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隧道云智能感知技術與方法 版權信息
- ISBN:9787030701183
- 條形碼:9787030701183 ; 978-7-03-070118-3
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊數:暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>
隧道云智能感知技術與方法 本書特色
適讀人群 :高等院校交通運輸類、土木工程類及電子信息工程類專業學生,從事交通運輸規劃與管理的工程技術人員智慧交通、交通安全、現代隧道技術
隧道云智能感知技術與方法 內容簡介
針對長大隧道運營管養需要,分別從結構病害、機電系統以及交通監控三方面著手,系統性開展高速公路長大隧道運營安全風險機理與特征、運營安全風險辨識與評估、運營安全風險監測與決策等研究。重點突破隧道結構病害、機電系統運行以及交通事件等的云感知技術與方法,研究高新技術(如5G、AI、VR以及IoT等)在長大隧道巡檢中的集成化應用,推廣面向長大隧道的云智能巡檢機器人系統。在理論研究和工程示范的基礎上,深化研究和系統分析,為公路長大隧道的安全管養提供科學依據和可靠指導。
隧道云智能感知技術與方法 目錄
序
前言
第1章 概述 1
1.1 背景和意義 1
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 12
第2章 隧道云智能感知的新型設備與技術 15
2.1 激光雷達感知技術與方法 15
2.1.1 激光雷達簡介 15
2.1.2 激光雷達工作原理 17
2.1.3 激光雷達在隧道云智能感知方面的應用 19
2.2 毫米波雷達感知技術與方法 21
2.2.1 毫米波雷達簡介 21
2.2.2 毫米波雷達工作原理 23
2.2.3 毫米波雷達在隧道云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 31
2.3.3 攝像機在隧道云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 紅外熱像儀在隧道云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 光纖光柵在隧道云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 基于行車聲音的檢測原理 59
2.6.3 聲音檢測在隧道云智能感知方面的應用 63
第3章 隧道結構病害云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 91
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 110
第4章 隧道機電系統云智能感知技術與方法 112
4.1 隧道照明系統運營感知 112
4.1.1 隧道照明系統概述 113
4.1.2 隧道照明系統運營方法研究 114
4.1.3 隧道照明系統智能感知技術應用 115
4.2 隧道供配電系統運營感知 116
4.2.1 隧道供配電系統概述 117
4.2.2 隧道供配電系統運營方法研究 118
4.2.3 隧道供配電系統智能感知技術應用 120
4.3 隧道消防系統運營感知 121
4.3.1 隧道消防系統 122
4.3.2 隧道消防感知方法研究 123
4.3.3 隧道消防系統智能感知技術應用 124
4.4 隧道通風系統運營感知 128
4.4.1 隧道通風系統概述 128
4.4.2 隧道通風系統運營方法研究 131
4.4.3 隧道通風系統智能感知技術應用 131
4.5 隧道監控系統運營感知 132
4.5.1 隧道監控系統概述 133
4.5.2 隧道監控系統運營方法研究 134
4.5.3 隧道監控系統智能感知技術應用 136
4.6 隧道交通管控系統運營感知 137
4.6.1 隧道交通管控系統概述 137
4.6.2 隧道交通管控系統運營方法研究 137
4.6.3 隧道交通管控系統智能感知技術應用 138
第5章 隧道交通云智能感知技術與方法 141
5.1 隧道內交通事故感知技術 141
5.1.1 隧道交通事故概述 141
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 161
第6章 基于云智能感知的隧道巡檢系統 163
6.1 智能巡檢系統簡介 163
6.1.1 智能巡檢系統研究現狀 163
6.1.2 智能巡檢系統應用現狀 166
6.1.3 智能巡檢系統設計要求 170
6.2 基于云智能感知的巡檢系統組成 173
6.2.1 巡檢機器人 173
6.2.2 通信系統 175
6.2.3 監控后臺 177
6.3 智能巡檢系統功能 178
6.3.1 結構安全巡檢 178
6.3.2 機電系統巡檢 179
6.3.3 交通運營巡檢 180
第7章 六盤山特長隧道云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 隧道結構安全辨識與評估 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 191
7.3.1 巡檢機器人安裝 191
7.3.2 結構安全感知檢測 194
7.3.3 機電系統感知檢測 195
7.3.4 交通管控感知檢測 196
7.3.5 云智能分析平臺 196
參考文獻 208
彩圖
隧道云智能感知技術與方法 節選
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%,盆地和平原約占陸地面積的 33%,公路隧道在改善道路線形、縮短行車里程、保護生態環境等方面發揮了積極作用。近 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設進程的深入,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,于 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,于 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)。近 30年來我國高速公路隧道飛速發展,尤其是近 10年來長大隧道大量出現,然而與發達國家相比,公路隧道運營安全風險感知與防控經驗不足,總體水平和效率較低。特別是長大公路隧道運營安全智能感知與防控技術,已經成為高速公路運營安全領域的突出重點問題。主要表現在以下幾方面。 (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)長大公路隧道安全問題日益凸顯。作為高速公路上的關鍵路段和控制節點,公路隧道大多位于山脈交叉、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“端墻”效應明顯,特別是長大隧道受長度、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、危化物泄漏等事故的不確定性更高。由于結構設施復雜、通風條件受限、交通流量較大、安全疏散難度較大,事故影響的時間長、影響范圍大,事后處理中“進入難、分流難、疏通難、救援難”的問題非常突出,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。 