基于PLCnext技術(shù)的高速公路隧道智能監(jiān)控系統(tǒng)

段志宏， 韓永勝， 靳光永

(1.云南交投集團(tuán)投資有限公司，云南 昆明 650228；2.菲尼克斯(南京)智能制造技術(shù)工程有限公司，江蘇 南京 210000)

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步為高速公路的智能化提供了快速發(fā)展的基礎(chǔ)，技術(shù)的創(chuàng)新和融合為智慧高速的建設(shè)提供了有力的支撐。隧道作為高速公路的重要組成的部分，其監(jiān)控系統(tǒng)在保障車輛安全運(yùn)行、公路維護(hù)方面起著至關(guān)重要的作用。系統(tǒng)由信息采集子系統(tǒng)、交通控制及誘導(dǎo)子系統(tǒng)、通風(fēng)控制子系統(tǒng)、照明控制子系統(tǒng)、閉路電視監(jiān)視子系統(tǒng)和火災(zāi)報警子系統(tǒng)組成[1-2]。車輛的增多給隧道的安全運(yùn)行帶來了壓力，人們的生命財產(chǎn)受到了巨大威脅[3]。

為保障行車安全，提高駕乘人員的舒適度，智慧高速在信息化、網(wǎng)絡(luò)化、多功能化和智能化方面有了更高的要求[4]。傳統(tǒng)公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)一般采用現(xiàn)場總線，比如德國菲尼克斯公司的Interbus、西門子公司的Pfofibus DP等，子系統(tǒng)多獨(dú)立控制。隧道監(jiān)控在國外相對比較成熟，在國內(nèi)起步較晚，還存在著諸多不足。主要體現(xiàn)在以下幾方面。

① 數(shù)據(jù)方面：系統(tǒng)間難以全面共享數(shù)據(jù)[5]、甚至部分系統(tǒng)間沒有通信?；A(chǔ)數(shù)據(jù)重復(fù)輸入，數(shù)據(jù)不能實(shí)現(xiàn)深層次應(yīng)用[6]。

② 安全方面：系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加、智能制造技術(shù)的發(fā)展對隧道安全、網(wǎng)絡(luò)安全、系統(tǒng)融合和免維護(hù)等有了更高的要求，傳統(tǒng)監(jiān)控除了在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上存在困難，其經(jīng)濟(jì)成本也很高。

③ 信息服務(wù)：傳統(tǒng)的隧道監(jiān)控主要是對機(jī)電設(shè)備的監(jiān)測和控制功能的實(shí)現(xiàn)，智慧高速則以管理和服務(wù)為導(dǎo)向，強(qiáng)調(diào)對數(shù)據(jù)的應(yīng)用和發(fā)布[7]。

本文提出的隧道智能監(jiān)控系統(tǒng)基于菲尼克斯PLCnext技術(shù)平臺，該平臺提供軟件和硬件設(shè)備，為解決傳統(tǒng)隧道監(jiān)控存在的問題提供了技術(shù)基礎(chǔ)。控制層采用基于以太網(wǎng)的Profinet技術(shù)；控制器內(nèi)置OPC UA(Unified Architecture，統(tǒng)一架構(gòu))Server，可跨平臺實(shí)現(xiàn)控制器之間以及控制器和上位系統(tǒng)的通信。數(shù)據(jù)集成到Proficloud云平臺實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)間的信息共享，同時可進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化和實(shí)現(xiàn)信息服務(wù)功能；通過內(nèi)置的防火墻功能保障系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全；利用平臺支持高級語言的特性，進(jìn)行算法集成和App定制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化控制。該系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)隧道監(jiān)控系統(tǒng)，無須增加任何硬件設(shè)備，降低了成本。隧道智能監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)為推動智慧高速的進(jìn)一步發(fā)展和建設(shè)提供了技術(shù)支撐。

1 傳統(tǒng)的隧道監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)作為隧道信息集成與檢測系統(tǒng)的核心，主要用來監(jiān)視系統(tǒng)環(huán)境、火災(zāi)情況和交通信息情況，實(shí)時監(jiān)測和遠(yuǎn)程管理相關(guān)信息，指導(dǎo)交通以保證行車安全、提高通行能力、保證人員健康以及提供必要的信息[8-9]。基于總線技術(shù)的傳統(tǒng)監(jiān)控多采用冗余光纖環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。冗余配置在一定程度上保證了控制層網(wǎng)絡(luò)的可靠性，但傳統(tǒng)控制器在信息層、網(wǎng)絡(luò)化、多功能化等方面的實(shí)現(xiàn)存在困難。將現(xiàn)有系統(tǒng)集成到生產(chǎn)層、辦公層等需要額外配置硬件。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，基于以太網(wǎng)的Profinet技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛。它能夠滿足過程控制、工廠自動化和運(yùn)動控制實(shí)時通信要求，同時可以很好地向信息層集成。下面以Profinet技術(shù)為例介紹傳統(tǒng)公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)。

