数字孪生在隧道智慧化升级中的应用实践

文/《中国交通信息化》记者 户利华

近年来，在政策与技术的双重驱动下，数字孪生与隧道正在“双向奔赴”。隧道作为特殊构造物，面对环境封闭、设备繁杂、管理机制尚不完善等诸多原因，其运营管理工作面临着严峻挑战，当前利用创新技术手段实现隧道智慧化升级至关重要。在此背景下，业内人士认为“隧道有必要通过数字孪生技术实现全息化应用”，“低延时、全过程、精个体地展示隧道内全部交通状态至关重要”。

隧道具有空间狭长、结构封闭、无应急车道、黑白洞效应等特点，隧道内发生事故的严重程度和造成的人员伤亡后果更为严重，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。在隧道日常运营管理中，交通拥堵、隧道火灾、违法变道、交通事故、行人入侵、车辆逆行、路面抛撒、停车占道、非机动车检测等成为关注重点。

业内人士认为，当前隧道运营管理中面临两大痛点。一方面，当前事件检测精度普遍较低。隧道内发生交通事故、车辆故障、路障、行人后，需要及时发送警告信息，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。另一方面，无法识别交通安全风险。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，更无法实时识别交通风险及评估交通安全态势来采取对应措施。

面对隧道营运的刚性需求，近年来在隧道建设升级中，数字孪生技术得到越来越多的应用。数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。据业内人士介绍，2018年及以前，数字孪生技术大多处于概念培育期、技术方案架构期（探索）；2018年以后，数字孪生迎来“整体性落地建设”探索期，随着新一代信息技术的发展，实现高仿真，沉浸式的孪生模型。在此背景下，基于隧道营运需求与数字孪生的契合点，数字孪生隧道受到越来越多的关注。

事实上，为了实现隧道运营管理更智能、更精准、更安全，多地已经在逐步开展数字孪生隧道的建设与落地。

据介绍，广西信梧高速借助现代化智慧高速建设理念打造基于毫米波雷达实现精准感知隧道数字孪生安全管控系统。该项目建设的隧道精准感知和数字孪生系统平台，不仅要满足目前的隧道安全管理和服务需求，也将实现未来的功能扩容，与其他子系统进行有机整合，为未来实现更全面、高效、便捷、节能的管理和服务目标提供支撑，以开展更高级别的车路协同、自动驾驶等智慧高速探索，减少基础建设和设备的重复投入。

太湖隧道作为全国最长最宽的水下隧道，涵盖了大多隧道存在的应急救援难、设备管控难等运营难题，对于实时在线运行监测、预防性管控等安全运营管理要求更高。据了解，太湖隧道通过打造的基于数字孪生技术的路隧一体化云联智控平台有效解决了运营管理难题。通过引入数字孪生技术，不仅完成了映射、控制和预警等基本功能，而且实现了很多在现实中难以尝试的事情，这些均可在虚拟隧道中进行仿真、试验和优化，再配合后台对应的具体模型算法，基本达到了L4级“以虚优实”的效果。[1]

近期，广东省首个数字孪生智慧隧道平台已于深圳市南山区塘朗山隧道开展试点应用。据介绍，该平台主要运用了物联网、人工智能、大数据等技术，将城市维度整体路网、周边环境、塘朗山隧道及附属设施进行三维数字孪生管理，拥有隧道设备设施数字化运维、重点车辆管控、自动应急处置、结构安全监测等几大核心应用。总体来看，该平台可以解决塘朗山隧道日常运营存在的基础设施难监测、隐形病害难发现、风险车辆难监控、应急事件处置慢等难题。

近期，浙江省高速公路首个“数字孪生隧道试点项目”在杭金衢高速新岭隧道正式落项，这也是浙江在高速公路隧道路段的唯一数字试点项目。据了解，新岭隧道“数字孪生项目”是基于前端数据采集、后台数据分析、平台直观展现的一个“元宇宙”数字化项目。项目建成后，通过前端视频加雷达的数据采集系统对每一辆通行隧道的车辆进行“身份绑定”，并进行全程管控跟踪。后台经过数据计算和三维模型建立，将通行车辆的特征、行驶状态、交通状况等信息直观地在平台展示，管理人员能随时掌握隧道内流量情况和设备运行状况，从而更高效、更直观、更准确地发现和处置各类应急突发事件，提升隧道安全应急管控能力。

从技术功能方面来看，业内人士指出，通过数字孪生技术可以实现隧道内的全域全息交通感知、实现高效的事故处置协同、实现隧道照明智能控制、实现隧道内伴随式出行服务、拓展隧道运营风险决策分析。

