高速公路隧道機(jī)電智慧管控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要 為了保障高速公路隧道的安全、高效運(yùn)行，提高隧道管理水平和運(yùn)營效益，實(shí)現(xiàn)隧道機(jī)電系統(tǒng)的智能化、信息化、集成化和綠色節(jié)能化，該文將探討高速公路隧道機(jī)電智慧管控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)，并針對性介紹高速公路隧道機(jī)電智慧管控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，以期為我國高速公路隧道管理提供一種創(chuàng)新型的解決方案。

關(guān)鍵詞 高速公路隧道；機(jī)電系統(tǒng)；智慧管控

中圖分類號 U495 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）19-0015-04

0 引言

隨著我國高速公路建設(shè)的快速發(fā)展，隧道工程作為重要的組成部分，其安全運(yùn)行和高效管理日益受到關(guān)注。然而，傳統(tǒng)的高速公路隧道機(jī)電管控方式存在著一定的問題，如設(shè)備分散、管理復(fù)雜、能耗較高、應(yīng)急響應(yīng)不及時(shí)等，已無法滿足現(xiàn)代高速公路隧道運(yùn)營的需求[1]。因此，如何利用現(xiàn)代信息技術(shù)，提高高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)的智能化管理水平，成為當(dāng)前亟待解決的問題。基于此，該文針對高速公路隧道機(jī)電智慧管控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過對數(shù)據(jù)層、控制層、交互層進(jìn)行智慧集成，實(shí)現(xiàn)對隧道運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)測分析和遠(yuǎn)程控制，從而提升高速公路隧道的安全水平。通過該文的研究，以期能夠推動我國高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步，為我國高速公路事業(yè)的持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

1 工程概況

該項(xiàng)目位于廣東省梅州市五華縣和豐順縣，路線長40.149 km，主線橋梁共29座，總長8 566.8 m，設(shè)隧道3座，總長7 255 m，其中鴻圖特長隧道長6 336.5 m，橋隧比例為39.41%。全線采用雙向四車道高速公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度100 km/h，路基寬度26 m。

為實(shí)現(xiàn)高速公路隧道機(jī)電的有效管控，該項(xiàng)目決定設(shè)計(jì)一種智慧管控系統(tǒng)，將其應(yīng)用于工程中3處隧道的隧道供電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)。

2 高速公路隧道機(jī)電智慧管控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

高速公路隧道機(jī)電智慧管控系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)層、控制層和交互層，這三個(gè)層次緊密相連，共同構(gòu)成了一個(gè)高效、智能的高速公路隧道機(jī)電管控系統(tǒng)。高速公路隧道機(jī)電智慧管控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層主要負(fù)責(zé)收集和存儲隧道機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行過程中的各類數(shù)據(jù)，包括供配電系統(tǒng)數(shù)據(jù)、照明系統(tǒng)數(shù)據(jù)、通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)、消防系統(tǒng)數(shù)據(jù)等，確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、完整性和準(zhǔn)確性。

控制層：控制層負(fù)責(zé)對隧道機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制。根據(jù)數(shù)據(jù)層收集到的數(shù)據(jù)，控制層通過人工智能算ec9ca2f8a25c6f36b0712a4b51fe6e394ba458111f4df6fed53498fcfdd44fde法分析隧道機(jī)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)預(yù)設(shè)的控制策略對機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制。

交互層：交互層主要負(fù)責(zé)為人機(jī)界面和系統(tǒng)間的信息交換提供支持。人機(jī)界面通過交互層與控制層進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)對隧道機(jī)電系統(tǒng)的監(jiān)控和操作[2]。同時(shí)，交互層還負(fù)責(zé)與外部系統(tǒng)（如交通管理系統(tǒng)、應(yīng)急管理系統(tǒng)等）的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)信息共享和協(xié)同工作。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)層

3.1.1 數(shù)據(jù)采集

為了提高高速公路隧道機(jī)電智慧管控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集能力，采用一系列技術(shù)手段和設(shè)備，確保供配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)和消防系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和完整性。

