施救設備和急救難以施展。當在公路隧道內發生意外事故時，可能會造成有別於開放性路面的各種不利於救援的危險情況。 
①聯絡困難。司乘人員在隧道內無法用移動電話與外界取得聯繫，而電臺廣播接收也有困難，僅能對司乘人員單向傳遞信息，無行雙向信息溝通，因此司乘人員如何利用緊急電話迅速與監控中心取得聯繫或增強隧道內移動電話信號就顯得尤為重要。 
②狀況不明。事故發生初期雖然可通過監測繫統等監測事故變化，但隨著時間推移，部分監測設備可能遭受損壞或能受損，使外部救援人員無法完整掌握現場災情發展。 
③救援急迫性。長大公路隧道發生重大事故除了造成交通阻塞，也會導致隧道內部廢氣量迅速增加、溫度升高等情形，從而對車輛內司乘人員的身體造成傷害，還容易引發二次事故，因此隧道事故救援具有急迫性。 
入搶救困難，可及性低。長大公路隧道發生交通事故時，因連接外部的開口有限，救援人入不易，僅能利用非事故隧道和橫通道等迂入。 
隨著我國公路建設的發展，長隧道及特長隧道不斷增多，公路隧道交通形勢變得更加嚴峻，隧道已經成為事故的主要空間分布點和事故黑點，提高公路隧道運營防控與管理，已經是我國公路交通運營管理面臨的重要難題。長大公路隧道運營防控是一個復雜繫統工程，主要表現在以。 
(1)隧道運營事故誘因眾多。除了人、車、隧道、環境、管理因素，必須考慮隧道地質條件、工程結構、行車環境、設施設備、災害天氣等特殊影響因素。 
(2)隧道運營事故特征復雜。事故形態復雜，如隧道結構損毀及車輛追尾踫撞、撞隧道壁、翻車、失火、危險化學品洩漏等。事故時空分布復雜，既存在一定的必然性、規律性，又表現出極強的突發性、不確定性。 
(3)隧道運營防控面廣點多。既有技術性的“硬”措施，也有組織管理等“軟”措施；既有、維護、監測措施，也有事故管理、事故處置措施；既涵蓋規劃設計、建設施工、管理維護全過程，又涉及土建結構、交通工程、供配電、照明、通風、給排水、監控等眾多專業工程領域。 
(4)隧道運營研究的學科交叉融合性強。理論與應用研究中，需要隧道、道路、交通、運輸、管理、信息、力學、材料、機械、電氣等多學科的交叉、融合、綜合、協同。 
由於公路隧道運營防控綜合性、復雜性、多變性的特點，目前國內外尚未建立完善的隧道理論體繫，也沒有成熟完整的隧道風險管控實用繫統。雖然國內分別在隧道結構、火災、照明、通風、交通事故等方面開展了一些研究，但還沒有從全局角度，建立起適應我國高速公路隧道發展階段和特點的成熟理論，公路隧道誘因及其內在機理、風險綜合監測與辨識、風險綜合評估等研究領域較為薄弱。在應用層面，目前公路隧道運營管理信息資源缺乏，公路隧道智能監控預警繫統、事故管理決策繫統、事故應急保障體繫、事故應急預案及處置措施、救援設施等尚不健適應公路隧道快速發展和長期需求。 
年來，隨著以深度學習(deep learning)為代表的人工智能技術的突飛，相關技術應用在眾多領域取得突破展。我國《交通強國建設綱要》和《交通運輸部關於推動交通運輸領域新型基礎設施建設的指導意見》中，均明確提出研發應用智能化的交通裝備和技術。同時，主要發達國家均將交通事故“零傷亡”作為長期發展的願景，而智能感知技術是當前交通發展的前沿方向。在交通繫統車載端，無……