5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)下的岸橋電氣遠(yuǎn)程調(diào)試平臺(tái)設(shè)計(jì)探析

俞曉誠

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

在5G移動(dòng)通信技術(shù)的支持下，岸橋電氣管理水平不斷提高，通過有效地進(jìn)行遠(yuǎn)程平臺(tái)設(shè)計(jì)，不僅能提高岸橋設(shè)備運(yùn)行管理水平，還有利于保證設(shè)備運(yùn)行安全。因此，相關(guān)技術(shù)人員要加強(qiáng)對(duì)于5G移動(dòng)通信技術(shù)的運(yùn)用與設(shè)計(jì)研究能力，從而保證岸橋電氣遠(yuǎn)程調(diào)試水平不斷提高。

1 平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 概要設(shè)計(jì)

岸橋遠(yuǎn)程調(diào)試平臺(tái)主要由硬件、軟件和5G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。其中，硬件主要是由岸橋數(shù)據(jù)采集、控制室內(nèi)數(shù)據(jù)處理和輸出等方面的設(shè)備構(gòu)成；軟件主要為模塊化設(shè)計(jì)，依據(jù)相應(yīng)功能完成編程；網(wǎng)絡(luò)是基于5G運(yùn)營商，結(jié)合宏基站全面滿足當(dāng)前高寬帶和傳輸速率的基本需求[1]。

1.2 硬件架構(gòu)

1.2.1 岸橋端硬件設(shè)備

岸橋方面的設(shè)備主要由高清攝像機(jī)、單兵設(shè)備、成套機(jī)柜及用戶終端設(shè)備等組成。高清攝像機(jī)傾向于選擇行業(yè)龍頭企業(yè)生產(chǎn)的DH-IPC產(chǎn)品。攝像機(jī)可分別在電氣房和機(jī)器房等環(huán)境配置，可從不同方面對(duì)作業(yè)環(huán)境進(jìn)行全天候監(jiān)控。如果發(fā)現(xiàn)安全隱患，則及時(shí)向工程師發(fā)出警示，使其停止作業(yè)開展調(diào)試。單兵設(shè)備主要分為頭盔和眼鏡兩種類型，體積相對(duì)較小，操作靈活，這也是單兵設(shè)備的重要優(yōu)勢(shì)。單兵設(shè)備（圖1）可將畫面即時(shí)傳輸?shù)娇刂剖覂?nèi)，同時(shí)還具有定位功能，能夠準(zhǔn)確鎖定人員的具體位置。

圖1 移動(dòng)單兵設(shè)備

5GCPE傾向于使用華為的H112-372產(chǎn)品，主要可發(fā)揮該類產(chǎn)品在網(wǎng)絡(luò)方面的優(yōu)勢(shì)，在最短的時(shí)間內(nèi)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨稑蚨恕＞唧w設(shè)備如圖2所示。

圖2 5GCPE設(shè)備

成套機(jī)柜主要選擇6U類型的產(chǎn)品，其中包括寬度較大的頻率和電源、硬盤錄像機(jī)及相關(guān)附件產(chǎn)品。寬電壓電源可選擇AN97H類型的變頻電源，電壓和頻率使用不兼容的類型。交換機(jī)使用8口POE的RG-S1920類型產(chǎn)品，以此連接攝像機(jī)等設(shè)備。硬盤錄像機(jī)主要選擇DH-NVR4208系列產(chǎn)品，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)將視頻保存3個(gè)月的目標(biāo)[2]。

1.2.2 中心控制室

該區(qū)域主要由工作和休息兩部分區(qū)域構(gòu)成。其中，工作區(qū)域內(nèi)需配置機(jī)柜、電腦和電源柜等設(shè)施；休息區(qū)域內(nèi)可配置沙發(fā)等硬件，以便工作人員在工作之余能夠放松身心。中控室的具體布局如圖3所示。