在供配電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集中，將Siemens S7-300遠(yuǎn)程測控終端（RTU）安裝于隧道兩端的主變電站和分變電站內(nèi)，實(shí)時(shí)監(jiān)測供配電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。在供電線路的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，如斷路器、接觸器等位置安裝PLC模塊，以減少布線工作。將Transition Networks ETX光纖分布式數(shù)據(jù)接口（FDDU），布設(shè)在與隧道供電系統(tǒng)相鄰的控制室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)長距離、高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸。

在照明系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集中，選擇支持DALI（數(shù)字照明接口）協(xié)議的Philips Hue控制器，并在隧道內(nèi)均勻布設(shè)Bosch Sensortec BME280光強(qiáng)傳感器，以監(jiān)測照度變化。采用低功耗、高通信距離的WSN節(jié)點(diǎn)，將其安裝在照明設(shè)備附近，用于監(jiān)測燈具的故障信息和工作狀態(tài)，并上傳至控制室進(jìn)行后續(xù)分析。

在通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集中，使用Honeywell DHT11數(shù)字溫濕度傳感器、Vaisala anemometers超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀和Sharp GP2Y1010AU0F空氣質(zhì)量傳感器，監(jiān)測通風(fēng)系統(tǒng)狀態(tài)。其中，溫濕度傳感器布設(shè)于隧道內(nèi)的不同高度，如0.5～1.5 m、2～4 m，以監(jiān)測空氣狀態(tài)變化。風(fēng)速風(fēng)向儀安裝在隧道口和出口，以及通風(fēng)管道關(guān)鍵位置?？諝赓|(zhì)量傳感器布設(shè)于隧道內(nèi)的交叉口和人口密集區(qū)。同時(shí)，配合以太網(wǎng)/IP技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，確保高速和穩(wěn)定傳輸。

在消防系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集中，在隧道內(nèi)均勻布設(shè)Honeywell FM2000煙霧探測器、Fire-X火焰探測器和Omega RTDs溫度探測器等消防專用傳感器進(jìn)行監(jiān)測。通過串口通信技術(shù)，將數(shù)據(jù)傳輸至消防控制中心。

采用主成分分析（PCA）算法，計(jì)算不同數(shù)據(jù)所占權(quán)重，進(jìn)而評估不同數(shù)據(jù)源的采集順序和優(yōu)先級。主成分得分的計(jì)算公式如下：

Y=Xstd·ρT （1）

式中，Y表示主成分得分矩陣，即每個(gè)樣本在每個(gè)主成分上的得分；Xstd表示標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)集，即每個(gè)樣本在每個(gè)特征上的標(biāo)準(zhǔn)分?jǐn)?shù)；ρT表示由主成分特征向量組成的矩陣。如果某個(gè)主成分在數(shù)據(jù)源上的得分較高，那么此數(shù)據(jù)源在采集時(shí)的優(yōu)先級就較高。

3.1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理是高速公路隧道機(jī)電智慧管控中的關(guān)鍵步驟，它直接影響到后續(xù)數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性。在實(shí)際的高速公路隧道機(jī)電數(shù)據(jù)中，往往會包含由于設(shè)備故障、環(huán)境干擾等因素產(chǎn)生的噪聲[3]。為了減少這些噪聲對數(shù)據(jù)分析的影響，采用中位數(shù)濾波算法，平滑數(shù)據(jù)曲線，使得數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定。對于一系列數(shù)據(jù)D={d1，d1，...，dn}，中位數(shù)濾波算法的計(jì)算公式如下：

Md=（＼sort（D））n 2 （2）

式中，＼sort（D）表示對D排序后的序列；n表示數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量。通過計(jì)算數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差和置信區(qū)間，識別出與正常數(shù)據(jù)偏差較大的異常值。標(biāo)準(zhǔn)差是衡量數(shù)據(jù)離散程度的一個(gè)統(tǒng)計(jì)量，計(jì)算公式為：

