智慧高速物聯(lián)網(wǎng)平臺建設(shè)創(chuàng)新型思考

王 楊

(遼寧艾特斯智能交通技術(shù)有限公司 沈陽市 110166)

0 引言

隨著新基建和智慧高速的快速發(fā)展,各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的廣泛應(yīng)用，高速公路機電系統(tǒng)整體的技術(shù)架構(gòu)面臨重塑，特別是在新的技術(shù)構(gòu)架下，前端感知系統(tǒng)面臨著碎片化設(shè)備與多樣網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致設(shè)備接入困難、海量設(shè)備難于管理、設(shè)備接入數(shù)量增加等一系列難題。因此，需要通過建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)交通領(lǐng)域ETC門架、超限檢查站、收費廣場、路側(cè)監(jiān)控、橋隧、服務(wù)區(qū)等物聯(lián)感知設(shè)備統(tǒng)一接入，建立感知數(shù)據(jù)標準建模，實現(xiàn)感知數(shù)據(jù)共享，進而發(fā)揮感知層智慧交通數(shù)據(jù)感知、聯(lián)動處置的重要功能，真正將人、車、路相結(jié)合，實現(xiàn)有效鏈接與高效聯(lián)動。

1 高速公路數(shù)據(jù)感知體系現(xiàn)狀

1.1 現(xiàn)有數(shù)據(jù)感知體系架構(gòu)

現(xiàn)有高速公路數(shù)據(jù)感知傳輸采用傳感器和業(yè)務(wù)系統(tǒng)直連的方式，前端傳感器采用各自私有協(xié)議或部分標準協(xié)議直接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁髯缘臉I(yè)務(wù)系統(tǒng)，業(yè)務(wù)系統(tǒng)對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，數(shù)據(jù)匯集和互通通過各業(yè)務(wù)系統(tǒng)來實現(xiàn)，沒有實現(xiàn)集中式的數(shù)據(jù)匯集和共享，數(shù)據(jù)感知體系架構(gòu)圖如圖1所示[1]。

圖1 現(xiàn)有數(shù)據(jù)感知體系架構(gòu)圖

1.2 現(xiàn)有數(shù)據(jù)感知體系存在的問題

(1)智慧感知體系缺乏系統(tǒng)規(guī)劃與基礎(chǔ)支撐

現(xiàn)有數(shù)據(jù)感知層僅僅是實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的基本采集功能，缺少對采集數(shù)據(jù)的整體規(guī)劃，缺少不同傳感器之間的功能協(xié)作，進而導(dǎo)致采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在標準統(tǒng)一、數(shù)據(jù)融合治理方面存在較大難度。

(2)碎片化設(shè)備與多樣網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致接入困難

在高速公路設(shè)備領(lǐng)域，需要連接的設(shè)備成千上萬，包括機電設(shè)施、基礎(chǔ)設(shè)施、收費站設(shè)施、服務(wù)器設(shè)施等，設(shè)備的類型千差萬別，組網(wǎng)模式形態(tài)與標準各異，異構(gòu)性是急需解決的關(guān)鍵問題。

(3)海量設(shè)備難于管理

在取消省界站時期，新增了大量的智能化終端設(shè)備，對設(shè)備管養(yǎng)要求進一步提高，設(shè)備的實時在線狀態(tài)、設(shè)備屬性、服務(wù)和事件信息等需要進行統(tǒng)一的管理，多語言、多網(wǎng)絡(luò)、多協(xié)議給設(shè)備維護和升級管理提出了巨大的挑戰(zhàn)。

(4)感知數(shù)據(jù)缺乏標準，難于共享與聯(lián)動

在智慧高速的架構(gòu)體系下，多源數(shù)據(jù)的融合共享是打破各個獨立“煙囪”系統(tǒng)的關(guān)鍵，而要實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合就需要在數(shù)據(jù)采集過程中建立統(tǒng)一的標準。

2 智慧高速物聯(lián)網(wǎng)平臺設(shè)計

2.1 物聯(lián)網(wǎng)平臺的含義

物聯(lián)網(wǎng)平臺是指通過構(gòu)建一層標準化的接入平臺，實現(xiàn)對多語言、多網(wǎng)絡(luò)、多協(xié)議設(shè)備的標準化接入和管理，實現(xiàn)對ETC門架、超限檢查站、收費廣場、路側(cè)監(jiān)控、橋隧、服務(wù)區(qū)等物聯(lián)感知設(shè)備統(tǒng)一接入，感知數(shù)據(jù)標準建模、感知數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)整個交通的實時在線監(jiān)測以及跨域業(yè)務(wù)聯(lián)動。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)平臺的架構(gòu)

