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近年来隧道建设规模不断扩大，据交通运输部统计数据，截至2023年末，全国公路隧道27297处，特长隧道2050处，长隧道7552处。在此背景下，隧道作为特殊构造物，在运营过程中存在救援困难、信息不畅、系统集成度不高、重监视轻控制等问题，隧道的智慧升级势在必行。
在隧道里程增加的同时，国家和各部委陆续出台了多项政策文件，积极推动公路隧道提质升级，促进隧道服务水平与公路交通数字化、网络化、智慧化相结合。《交通运输领域新型基础设施建设行动方案（2021-2025年）》提出，提升特长隧道、隧道群结构灾害、机电故障、交通事故及周边环境风险等监测预警和应急处置技术应用水平。《公路“十四五”发展规划》提出，逐步构建全覆盖全天候全要素路网运行感知体系，加强对交通流量、气象环境、突发事件、违法超限等信息的自动感知和主动预警。《“十四五”全国道路交通安全规划（2022年）》提出，以隧道、桥梁、长下坡、匝道等重点路段为突破点，加强视频视觉技术应用，推进路侧智能交通管控设施建设，实现交通违法和交通事件的自动发现、警示提醒。《关于进一步加强隧道工程安全管理的指导意见（2023）》提出，贯彻“安全第一、预防为主、综合治理”的方针，坚持超前预控、全过程动态管理理念，全面加强隧道工程安全管理，有效防控重大安全风险。
面对安全与效率提升的急切需求与政策技术的双重加持，隧道进行智慧化升级迫在眉睫。
背景分析
管理痛点与分级建设
作为公路路网中监管难度最高的路段，隧道是公路场景中难啃的“黑盒子”。当前隧道运营管理仍然面临一系列痛点问题：一是设备国产化和智能化程度低，核心设备国产化覆盖率低、传统PLC的“线网部署”成本高，单点故障对于整体机电系统的影响大；二是设备使用年限长，隧道建设周期长、硬件后期养护及更新速度较慢，甚至超期服役，存在隐患；三是运行态势监测困难，对交通通行状态监测手段有限，难以覆盖全时段，留下极大的监控盲区；四是事件应急处置能力不足，大多数应急预案缺少定量化的应急预案内容，此外针对重大事件的处置流程，人员决策不够及时有效，风险处置效率低下；五是养护主要依赖人工作业，隧道病害、机电设备故障缺乏智能化实时监测，无法及时发现安全隐患。
在此背景下，北京万集科技股份有限公司北京研究院院长、智慧公路技术总监武宏伟指出，当前隧道的智慧化建设首先需要根据隧道交通流量、长度、客货比和个性需求等因素，进行智慧化分级，以实现投资效益最大化。以路侧感知方案为例，根据公路隧道实际业务需求，总结出四种方案，在实际项目中，根据隧道运行管理需求和问题解决需要，选取一种或多种感知方案应用，以有效满足各场景实际状况。
一是视频+高精地图融合感知方案，即在隧道全线布设长焦视频相机+短焦视频相机的融合感知方案，满足普通隧道场景感知需求，该方案适用于日均交通流量10000以下、单洞长度2km以下、货车占比25%以下的普通隧道场景。
二是视频+激光间隔部署感知方案，即在隧道主线段应用视频感知方案，但在隧道特殊危险场景及出入口等重要节点位置应用激光融合感知方案，满足隧道普通路段与重要节点位置感知需求。该方案适用于日均交通流量10000以上、单洞长度2～3km、货车占比25%以上的隧道场景。
三是激光+视频全域融合感知方案，即在隧道全线应用激光雷达+视频相机的融合感知方案，满足隧道危险场景及出入口感知需求。该方案适用于日均交通流量10000以上、重点隧道及事故多发隧道、货车占比25%以上的隧道场景。
四是ETG+仿真推演方案，即在隧道全线应用ETC天线，关键断面部署激光精准感知，弱感知区域交通流仿真的感知方案，满足隧道全路段感知与事件检测需求。该方案适用于ETC深化应用，尝试创新体制机制，低成本投入、整合隧道现有资源的建设场景。
总体来看，隧道数字化转型与智慧化升级，需要对当前管理痛点与实际需求进行深入分析，逐步多方面、多层次不断推进，其目标主要体现在三个方面：一是隧道智能监控管理风险防控的提升，即通过隧道智能化策略及预案的联动管控，实现实时监测预警与预案体系联动的信息化，提前预判风险并实现闭合管控；二是公路隧道基础设施的运营效率提升，即通过机电设备的健康状态监测、通风照明节能模型验证，实现隧道营运养护的精细化管控，达成降本提质的目标；三是隧道营运数据驱动的管理决策支持，即通过建设隧道营运管理的业务标准化及数据交互共享机制，利用标准化的数据治理手段实现营运监测辅助。