（3）

式中，σ是標(biāo)準(zhǔn)差；N是數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量；xi是每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)；μ是數(shù)據(jù)的均值。置信區(qū)間通常用于估計(jì)總體均值的分布范圍，假設(shè)數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布，置信區(qū)間計(jì)算公式為：

（4）

式中，CI是置信區(qū)間；Z（a/2）是正態(tài)分布的分位數(shù)。一旦異常值被識別，采取替換、刪除等措施進(jìn)行處理，以避免對后續(xù)分析造成不良影響。

為了不同量綱的數(shù)據(jù)能夠在相同的尺度下進(jìn)行比較，通過Z-score歸一化來進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。通過計(jì)算每個(gè)特征的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，并應(yīng)用Z-score公式，可以得到歸一化后的數(shù)據(jù)Zi，計(jì)算公式為：

Zi=xi?μ σ （5）

在高速公路隧道機(jī)電數(shù)據(jù)中，包含車輛類型、事故類型等分類屬性。獨(dú)熱編碼（One-Hot Encoding）能夠?qū)⑦@些分類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為機(jī)器學(xué)習(xí)中可處理的數(shù)值形式。通過為每個(gè)分類創(chuàng)建一個(gè)二進(jìn)制向量，其中只有一個(gè)位為1，其余位為0，可以更為快速、準(zhǔn)確地識別和處理數(shù)據(jù)，從而有效地提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量，為智慧管控系統(tǒng)的精確分析和決策提供強(qiáng)有力的支持。

3.2 控制層

3.2.1 構(gòu)建數(shù)據(jù)挖掘引擎

在高速公路隧道機(jī)電智慧管控系統(tǒng)中，通過對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和分析，發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律、趨勢和關(guān)聯(lián)性，可以為隧道運(yùn)營管理提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析結(jié)果[4]。

在高速公路隧道機(jī)電智慧管控中，通過遞歸特征消除方法（Recursive Feature Elimination， RFE），評估特征的重要性，并選擇出最有價(jià)值的特征。RFE算法流程如下：

（1）訓(xùn)練模型。

（2）選擇一個(gè)特征子集，將其用于模型訓(xùn)練。

（3）評估模型性能，并根據(jù)性能指標(biāo)（如分類準(zhǔn)確率）對特征進(jìn)行排序。

（4）選擇排名最高的特征，將其從特征子集中移除，并重新訓(xùn)練模型。

（5）重復(fù)步驟（3）～（4），直到達(dá)到預(yù)設(shè)的特征數(shù)量或性能不再提升。

在時(shí)序分析中使用滑動窗口法，從隧道機(jī)電設(shè)備的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)中提取特征，從而為故障預(yù)測和能耗優(yōu)化提供有力支持。設(shè)Xt為時(shí)間t的特征向量，W為滑動窗口的大小，則滑動窗口內(nèi)的特征向量可以表示為：

Xt：t+W?1=[Xt，Xt+1，...，Xt+W?1] （6）

式中，Xt表示隧道機(jī)電設(shè)備的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，如電流、電壓、溫度等。之后，選擇K-means算法來進(jìn)行聚類分析。K-means算法目標(biāo)函數(shù)的計(jì)算公式如下：

（7）

式中，J是目標(biāo)函數(shù)，表示簇內(nèi)距離之和；Si是第i個(gè)簇；x是數(shù)據(jù)點(diǎn)；μi是第i個(gè)簇的均值。

通過k-fold 交叉驗(yàn)證、網(wǎng)格搜索等技術(shù)來優(yōu)化模型參數(shù)，提高模型的性能。在模型性能評估中，使用F1分?jǐn)?shù)（F1 Score）作為評估指標(biāo)。F1 Score公式如下：

