智能公路隧道管控平台功能与构架设计

摘要 智能公路隧道管控平台旨提升隧道运营安全性和效率。该平台采用分层架构，包含数据层、逻辑层和交互层，实现数据管理、智能决策和用户交互。数据层融合多种数据库技术，确保信息安全；逻辑层通过算法深度分析数据，进行故障诊断和预警；交互层利用NLP、VR/AR技术，提供友好的用户界面。通过集成设备监控、资产管理、态势感知等模块，实现隧道运营的全面智能化，有效提升管理效率和安全性。在义乌至浦江二线岭口隧道的应用案例中，智能公路隧道管控平台展现了提升安全性能和运营效率的显著成效。

关键词 智能公路隧道；分层架构；态势感知；预警与决策

中图分类号 U457.6 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）18-0007-03

0 引言

公路隧道作为交通网络的关键节点，对于连接偏远地区、缩短行车距离、提高路网效率具有至关重要的作用。其在促进区域经济发展[1]、加强地理联系、改善应急救援通道[2]以及提升交通运输安全性[3]方面发挥着不可替代的作用。

现有隧道管控系统普遍面临一些不足：设备监控手段单一，依赖人工巡检，响应速度慢；数据孤岛现象严重，信息共享和互通性差；缺乏智能化的交通态势感知和预警机制，难以实现事前防控；用户交互界面不友好，操作复杂，影响用户体验；系统扩展性和灵活性差，难以适应多变的管理和服务需求；安全应急管理能力有限，无法高效处理突发事件。这些问题皆制约了隧道运营的安全性和效率，亟待提升公路隧道管控平台的智能化水平。

智能公路隧道管控平台的研究内容涵盖系统构架设计和功能实现。该平台采用分层架构，包括数据层、逻辑层和交互层，以实现高效的数据处理、智能决策支持和优化用户体验。数据层通过结合关系型和非关系型数据库，管理各类结构化与非结构化数据，确保信息安全和完整。逻辑层运用算法对数据进行深度分析，构建模型，实现故障诊断和预警。交互层则利用定制化界面和先进技术如自然语言处理（NLP）、虚拟现实/增强现实（VR/AR），提供直观、自然的用户交互体验。平台的模块设计集成了设备监控、资产管理、态势感知、预警决策支持和信息发布等功能，通过软硬件结合，实现隧道运营的智能化管理。在实际应用案例中，该平台显著提升了隧道的安全性能和运营效率，满足了提升公路隧道运营安全性、效率和管理智能化的需求。

1 智能公路隧道管控平台的构架设计

智能公路隧道管控平台的设计目标是建立一个层次化、模块化和可扩展的系统。按分层架构将平台分为三个层次：数据层、逻辑层和交互层。数据层设计是确保信息完整性、一致性和安全性的基础，通过关系型和非关系型数据库的结合，有效管理结构化与非结构化数据，并采用备份、恢复和加密措施保护数据安全。逻辑层设计作为智能化处理的核心，运用算法对数据进行预处理、分析，并构建预测模型和预警系统，实现故障诊断和应急响应，同时保障数据安全。交互层设计则侧重于用户友好性，通过定制化界面和直观元素，如图表和颜色编码，快速传达信息，并采用最新交互技术如NLP和VR/AR，提供沉浸式体验，使系统操作更加自然和直观。这些设计共同推动了平台向更高效、更安全和用户中心的方向发展。

1.1 数据层设计

智能管控平台的数据层设计是系统的基础，承担着隧道内设备和传感器数据的统一存储与管理工作。该设计需重点确保数据的完整性、一致性和安全性。为此，数据层通常采用关系型数据库来存储结构化信息，同时利用非关系型数据库处理视频流、日志等半结构化或非结构化数据。此外，数据层设计还需要包含数据的备份与恢复机制以及加密措施，以防止数据丢失和未授权访问。高效的数据访问接口进一步支持上层应用的数据分析和决策支持。

随着技术的发展，数据层设计正向着更高效的数据处理、更安全的隐私保护，以及更智能的数据分析能力演进，采纳了包括物联网、深度学习、隐私计算、区块链以及湖仓一体架构等先进技术，以满足大数据时代对于数据处理和分析的需求。

1.2 逻辑层设计

智能管控平台的逻辑层设计是系统智能化处理和业务决策的核心，它负责对原始数据进行深度预处理、分析和决策支持。通过先进的算法，逻辑层对收集的数据进行清洗、转换和聚合，提炼出有价值的信息，并构建预测模型和预警系统，以实时数据分析为基础，预测交通态势和潜在风险，实现预防性措施的及时部署。随着技术的进步，逻辑层设计正变得更加精准和智能化，采用深度学习和机器学习技术提升算法效能，并通过API集成、微服务架构等实现系统间的高效协同，推动信息系统向更高水平的自动化和智能化发展。

