基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的隧道監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 穎

（山西興路交通工程監(jiān)理技術(shù)咨詢有限公司，山西 太原 030006）

近年來(lái)，車路協(xié)同、智慧交通技術(shù)逐步進(jìn)入到實(shí)用階段，作為智慧交通核心技術(shù)之一的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也漸漸為業(yè)內(nèi)人士所熟知。技術(shù)的進(jìn)步、社會(huì)的發(fā)展都表明，無(wú)線通信替代有線通信是大勢(shì)所趨，特別是在網(wǎng)絡(luò)的末梢——現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)節(jié)，表現(xiàn)得尤為顯著。目前，國(guó)內(nèi)隧道監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備普遍采用有線通信的方式接入網(wǎng)絡(luò)，投資大，靈活性、擴(kuò)展性差，為此本文提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的隧道監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)隧道監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線化，大幅節(jié)約光電纜數(shù)量，提升系統(tǒng)的靈活性、擴(kuò)展性、可靠性和易用性。

1 隧道監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀及需求分析

目前，我國(guó)隧道監(jiān)控系統(tǒng)普遍采用有線通信的方式解決隧道機(jī)電設(shè)備的測(cè)控，需要敷設(shè)大量的通信光纜和電纜，對(duì)于遠(yuǎn)程骨干通信網(wǎng)絡(luò)，光纜無(wú)疑是合適的選擇，但是，對(duì)于隧道內(nèi)部的設(shè)備，采用光電纜連接則有諸多的不便和問(wèn)題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.1 施工工作量大 復(fù)雜程度高

隨著隧道運(yùn)營(yíng)及安全管理要求的提高，隧道內(nèi)設(shè)置的監(jiān)控設(shè)備愈來(lái)愈多，把這些設(shè)備連接起來(lái)需要敷設(shè)大量的光纜電纜?，F(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)證明，施工隊(duì)伍用于敷設(shè)纜線的工時(shí)約占全部施工時(shí)間的一半，相比之下，用于設(shè)備安裝調(diào)試的時(shí)間反而少得多。另外，線纜的型號(hào)規(guī)格眾多，敷設(shè)要求各不相同，有的要預(yù)留預(yù)埋，有的要穿管保護(hù)，連接排線十分復(fù)雜。

1.2 系統(tǒng)的靈活性、開放性、擴(kuò)展性比較差 難以與時(shí)俱進(jìn)

隧道內(nèi)設(shè)備的接口類型與通信協(xié)議各不相同，整個(gè)通信系統(tǒng)有固定的路由，一旦監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建完成，即使簡(jiǎn)單地增加設(shè)備或者移動(dòng)設(shè)備的位置也十分困難，需要重新布線，甚至需要破壞隧道的物理結(jié)構(gòu)，如在洞壁上開槽等。

1.3 可靠性不足 故障風(fēng)險(xiǎn)和代價(jià)較高

通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定可靠主要取決于通信線纜的通斷以及連接的品質(zhì)。一旦線纜局部損壞或斷裂，極易造成周邊設(shè)備故障以及子系統(tǒng)的整體癱瘓，一個(gè)點(diǎn)的故障造成的往往是一片設(shè)備或一條線路上設(shè)備的失聯(lián)，其事故的風(fēng)險(xiǎn)和代價(jià)是比較高昂的。

1.4 資源消耗大 投資高昂

一項(xiàng)監(jiān)控系統(tǒng)工程，不算骨干通信網(wǎng)絡(luò)，僅僅隧道洞內(nèi)及洞口附近需要消耗的光電纜數(shù)量動(dòng)輒幾十乃至上百公里，加上配套的橋架、鋼管、線槽等輔助材料，整個(gè)系統(tǒng)需要消耗大量的金屬材料，這些都來(lái)自不可再生的寶貴自然資源，與此對(duì)應(yīng)的是項(xiàng)目投資的居高不下。以某新建工程隧道監(jiān)控系統(tǒng)為例，整個(gè)監(jiān)控標(biāo)段的投資是1 190萬(wàn)元，其中線纜、輔助材料如線槽、橋架、配線架、保護(hù)鋼管等的投資是418萬(wàn)元，占總投資的35.2%.如果加上交換機(jī)、光端機(jī)、PLC等通信控制設(shè)備，那么監(jiān)控系統(tǒng)中用于通信的投資超過(guò)了總投資的50%，無(wú)論絕對(duì)值還是百分比都是相當(dāng)高的數(shù)值。