基于Profinet技術(shù)的菲尼克斯傳統(tǒng)控制器構(gòu)建的隧道監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。系統(tǒng)分為信息層和控制層，控制層隧道內(nèi)子系統(tǒng)采用ILC 191控制器，配備現(xiàn)地HMI，區(qū)域控制采用AXC 3050冗余控制器。

圖1 傳統(tǒng)隧道監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

控制層采用環(huán)網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某處發(fā)生故障時，可及時恢復(fù)控制，但在以下方面存在不足。

① 各子系統(tǒng)和HMI(Human Machine Interface，人機(jī)接口)或者SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制)通信，由于硬件設(shè)備不同，通信協(xié)議不統(tǒng)一。

② 根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)維需要，照明、通風(fēng)和交通控制子系統(tǒng)需配置HMI設(shè)備，增加了硬件和維護(hù)成本。

③ 照明、通風(fēng)子系統(tǒng)需要消耗大量能源，為實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約需要對控制算法進(jìn)行優(yōu)化。而傳統(tǒng)控制采用IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的編程語言，在算法方面較難實(shí)現(xiàn)。

④ 控制器無內(nèi)置數(shù)據(jù)庫，隧道系統(tǒng)中如車流量、光照強(qiáng)度等信息本身無法記錄存儲，需借助第三方硬件平臺和數(shù)據(jù)庫。

⑤ 信息層和控制層網(wǎng)絡(luò)存在著網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴、非法訪問和被攻擊的風(fēng)險，易引起網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定。

2 基于PLCnext的隧道智能監(jiān)控系統(tǒng)

由于傳統(tǒng)控制器在實(shí)現(xiàn)隧道監(jiān)控系統(tǒng)的信息化、網(wǎng)絡(luò)化、多功能化和智能化方面存在不足，為解決上述問題，保障隧道安全、網(wǎng)絡(luò)安全和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)融合，提出了基于菲尼克斯PLCnext技術(shù)的整體解決方案。平臺由PLCnext Control(開放式控制平臺)、PLCnext Engineer(工程軟件)、PLCnext Store(自動化軟件商店)、PLCnext Community(社區(qū))和Proficloud(云解決方案)組成。

2.1 PLCnext技術(shù)特點(diǎn)

PLCnext技術(shù)平臺不僅具備傳統(tǒng)PLC的穩(wěn)定性與可靠性，同時兼具智能設(shè)備的開放性和靈活性，其架構(gòu)如圖2所示。其采用實(shí)時Linux系統(tǒng)，用戶可選擇傳統(tǒng)PLC的IEC61131-3編程語言和高級語言(如C++、C#)或模型語言(如Matlab Simulink)進(jìn)行混合開發(fā)，支持眾多開源軟件和工具、云服務(wù)等。

圖2 PLCnext技術(shù)平臺架構(gòu)圖

平臺集成了豐富的接口和協(xié)議，如MQTT(Message Queuing Telemetry Transport，消息隊(duì)列遙測傳輸協(xié)議)、OPC UA、IEC60870-5-104等，在高度聯(lián)網(wǎng)的自動化系統(tǒng)中進(jìn)行開放通信?？芍苯舆B接到基于云的服務(wù)和數(shù)據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)新的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)[10]，為隧道監(jiān)控系統(tǒng)的信息化和網(wǎng)絡(luò)化提供了保障。

2.2 高速隧道智能監(jiān)控系統(tǒng)

基于PLCnext技術(shù)的公路隧道智能監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3所示。系統(tǒng)由AXC F 2152區(qū)域控制器、AXC F 1152子系統(tǒng)控制器和Proficloud云平臺組成。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與傳統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相似，控制器均為基于PLCnext技術(shù)平臺的新型控制器。

和傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)相比具有以下特點(diǎn)。

① 控制器內(nèi)置OPC UA Server，無須授權(quán)安裝，便捷實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間通信，OPC UA解決了不依賴于設(shè)備廠商的通信問題，是下一代的OPC 標(biāo)準(zhǔn)，提供一個完整、安全和可靠的跨平臺的架構(gòu)。