圖3 中控室布局

大屏可由幾塊55寸屏幕集合而成，以此總體呈現(xiàn)不同的圖像。電源柜可為整個(gè)控制室的設(shè)備持續(xù)提供電能，同時(shí)還需配置防雷裝置，以此保障控制室內(nèi)設(shè)備的正常運(yùn)行。成套機(jī)柜主要使用的是42U類型機(jī)柜，其中配置錄像機(jī)、軟件服務(wù)器、POE交換機(jī)等設(shè)備。視頻解碼設(shè)備主要將視頻信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像，以此輔助工程師基于后臺(tái)掌握岸橋的總體情況。

平臺(tái)整體硬件架構(gòu)如圖4所示。

圖4 平臺(tái)整體硬件架構(gòu)

1.3 軟件架構(gòu)

岸橋調(diào)試系統(tǒng)可使用服務(wù)器和客戶機(jī)的模式，通過客戶機(jī)連接服務(wù)器設(shè)備，同時(shí)還可向用戶端提供反饋。操作系統(tǒng)主要由操作界面、遠(yuǎn)程接入、物資和門禁管理等模塊構(gòu)成。軟件系統(tǒng)由雙語切換界面組成，這樣可完全滿足不同國家工程師的應(yīng)用需求[3]。軟件操作界面具體如圖5所示。

圖5 軟件操作系統(tǒng)界面截圖

1.4 岸橋電氣遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

岸橋控制系統(tǒng)的終端是整個(gè)電氣控制系統(tǒng)的重要內(nèi)容，能夠全面搜集和處理指令及視頻信息，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換平臺(tái)將數(shù)據(jù)內(nèi)容傳輸?shù)浇K端節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成要素主要有控制單元、數(shù)字量和模擬量傳輸、通信等。

其中，控制單元的核心器件為性能較高的核心板，其運(yùn)用的系統(tǒng)為Linux，控制單元將其作為主要的控制設(shè)備，以此通過終端實(shí)現(xiàn)對(duì)不同單元的全面控制?？刂茊卧膬?yōu)勢(shì)在于對(duì)終端的邏輯進(jìn)行控制，綜合處理通信單元和不同的數(shù)據(jù)信息[4]。

將CAN信號(hào)、模擬量等傳輸單元當(dāng)作物理接口接入對(duì)應(yīng)傳輸接口和電氣的物理接口，主要負(fù)責(zé)匯集由下級(jí)設(shè)備提供的不同數(shù)字和模擬信號(hào)以及串口和CAN數(shù)據(jù)信息，并將遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)反饋到下級(jí)設(shè)備端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的順暢傳輸。

通信單元主要由具有一定通信功能的路由器作為主體，結(jié)合具體情況和需求選擇適合的網(wǎng)絡(luò)，如Wi-Fi或移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，將其配置在攝像機(jī)的通信單元網(wǎng)口，這樣就可將設(shè)備端的圖像發(fā)送到操作端。電源單元主要包括外部電力和應(yīng)急電力設(shè)備，這樣可全面保障各終端均能夠順利運(yùn)行，從而提供持續(xù)的電力支持。

1.5 岸橋電氣遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

岸橋控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)的核心要素，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備、業(yè)務(wù)的系統(tǒng)管理，同時(shí)對(duì)設(shè)備端的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)端對(duì)端的處理，MEC能夠處理通信延時(shí)等方面的問題，提高操作反應(yīng)效率。

1.5.1 設(shè)備管理平臺(tái)

設(shè)備管理平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)所有接入設(shè)備的全面管理，主要包括對(duì)接入設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、日志、命令收發(fā)等情況的查詢。

設(shè)備接入模塊的功能主要體現(xiàn)在可查看設(shè)備管理平臺(tái)上的各類信息內(nèi)容，如在線狀態(tài)、配對(duì)及設(shè)備位置等信息。管理平臺(tái)的命令處理模塊能夠?qū)⑵脚_(tái)下發(fā)的操作指令發(fā)送到設(shè)備終端，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備命令的信息反饋。

日志查詢是對(duì)設(shè)備和平臺(tái)交互操作的各類信息進(jìn)行細(xì)致記錄的功能，同時(shí)還可為運(yùn)維和研發(fā)人員提供信息參考，便于查詢。

1.5.2 數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)平臺(tái)