1.3 交互层设计

智能管控平台的交互设计是实现用户友好性和系统易用性的关键环节，通过定制化的界面设计满足了不同用户角色的需求。该设计利用图表、颜色编码和图标等直观元素，快速传达隧道的实时状态，同时提供交互式报警系统、故障诊断指导和应急预案的启动流程，确保用户能够迅速响应紧急情况。

随着用户中心设计（UCD）理念的推广，交互设计更加重视用户研究和反馈，采用响应式设计实现跨平台的一致性体验，并融入VR/AR技术提供沉浸式体验。自然语言处理（NLP）、语音识别和手势控制等交互技术的创新，使得用户与系统之间的交互更加自然和直观。智能代理和聊天机器人的引入，为用户提供了便捷的查询服务和自动化任务处理能力，推动了专业信息系统交互设计向智能化、人性化和高效化方向的发展。

2 智能公路隧道管控平台的模块设计

智能公路隧道管控平台通过其精心设计的硬件与软件模块，实现了对隧道运营的全面智能化管理。在硬件部分，设备监控模块扮演着核心角色，实时监测隧道内关键设备的状态，确保了数据的实时性和准确性，为整个系统的稳定运行提供了坚实的基础。与此同时，资产管理与维护模块则负责对隧道资产进行全生命周期的精细化管理，通过预防性维护和及时的修复工作，保障了资产的长期稳定和隧道的持续安全运营。在软件功能模块方面，态势感知和分析模块利用先进的数据分析技术，对隧道内的交通流量和状态进行实时监控和深入分析，优化交通流，提升通行效率。预警与决策支持模块则通过智能预警系统，提前识别潜在的安全风险，为应急响应提供了宝贵的时间，极大提高了隧道的安全性能。最后，信息发布模块直接面向用户，通过提供实时、准确的隧道信息，增强了用户的体验，确保了信息的透明和及时性。这些模块的紧密协作，不仅提升了隧道的运营效率，而且通过智能化的监控和管理，显著增强了隧道的安全性和可靠性，共同构建了一个高效、安全、用户友好的智能公路隧道管控系统。

2.1 设备监控模块

设备监控模块是隧道运营的硬件支持模块，通过集成多种传感器和执行器，实现对隧道内关键设备如监控、通风、消防和安全系统的实时监控和管理。该模块的关键技术包括传感器集成，实时监测隧道内的环境状态；数据采集，持续收集关键设备的状态数据；远程控制，对设备进行远端操作；故障预警，通过数据分析预测潜在故障。此外，模块的模块化设计便于未来的扩展和维护，与预警和维护管理系统无缝集成，形成协同效应，共同提升隧道运营的智能化和安全性。

2.2 资产管理与维护模块

智能管控平台的资产管理与维护模块是实施隧道资产的精细化管理，它通过集中化的资产信息管理，实现了隧道资产全生命周期的优化管理。该模块的关键技术包括资产档案的数字化管理，维护记录的详细跟踪，以及应用预测性维护技术进行故障预测。此外，该模块还能够自动生成维护计划，将维修工单电子化，并进行维护成本的深入分析，从而提高资产管理的效率和准确性。设计上，该模块强调了灵活的维护计划系统，以适应不同设备的维护需求，并通过强化故障预测能力，减少意外停机时间，确保隧道资产的连续稳定运行。

2.3 态势感知和分析模块

态势感知和分析模块是隧道交通管理的核心，它通过感知系统实时捕捉并分析交通流量、平均车速和车道占用率等关键数据。该模块的关键技术在于数据采集与融合，它集成了多种传感器和监控设备，实现数据的实时采集和多源数据融合。该模块将多个评价指标转化为一个综合指标，全面反映交通系统的实时状态。这一指数的建立涉及评价指标体系的确立、同度量化的处理、指标正向化以及权重系数的分配和综合评价模型的构建，为交通管理和决策提供了科学依据。后续该模块将进一步提高智能化水平，通过深度学习和人工智能技术实现更高级的自动化态势感知。同时，通过集成更多类型的传感器和数据源，实现更全面的交通态势感知。此外，强化预测分析能力，提前识别并应对潜在的交通问题和安全隐患，是提升隧道交通管理效率和安全性的重要方向。

2.4 预警与决策支持模块

预警与决策支持模块是隧道安全管理的守护者，专注于早期识别安全风险并主动响应。该模块通过实时监测隧道内环境和设备状态，利用先进的智能预警算法快速捕捉异常情况，及时触发预警。其核心设计在于全面的数据采集、高效的应急响应流程以及决策支持工具，这些共同构成了一个强大的安全风险管理网络。后续该模块聚焦于预警系统的精细化，通过更细致的预警机制增强对罕见但重大风险事件的识别能力。同时，决策支持的智能化是另一个重点，利用人工智能技术提供更加精准和个性化的决策辅助。此外，应急响应流程的自动化也是提升效率的关键，通过减少人为延误，加快事故处理速度，从而提高隧道安全事故的响应和处治效率。这些技术的发展和应用，将为隧道安全运营提供更加坚实的保障。

