智能公路隧道管控平臺功能與構(gòu)架設(shè)計

摘要 智能公路隧道管控平臺旨提升隧道運營安全性和效率。該平臺采用分層架構(gòu)，包含數(shù)據(jù)層、邏輯層和交互層，實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理、智能決策和用戶交互。數(shù)據(jù)層融合多種數(shù)據(jù)庫技術(shù)，確保信息安全；邏輯層通過算法深度分析數(shù)據(jù)，進行故障診斷和預(yù)警；交互層利用NLP、VR/AR技術(shù)，提供友好的用戶界面。通過集成設(shè)備監(jiān)控、資產(chǎn)管理、態(tài)勢感知等模塊，實現(xiàn)隧道運營的全面智能化，有效提升管理效率和安全性。在義烏至浦江二線嶺口隧道的應(yīng)用案例中，智能公路隧道管控平臺展現(xiàn)了提升安全性能和運營效率的顯著成效。

關(guān)鍵詞 智能公路隧道；分層架構(gòu)；態(tài)勢感知；預(yù)警與決策

中圖分類號 U457.6 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）18-0007-03

0 引言

公路隧道作為交通網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點，對于連接偏遠地區(qū)、縮短行車距離、提高路網(wǎng)效率具有至關(guān)重要的作用。其在促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展[1]、加強地理聯(lián)系、改善應(yīng)急救援通道[2]以及提升交通運輸安全性[3]方面發(fā)揮著不可替代的作用。

現(xiàn)有隧道管控系統(tǒng)普遍面臨一些不足：設(shè)備監(jiān)控手段單一，依賴人工巡檢，響應(yīng)速度慢；數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象嚴重，信息共享和互通性差；缺乏智能化的交通態(tài)勢感知和預(yù)警機制，難以實現(xiàn)事前防控；用戶交互界面不友好，操作復(fù)雜，影響用戶體驗；系統(tǒng)擴展性和靈活性差，難以適應(yīng)多變的管理和服務(wù)需求；安全應(yīng)急管理能力有限，無法高效處理突發(fā)事件。這些問題皆制約了隧道運營的安全性和效率，亟待提升公路隧道管控平臺的智能化水平。

智能公路隧道管控平臺的研究內(nèi)容涵蓋系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計和功能實現(xiàn)。該平臺采用分層架構(gòu)，包括數(shù)據(jù)層、邏輯層和交互層，以實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)處理、智能決策支持和優(yōu)化用戶體驗。數(shù)據(jù)層通過結(jié)合關(guān)系型和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，管理各類結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，確保信息安全和完整。邏輯層運用算法對數(shù)據(jù)進行深度分析，構(gòu)建模型，實現(xiàn)故障診斷和預(yù)警。交互層則利用定制化界面和先進技術(shù)如自然語言處理（NLP）、虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實（VR/AR），提供直觀、自然的用戶交互體驗。平臺的模塊設(shè)計集成了設(shè)備監(jiān)控、資產(chǎn)管理、態(tài)勢感知、預(yù)警決策支持和信息發(fā)布等功能，通過軟硬件結(jié)合，實現(xiàn)隧道運營的智能化管理。在實際應(yīng)用案例中，該平臺顯著提升了隧道的安全性能和運營效率，滿足了提升公路隧道運營安全性、效率和管理智能化的需求。

1 智能公路隧道管控平臺的構(gòu)架設(shè)計

智能公路隧道管控平臺的設(shè)計目標是建立一個層次化、模塊化和可擴展的系統(tǒng)。按分層架構(gòu)將平臺分為三個層次：數(shù)據(jù)層、邏輯層和交互層。數(shù)據(jù)層設(shè)計是確保信息完整性、一致性和安全性的基礎(chǔ)，通過關(guān)系型和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的結(jié)合，有效管理結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，并采用備份、恢復(fù)和加密措施保護數(shù)據(jù)安全。邏輯層設(shè)計作為智能化處理的核心，運用算法對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理、分析，并構(gòu)建預(yù)測模型和預(yù)警系統(tǒng)，實現(xiàn)故障診斷和應(yīng)急響應(yīng)，同時保障數(shù)據(jù)安全。交互層設(shè)計則側(cè)重于用戶友好性，通過定制化界面和直觀元素，如圖表和顏色編碼，快速傳達信息，并采用最新交互技術(shù)如NLP和VR/AR，提供沉浸式體驗，使系統(tǒng)操作更加自然和直觀。這些設(shè)計共同推動了平臺向更高效、更安全和用戶中心的方向發(fā)展。