數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)平臺(tái)是云端功能的核心部分，也是實(shí)現(xiàn)不同終端信息轉(zhuǎn)發(fā)的基本功能類型，其具有設(shè)備監(jiān)控、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、轉(zhuǎn)發(fā)和對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理等多項(xiàng)功能。

其中，設(shè)備監(jiān)控模塊是設(shè)備管理平臺(tái)針對(duì)所有接入設(shè)備的運(yùn)行狀況和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行全面監(jiān)控的模塊類型，通過對(duì)數(shù)據(jù)的科學(xué)分析判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，從而及時(shí)排查設(shè)備的故障信息，以此保障設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。

基礎(chǔ)管理模塊具有管理和配置接入設(shè)備的功能，可基于管理平臺(tái)發(fā)出的指令對(duì)設(shè)備配置進(jìn)行操作，從而保障設(shè)備運(yùn)行的精準(zhǔn)性。

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊是針對(duì)全部接入設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行管理的模塊，具有查詢數(shù)據(jù)流量、網(wǎng)絡(luò)延遲和抖動(dòng)情況等功能。

轉(zhuǎn)發(fā)模塊可對(duì)設(shè)備進(jìn)行針對(duì)性操作，保障終端和操作端實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)，二者可相互傳輸操作指令和數(shù)據(jù)信息，保證指令下發(fā)的正確性和數(shù)據(jù)反饋的及時(shí)性。操作端可在最短時(shí)間內(nèi)獲得反饋信息，從而嚴(yán)格按照指令完成操作。

系統(tǒng)管理模塊也可對(duì)用戶實(shí)現(xiàn)信息交互，主要包括對(duì)賬號(hào)功能的管理、授權(quán)和報(bào)警等，全面體現(xiàn)出其應(yīng)用功能和價(jià)值。

2 5G核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

平臺(tái)使用的5G網(wǎng)絡(luò)并不是基于獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的，而是運(yùn)用IPSec VPN手段在岸橋側(cè)面和中控之間設(shè)置專線，具體的框架示意圖如圖6所示。

圖6 平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)框架

5G網(wǎng)絡(luò)的模式主要為NSA。該類模式是基于以往的4G技術(shù)，安裝5G基站，在嚴(yán)格控制項(xiàng)目成本的基礎(chǔ)上全面滿足設(shè)備調(diào)試和數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷喾矫娴墓δ苄枨蟆５撃Ｊ揭矔?huì)在一定程度上受到4G網(wǎng)絡(luò)的限制，難以全面展現(xiàn)出5G網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸速度方面的優(yōu)勢(shì)。通過研究可知，NSA模式雖然難以全面發(fā)揮5G網(wǎng)絡(luò)的所有功能，但能在一定程度上滿足項(xiàng)目的需求。IPSec VPN是利用IPSec協(xié)議接入VPN技術(shù)，基于公網(wǎng)平臺(tái)為私有網(wǎng)絡(luò)提供穩(wěn)定的通信渠道。通過該渠道，可運(yùn)用加密手段實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的安全傳輸，為數(shù)據(jù)提供封包服務(wù)內(nèi)容。該類同時(shí)提供VPN和加密技術(shù)的方法能夠處理平臺(tái)不同終端信息傳輸方面的問題，以此提高數(shù)據(jù)傳輸過程中的安全系數(shù)。

岸橋遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)可通過5G等技術(shù)手段和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，將控制室內(nèi)終端搜集到的技術(shù)人員操作的CAN、模擬量等數(shù)據(jù)，通過MEC數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)和5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到電氣控制設(shè)備上，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)操作端對(duì)端的傳輸，將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)和電氣傳送回來的信號(hào)進(jìn)行集中控制，保障終端接收信號(hào)信息的及時(shí)性。

