鴻蒙系統(tǒng)替代交通隧道內(nèi)PLC系統(tǒng)的可行性研究

李瀟陽

（華設(shè)設(shè)計集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210014）

1 概述

交通隧道工控系統(tǒng)大部分市場被國外PLC 品牌占領(lǐng)，PLC 生態(tài)體系封閉，不同PLC 品牌的硬件體系與指令系統(tǒng)不同，運維人員對隧道外場PLC 設(shè)備進(jìn)行維護(hù)調(diào)試時常被接口對應(yīng)不上、底層設(shè)備調(diào)試?yán)щy等問題所困擾。

鴻蒙系統(tǒng)替代PLC 系統(tǒng)的主要實現(xiàn)路徑是通過隧道外場設(shè)置智能物聯(lián)網(wǎng)關(guān)控制器，向上實現(xiàn)隧道機(jī)電數(shù)據(jù)采集，向下完成機(jī)電設(shè)備的聯(lián)動控制。隧道外場采集匯聚的底層數(shù)據(jù)依托鴻蒙分布式部署的能力，為隧道管理中心的數(shù)據(jù)導(dǎo)入提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，讓不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)可以從底層進(jìn)行互通。

鴻蒙系統(tǒng)基于“國產(chǎn)開源鴻蒙操作系統(tǒng)（鴻蒙控制平臺）+國產(chǎn)芯片方案（鴻蒙控制器）”實現(xiàn)國產(chǎn)自主可控，以“云—邊—端”協(xié)同的方式，實現(xiàn)各類機(jī)電設(shè)備接入，無須為統(tǒng)一的協(xié)議而大面積改造設(shè)備；同時，能高效精準(zhǔn)地完成對機(jī)電設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控、聯(lián)動控制，并提供了設(shè)備間的物聯(lián)互聯(lián)能力。

相比于PLC 系統(tǒng)，鴻蒙系統(tǒng)主要具有以下優(yōu)勢。

第一，鴻蒙控制器本身可擴(kuò)展各類接口（RJ45 接口、數(shù)字量/模擬量接口、RS485/232 接口等），因此無須對隧道外場機(jī)電設(shè)備進(jìn)行改造，外場設(shè)備可按原有方式接入組網(wǎng)，鴻蒙控制器通過統(tǒng)一的MQTT 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。第二，傳統(tǒng)隧道機(jī)電設(shè)備終端大多沒有處理能力或處理能力弱，設(shè)備間無法互聯(lián)，通過鴻蒙控制器可實現(xiàn)機(jī)電設(shè)備在線化，為管理部門提供智能化巡檢服務(wù)。第三，傳統(tǒng)隧道機(jī)電設(shè)備間缺乏數(shù)據(jù)交互，協(xié)同能力弱，鴻蒙控制器支持通過多設(shè)備協(xié)同的方式實現(xiàn)設(shè)備間近場直連，對設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管控，實現(xiàn)各類預(yù)案的自動化處理。第四，相比于傳統(tǒng)PLC，鴻蒙控制器的邊緣計算系統(tǒng)支持多種升級方式，后續(xù)可持續(xù)擴(kuò)展周邊機(jī)電設(shè)備智能化，拓展更多場景下的設(shè)備協(xié)同服務(wù)。

2 研究目標(biāo)

本文主要探討交通隧道場景下，鴻蒙系統(tǒng)如何實現(xiàn)傳統(tǒng)PLC 系統(tǒng)的國產(chǎn)化功能替代，從鴻蒙控制器功能需求、鴻蒙控制平臺功能需求、隧道控制場景需求等方面來分析鴻蒙系統(tǒng)如何全面替代PLC 系統(tǒng)。