通過(guò)以上對(duì)現(xiàn)行監(jiān)控系統(tǒng)局限性的分析和對(duì)客戶實(shí)際工作中困擾的了解以及需求調(diào)研，客戶和市場(chǎng)對(duì)于監(jiān)控系統(tǒng)的需求或者期望有以下幾點(diǎn)：

a）一個(gè)高度智能且與時(shí)俱進(jìn)的系統(tǒng)，具備良好的成長(zhǎng)性和擴(kuò)展性：系統(tǒng)應(yīng)該能夠方便地升級(jí)，更換或者新增更高技術(shù)水準(zhǔn)的設(shè)備而無(wú)需廢棄現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施。

b）一個(gè)靈活的系統(tǒng)，具有良好的適應(yīng)性：系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)容易調(diào)整，具有很好的彈性，給使用者以較大的自由度，而不是一個(gè)僵硬的、固化的系統(tǒng)。

c）一個(gè)易用的系統(tǒng)，操作和維護(hù)都極為簡(jiǎn)單明了，如同使用一部智能手機(jī)。

d）一個(gè)健壯的系統(tǒng)，具有極高的可靠性：不僅故障率要低，而且一旦出現(xiàn)故障，能把故障帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)控制于故障點(diǎn)本身，而不至于影響到周邊的設(shè)備、子系統(tǒng)。

e）一個(gè)低成本的、資源節(jié)約型的系統(tǒng)，無(wú)論建設(shè)還是運(yùn)營(yíng)維護(hù)，其投資都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于現(xiàn)在的投資水平。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的預(yù)期目標(biāo)，其關(guān)鍵在于無(wú)線通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的選擇，現(xiàn)有的無(wú)線通信技術(shù)有很多種，且不止一種無(wú)線通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)隧道機(jī)電設(shè)備的無(wú)線接入，但它必須是簡(jiǎn)便的、廉價(jià)的和可靠的。Zigbee技術(shù)以其獨(dú)具一格的特點(diǎn)，成為實(shí)現(xiàn)隧道無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的不二之選。

2004年，ZigBee技術(shù)和RFID技術(shù)被列入當(dāng)今世界發(fā)展最快、市場(chǎng)前景最廣闊的十大最新技術(shù)之內(nèi)，是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用最關(guān)鍵的技術(shù)之一。眾所周知，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵在于解決網(wǎng)絡(luò)末梢海量信息終端的數(shù)據(jù)通訊問(wèn)題，ZigBee就是解決“最后1 km、最后100 m、最后10 m”數(shù)據(jù)通信的理想技術(shù)。

ZigBee是個(gè)仿生學(xué)名詞，來(lái)源于蜂群中蜜蜂相互通訊時(shí)的螺旋形“Z”字舞蹈，使用免費(fèi)的工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療專用頻段（2.4G-ISM），它是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞，可以嵌入多種設(shè)備中，其主要特點(diǎn)可以概括為“三低兩高”[1]：

a）近距離 傳輸范圍一般在10～100 m之間，這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離。通過(guò)路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離可以更遠(yuǎn)。

b）低功耗 在低耗電待機(jī)模式下，紐扣電池就可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6～24個(gè)月，甚至更長(zhǎng)。

c）低成本 通過(guò)大幅簡(jiǎn)化協(xié)議降低了通信控制器成本（不足藍(lán)牙的1/10），而且ZigBee的協(xié)議專利免費(fèi)。

d）高容量 最多可組成65 000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。

e）高可靠性 由于采用網(wǎng)狀網(wǎng)（mesh網(wǎng)絡(luò)）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，自動(dòng)路由，動(dòng)態(tài)組網(wǎng)，直序擴(kuò)頻（DSSS）的方式，因而抗干擾性強(qiáng)，能夠很好適應(yīng)工業(yè)自動(dòng)化控制現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜狀況。