高速公路物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接平臺體系架構(gòu)分為物聯(lián)通信、協(xié)議解析、設(shè)備管理、應(yīng)用及服務(wù)四層[2]。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)

2.2.1物聯(lián)通信

物聯(lián)通信實現(xiàn)設(shè)備的快速接入、數(shù)據(jù)的封裝與轉(zhuǎn)發(fā)、指令的接收與響應(yīng)，是現(xiàn)實設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理云平臺直接連接的中間平臺，滿足快接入、高穩(wěn)定可用、高并發(fā)、高容量、高兼容等指標要求，具有以下特點：

(1)兼容包括標準協(xié)議以及自定義協(xié)議，包括MQTT、CoAP、MODBUS、HTTP、TCP、RGMP多種協(xié)議。

(2)兼容2/3/4/5G、NB—loT、LoRa異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)，處理復(fù)雜多變的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

(3)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)作為設(shè)備和云平臺之間的連接橋梁，具備高并發(fā)、高可用、高性能、彈性可伸縮等特點，支持多設(shè)備的快速接入與操作控制。

2.2.2協(xié)議解析

協(xié)議解析負責(zé)對消息內(nèi)容的解析服務(wù)，包括快速完成各種設(shè)備數(shù)據(jù)協(xié)議的解析，將設(shè)備上傳的原始數(shù)據(jù)解析成可分析、可洞察的標準數(shù)據(jù)。平臺管理的對象為設(shè)備與云平臺之間傳遞的消息，包括消息路由、消息解析以及消息的存儲與轉(zhuǎn)發(fā)等內(nèi)容，主要內(nèi)容如下：

(1)消息路由機制。根據(jù)不同的設(shè)備傳遞的消息類型、主題以及優(yōu)先級，預(yù)設(shè)通配符，映射定義對應(yīng)的消息處理者，實現(xiàn)消息與消息處理者的動態(tài)關(guān)聯(lián)。

(2)消息解析模塊。該模塊為平臺的核心模塊，主要負責(zé)對消息內(nèi)容的解析。對于設(shè)備采集并傳輸上來的不同協(xié)議(MQTT、CoAP、MODBUS、HTTP、TCP、RGMP)的原始數(shù)據(jù)，根據(jù)配置的設(shè)備數(shù)據(jù)模型將其解析成能理解、能分析、能存儲的語義化的數(shù)據(jù)格式。

(3)消息存儲與轉(zhuǎn)發(fā)。實現(xiàn)消息解析后數(shù)據(jù)的存儲，滿足大數(shù)據(jù)存儲的各項技術(shù)要求。

2.2.3設(shè)備管理

設(shè)備管理對需接入的設(shè)備通過后端控制臺進行集中可視化管理的平臺，提供完整的設(shè)備生命周期管理功能，支持設(shè)備注冊、功能定義、遠程配置、遠程維護、實時監(jiān)控、分組管理、設(shè)備刪除。

2.2.4應(yīng)用服務(wù)

應(yīng)用層是為上級業(yè)務(wù)應(yīng)用提供支撐的幫助平臺，方便應(yīng)用程序快速具備物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的能力，縮短開發(fā)周期及降低開發(fā)成本。應(yīng)用平臺能實現(xiàn)服務(wù)的自動注冊、負載均衡、限流和熔斷等功能，提升服務(wù)的高可用性與可伸縮性。

(1)開放的API接口體系。平臺提供開放的API接口，用戶可以通過HTTP/HTTPS調(diào)用進行設(shè)備管理、數(shù)據(jù)查詢、設(shè)備命令交互等操作，在API基礎(chǔ)上，根據(jù)需求搭建上層應(yīng)用。

(2)主流語言版本的SDK。針對不同的應(yīng)用程序開發(fā)語義，提供封裝好的應(yīng)用接口訪問的開發(fā)組件，使不同的語言開發(fā)者能快速調(diào)用物聯(lián)網(wǎng)平臺提供的接口服務(wù)，縮短開發(fā)周期，提升應(yīng)用程序性能。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)平臺的主要功能