從隧道機(jī)電的聯(lián)動控制需求而言，完整鴻蒙控制系統(tǒng)需要包括邊端鴻蒙控制器（含配套鴻蒙邊緣計算平臺軟件）及鴻蒙控制平臺構(gòu)成。

3 鴻蒙技術(shù)底座

開源鴻蒙（OpenHarmony）整體遵從分層設(shè)計，從下向上依次為：內(nèi)核層（Linux 內(nèi)核或者LiteOS）、系統(tǒng)服務(wù)層（服務(wù)子系統(tǒng)集）、框架層和應(yīng)用層（多語言程序框架）。系統(tǒng)功能按照“系統(tǒng)＞子系統(tǒng)＞組件”逐級展開，在多設(shè)備部署場景下，支持根據(jù)實際需求裁剪某些非必要的組件[1]。

4 鴻蒙控制平臺

鴻蒙控制平臺基于鴻蒙底層開發(fā)，需實現(xiàn)設(shè)備接入、設(shè)備管理、設(shè)備遠(yuǎn)程升級等主要功能，具體如圖1所示。

圖1 鴻蒙控制平臺功能架構(gòu)示意圖

4.1 設(shè)備接入功能需求

隧道外場機(jī)電設(shè)備若具備IP 通信能力，則可直接接入鴻蒙控制平臺，也可通過有線方式接入鴻蒙控制器匯聚后與鴻蒙控制平臺進(jìn)行通信。

隧道外場機(jī)電設(shè)備若不具備IP 通信能力或無法直接連接平臺，則需要先通過控制電纜或無線通信方式接入鴻蒙控制器，經(jīng)由鴻蒙控制器內(nèi)置物聯(lián)網(wǎng)關(guān)和鴻蒙控制平臺進(jìn)行通信，具體如圖2 所示。

圖2 鴻蒙控制系統(tǒng)設(shè)備接入示意圖

隧道外場機(jī)電設(shè)備接入控制器后，用戶還需在鴻蒙控制平臺進(jìn)行設(shè)備注冊，獲取設(shè)備的ProductSecret和ProductKey 燒錄到設(shè)備里；設(shè)備注冊完成后，生成設(shè)備三元組信息并創(chuàng)建MQTT 安全連接認(rèn)證。

4.2 設(shè)備管理功能需求

鴻蒙控制平臺需要提供相關(guān)設(shè)備管理功能，包括產(chǎn)品管理、指令管理、場景管理等功能。

產(chǎn)品管理：用于對產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)字化的描述，定義產(chǎn)品的屬性、服務(wù)和事件。指令管理：鴻蒙控制平臺可對設(shè)備的聯(lián)動規(guī)則進(jìn)行設(shè)置管理，在滿足指令的觸發(fā)條件時，設(shè)備可根據(jù)設(shè)定的指令來進(jìn)行相應(yīng)動作。場景管理：鴻蒙控制平臺可以通過創(chuàng)建場景實現(xiàn)對一個或多個設(shè)備的手動控制或指定條件下自動聯(lián)動控制，也可以修改場景下的設(shè)備控制和指令執(zhí)行條件。

4.3 數(shù)據(jù)管理功能需求

鴻蒙控制平臺需要提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)加密與數(shù)據(jù)清洗服務(wù)。

數(shù)據(jù)加密：基于安全考慮，需要對于數(shù)據(jù)進(jìn)行加密后存儲，未經(jīng)授權(quán)訪問的用戶均無法讀取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)加密后，需要密鑰對其進(jìn)行解密，以保護(hù)數(shù)據(jù)免遭未經(jīng)授權(quán)的訪問或使用。

數(shù)據(jù)清洗：隧道外場設(shè)備實時產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，為減輕平臺的存儲與處理負(fù)荷，還需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行提純、分級、降維等清洗處理。