Zigbee技術(shù)最重要的特點(diǎn)之一就是支持mesh網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)（無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)）也稱為“多跳（multihop）”網(wǎng)絡(luò)，它是一種與傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)完全不同的新型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在傳統(tǒng)的無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）中，每個(gè)客戶端均通過(guò)一條與AP相連的無(wú)線鏈路來(lái)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被稱為單跳網(wǎng)絡(luò)。而在無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)中，任何無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都可以同時(shí)作為AP和路由器，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送和接收信號(hào)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與一個(gè)或者多個(gè)對(duì)等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信。數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中自動(dòng)尋找效率最高的傳輸路徑，直到到達(dá)目的地，沒有固定的路由。添加或移動(dòng)設(shè)備時(shí)，網(wǎng)絡(luò)能夠自動(dòng)發(fā)現(xiàn)拓?fù)渥兓⒆詣?dòng)調(diào)整通信路由，以獲取最有效的傳輸路徑。

圖1 mesh網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

基于上述分析，該項(xiàng)目選擇基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)作為隧道監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，并輔之以Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，以提供豐富的音視頻功能。

2.2 嵌入式一體化技術(shù)

高性能的智能基站和無(wú)線終端基于ARM架構(gòu)，采用一體化嵌入式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)軟硬件的高度集成化和智能化，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外形小巧，安裝使用極為簡(jiǎn)便[2]。

2.3 接入和集成標(biāo)準(zhǔn)化

無(wú)線終端內(nèi)置多種通訊接口，覆蓋現(xiàn)有隧道機(jī)電設(shè)備的所有通訊接口模式。機(jī)電設(shè)備通過(guò)無(wú)線終端接入隧道監(jiān)控系統(tǒng)，所有設(shè)備最終使用統(tǒng)一的無(wú)線通訊協(xié)議進(jìn)行信息交換，實(shí)現(xiàn)接入和集成的標(biāo)準(zhǔn)化。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)主要包括3個(gè)部分：中央控制系統(tǒng)、中繼器、無(wú)線監(jiān)控終端。

如圖2所示，所有的無(wú)線監(jiān)控終端（TM）和中繼器（RPT）組成了一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建起隧道監(jiān)控系統(tǒng)前端設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)。隧道機(jī)電設(shè)備的工作狀態(tài)信息以及傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)這個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳遞給就近的中繼器，再由中繼器通過(guò)有線骨干網(wǎng)絡(luò)或4G/5G商用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳送到設(shè)在隧道管理部門的中央控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；中央控制系統(tǒng)根據(jù)編程設(shè)定的控制方案把控制指令通過(guò)有線骨干網(wǎng)絡(luò)或4G/5G商用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到中繼器，中繼器再將控制指令通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到對(duì)應(yīng)的無(wú)線監(jiān)控終端，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)每臺(tái)隧道機(jī)電設(shè)備的控制。遠(yuǎn)程管理中心可以通過(guò)Internet或?qū)＞W(wǎng)訪問(wèn)隧道管理站的中央控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和調(diào)度控制。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 中央控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中央控制系統(tǒng)配置于隧道監(jiān)控中心，包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、監(jiān)控軟件、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)系統(tǒng)和無(wú)線傳輸管理系統(tǒng)等子系統(tǒng)，主要有以下功能模塊：

a）信息顯示查詢模塊 顯示當(dāng)前隧道機(jī)電設(shè)備的工作狀態(tài)和傳感器數(shù)值，用戶可以設(shè)定區(qū)域、設(shè)定時(shí)段、設(shè)定類別查詢。該模塊有3種顯示查詢方式，第一種是基于GIS地圖的顯示查詢方式，將隧道機(jī)電設(shè)備的位置和工作狀態(tài)信息等直接標(biāo)注在隧道GIS地圖上，比較形象和直觀；第二種是基于表格的顯示查詢方式，信息容量大，便于統(tǒng)計(jì)分析；第三種是綜合顯示查詢方式，用戶可以設(shè)定查詢顯示條件，便于查詢顯示用戶最關(guān)心的信息。

b）控制方案管理模塊 用戶可以設(shè)定多種控制方案，根據(jù)需要調(diào)用。

c）人工控制模塊 用戶可以通過(guò)人工的方式干預(yù)正在執(zhí)行的控制方案或者直接發(fā)出控制命令。

d）報(bào)警信息顯示查詢模塊 隧道機(jī)電設(shè)備的故障和警報(bào)信息會(huì)在中央控制系統(tǒng)工作站上報(bào)警顯示。

e）報(bào)表打印模塊和系統(tǒng)維護(hù)管理模塊 系統(tǒng)軟件的維護(hù)和管理。

3.3 中繼器設(shè)計(jì)

