★ 江西省天驰高速科技发展有限公司 汪忠新

★ 江西方兴科技股份有限公司 万济兵

关键词：多传感器融合；球形摄像机；卡尔曼滤波法

在高速公路隧道施工过程中，因其具体环境复杂程度较高，因此存在较高的安全风险，对应施工质量的控制难度也相对较大[1]。从保障施工安全的角度出发，及时发现存在的安全隐患成为了实现高速公路隧道安全运营的关键。针对这一情况，相关监控技术的研究受到了越来越多的关注[2]。

其中，谢晓辉等人 [3]针对传统检测方法存在的局限性，并基于多传感融合的隧道物联消防终端在线质量检测方法研究，在对传感器选型及布局进行设计的基础上，综合多种传感器的数据信息，在构建的质量检测模型中实现对隧道物联消防终端更全面、精准的质量检测。实验验证结果表明，该设计方法在提高检测准确性、可靠性方面具有较高的有效性。但是对隧道位移的监控输出误差存在较大波动。李德均 [4]开展了视觉测量系统对新建工程既有下穿隧道监控量测影响的研究，此研究以实际新建工程案例为基础，利用视觉测量系统对既有下穿隧道进行监控量测。对比传统监控量测方法，视觉测量系统在测量精度、数据获取效率方面具有显著优势。但是在实际隧道位移的监控精度方面存在一定局限。王吏 [5]开展了高速公路隧道智能视频监控系统设计与实现研究，此研究通过综合运用视频处理技术、图像识别算法以及网络通信技术，实现了对隧道内交通状况、设备运行状态的实时监测与智能分析。实际测试结果表明，该设计系统能够有效提高隧道监控的智能化水平。不过，在隧道水平位移的监控方面，其输出误差较大。于淼等人[6]开展了高速公路隧道施工安全信息化监控技术与质量防控研究，此研究通过引入信息化技术，构建了涵盖多种监测手段的施工安全信息化监控体系，可对隧道施工过程中的关键要素，如地质条件、支护结构、施工设备等，进行实时监测与数据分析。同时，结合质量防控理论， 他们提出了涵盖施工工艺、材料管理的隧道施工质量问题防控措施。实际应用结果表明， 该技术与措施能够有效提升隧道施工的安全性与质量水平。然而， 对隧道位移的监控精度仍存在一定局限。

综合上述， 本文开展了基于多传感器融合的高速公路隧道全方位监控研究， 并通过实例应用分析了设计监控方法的性能。

1   高速公路隧道全方位监控方法设计

1.1   高速公路隧道传感器布局设计

为了实现对高速公路隧道状态数据的全方位监控，本文设计了一体化球形摄像机（路侧）作为高速公路隧道传感器[7]，并对其布局进行了具体的设计。

利用一体化球形遥控红外摄像机采集高速公路隧道数据信息时，利用其搭载的1/1.8CMOS图像传感器采集分辨率不低于400万像素的原始高速公路隧道数据，对应的最低照度设置为0 .0051x[8]。考虑到隧道内的客观光照条件， 设置镜头参考焦距区间为6～240mm，对应的光学变倍数为40倍，同时光圈不小于F1.5~F4.8。为避免施工阶段粉尘对采集数据信息质量的影响， 采用光学透雾镜头提升透雾效果[9] ，配合电动调焦、自动对焦功能实现对高速公路隧道的强光抑制、背光补偿和防抖采集。

在对采集高速公路隧道数据信息的一体化球形遥控红外摄像机进行布局时，本研究构建了100个可编辑预置位[10] ，将整机安装于立柱支架上，并采用一体化防护罩进行保护， 保证摄像机支撑杆距地面高度不低于12.0m，对应的分布计算方式可以表示为式（1）：

其中，表示一体化球形遥控红外摄像机的布局间距，h表示摄像机支撑杆地面以上的高度参数，  a表示覆盖重叠系数， 表示传感器的水平视角， 表示布局传感器数量， 表示隧道高速公路的宽度参数。

结合式（1） 的计算方式， 完成对高速公路隧道传感器的布局，以此避免摄像机覆盖不完整导致的采集数据质量问题。

1.2   多传感器高速公路隧道数据融合

针对高速公路隧道一体化球形遥控红外摄像机所采集的原始数据，本文在融合多传感器数据时，采用了卡尔曼滤波法[11]。该方法可融合低层次的实时动态多传感器冗余数据，进而实现对隧道内动态变化环境数据的分析监控。

在卡尔曼滤波法的预测阶段，其计算方式可以表示为式（2）、式（3）：

其中， kk  表示高速公路隧道的状态预测值， Fk表示高速公路隧道的状态转移矩阵，Bk表示多传感器采集高速公路隧道数据构成的矩阵，uk表示一体化球形遥控红外摄像机采集的原始高速公路隧道数据， Pkk  表示高速公路隧道的状态预测协方差矩阵，Qk表示高速公路隧道状态预测过程的噪声协方差矩阵。

结合一体化球形遥控红外摄像机采集数据的覆盖输出[12] ，对高速公路隧道状态的更新方式可以表示为式（4）～（6）：

其中， Kk表示高速公路隧道的状态卡尔曼增益，Hk表示多传感器构成的高速公路隧道状态观测矩阵， Rk表示高速公路隧道状态观测噪声协方差矩阵，zk表示多传感器融合输出的高速公路隧道状态观测值，xkk表示高速公路隧道状态的更新输出， Pkk表示更新后的一体化球形遥控红外摄像机采集原始高速公路隧道数据协方差矩阵。