2.3.1設(shè)備接入

面向高速機電設(shè)施、基礎(chǔ)設(shè)施、收費站設(shè)施、服務(wù)器設(shè)施，可以實現(xiàn)多語言、多網(wǎng)絡(luò)、多協(xié)議設(shè)備的快速接入。主要能實現(xiàn)三種方式的設(shè)備接入，一是基于設(shè)備SKD二次開發(fā)，支持行業(yè)多語言，包括JAVA/PYTHON/NODE.JS/PHP/C#.NET等；二是支持多網(wǎng)絡(luò)適配，包括NB-IOT/蜂窩通信/LORA/WIFI/ZIGBEE/有線等；三是支持行業(yè)主流的多協(xié)議，包括MQTT/COAP/HTTPS/GB1818/GA1400/MODBUS等。

遵循通用標準建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理平臺，讓各類設(shè)備廠商遵循標準連接設(shè)備，形成不同廠家設(shè)備之間的協(xié)同和聯(lián)動，最終逐步實現(xiàn)體系化的高速公路物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)。

2.3.2物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理主要是通過構(gòu)建設(shè)備模型，對設(shè)備進行全方位管理[3]。設(shè)備模型信息包含設(shè)備狀態(tài)信息，例如設(shè)備在線/離線、激活/未激活等信息；設(shè)備的檔案信息，例如設(shè)備安裝位置、歸屬權(quán)等靜態(tài)信息；設(shè)備的基本屬性，例如設(shè)備運行時的溫度和濕度；設(shè)備的服務(wù)信息，例如設(shè)備被遠程調(diào)用執(zhí)行的動作、指令；設(shè)備事件信息，例如設(shè)備主動上報的信息、告警、故障通知等。

通過對上述設(shè)備信息的分組和標識，形成基礎(chǔ)資源庫，再利用基礎(chǔ)資源庫拼接組合成相關(guān)功能模塊。

2.3.3實現(xiàn)全生命周期的設(shè)備維護

通過物聯(lián)網(wǎng)平臺可實現(xiàn)對設(shè)備的全生命周期設(shè)備維護[4]，主要實現(xiàn)在線升級、日志服務(wù)、消息軌跡和遠程調(diào)試四個功能。

(1)在線升級。為海量的前端設(shè)備提供設(shè)備升級通道，支持固件、軟件等升級。同時具備固件版本管理、固件升級策略和固件統(tǒng)計分析等功能，實現(xiàn)固件推送和消息同步等功能，提高設(shè)備升級維護的效率和質(zhì)量，保障設(shè)備能及時更新至最新軟件版本。

(2)消息軌跡查詢。通過對設(shè)備信息的實時監(jiān)控，可以追蹤設(shè)備消息的軌跡，為精準定位設(shè)備故障提供參照依據(jù)，例如在對門架ETC天線故障排查時，可以利用消息軌跡查詢，確定消息在傳輸路徑是否正常，在某一個傳輸環(huán)節(jié)是否存在異常情況等等，提高設(shè)備故障排查效率和運維時效性。

(3)設(shè)備遠程調(diào)試。通過接入層的標準協(xié)議的統(tǒng)一，可以實現(xiàn)遠程SSH設(shè)備登錄，實現(xiàn)屬性設(shè)置調(diào)試，服務(wù)調(diào)用調(diào)試和設(shè)備模擬器功能等多種設(shè)備遠程調(diào)試手段，減少現(xiàn)場運維的頻次，豐富維護手段，提高設(shè)備維護的效率。

2.3.4實現(xiàn)感知數(shù)據(jù)高效匯聚

利用物聯(lián)網(wǎng)平臺的設(shè)備接入和整合能力，可以實現(xiàn)對監(jiān)控圖像、收費數(shù)據(jù)、道路環(huán)境感知等異構(gòu)數(shù)據(jù)的匯聚，有利于形成統(tǒng)一的大數(shù)據(jù)資源池，對行業(yè)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一匯聚、統(tǒng)一建模管理，構(gòu)建數(shù)據(jù)秩序，充分挖掘數(shù)據(jù)價值，不斷完善數(shù)據(jù)的生產(chǎn)要素屬性，讓數(shù)據(jù)更好找、更好看、更好用。

3 結(jié)束語

分析了高速公路現(xiàn)有數(shù)據(jù)感知系統(tǒng)的現(xiàn)狀，根據(jù)感知系統(tǒng)存在的問題和信息技術(shù)手段的發(fā)展趨勢，提出了面向智慧高速的物聯(lián)網(wǎng)平臺，實現(xiàn)對異構(gòu)感知數(shù)據(jù)匯聚、異網(wǎng)感知設(shè)備的接入，實現(xiàn)行業(yè)協(xié)議無縫對接，為智慧高速上層應(yīng)用集約調(diào)用提供了有效支撐。