中繼器主要由連接有線網(wǎng)絡(luò)的TCP/IP接口、連接商用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的4G/5G接口、連接無(wú)線監(jiān)控終端的無(wú)線通訊模塊和ARM控制系統(tǒng)組成。ARM控制器內(nèi)部自帶256 K高速FLASH和64 K SRAM以提高系統(tǒng)的工作速度。在ARM控制器的控制下，由無(wú)線終端傳送來(lái)的監(jiān)測(cè)信息，通過(guò)TCP/IP或4G/5G的方式上傳到中央控制系統(tǒng)；由中央控制系統(tǒng)下達(dá)的控制指令，通過(guò)TCP/IP或4G/5G的方式下傳到中繼器，再由中繼器的無(wú)線通訊模塊轉(zhuǎn)發(fā)到對(duì)應(yīng)的無(wú)線監(jiān)控終端，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)每臺(tái)隧道機(jī)電設(shè)備的控制。中繼器的原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 中繼器原理結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 無(wú)線監(jiān)控終端設(shè)計(jì)

無(wú)線監(jiān)控終端使用被控設(shè)備的電源供電。傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行A/D變換后由無(wú)線通訊模塊通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向中央控制系統(tǒng)報(bào)送；由中繼器轉(zhuǎn)發(fā)而來(lái)的控制指令經(jīng)ARM系統(tǒng)處理后通過(guò)固態(tài)繼電器或PLC控制設(shè)備的動(dòng)作，每個(gè)終端可以配接兩個(gè)傳感器、控制兩個(gè)機(jī)電設(shè)備的開停，還可以通過(guò)串行通信接口連接一臺(tái)PLC設(shè)備；終端內(nèi)置的基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線通訊模塊，使得終端可以自動(dòng)組網(wǎng)，信息在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)自動(dòng)尋找路徑傳遞，沒有固定的傳輸路由，大大提高了通訊的可靠性。無(wú)線監(jiān)控終端的原理結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 無(wú)線監(jiān)控終端原理結(jié)構(gòu)示意圖

4 系統(tǒng)特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)

該項(xiàng)目的研究，旨在應(yīng)用當(dāng)前先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建隧道內(nèi)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，隧道內(nèi)的機(jī)電設(shè)備除攝像機(jī)以外全部接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采取網(wǎng)狀網(wǎng)的形式，動(dòng)態(tài)組網(wǎng)，自動(dòng)路由，每個(gè)設(shè)備或者通信節(jié)點(diǎn)既是通信的終端節(jié)點(diǎn)也是路由器，可以接力和轉(zhuǎn)發(fā)其他設(shè)備的信息，構(gòu)建更為開放、靈活、方便、可靠的監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是：

a）取消絕大部分通信電纜，實(shí)現(xiàn)資源和投資的雙重節(jié)約。

b）大幅降低施工和維護(hù)檢修工作量和難度。

c）系統(tǒng)擴(kuò)展或者調(diào)整極為靈活方便，可以根據(jù)需要隨意增加、減少設(shè)備或者調(diào)整設(shè)備的安裝位置而無(wú)需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改造調(diào)整。

d）具有健壯的可靠性，采用網(wǎng)狀網(wǎng)的組網(wǎng)方式，通信沒有固定路由，個(gè)別網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的故障并不影響其他節(jié)點(diǎn)的通信，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)規(guī)劃新的路由，繞開故障節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接受方的確認(rèn)信息，保證信息傳遞的準(zhǔn)確可靠。

e）運(yùn)營(yíng)成本低廉，使用免費(fèi)的2.4 GHz頻段，既無(wú)需繳費(fèi)也不必辦理執(zhí)照。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的隧道監(jiān)控系統(tǒng)，可以應(yīng)用于所有的公路隧道監(jiān)控，無(wú)論是新建隧道還是運(yùn)營(yíng)隧道，以替代現(xiàn)有的有線監(jiān)控系統(tǒng)。目前，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)申請(qǐng)了國(guó)家實(shí)用新型專利并獲得批準(zhǔn)，期待早日規(guī)?；逃?，服務(wù)于智慧交通。