② 控制器內(nèi)置WebServer，減少了現(xiàn)場HMI設(shè)備，結(jié)合云平臺實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場數(shù)據(jù)多維度的可視化，降低了成本且便于維護(hù)。

③ 平臺支持高級語言，輕松集成照明、通風(fēng)等子系統(tǒng)控制算法；結(jié)合控制器內(nèi)置數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)軟件調(diào)度、預(yù)防性維護(hù)等功能，為隧道智能監(jiān)控提供實(shí)現(xiàn)方法[11-12]。

圖3 高速隧道智能監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

④ 控制器內(nèi)置數(shù)據(jù)庫，可實(shí)現(xiàn)對單個隧道內(nèi)車輛信息、環(huán)境信息和報警信息等記錄存儲，方便歷史查詢。

⑤ 控制器內(nèi)置防火墻功能，通過Web設(shè)置通信規(guī)則，提高了系統(tǒng)各控制器之間以及和SCADA通信的安全性，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定。

⑥ 區(qū)域控制器和各子系統(tǒng)控制器的數(shù)據(jù)連接到云平臺，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享；利用云服務(wù)向運(yùn)維人員和司機(jī)等推送相關(guān)信息，為系統(tǒng)的信息化和多功能化提供了基礎(chǔ)。

⑦ 支持豐富的通信協(xié)議，增強(qiáng)了系統(tǒng)的擴(kuò)展性和兼容性，便捷實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化。

3 高速隧道智能監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)平臺特點(diǎn)和相比傳統(tǒng)控制器的優(yōu)勢，在以下幾方面實(shí)現(xiàn)對高速公路隧道的智能監(jiān)控。

(1) 系統(tǒng)組態(tài)和通信配置。

PLCnext技術(shù)平臺的控制器采用PLCnext Engineer編程軟件。系統(tǒng)的硬件組態(tài)和通信變量的配置如圖4所示。左側(cè)部分為項(xiàng)目結(jié)構(gòu)圖，包括硬件配置和HMI WebServer應(yīng)用程序，右側(cè)部分為通過OPC UA協(xié)議通信的變量配置。

控制器通過OPC UA和HMI通信時，變量只需勾選OPC屬性選項(xiàng)，配置簡單。多個子系統(tǒng)的信息可輕松集成在同一個上位系統(tǒng)中。

(2) 通信安全集成。

隧道智能監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)隨著智慧高速的發(fā)展有了新的需求，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變大，對網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定有了更高的要求。通過控制器集成的防火墻功能對網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)則進(jìn)行設(shè)置(如圖5所示)。設(shè)置控制器和SCADA系統(tǒng)只可以進(jìn)行OPC UA通信，防止控制器受到其他非法訪問。

圖4 系統(tǒng)組態(tài)和通信變量配置

圖5 防火墻配置

通過設(shè)置不同的規(guī)則，避免了控制器之間和信息層網(wǎng)絡(luò)對控制造成干擾，保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

(3) 算法集成。

降本增效是智能監(jiān)控的重要目的。在隧道監(jiān)控的照明子系統(tǒng)和通風(fēng)子系統(tǒng)中通過高級語言對相應(yīng)的算法進(jìn)行優(yōu)化，同時通過閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)，智能感知隧道運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)整體控制策略優(yōu)化，最終達(dá)到節(jié)約能源的目的。

高級語言在PLCnext平臺實(shí)現(xiàn)方式：首先在Eclipse中用C++編寫能源管理(Energy_managemet)的算法；其次將算法生成編程軟件所需的.pcwlx庫文件并導(dǎo)入，導(dǎo)入后的庫文件如圖6所示；然后就可按照傳統(tǒng)編程使用導(dǎo)入的算法庫文件。

(4) App功能實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。

由于控制器支持APP功能，可根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)像智能終端的APP一樣進(jìn)行操作。在交通控制及誘導(dǎo)子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了對車流量數(shù)據(jù)報警的記錄功能。例用Python語言開發(fā)了數(shù)據(jù)報警APP，通過控制器Web中的PLCnext APPs功能進(jìn)行安裝。車流量報警APP的Python語言實(shí)現(xiàn)如圖7所示，實(shí)現(xiàn)了對車流量的實(shí)時監(jiān)控。

圖6 導(dǎo)入庫文件

圖7 APP功能實(shí)現(xiàn)