1.1 數(shù)據(jù)層設(shè)計

智能管控平臺的數(shù)據(jù)層設(shè)計是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，承擔著隧道內(nèi)設(shè)備和傳感器數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲與管理工作。該設(shè)計需重點確保數(shù)據(jù)的完整性、一致性和安全性。為此，數(shù)據(jù)層通常采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫來存儲結(jié)構(gòu)化信息，同時利用非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫處理視頻流、日志等半結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。此外，數(shù)據(jù)層設(shè)計還需要包含數(shù)據(jù)的備份與恢復(fù)機制以及加密措施，以防止數(shù)據(jù)丟失和未授權(quán)訪問。高效的數(shù)據(jù)訪問接口進一步支持上層應(yīng)用的數(shù)據(jù)分析和決策支持。

隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)層設(shè)計正向著更高效的數(shù)據(jù)處理、更安全的隱私保護，以及更智能的數(shù)據(jù)分析能力演進，采納了包括物聯(lián)網(wǎng)、深度學習、隱私計算、區(qū)塊鏈以及湖倉一體架構(gòu)等先進技術(shù)，以滿足大數(shù)據(jù)時代對于數(shù)據(jù)處理和分析的需求。

1.2 邏輯層設(shè)計

智能管控平臺的邏輯層設(shè)計是系統(tǒng)智能化處理和業(yè)務(wù)決策的核心，它負責對原始數(shù)據(jù)進行深度預(yù)處理、分析和決策支持。通過先進的算法，邏輯層對收集的數(shù)據(jù)進行清洗、轉(zhuǎn)換和聚合，提煉出有價值的信息，并構(gòu)建預(yù)測模型和預(yù)警系統(tǒng)，以實時數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)，預(yù)測交通態(tài)勢和潛在風險，實現(xiàn)預(yù)防性措施的及時部署。隨著技術(shù)的進步，邏輯層設(shè)計正變得更加精準和智能化，采用深度學習和機器學習技術(shù)提升算法效能，并通過API集成、微服務(wù)架構(gòu)等實現(xiàn)系統(tǒng)間的高效協(xié)同，推動信息系統(tǒng)向更高水平的自動化和智能化發(fā)展。

1.3 交互層設(shè)計

智能管控平臺的交互設(shè)計是實現(xiàn)用戶友好性和系統(tǒng)易用性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過定制化的界面設(shè)計滿足了不同用戶角色的需求。該設(shè)計利用圖表、顏色編碼和圖標等直觀元素，快速傳達隧道的實時狀態(tài)，同時提供交互式報警系統(tǒng)、故障診斷指導和應(yīng)急預(yù)案的啟動流程，確保用戶能夠迅速響應(yīng)緊急情況。

隨著用戶中心設(shè)計（UCD）理念的推廣，交互設(shè)計更加重視用戶研究和反饋，采用響應(yīng)式設(shè)計實現(xiàn)跨平臺的一致性體驗，并融入VR/AR技術(shù)提供沉浸式體驗。自然語言處理（NLP）、語音識別和手勢控制等交互技術(shù)的創(chuàng)新，使得用戶與系統(tǒng)之間的交互更加自然和直觀。智能代理和聊天機器人的引入，為用戶提供了便捷的查詢服務(wù)和自動化任務(wù)處理能力，推動了專業(yè)信息系統(tǒng)交互設(shè)計向智能化、人性化和高效化方向的發(fā)展。