实践创新
多条隧道智慧化建设路径
事实上，为了实现隧道运营管理更智能、更精准、更安全，多地已经积极推进隧道智慧化建设与落地，并取得了一定成果。例如，江苏太湖隧道通过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；深圳市南山区塘朗山隧道通过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，解决了日常运营存在的基础设施难监测、隐形病害难发现、风险车辆难监控等难题；秦岭天台山超长隧道群通过推广应用雾天智能行车诱导系统、全方位路况感知与预警系统等支撑了工程建设和后期运营管理；广西信梧高速打造了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，不仅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等。以下通过大娄山隧道群和雪峰山隧道的建设实践探索隧道智慧化升级路径。
大娄山隧道群
五位一体管理模式 “1+4+1+8”架构体系
据悉大娄山隧道是目前贵州省高速公路第一长隧道，是典型高速公路隧道群，该路段存在长下坡、凝冻、团雾等特点，管理难度大，安全风险高。基于该隧道建设规模、建设与运维难度，其智慧升级建设实践具有一定示范意义。
据贵州中南交通科技有限公司技术总监杨焙介绍，在数字化转型解决思路上，该隧道群基于解决“路、车、人、环境”的关系，建设“智能研判、协同管控、实时监测、分级策略、应急处置”五位一体的创新管理模式，最终形成8大场景、26类事件、4个管控等级，联动29类设备，共计700多条分级分类场景预案管理策略及预案。
在建设内容上，主要从三个方面开展。一是在机电系统集成中尽可能采用新设备和新技术，比如采取新一代红外监测技术对超温车辆进行预警，构建车辆超温预警系统；比如增加多光谱火焰探测设备，提升隧道内火灾监测点覆盖面和精准度等。二是对软件应用平台进行重构，把全部数据、全部业务制定统一标准，将技术层面与业务流程进行打通，实现数据展示与业务联动的统一集成，并在此基础上规划了8大业务板块，在每一板块下再建立细分场景下的应用系统。三是在构建产品时，引入第三方专业机构参与标准的制定和算法建模等工作，并确保能够在实际应用系统中发挥作用。
在应用平台架构上，首先，采用“1+4+1+8”架构体系，即1张图指挥调度、4大业务场景、1个技术底座、8大类应用功能。方案沿用了交通行业的“云、网、边、端”基础架构，并引入物联中台、数据中台和技术中台，实现技术底座的标准统一。此外，针对特长隧道和隧道群可能产生的业务需求，构建了业务应用平台的8大功能板块，并通过一张图实现数据的展示和监控中心的指挥调度。目标是在“智能预警、调度协同、低碳节能、数字治理”4类业务场景下，实现隧道营运管理的业务价值提升。
具体来看，在安全预警提升方面，建立统一的预警发布平台和管理机制，实现安全预警一张图；通过建立预警联动处置“事件库”，实现安全预案的联动处置；通过关联高速调度云数据，实现一路三方联动；通过构建针对重点运行车辆的三级管控策略提升主动管控效果；开展低碳节能应用，构建隧道运行节能的大数据算法模型；数字孪生应用，基于高精地图和3D建模构建路段底图。
雪峰山隧道
“4115N”建设内容 5项创新成果
据了解，雪峰山隧道是湖南省内最长的隧道，其智慧化提升项目旨在打造省内公路隧道智慧化改造与运营养护一体化示范工程，提供一套可复制、可落地的“两型两性”（智慧型、低碳型和安全性、强韧性）隧道智慧化提升方案。
雪峰山隧道智慧化提升建设内容概括为“4115N”，即：构建“云-网-边-端”4个板块（一套多维数字化感知体系、一套智能边缘计算体系、一张融合通信网络、一个雪峰山隧道智能云平台）、制定1套运行保障机制、细化1套应急预案、应用5项特色技术，并开展N项机电设施维修改造。雪峰山隧道智慧化提升建设内容如下图所示。
雪峰山隧道智慧化提升建设内容