F1=2×p×r p+r （8）

式中，p表示真陽性率；r表示真陽性召回率。如果模型性能不佳，則返回特征工程和模型訓(xùn)練環(huán)節(jié)進(jìn)行迭代優(yōu)化。通過以上步驟，可以構(gòu)建出一個(gè)能夠?yàn)樗淼肋\(yùn)營管理提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確數(shù)據(jù)分析結(jié)果的數(shù)據(jù)挖掘引擎。

3.2.2 PID控制

PID控制，即比例—積分—微分控制，是通過對控制對象的控制量進(jìn)行比例、積分、微分處理，使控制對象能夠快速且準(zhǔn)確地跟蹤期望的控制目標(biāo)。在高速公路隧道機(jī)電智慧管控中，PID控制主要用于實(shí)現(xiàn)隧道照明、通風(fēng)、消防等子系統(tǒng)的自動控制，提高隧道運(yùn)行效率和安全性。

根據(jù)數(shù)據(jù)挖掘引擎，使用Ziegler-Nichols方法，通過分析系統(tǒng)的階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)，確定PID控制器的參數(shù)。在設(shè)計(jì)過程中，需要仔細(xì)調(diào)節(jié)比例系數(shù)（P）、積分系數(shù)（I）和微分系數(shù)（D），以保證系統(tǒng)的響應(yīng)特性達(dá)到最佳。PID控制器的表達(dá)式如下：

u（t）=Kpe（t）+Ki∫e（t）dt+Kdde（t） dt （9）

式中，u（t）是當(dāng)前的控制輸出；e（t）是當(dāng)前的控制偏差，即設(shè)定值與實(shí)際值之間的差；Kp是比例增益；Ki是積分增益；Kd是微分增益；dt是時(shí)間間隔，表示在連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)中，控制器在兩個(gè)連續(xù)采樣時(shí)刻之間的時(shí)間差；de（t）是偏差變化率，即偏差的導(dǎo)數(shù)，表示偏差隨時(shí)間的變化速率。在實(shí)際運(yùn)行過程中，系統(tǒng)的負(fù)載變化、干擾等因素，都容易影響到控制效果。通過不斷調(diào)整PID控制器參數(shù)，能夠使系統(tǒng)更快地達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，減小超調(diào)和振蕩，實(shí)現(xiàn)對隧道照明、通風(fēng)、消防等子系統(tǒng)的自動控制，提高隧道運(yùn)行效率和安全性。同時(shí)，借助于MATLAB/Simulink等仿真工具，對PID控制器進(jìn)行有效驗(yàn)證和優(yōu)化，確保其在實(shí)際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)。

3.3 交互層

人機(jī)界面通過交互層與控制層進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。在這一過程中，交互層負(fù)責(zé)將人機(jī)界面的指令和請求轉(zhuǎn)化為控制層能夠理解的格式，并傳遞給控制層。同時(shí)，交互層也將控制層的響應(yīng)和數(shù)據(jù)返回給人機(jī)界面，以供用戶查看和進(jìn)一步操作。為了在不同的系統(tǒng)之間傳遞數(shù)據(jù)，采用標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)格式，將復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為可以傳輸?shù)母袷剑ㄐ蛄谢?，包括JSON、XML、Protocol Buffers等，以及在接收端將傳輸格式轉(zhuǎn)換回原始數(shù)據(jù)格式（反序列化）。

交互層的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮易用性和可訪問性，以滿足不同用戶的需求。為了達(dá)到這一目標(biāo)，采用圖形化界面，通過直觀的圖表、按鈕和指示燈等形式，展示系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。此外，使用Win32 API來枚舉和驅(qū)動設(shè)備，支持鼠標(biāo)、鍵盤和觸摸屏等多種輸入設(shè)備，以適應(yīng)不同的操作習(xí)慣。