2 智能公路隧道管控平臺的模塊設(shè)計

智能公路隧道管控平臺通過其精心設(shè)計的硬件與軟件模塊，實現(xiàn)了對隧道運營的全面智能化管理。在硬件部分，設(shè)備監(jiān)控模塊扮演著核心角色，實時監(jiān)測隧道內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備的狀態(tài)，確保了數(shù)據(jù)的實時性和準確性，為整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了堅實的基礎(chǔ)。與此同時，資產(chǎn)管理與維護模塊則負責對隧道資產(chǎn)進行全生命周期的精細化管理，通過預(yù)防性維護和及時的修復(fù)工作，保障了資產(chǎn)的長期穩(wěn)定和隧道的持續(xù)安全運營。在軟件功能模塊方面，態(tài)勢感知和分析模塊利用先進的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對隧道內(nèi)的交通流量和狀態(tài)進行實時監(jiān)控和深入分析，優(yōu)化交通流，提升通行效率。預(yù)警與決策支持模塊則通過智能預(yù)警系統(tǒng)，提前識別潛在的安全風險，為應(yīng)急響應(yīng)提供了寶貴的時間，極大提高了隧道的安全性能。最后，信息發(fā)布模塊直接面向用戶，通過提供實時、準確的隧道信息，增強了用戶的體驗，確保了信息的透明和及時性。這些模塊的緊密協(xié)作，不僅提升了隧道的運營效率，而且通過智能化的監(jiān)控和管理，顯著增強了隧道的安全性和可靠性，共同構(gòu)建了一個高效、安全、用戶友好的智能公路隧道管控系統(tǒng)。

2.1 設(shè)備監(jiān)控模塊

設(shè)備監(jiān)控模塊是隧道運營的硬件支持模塊，通過集成多種傳感器和執(zhí)行器，實現(xiàn)對隧道內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備如監(jiān)控、通風、消防和安全系統(tǒng)的實時監(jiān)控和管理。該模塊的關(guān)鍵技術(shù)包括傳感器集成，實時監(jiān)測隧道內(nèi)的環(huán)境狀態(tài)；數(shù)據(jù)采集，持續(xù)收集關(guān)鍵設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)；遠程控制，對設(shè)備進行遠端操作；故障預(yù)警，通過數(shù)據(jù)分析預(yù)測潛在故障。此外，模塊的模塊化設(shè)計便于未來的擴展和維護，與預(yù)警和維護管理系統(tǒng)無縫集成，形成協(xié)同效應(yīng)，共同提升隧道運營的智能化和安全性。

2.2 資產(chǎn)管理與維護模塊

智能管控平臺的資產(chǎn)管理與維護模塊是實施隧道資產(chǎn)的精細化管理，它通過集中化的資產(chǎn)信息管理，實現(xiàn)了隧道資產(chǎn)全生命周期的優(yōu)化管理。該模塊的關(guān)鍵技術(shù)包括資產(chǎn)檔案的數(shù)字化管理，維護記錄的詳細跟蹤，以及應(yīng)用預(yù)測性維護技術(shù)進行故障預(yù)測。此外，該模塊還能夠自動生成維護計劃，將維修工單電子化，并進行維護成本的深入分析，從而提高資產(chǎn)管理的效率和準確性。設(shè)計上，該模塊強調(diào)了靈活的維護計劃系統(tǒng)，以適應(yīng)不同設(shè)備的維護需求，并通過強化故障預(yù)測能力，減少意外停機時間，確保隧道資產(chǎn)的連續(xù)穩(wěn)定運行。