報警信息通過控制器內(nèi)置的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲。通過APP實(shí)現(xiàn)的車流量數(shù)據(jù)報警記錄如圖8所示，記錄了不同時刻的車流量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和報警狀態(tài)。

圖8 車流量數(shù)據(jù)報警記錄表

系統(tǒng)正常運(yùn)行時，控制器將采集的數(shù)據(jù)按照固定的時間間隔生成報警記錄表。數(shù)據(jù)表包括時間戳、車流量、狀態(tài)和統(tǒng)計(jì)次數(shù)等。設(shè)備運(yùn)行過程中由于發(fā)生過失電，出現(xiàn)統(tǒng)計(jì)次數(shù)不準(zhǔn)確的情況。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，APP部署在Linux系統(tǒng)上，控制器通過遠(yuǎn)程接口調(diào)用。由于存儲容量的限制，故每隔30天生成一張報警記錄表，同時清空數(shù)據(jù)庫，采用記錄表循環(huán)覆蓋的方式進(jìn)行存儲。當(dāng)車流量數(shù)據(jù)在30天以內(nèi)有報警信息，則“統(tǒng)計(jì)次數(shù)”列有數(shù)值記錄；若長時間(超過30天)處于正常范圍內(nèi)，則報警表中的“統(tǒng)計(jì)次數(shù)”數(shù)據(jù)一直沒有觸發(fā)記錄，控制器恢復(fù)上電后，讀取數(shù)據(jù)庫中的“統(tǒng)計(jì)次數(shù)”數(shù)值時，由于此列數(shù)值為空，引發(fā)了數(shù)值不準(zhǔn)確的情況，在控制器中將此數(shù)值的屬性修改為保持型，可使問題得到解決。

將數(shù)據(jù)報警APP安裝到不同子系統(tǒng)控制器中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報警記錄，無須重復(fù)開發(fā)，提高編程效率，縮短系統(tǒng)的調(diào)試周期。將報警數(shù)據(jù)上傳到云平臺，進(jìn)行消息推送，實(shí)現(xiàn)隧道智能監(jiān)控的信息化服務(wù)。

(5) 數(shù)據(jù)可視化。

利用控制器內(nèi)置的eHMI功能和易于集成到Proficloud的特點(diǎn)，隧道監(jiān)控可實(shí)現(xiàn)多維度可視化。通過Web查看隧道照明子系統(tǒng)如圖9所示，畫面展示了對隧道的指示燈控制。在移動設(shè)備終端通過Web可隨時隨地對隧道智能監(jiān)控系統(tǒng)的任意子系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行查看，提高了運(yùn)維效率。

圖9 隧道照明畫面的Web訪問

數(shù)據(jù)集成到云平臺，利用云端Dashboard將數(shù)據(jù)通過多種形式展現(xiàn)。通過云平臺實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的可視化如圖10所示，主要包括交通誘導(dǎo)及控制子系統(tǒng)車流量信息、通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備信息等。對云端數(shù)據(jù)的訪問可根據(jù)用戶的不同而設(shè)定不同的權(quán)限，以保證數(shù)據(jù)的安全和系統(tǒng)的穩(wěn)定。

圖10 Proficloud云平臺數(shù)據(jù)

通過Proficloud云平臺的數(shù)據(jù)共享，能夠?qū)崿F(xiàn)：

① 隧道間的聯(lián)動控制。交通控制功能，如車道關(guān)閉等。

② 便捷的系統(tǒng)維護(hù)。運(yùn)維人員可通過移動終端隨時隨地查看系統(tǒng)狀況。

③ 通過信息化功能向車主提供智能服務(wù)、消息推送等，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多功能化[13]。

4 結(jié)束語

基于PLCnext平臺的高速公路隧道智能監(jiān)控系統(tǒng)，在無須增加任何硬件設(shè)備的前提下，解決了傳統(tǒng)隧道監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)信息化、網(wǎng)絡(luò)化、多功能化和智能化方面的問題。充分利用平臺控制器的特性，為智慧高速的隧道智能監(jiān)控提供了完整的解決方案。提高了通信的便捷性和網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定性，便捷實(shí)現(xiàn)開源算法的集成和自定義APP的開發(fā)。在云上衍生出相關(guān)的其他服務(wù)，更好地實(shí)現(xiàn)了高速隧道系統(tǒng)的智能監(jiān)控，為智慧高速的發(fā)展和建設(shè)提供解決方案。