按照上述方法，利用卡尔曼滤波法的预测和更新两个步骤，实现动态多传感器高速公路隧道数据的实时融合，为隧道状态的分析监控提供可靠的数据基础。

1.3   多传感器高速公路隧道融合数据差值提取

结合对多传感器高速公路隧道数据的融合结果，本文根据匹配点数据之间的差值， 实现对其相对位移的提取，进而监控隧道的状态。

通过对隧道内壁两点的相对位移进行监测，用以判断隧道空间的可靠性及围岩的稳定性时， 其计算方式可以表示为式（7）：

其中，Di表示高速公路隧道内i点的位移信息，i , yi , zi· )表示多传感器融合输出的高速公路隧道状态观测值中点的坐标信息， i  2  yi  2 , zi  2 )表示更新后，高速公路隧道状态观测值中点的坐标信息。

按照上述方法，提取监测点之间的相对位移值，可以有效监控隧道状态。

2   应用分析

2.1   高速公路隧道工程概况

高速公路施工项目位于北纬25°58′32″至27°57′50″、东经113°46′至115°56′之间，全长约218千米，涵盖SDSJ1、SDSJ2、SDSJ3三个标段。工程隧道部分地形以山地为主，整体地势从边缘山地向河谷倾斜，逐级降低，往北东方向渐趋平坦。对于高速公路隧道工程的具体技术指标设计情况，如表1所示。

表1 公路隧道主体工程主要技术指标表

测试阶段，选取SDSJ2标段（K217+600-A匝道三角端处）作为监控区段开展具体测试分析。

2.2   高速公路隧道传感器布局

结合高速公路的宽度参数，本文设计一体化球形摄像机（路侧）的高度为13.0m，对应传感器的水平视角为120.0°。测试高速公路隧道标段传感器的布局按1.1所示方式，如表2所示。

表2 测试高速公路隧道标段传感器布局

按照表2所示的信息，传感器的具体布局如图1所示。

图1 一体化球形摄像机（路侧）传感器布局

结合图1所示信息，运用本文设计方法，可实现对测试高速公路隧道标段传感器的合理布局，可完整覆盖目标标段，为监控结果的可靠性提供了坚实保障。原因在于，本文设计方法在传感器布局阶段，融合了隧道及传感器的具体参数信息，从而提升了采集传感信息的可靠性。

2.3   测试结果与分析

本研究以本文设计方法作为测试实验组，以基于监控量测数据的特长隧道围岩变形特征研究和高速公路隧道智能视频监控系统设计与实现研究作为测试对照组，对比分析三种不同方法的测试结果。

三种不同方法对测试高速公路隧道标段水平位移监控结果的误差分布情况对比结果如图2所示。

图2 测试高速公路隧道标段水平位移监控结果误差分布

从图2所示的信息可以看出，在本文设计方法下，对测试高速公路隧道标段水平位移监控结果的误差分布集中在2.0cm区间，且整体误差分布表现出了较高的收敛性，表明设计方法可以实现对高速公路隧道的精准监控。这是因为本文设计方法以有效覆盖隧道为目标对传感器进行了合理布局，并通过对传感器数据进行融合处理，避免了传感数据畸变引起的监控误差，实现了精准的监控效果。

3   结束语

本文针对高速公路隧道状态分析监控中因传感数据畸变导致监控结果精度较低的问题，开展了基于多传感器融合的全方位监控研究。该研究设计路侧一体化球形摄像机作为高速公路隧道传感器，经合理布局实现了对隧道的有效监控覆盖，并引入卡尔曼滤波法，对实时动态的低层次多传感器冗余隧道数据进行融合处理，过滤了原始传感器数据中的畸变信息，并利用融合数据与点数据的差值，实现了对隧道的精准监控。隧道水平位移监控输出误差集中分布于2.0cm区间，体现出较高的精准性。本文的研究与设计，希望可以为实际的高速公路隧道全方位监控提供有价值的参考，为隧道施工的安全管理提供辅助。

作者简介：

汪忠新（1977-） ，男 ，湖北红安人 ，高级工程师 ，学士 ， 现就职于江西省天驰高速科技发展有限公司 ，研究方向为隧道工程。

万济兵（1980-） ，男 ，江西丰城人 ，中级经济师 ，硕士 ，现就职于江西方兴科技股份有限公司 ，研究方向为高速机电工程。

参考文献：

[1] 王枫, 陈刚, 龚兴涛. 扁平状断面高速公路隧道边坡稳定性数值模拟[J]. 计算机仿真, 2025, 42 (08) : 182 - 186 + 342.

[2] 金慧芬. 基于监控量测数据特长隧道围岩变形特征研究[J]. 水利科技与经济, 2025, 31 (08) : 74 - 78.

[3] 谢晓辉, 吴书亮. 基于多传感融合的隧道物联消防终端在线质量检测方法研究[J]. 中国品牌与防伪, 2025, (09) : 148 - 150.

[4] 李德均. 视觉测量系统对新建工程既有下穿隧道监控量测影响的研究[J]. 技术与市场, 2025, 32 (07) : 96 - 100.

[5] 王吏. 高速公路隧道智能视频监控系统设计与实现[J]. 运输经理世界, 2025, (11) : 136 - 138.

[6] 黄腾枫. 基于监控量测的隧道围岩稳定性分析与数据回归研究[J]. 福建建材, 2025, (03) : 76 - 80.

摘自《自动化博览》2026年4月刊