2.3 態(tài)勢感知和分析模塊

態(tài)勢感知和分析模塊是隧道交通管理的核心，它通過感知系統(tǒng)實時捕捉并分析交通流量、平均車速和車道占用率等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。該模塊的關(guān)鍵技術(shù)在于數(shù)據(jù)采集與融合，它集成了多種傳感器和監(jiān)控設(shè)備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集和多源數(shù)據(jù)融合。該模塊將多個評價指標轉(zhuǎn)化為一個綜合指標，全面反映交通系統(tǒng)的實時狀態(tài)。這一指數(shù)的建立涉及評價指標體系的確立、同度量化的處理、指標正向化以及權(quán)重系數(shù)的分配和綜合評價模型的構(gòu)建，為交通管理和決策提供了科學依據(jù)。后續(xù)該模塊將進一步提高智能化水平，通過深度學習和人工智能技術(shù)實現(xiàn)更高級的自動化態(tài)勢感知。同時，通過集成更多類型的傳感器和數(shù)據(jù)源，實現(xiàn)更全面的交通態(tài)勢感知。此外，強化預(yù)測分析能力，提前識別并應(yīng)對潛在的交通問題和安全隱患，是提升隧道交通管理效率和安全性的重要方向。

2.4 預(yù)警與決策支持模塊

預(yù)警與決策支持模塊是隧道安全管理的守護者，專注于早期識別安全風險并主動響應(yīng)。該模塊通過實時監(jiān)測隧道內(nèi)環(huán)境和設(shè)備狀態(tài)，利用先進的智能預(yù)警算法快速捕捉異常情況，及時觸發(fā)預(yù)警。其核心設(shè)計在于全面的數(shù)據(jù)采集、高效的應(yīng)急響應(yīng)流程以及決策支持工具，這些共同構(gòu)成了一個強大的安全風險管理網(wǎng)絡(luò)。后續(xù)該模塊聚焦于預(yù)警系統(tǒng)的精細化，通過更細致的預(yù)警機制增強對罕見但重大風險事件的識別能力。同時，決策支持的智能化是另一個重點，利用人工智能技術(shù)提供更加精準和個性化的決策輔助。此外，應(yīng)急響應(yīng)流程的自動化也是提升效率的關(guān)鍵，通過減少人為延誤，加快事故處理速度，從而提高隧道安全事故的響應(yīng)和處治效率。這些技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，將為隧道安全運營提供更加堅實的保障。

2.5 信息發(fā)布模塊

智能管控平臺的信息發(fā)布模塊是連接用戶與隧道管理系統(tǒng)的關(guān)鍵橋梁，致力于向用戶提供實時、準確的隧道運行信息。該模塊通過隧道內(nèi)的顯示系統(tǒng)、廣播、移動應(yīng)用等多渠道發(fā)布機制，確保用戶能夠及時獲取交通更新和緊急通知。在技術(shù)發(fā)展趨勢上，信息發(fā)布模塊正朝著個性化信息服務(wù)的方向邁進，通過提供定制化的信息發(fā)布服務(wù)，滿足不同用戶的需求。此外，增強模塊的交互性，使用戶能夠更積極地參與到隧道管理中，也是提升用戶體驗的重要途徑。同時，利用增強現(xiàn)實（AR）、虛擬現(xiàn)實（VR）等先進技術(shù)，實現(xiàn)信息展示方式的多樣化，為用戶提供更加豐富和直觀的信息體驗。這些技術(shù)的融合與應(yīng)用，將為構(gòu)建一個響應(yīng)迅速、服務(wù)周到的智能隧道管理系統(tǒng)提供強有力的支持。

3 案例研究與應(yīng)用分析

3.1 案例

該研究在義烏至浦江二線嶺口隧道實施案例。義烏至浦江二線公路是浙中城市群快速通道，義烏浦江區(qū)域規(guī)劃公路網(wǎng)主骨架的重要組成部分，屬于省重點工程，在金華、義烏及浦江公路網(wǎng)中具有非常重要的地位。

