基于OpenHarmony智能控制器的隧道智慧運(yùn)維應(yīng)用

景峻、李杰、桑中山、馬玉樓、張英潮、宋增磊

（山東高速信息集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

0 引言

公路交通建設(shè)一直是我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的重中之重。隨著公路建設(shè)向內(nèi)陸山地地區(qū)的不斷推進(jìn)，隧道工程的建設(shè)也越來(lái)越多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自21 世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)公路隧道數(shù)量年均增長(zhǎng)高達(dá)20%。截至2022 年底，全國(guó)公路隧道數(shù)量和總里程分別達(dá)到24850 處和26784km。這使得我國(guó)成為世界上隧道建設(shè)數(shù)量和里程排名前列的國(guó)家。雖然隧道工程建設(shè)面臨著艱巨的挑戰(zhàn)，但也因此促進(jìn)了隧道工程技術(shù)的發(fā)展，隧道的運(yùn)維管理工作也越來(lái)越受到各級(jí)部門的重視。

隨著5G、量子計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術(shù)與交通運(yùn)輸行業(yè)的加速融合，“智慧高速（Smart Highway）”建設(shè)顯得尤為必要。傳統(tǒng)高速公路與智慧高速公路最大的區(qū)別在于，智慧高速公路通過(guò)構(gòu)建及時(shí)準(zhǔn)確的感知系統(tǒng)、暢通互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、快速安全的決策系統(tǒng)和即時(shí)廣泛的管理服務(wù)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高速公路的快速、安全、智能和綠色發(fā)展，滿足新時(shí)期人民群眾高質(zhì)量出行的需求。

山東高速信息集團(tuán)通過(guò)對(duì)基于OpenHarmony 物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的研究，成功推出一套智慧運(yùn)維解決方案，以鴻蒙智能控制器為基礎(chǔ)，適用于現(xiàn)役高速公路隧道。該解決方案優(yōu)化了設(shè)備連接流程，降低了運(yùn)維復(fù)雜難度。該成果已在杭山東隧道的運(yùn)營(yíng)中取得初步成效。

1 鴻蒙智能控制器

目前，傳統(tǒng)隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備的控制主要通過(guò)PLC完成。然而，在市場(chǎng)上占主導(dǎo)地位的PLC 大多由國(guó)外廠家生產(chǎn)，系統(tǒng)開(kāi)放程度低，存在嚴(yán)重的壁壘問(wèn)題；缺乏統(tǒng)一的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致協(xié)議數(shù)據(jù)難以互聯(lián)互通，數(shù)據(jù)孤島效應(yīng)明顯；復(fù)用能力差，低水平重復(fù)建設(shè)多；隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)融合難度進(jìn)一步增大，復(fù)用能力差，低水平重復(fù)建設(shè)更為突出。同時(shí)，由于PLC 的狀態(tài)信息多為簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)量，隧道機(jī)電設(shè)備與PLC 之間需要大量電纜進(jìn)行控制和信息采集，難以反映設(shè)備的真實(shí)運(yùn)行狀況，增加了運(yùn)維巡檢人員的負(fù)擔(dān)和巡檢工作量。

該項(xiàng)目提出了一種新的解決方案，即采用基于OpenHarmony 開(kāi)源系統(tǒng)的智能控制器替代隧道內(nèi)PLC 設(shè)備。鴻蒙控制器是一款物聯(lián)網(wǎng)控制器，運(yùn)行基于鴻蒙操作系統(tǒng)的固件，具有智能化、高效能、安全可靠等特點(diǎn)，還支持多種通訊協(xié)議與設(shè)備進(jìn)行通信。設(shè)備連接如圖1 所示。

圖1 設(shè)備連接示意圖

智能控制器具備工業(yè)環(huán)境部署能力，可廣泛應(yīng)用于隧道內(nèi)環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)、通風(fēng)照明系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、交通誘導(dǎo)系統(tǒng)的監(jiān)控與控制。除此之外，智能控制器還完全具備普通PLC 的控制采集功能。目前，智能控制器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種設(shè)備的狀態(tài)采集和控制，例如車道指示器、風(fēng)機(jī)、卷簾門、交通信號(hào)燈、CO/VI 檢測(cè)器、風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)器、光強(qiáng)檢測(cè)器和風(fēng)機(jī)震動(dòng)檢測(cè)器等。設(shè)備基于OpenHarmony 開(kāi)源操作系統(tǒng)，相較于傳統(tǒng)的PLC 系統(tǒng)具備更強(qiáng)的開(kāi)發(fā)性和可演進(jìn)性。