近年來,我國高速公路隧道內頻繁發生的各種安全事故,給社會造成了巨大的負面影響、經濟損失和人員傷亡,近年我國公路隧道部分安全事故見表1-1。 表1-1 近年我國公路隧道部分安全事故統計表 隧道內常見的交通事故因素主要包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)。當發生意外安全事故時,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故包括隧道交通事故、隧道積水事故、突發安全事故以及隧道燃爆事故等(圖1-3),由于隧道交通環境狹窄、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)突發安全事故 (d)隧道燃爆事故 圖1-3 常見隧道事故 對于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并未明確和系統化,也沒有一個完整的公路隧道防火救援體系。目前,在隧道安全領域,絕大多數成果均來自隧道災難后的事故調查結論,隧道安全風險管理通常為事后型的歸納式被動風險管理,難以保障長大公路隧道系統的安全性。 近年來,國內主要針對隧道建設期的安全風險問題進行研究,對運營期安全研究相對較少。針對監控、防災與通風進行過專項研究;針對隧道進出口的線形、照明、路面抗滑等方面進行了一定探索;針對交通事故防治、火災、通風、安全疏散和煙霧控制等單方面的安全風險因素進行了研究,但安全風險問題研究缺乏系統性和全局性。隧道在高速公路交通系統中占有極其重要的地位,提高隧道的管理監控水平如風險防控、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,是關系經濟社會發展全局和人民群眾生命財產安全的大事,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)長大公路隧道安全事故危害巨大。由于隧道環境密閉、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,其后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群傷、交通污染、經濟損失等重特大社會公共安全事件。 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安全風險類型。隧道結構損毀安全風險: 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。隧道交通事故安全風險: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安全風險:據統計,危險化學品運輸已占國內公路貨運總量的 30%,化學品燃燒爆炸直接威脅著隧道結構和人員安全。隧道火災事故安全風險: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,進而引發機電設施失效、交通混亂、爆炸、車輛追尾等救援更難、范圍更大、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、應急救援和交通恢復,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 失火爆發成災的時間一般為 2~10min。因此,火災發生后的 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后,一般需要幾分鐘后才能造成危害,大約 10min可達一定規模,若不加以控制,則災情將進一步擴大。特別強調,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,救援活動完全由現場人員自發性地進行,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兼職消防人員到達現場后,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“進入難、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和進入事故區進行施救,大型施救設備和醫療急救難以施展。當在公路隧道內發生意外事故時,可能會造成有別于開放性路面的各種不利于救援的危險情況。 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系,而電臺廣播接收也有困難,僅能對司乘人員單向傳遞信息,無法進行雙向信息溝通,因此司乘人員如何利用緊急電話迅速與監控中心取得聯系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系統等監測事故變化,但隨著時間推移,部分監測設備可能遭受損壞或造成功能受損,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。 ④進入搶救困難,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,救援人員進入不易,僅能利用非事故隧道和橫通道等迂回進入。 隨著我國公路建設的發展,長隧道及特長隧道不斷增多,公路隧道交通安全形勢變得更加嚴峻,隧道已經成為安全事故的主要空間分布點和事故黑點,提高公路隧道運營安全防控與管理水平,已經是我國公路交通運營管理面臨的重要難題。長大公路隧道運營安全防控是一個復雜系統工程,主要表現在以下幾方面。 (1)隧道運營安全事故誘因眾多。除了人、車、隧道、環境、管理因素,必須重點考慮隧道地質條件、工程結構、行車環境、設施設備、災害天氣等特殊影響因素。 (2)隧道運營安全事故特征復雜。事故形態復雜,如隧道結構損毀及車輛追尾碰撞、撞隧道壁、翻車、失火、危險化學品泄漏等。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)隧道運營安全防控面廣點多。既有技術性的“硬”措施,也有組織管理等“軟”措施;既有安全預防、安全維護、安全監測措施,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)隧道運營安全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。 由于公路隧道運營安全防控綜合性、復雜性、多變性的特點,目前國內外尚未建立完善的隧道安全理論體系,也沒有成熟完整的隧道安全風險管控實用系統。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,公路隧道安全誘因及其內在機理、安全風險綜合監測與辨識、安全風險綜合評估等研究領域較為薄弱。在應用層面,目前公路隧道運營安全管理信息資源缺乏,公路隧道安全智能監控預警系統、安全事故管理決策系統、安全事故應急保障體系、安全事故應急預案及處置措施、救援設施等尚不健全,不能適應公路隧道快速發展和長期需求。 近年來,隨著以深度學習(deep learning)為代表的人工智能技術的突飛猛進,相關技術應用在眾多領域取得突破性進展。我國《交通強國建設綱要》和《交通運輸部關于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”作為長期發展的愿景,而智能感知技術是當前交通發展的前沿方向。在交通系統車載端,無
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