旨在通過層次化、模塊化和可擴展的系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)隧道運營的高效、安全和用戶友好。利用視頻和雷達技術(shù)實現(xiàn)安全事件的早期發(fā)現(xiàn)和主動預(yù)警，建立快速響應(yīng)機制，加強部門協(xié)同，優(yōu)化疏散流程，避免二次傷害，從而顯著提升隧道安全水平。同時，平臺通過資產(chǎn)電子化、遠程控制、自動預(yù)警和流程化養(yǎng)護運維，減少對人工的依賴，提高運維效率。此外，采用定制化界面和先進技術(shù)如NLP、VR/AR，增強用戶體驗，構(gòu)建數(shù)字隧道，實現(xiàn)智慧管控，最終打造安全、可靠、用戶滿意的服務(wù)環(huán)境。

該項目系統(tǒng)主要由以下幾個子系統(tǒng)構(gòu)成：視頻監(jiān)控系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、火災(zāi)檢測與報警系統(tǒng)、交通監(jiān)控系統(tǒng)、交通安全設(shè)施設(shè)備系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、中央管理與控制系統(tǒng)、隧道廣播系統(tǒng)以及道路運輸危險行為立體監(jiān)測系統(tǒng)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)負責隧道內(nèi)外的實時監(jiān)控；通風系統(tǒng)通過智能控制保持隧道內(nèi)空氣質(zhì)量；火災(zāi)檢測與報警系統(tǒng)實現(xiàn)火情早期發(fā)現(xiàn)和快速響應(yīng)；交通監(jiān)控系統(tǒng)對隧道交通流進行監(jiān)控和管理；交通安全設(shè)施設(shè)備系統(tǒng)提供交通指示和預(yù)警；消防系統(tǒng)針對隧道火災(zāi)提供滅火和救援支持；中央管理與控制系統(tǒng)實現(xiàn)對各子系統(tǒng)的集成管理和控制；隧道廣播系統(tǒng)用于緊急情況下的信息發(fā)布和指引。

3.2 平臺部署與配置

該平臺采用“N+1+1”架構(gòu)，即N套前端控制系統(tǒng)、1個數(shù)據(jù)中心、1個應(yīng)用平臺，確保了數(shù)據(jù)處理的高效性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。前端控制系統(tǒng)負責收集隧道機電設(shè)備及環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)中心則負責數(shù)據(jù)的采集、存儲和管理，為應(yīng)用平臺提供數(shù)據(jù)支撐；應(yīng)用平臺則面向管理者提供監(jiān)測、預(yù)警、控制和維護運維等功能，實現(xiàn)隧道資產(chǎn)的電子化管理和設(shè)備遠程控制。此外，平臺還集成了視頻監(jiān)控、通風系統(tǒng)、火災(zāi)報警、交通監(jiān)控等多個子系統(tǒng)，通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互協(xié)議和標準化接口，實現(xiàn)了系統(tǒng)間的互聯(lián)互通和資源共享。整個平臺的部署與配置考慮了易用性、擴展性、安全性和經(jīng)濟性，以適應(yīng)不斷變化的管理需求和技術(shù)發(fā)展。

3.3 應(yīng)用效果評估

對實施智能管控平臺進行了隧道的安全性能、運營效率、用戶滿意度和技術(shù)穩(wěn)定性等指標評估。結(jié)果顯示，設(shè)備故障響應(yīng)時間從幾小時縮短至幾分鐘，故障處理效率顯著提高；智能預(yù)警系統(tǒng)降低了隧道內(nèi)事故發(fā)生率30%，提升了運營安全性；90%以上的使用者經(jīng)過調(diào)查認為平臺操作簡便、信息展示直觀，提高了工作效率。

4 結(jié)論

該文提出了基于智能管控平臺的隧道管理解決方案，通過對現(xiàn)有管控系統(tǒng)的不足進行分析，設(shè)計了一個層次化、模塊化和可擴展的系統(tǒng)架構(gòu)，并詳細闡述了各個模塊的設(shè)計原理和功能特點。經(jīng)過案例研究與應(yīng)用分析，驗證了智能管控平臺在提升隧道運營效率和安全性方面的顯著效果。后續(xù)將繼續(xù)致力于智能管控平臺的優(yōu)化和升級，以滿足不斷變化的隧道管理需求，為公路交通運輸安全和暢通作出更多的貢獻。

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