OpenHarmony 是一個(gè)由開(kāi)放原子開(kāi)源基金會(huì)（OpenAtom Foundation）孵化及運(yùn)營(yíng)的開(kāi)源項(xiàng)目，是一個(gè)側(cè)重于分布式終端設(shè)備的智能化、現(xiàn)代化操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)具備完整的功能。OpenHarmony 開(kāi)源發(fā)布，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)源碼的安全質(zhì)量檢驗(yàn)，且由國(guó)內(nèi)自主開(kāi)源組織運(yùn)營(yíng)，源碼托管于國(guó)內(nèi)開(kāi)源社區(qū)，能夠?qū)崿F(xiàn)完全的自主可控。

2 綜合管控

濟(jì)青中線杭山東智慧隧道綜合管控平臺(tái)（見(jiàn)圖2）是一款集隧道設(shè)備日常管理、參數(shù)采集、火災(zāi)報(bào)警、電力監(jiān)控、隧道內(nèi)情報(bào)板發(fā)布等于一體的綜合化管理平臺(tái)。該平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)操控隧道內(nèi)設(shè)備（如車道指示器、風(fēng)機(jī)、照明燈、卷簾門等）、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)、電力儀表數(shù)據(jù)，并具備發(fā)布洞內(nèi)情報(bào)板等功能。用戶可以通過(guò)瀏覽器完成隧道狀態(tài)監(jiān)測(cè)、運(yùn)維管理、應(yīng)急處置等工作流程。該系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具備完善的應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案，支持多場(chǎng)景部署及遷移，支持分布式部署，可以實(shí)現(xiàn)隧道管理所就地控制、管理分中心遠(yuǎn)程決策指揮，以及監(jiān)測(cè)成果和預(yù)警信息綜合管理展示[1]。

圖2 智慧隧道綜合管控平臺(tái)

該平臺(tái)采用先進(jìn)的信息技術(shù)和傳感器技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)隧道中的交通流、安全、環(huán)境等多方面情況的監(jiān)測(cè)和管控。

交通流監(jiān)測(cè)：通過(guò)雷視一體感知等設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)的車流、人流等信息，分析交通流量、密度、速度等，提供交通流量可視化數(shù)據(jù)分析與監(jiān)控。

安全監(jiān)控：通過(guò)安裝視頻監(jiān)控設(shè)備、火災(zāi)報(bào)警設(shè)備等，實(shí)時(shí)監(jiān)控隧道內(nèi)的安全狀況，發(fā)生交通事故、火災(zāi)等安全事件時(shí)，平臺(tái)會(huì)及時(shí)報(bào)警并進(jìn)行應(yīng)急處理。

氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)：通過(guò)安裝環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)COVI 等污染物濃度的監(jiān)控，保障隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量，防止因污染引起健康問(wèn)題。

照明控制：通過(guò)可調(diào)節(jié)光照的燈控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)照明的控制，節(jié)能降耗，提高安全性。

事件管理：通過(guò)事件管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)交通事故、突發(fā)事件的分類、記錄和處理，并提供事件分析報(bào)告。

數(shù)據(jù)分析：通過(guò)數(shù)據(jù)采集、處理和分析，得到隧道內(nèi)交通流、安全事件等大數(shù)據(jù)，為交通管理部門提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支持，有助于優(yōu)化交通運(yùn)行。

隧道數(shù)字孿生模型以高精地圖數(shù)據(jù)和服務(wù)為基礎(chǔ)，通過(guò)場(chǎng)景空間位置信息還原，可實(shí)現(xiàn)隧道實(shí)時(shí)狀態(tài)的數(shù)字孿生場(chǎng)景構(gòu)建與隧道真實(shí)場(chǎng)景復(fù)現(xiàn)（見(jiàn)圖3）。包含道路標(biāo)線、道路區(qū)域、各類機(jī)電設(shè)施的真實(shí)紋理模型搭建，對(duì)車道指示器、風(fēng)機(jī)、風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)器等主要設(shè)備位置進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)定等。將實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)傳輸至模型中，即可實(shí)時(shí)顯示設(shè)備狀態(tài)和數(shù)據(jù)[2]。