2.5 信息发布模块

智能管控平台的信息发布模块是连接用户与隧道管理系统的关键桥梁，致力于向用户提供实时、准确的隧道运行信息。该模块通过隧道内的显示系统、广播、移动应用等多渠道发布机制，确保用户能够及时获取交通更新和紧急通知。在技术发展趋势上，信息发布模块正朝着个性化信息服务的方向迈进，通过提供定制化的信息发布服务，满足不同用户的需求。此外，增强模块的交互性，使用户能够更积极地参与到隧道管理中，也是提升用户体验的重要途径。同时，利用增强现实（AR）、虚拟现实（VR）等先进技术，实现信息展示方式的多样化，为用户提供更加丰富和直观的信息体验。这些技术的融合与应用，将为构建一个响应迅速、服务周到的智能隧道管理系统提供强有力的支持。

3 案例研究与应用分析

3.1 案例

该研究在义乌至浦江二线岭口隧道实施案例。义乌至浦江二线公路是浙中城市群快速通道，义乌浦江区域规划公路网主骨架的重要组成部分，属于省重点工程，在金华、义乌及浦江公路网中具有非常重要的地位。

旨在通过层次化、模块化和可扩展的系统设计，实现隧道运营的高效、安全和用户友好。利用视频和雷达技术实现安全事件的早期发现和主动预警，建立快速响应机制，加强部门协同，优化疏散流程，避免二次伤害，从而显著提升隧道安全水平。同时，平台通过资产电子化、远程控制、自动预警和流程化养护运维，减少对人工的依赖，提高运维效率。此外，采用定制化界面和先进技术如NLP、VR/AR，增强用户体验，构建数字隧道，实现智慧管控，最终打造安全、可靠、用户满意的服务环境。

该项目系统主要由以下几个子系统构成：视频监控系统、通风系统、火灾检测与报警系统、交通监控系统、交通安全设施设备系统、消防系统、中央管理与控制系统、隧道广播系统以及道路运输危险行为立体监测系统。视频监控系统负责隧道内外的实时监控；通风系统通过智能控制保持隧道内空气质量；火灾检测与报警系统实现火情早期发现和快速响应；交通监控系统对隧道交通流进行监控和管理；交通安全设施设备系统提供交通指示和预警；消防系统针对隧道火灾提供灭火和救援支持；中央管理与控制系统实现对各子系统的集成管理和控制；隧道广播系统用于紧急情况下的信息发布和指引。

3.2 平台部署与配置

该平台采用“N+1+1”架构，即N套前端控制系统、1个数据中心、1个应用平台，确保了数据处理的高效性和系统的稳定性。前端控制系统负责收集隧道机电设备及环境监测数据；数据中心则负责数据的采集、存储和管理，为应用平台提供数据支撑；应用平台则面向管理者提供监测、预警、控制和维护运维等功能，实现隧道资产的电子化管理和设备远程控制。此外，平台还集成了视频监控、通风系统、火灾报警、交通监控等多个子系统，通过统一的数据交互协议和标准化接口，实现了系统间的互联互通和资源共享。整个平台的部署与配置考虑了易用性、扩展性、安全性和经济性，以适应不断变化的管理需求和技术发展。

3.3 应用效果评估

对实施智能管控平台进行了隧道的安全性能、运营效率、用户满意度和技术稳定性等指标评估。结果显示，设备故障响应时间从几小时缩短至几分钟，故障处理效率显著提高；智能预警系统降低了隧道内事故发生率30%，提升了运营安全性；90%以上的使用者经过调查认为平台操作简便、信息展示直观，提高了工作效率。

4 结论

该文提出了基于智能管控平台的隧道管理解决方案，通过对现有管控系统的不足进行分析，设计了一个层次化、模块化和可扩展的系统架构，并详细阐述了各个模块的设计原理和功能特点。经过案例研究与应用分析，验证了智能管控平台在提升隧道运营效率和安全性方面的显著效果。后续将继续致力于智能管控平台的优化和升级，以满足不断变化的隧道管理需求，为公路交通运输安全和畅通作出更多的贡献。

参考文献

[1]滕召磊，刘远明，陈庆芝，等.岩溶隧道不同排水量对衬砌结构内力影响的数值模拟研究[J].公路，2023（11）：342-348.

[2]巩江峰，唐国荣，王伟，等.截至2021年底中国铁路隧道情况统计及高黎贡山隧道设计施工概况[J].隧道建设（中英文），2022（3）：508-517.

[3]张在晨，林从谋，李家盛，等.我国公路隧道改扩建技术发展现状及研究展望[J].隧道建设（中英文），2022（4）：570-585.