在與外部系統(tǒng)（如交通管理系統(tǒng)、應(yīng)急管理系統(tǒng)等）的數(shù)據(jù)交換過程中，交互層還需實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加密和身份驗(yàn)證機(jī)制，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。為此，采用SSL/TLS等加密協(xié)議，對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密傳輸。同時(shí)，為了保護(hù)用戶隱私和系統(tǒng)安全，采用雙因素認(rèn)證（2FA）方法，確保只有經(jīng)過認(rèn)證的合法用戶才能訪問高速公路隧道機(jī)電智慧管控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的同時(shí)，交互層還需考慮系統(tǒng)的擴(kuò)展性和兼容性。為此，支持HTTP、TCP/IP等多種通信協(xié)議，以確保在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)高效、可靠的數(shù)據(jù)交換。通過精心設(shè)計(jì)的交互層，將復(fù)雜的高速公路隧道機(jī)電數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為用戶友好、易于理解和分析的信息。

4 測試試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)準(zhǔn)備階段主要包括硬件選型、軟件環(huán)境搭建以及工具配置三項(xiàng)核心內(nèi)容。在硬件選型方面，選擇Intel Core i9-12900K處理器作為試驗(yàn)服務(wù)器的核心，內(nèi)存頻率DDR5-6000MT/s，主頻3.8 GHz，以提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算能力。考慮系統(tǒng)擴(kuò)展性，配備高速的NVMe SSD存儲解決方案和充足的RAM內(nèi)存，以實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)讀寫和流暢的多任務(wù)處理。為了能夠模擬真實(shí)的高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，部署Vmware 15 Pro虛擬化平臺。通過該平臺，創(chuàng)建多個(gè)虛擬機(jī)實(shí)例，分別安裝Windows 10專業(yè)版和Linux Ubuntu 20.04 LTS版本操作系統(tǒng)。通過多操作系統(tǒng)環(huán)境配置，進(jìn)行專項(xiàng)性能測試。在軟件和工具的配置上，首先安裝和配置MySQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，以存儲和管理大量的隧道機(jī)電數(shù)據(jù)。集成Git版本控制系統(tǒng)、Postman API測試工具，以及Matplotlib和Pandas等數(shù)據(jù)分析庫，從而為測試試驗(yàn)提供全方位的技術(shù)支持。

（下轉(zhuǎn)第37頁）

（上接第17頁）

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

基于試驗(yàn)準(zhǔn)備，通過設(shè)置不同的高速公路隧道機(jī)電數(shù)據(jù)量，測試該系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性，將數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)設(shè)定為10 GB、20 GB、30 GB、40 GB、50 GB。測試結(jié)果如表1所示。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，該系統(tǒng)在所進(jìn)行的五個(gè)測試序列中展現(xiàn)出了相對穩(wěn)定的數(shù)據(jù)處理性能，其處理速率普遍維持在1.29～1.53 GB/s區(qū)間，表現(xiàn)出較高的處理效率。隨著高速公路隧道機(jī)電數(shù)據(jù)的增加，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理精確性出現(xiàn)輕微下滑，但最低精確度仍高達(dá)97.7%，這充分驗(yàn)證了該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理速度與精確度方面的優(yōu)秀性能，能夠滿足高速公路隧道機(jī)電智慧管控中的大規(guī)模數(shù)據(jù)處理需求。

5 結(jié)束語

綜上所述，高速公路隧道機(jī)電的智慧管控，是未來隧道管理的重要發(fā)展方向。該文針對高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行管理的實(shí)際需求，綜合運(yùn)用各項(xiàng)算法和技術(shù)手段，設(shè)計(jì)了一套高速公路隧道機(jī)電智慧管控系統(tǒng)。在未來的工作中，希望相關(guān)技術(shù)人員能夠繼續(xù)深入研究，進(jìn)一步完善和優(yōu)化隧道機(jī)電智慧管控系統(tǒng)，提高其運(yùn)行效率和管理水平，從而為我國的高速公路事業(yè)作出更大的貢獻(xiàn)。

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收稿日期：2024-08-05

作者簡介：許妙深（1986—），男，本科，工程師，從事高速公路行業(yè)監(jiān)理、咨詢工作。