圖3 數(shù)字孿生場(chǎng)景圖

3 智能運(yùn)維

基于開(kāi)源鴻蒙的智能運(yùn)維體系，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)電狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、機(jī)電設(shè)備智能管養(yǎng)。中心管理人員結(jié)合養(yǎng)護(hù)方案和綜合管控平臺(tái)對(duì)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行健康檢查，制定針對(duì)性的巡檢計(jì)劃，能夠降低巡檢投入，提升工作效率（見(jiàn)圖4）。

圖4 智能巡檢計(jì)劃制定

隧道設(shè)備控制由原PLC 集中式控制轉(zhuǎn)為鴻蒙控制器分布式控制，能夠減少控制器單點(diǎn)故障對(duì)設(shè)備的影響范圍。同時(shí)，采用OpenHarmony 輕量系統(tǒng)的鴻蒙控制器，其具有高實(shí)時(shí)性和高穩(wěn)定性優(yōu)點(diǎn)。鴻蒙控制器能夠主動(dòng)上傳設(shè)備狀態(tài)，真正做到秒級(jí)響應(yīng)。

鴻蒙智能本地控制器支持更為便捷的智能巡檢功能。巡檢員在隧道內(nèi)使用手持終端通過(guò)NFC 標(biāo)簽“碰一碰”與控制器直連，可以快速獲取機(jī)電狀態(tài)（見(jiàn)圖5），并現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)機(jī)電狀態(tài)是否正常。在應(yīng)急處置的極端場(chǎng)景下（傳輸中斷），獲得授權(quán)的應(yīng)急人員可以在隧道內(nèi)通過(guò)手持終端“碰一碰”控制器對(duì)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)臨時(shí)管控。此外，在隧道機(jī)電設(shè)備維修之后，獲得授權(quán)的維修人員通過(guò)手持終端連接控制器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電設(shè)備的功能檢查[3]。在這種工作模式下，運(yùn)維工作效率可提升一倍。

圖5 碰一碰手機(jī)巡檢

除上述功能外，鴻蒙智能控制器還具有以下優(yōu)勢(shì)：

第一，鴻蒙智能本地控制器支持對(duì)CPU、內(nèi)存等使用情況的有效監(jiān)控，便于對(duì)控制器自身的監(jiān)控和維護(hù)；采用國(guó)內(nèi)主流的編程環(huán)境和語(yǔ)言，便于二次開(kāi)發(fā)和升級(jí)。

第二，鴻蒙智能本地控制器擴(kuò)展演進(jìn)性強(qiáng)。未來(lái)，鴻蒙控制器、鴻蒙化的機(jī)電設(shè)備、鴻蒙化的車機(jī)系統(tǒng)和鴻蒙化的手機(jī)終端等，通過(guò)鴻蒙獨(dú)有的分布式軟總線有效融合，可實(shí)現(xiàn)車—隧、人—隧之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互和智能聯(lián)動(dòng)，更精準(zhǔn)地感知隧道內(nèi)的車流和事件，加快異常事件的處置速度、響應(yīng)速度[4]。

通過(guò)杭山東隧道試點(diǎn)，可以形成智能化機(jī)電設(shè)施和機(jī)電系統(tǒng)的架構(gòu)、接口協(xié)議、互聯(lián)互通、安全、物模型等隧道智能化機(jī)電系統(tǒng)全方位的系列標(biāo)準(zhǔn)，有助于加速公路交通產(chǎn)業(yè)數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型，構(gòu)建行業(yè)新生態(tài)，促進(jìn)核心產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，進(jìn)一步促進(jìn)山東交通產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)隧道機(jī)電運(yùn)維控制復(fù)雜的問(wèn)題，提出基于OpenHarmony 智能本地控制器的綜合管控平臺(tái)，該平臺(tái)能夠自動(dòng)進(jìn)行設(shè)備巡檢，管理人員可根據(jù)巡檢結(jié)果發(fā)布巡檢任務(wù)，通過(guò)NFC“碰一碰”智能巡檢，能夠簡(jiǎn)化隧道機(jī)電巡檢、控制等操作，提升運(yùn)營(yíng)管理水平，降低管養(yǎng)難度。在以上研究和應(yīng)用的基礎(chǔ)上，該項(xiàng)目將持續(xù)充分發(fā)掘OpenHarmony 開(kāi)源社區(qū)資源，為智能本地控制器賦予更多實(shí)用功能。