雪峰山隧道智能云平台构建集智慧交通、智慧安全防范、智慧运营养护为一体的智慧隧道系统，为隧道提供全面的感知、可靠的物联、高效的协同、智慧的应急，保障雪峰山隧道安全运行。在实际创新成果方面，一是采用公路隧道基础设施数字化技术，实现土建结构、机电设施资产“构件级”管理，静动态全生命周期数据体系建立、生命期数字孪生模型建立。二是采用公路隧道全要素智能检查与科学决策技术，实现隧道全方位智能检查、技术状况动态评估、实时预测与主动预警、约束养护资金与技术状况条件养护策略分析。三是采用公路隧道重点车辆及突发事件智能管控技术，实现交通事件、重点车辆（两客一危）的精准监测识别、研判预警、高效管控处置。四是建设隧道车辆超温检测预警系统，大幅提升隧道超温车辆应急响应及联动能力，有效减少超温车辆起火事故风险。五是侧墙亮化涂装，应用新型材料纳米硅负离子涂料、蓄能发光特色涂装，实现涂装绿色节能、安全智慧。
总之，透过多地的实践探索可以看出，基于大数据、人工智能、物联网等技术的智慧隧道，为提升隧道安全保障能力、通行效率、服务水平等奠定了基础，智慧隧道建设成为我国从隧道大国迈向隧道强国的必由之路。当前全国公路隧道27297处，其中服役时间超过10年约37%，超过20年约8%，在役隧道智慧化升级改造成为未来发展的重点工作。
应对思路
四类问题 四点建议
面对隧道在运营过程中存在救援困难、信息不畅、系统集成度不高、重监视轻控制等问题，中交第一公路勘察设计研究院有限公司副总工程师刘建蓓提出了应对思路。
第一，目前隧道（群）系统中包含多个子系统，如交通监控、照明控制、通风系统、消防系统、紧急救援等，这些系统之间相互独立且缺乏有效联动，导致系统功能应用有效性不足。对此，一是要进行顶层规划，明确各系统的定位、关系及协同方式，优化系统架构，避免功能重复和冲突；二是要进行系统梳理，对现有隧道系统进行全面梳理，明确各系统的功能、覆盖范围、设备状况等；三是要进行标准制定，通过制定统一的系统接口标准、数据格式标准等，确保各系统之间的顺畅通信和数据共享。
第二，隧道系统中的数据来源于多个设备和系统，采集数据类型多样、格式不一，导致数据难以清洗、打通和融合。对此，一是进行数据清洗，建立数据清洗机制，对采集到的原始数据进行预处理；二是实现数据打通，通过数据接口、中间件等技术手段，实现不同系统之间数据的互通互联；三是实现数据融合，基于数字孪生技术，构建数据底座、模型引擎与可视化表达，同时利用大数据分析、机器学习等技术，对数据进行融合处理，提取有价值的信息。
第三，当隧道内发生紧急事件时，如何及时发现、应急联动、快速疏解和精准管控？对此，一是事件识别，利用先进的感知技术，实时监测隧道内的情况，及时发现异常事件；二是事件分级，根据事件的严重程度和影响范围，对事件进行分级处理；三是应急联动，建立应急联动机制，确保在紧急事件发生时能够迅速启动相关系统和设备，进行快速响应；四是主动管控，依据事件分级和应急预案，采取相应的管控措施，如调整交通流量、发布预警信息等。
第四，隧道内的感知、预警、管控等设施需要正常运行才能发挥其作用，然而，如何对这些设施的运行状态进行精准、实时监测和评估？对此，一是自诊断评估功能，在设施设计中增加自诊断评估功能，使其能够实时监测自身状态并判断是否存在故障；二是节能控制，优化设施的运行策略和控制算法，实现节能控制要求；三是定期评估，定期对设施进行运行评估和维护保养，确保其处于良好状态；四是远程监控，利用物联网技术实现设施的远程监控和管理，提高管理效率和质量。
武宏伟则从技术方面将隧道运营难点分为运营安全、管理效率、出行服务三个方面并给出了对应措施。例如，在运营安全方面，存在两客一危车辆一旦发生事故将造成极大危害、特种车辆易于引发事故、事故应急处置过程状态及效果无法实时掌握、事故难以及时发现进行处置、应急救援调度时效性低、事故后续处置难以定责、隧道及其影响区域管控难度较大等难点，对此可通过两客一危全域跟踪、特种车辆重点监控、高可靠事件检测、交通事件检测预警、应急联动处置、事故证据链取证、隧道及其影响区域安全管控等应对措施，从而实现对隧道内交通环境、交通事件及交通参与者进行全要素感知，实现重点车辆跟踪、事故预测、应急处置等功能，保证隧道运行安全。
总体来看，未来隧道智慧化建设需要实现系统集成的精细化管控、绿色低碳下的节能减排、前沿技术创新应用管控、多源数据融合标准建立、车路协同自动驾驶支持等。当前在政策与技术双重驱动下，智慧隧道建设“渐入佳境”，但建设并非智能化技术的简单堆砌，应以业务需求为主导，应以务实与解决现实问题为第一要义，未来仍任重而道远。