以下以广西信梧高速智慧隧道的“隧道数字孪生安全管控系统”为例介绍系统构建。该系统将隧道内的监控摄像机、火灾检测摄像机、车道管理器、情报板、广播、诱导灯等子系统，接入路侧边缘计算服务器，通过数字孪生安全管控系统，对隧道管理子系统数据进行分析、展示，将子系统有机整合在管控系统平台内，实现各子系统之间的数据互联互通。[2]

数字孪生安全管控系统架构图[2]

隧道数字孪生安全管控系统的架构包括感知控制层、技术及数据支撑层、应用层。[2]其中，感知层由CitRadra-TD380高精度毫米波雷达、高清抓拍卡口、监控摄像机、火灾检测摄像机、气象检测器等设备组成；技术及数据支撑层分为路侧数据层和中心数据层；数字孪生管控平台是应用层的中心，基于高精度地图信息，对隧道通行数据、路况数据、车辆目标数据、事故事件数据、设备数据、环境数据等进行详细展示。

该系统在功能上，包括实景漫游模块、运行监控模块、全景回溯模块、事件管控智能诱导模块、气象感知模块、设备管控模块。[2]

实景漫游模块。数字孪生安全管控系统采用全新的AI建模技术，在实现现场实景快速一比一还原的基础上，采集包括毫米波雷达在内布设的所有感知设备数据，将其综合应用至三维数字孪生场景中，实现从静态场景到动态数据的全路段完整还原。实景漫游功能模块使监控人员掌握交通运行状态、交通事件分布、设备设施分布、道路气象状态等全路段宏观状态。同时，监控人员可通过预定的多个视角及巡视路线功能，实现关键点位、关键路线的局部微观监视。

运行监控模块。运行监控模块是数字孪生安全管控系统的核心，主要包括全线道路运行状态、车辆监视和重点车辆管控功能。

全景回溯模块。全景回溯模块实现了对关注车辆及周边车辆在时间与空间上的完整回溯。

事件管控智能诱导模块。系统前端布设高精度毫米波雷达，进行道路交通事件感知。雷达将数据传输至边缘计算服务器，由边缘计算进行事件二次分析，同时分析可能产生的次生事件，确保交通事件上报精准。数字孪生安全管控系统接收到交通事件报警时，自动进行声光提醒，方便监控人员及时介入。事件发生时，系统将自动调度事件位置周边的多台监控摄像机，对事件进行聚焦及视频、图像采集记录，同时针对特定事件提供快速处置方案。

气象感知模块。系统接入小型气象检测器等气象感知设备数据，将局部天气状态实时映射至数字孪生系统。对局部阴晴雨雪雾等天气情况及气象浓度进行直观展示，通过系统内置的“气象条件对道路交通的影响分析算法”，实时分析气象数据，一旦发现恶劣气象，则自动进行气象影响报警，提醒监控人员介入。

设备管控模块。设备管控模块实现对隧道的“一张图”展示。监控人员可以查看隧道内所有设备设施，通过点击选择指定设备，查看设备信息，实现设备开启、关闭、修改等操作。可管控设备包括雷达、监控摄像机、抓拍摄像机、边缘计算服务器、车道指示灯、可变情报板、隧道照明灯、风机、火灾报警设施、报警电话、隧道机器人等。系统实时侦测设备设施的运行情况，当设备设施出现异常时，自动发出报警，提示监控人员查看；汇总问题设备形成养护工单，发送至设备管理系统或设备养护终端APP，交予养护管理人员。

模拟仿真模块。模拟仿真模块通过采集历史交通流信息或人工设置交通流信息，对特定路段道路进行交通流模拟仿真，通过交通流仿真和节假日交通流仿真，展现道路通行能力。系统具备交通事件应急演练功能，对重大活动、交通事故、道路施工、气象灾害、地质灾害等事件实施应急预案，借助实景影像，对沿途环境进行微观观察和分析，动态模拟展示预案区域和路线的周边环境、应急资源部署情况。应急演练主要包括现场环境模拟、人员调度模拟、行径路线模拟、实时调度模拟等。

总体来看，目前多个省份开展数字孪生隧道建设，取得了多个应用突破，但尚未形成行业统一共识和建设范式。数字孪生隧道未来的建设重点是建设期BIM模型如何轻量化应用于运营期数字孪生，孪生系统如何与业务系统深度融合，从而解决实际业务应用。