岸橋電子控制系統(tǒng)主要由操作節(jié)點(diǎn)、中轉(zhuǎn)平臺(tái)和電氣控制節(jié)點(diǎn)幾部分構(gòu)成。其中，遠(yuǎn)程控制節(jié)點(diǎn)和岸橋節(jié)點(diǎn)可運(yùn)用同類型的終端完成控制。該終端的組成部分主要由控制單元、數(shù)字量、串口傳輸和電源等不同單元構(gòu)成。遠(yuǎn)程控制節(jié)點(diǎn)的終端和座椅能夠與系統(tǒng)建立連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸，并將反饋的視頻信息發(fā)送到系統(tǒng)中，通過電子屏顯示。岸橋控制節(jié)點(diǎn)的終端設(shè)備與岸橋電氣連接，負(fù)責(zé)遠(yuǎn)端操作發(fā)送信號(hào)，并將岸橋的CAN信號(hào)傳送回來。數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)與MEC服務(wù)器連接，實(shí)現(xiàn)終端之間的數(shù)據(jù)傳輸，主要包括控制和視頻數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)配對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行全面管理[5]。

遠(yuǎn)程操作節(jié)點(diǎn)等可通過對(duì)單元的控制完成操作內(nèi)容。遠(yuǎn)程操作節(jié)點(diǎn)能基于數(shù)字量等單元傳輸完成操作，將數(shù)據(jù)發(fā)送到目標(biāo)終端。岸橋控制節(jié)點(diǎn)也基于傳輸單元對(duì)CAN數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。最終利用通信模塊和5G網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)信息發(fā)送到數(shù)據(jù)終端，實(shí)現(xiàn)端對(duì)端的信息傳輸。電源模塊是保證所有設(shè)備順利運(yùn)行的動(dòng)力，同時(shí)配置備用電源，以便及時(shí)處理突發(fā)斷電等情況，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的順暢運(yùn)行。

3 安裝和使用效果

3.1 硬件設(shè)備安裝

如圖7所示，成套機(jī)柜由精密元件組成，是核心設(shè)備的重要部分，通常會(huì)放到較為安全的電氣機(jī)房中。攝像機(jī)帶有防墜繩，主要安裝在主梁的槽鋼上，機(jī)房攝像機(jī)如圖8所示，電氣房攝像機(jī)如圖9所示。5GCPE要在靠近機(jī)房的地方安裝，這樣不僅能保證設(shè)備的穩(wěn)定性，還有利于相關(guān)設(shè)備接收5G網(wǎng)絡(luò)。

圖7 成套機(jī)柜

圖8 機(jī)房攝像機(jī)

圖9 電氣房攝像機(jī)

3.2 平臺(tái)應(yīng)用

平臺(tái)在應(yīng)用過程中要進(jìn)行有效測(cè)試，同時(shí)結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)項(xiàng)目開展綜合運(yùn)用。遠(yuǎn)程調(diào)試過程要結(jié)合具體調(diào)試方式，將陣地轉(zhuǎn)移到室內(nèi)。同時(shí)，平臺(tái)應(yīng)用過程也可根據(jù)質(zhì)檢人員工作實(shí)際，借助單兵設(shè)備進(jìn)行功能試驗(yàn)，從而保證岸橋調(diào)試工作全面開展[6]。

4 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)測(cè)試

網(wǎng)絡(luò)信號(hào)測(cè)試要以傳輸效率為根本，使5G網(wǎng)絡(luò)能夠滿足岸橋設(shè)備調(diào)試要求。具體測(cè)試階段要結(jié)合實(shí)際位置，開展整體網(wǎng)絡(luò)信號(hào)測(cè)試，保證生產(chǎn)區(qū)域能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的全覆蓋。通過進(jìn)一步測(cè)試能夠得到具體的結(jié)果，從而分析5G網(wǎng)絡(luò)是否滿足使用需求，一旦發(fā)現(xiàn)問題要及時(shí)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高調(diào)試平臺(tái)設(shè)計(jì)水平。

5 結(jié)語

總之，隨著新時(shí)期技術(shù)的不斷發(fā)展，5G移動(dòng)通信技術(shù)在岸橋電氣中的運(yùn)用實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)的有效建設(shè)，提高了遠(yuǎn)程監(jiān)控水平?；诖?，為全面提高岸橋電氣遠(yuǎn)程調(diào)試水平，需要深入開展實(shí)踐分析，并結(jié)合具體工作實(shí)際，不斷創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案，提高調(diào)試效率。