4.4 設(shè)備運維功能需求

鴻蒙控制平臺需要提供對隧道外場設(shè)備的監(jiān)控和運維能力。

遠(yuǎn)程調(diào)試：支持鴻蒙控制平臺下發(fā)指令給設(shè)備，控制設(shè)備端功能。遠(yuǎn)程配置：支持通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)遠(yuǎn)程登錄，對設(shè)備進(jìn)行管理。OTA 升級：支持鴻蒙控制平臺對設(shè)備固件的管理和升級。監(jiān)控告警：支持對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控和報警。設(shè)備模擬：支持平臺使用模擬設(shè)備與鴻蒙控制平臺建立連接通信，使用模擬數(shù)據(jù)，驗證平臺與設(shè)備端之間的通信功能。日志服務(wù)：支持鴻蒙控制平臺調(diào)用云端運行日志和設(shè)備本地日志服務(wù)。

5 鴻蒙控制器

作為工業(yè)級智能邊緣計算設(shè)備，基于鴻蒙系統(tǒng)開發(fā)的鴻蒙控制器用于實現(xiàn)隧道內(nèi)傳統(tǒng)PLC 區(qū)域控制器的各類功能，無須對隧道外場機(jī)電設(shè)備進(jìn)行改造，外場設(shè)備可按原有方式接入組網(wǎng)；同時，通過鴻蒙控制器就近連接隧道機(jī)電設(shè)備，可將傳統(tǒng)機(jī)電升級改造成具備智能控制、安全通信能力的智能設(shè)備，并直接與鴻蒙控制平臺對接。作為邊緣智能控制設(shè)備，鴻蒙控制器需要實現(xiàn)安全管理、連接管理、應(yīng)用管理等主要功能，具體如圖3 所示。

圖3 鴻蒙控制器功能架構(gòu)示意圖

5.1 安全管理功能需求

傳輸安全：鴻蒙控制器需要支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸加密安全，支持主流的安全加密協(xié)議，支持?jǐn)?shù)據(jù)完整性校驗。

準(zhǔn)入安全：鴻蒙控制器需要支持多種安全準(zhǔn)入認(rèn)證，具備如802.1X 協(xié)議認(rèn)證能力，接入數(shù)字證書認(rèn)證能力。

設(shè)備安全：鴻蒙控制器需要支持安全加固，可根據(jù)業(yè)務(wù)需求及時發(fā)現(xiàn)問題并調(diào)整安全策略。

5.2 連接管理功能需求

鴻蒙控制器提供SDK 套件，使設(shè)備能夠接入鴻蒙控制平臺，并對設(shè)備進(jìn)行連接和控制管理。鴻蒙控制器支持通過鴻蒙控制平臺進(jìn)行軟件升級管理，并支持平臺批量升級[2]。

5.3 應(yīng)用管理功能需求

配置管理：鴻蒙控制器需要支持業(yè)務(wù)基本配置、設(shè)備信息配置、通信接口配置、安全配置等必要的配置管理。

設(shè)備管理：鴻蒙控制器需要支持監(jiān)測當(dāng)前連接設(shè)備的狀態(tài)，并上傳數(shù)據(jù)到鴻蒙控制平臺。

故障管理：鴻蒙控制器需要提供設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、分析和預(yù)警功能，實時診斷硬件或軟件故障、告警顯示和記錄功能，并給出故障所在位置。

日志管理：鴻蒙控制器需要對所有的配置操作、用戶登錄、事件告警等進(jìn)行詳細(xì)的日志記錄，包括時間、操作類型、結(jié)果等。

故障恢復(fù)：一旦出現(xiàn)重大故障，鴻蒙控制器應(yīng)能自動重啟且重啟時輸出狀態(tài)保持，同時產(chǎn)生故障告警信息，最大限度地降低業(yè)務(wù)損失。

5.4 設(shè)備物理特性需求

計算能力：鴻蒙控制器作為邊緣計算設(shè)備，需要一定的計算能力，建議處理器采用工業(yè)級ARM Cortex-M 32 位以上的國產(chǎn)化芯片。

存儲能力：鴻蒙控制器作為邊緣計算設(shè)備，在管理中心通信故障時，也能按預(yù)案執(zhí)行相應(yīng)指令，因此需要一定的存儲能力。依據(jù)試點項目經(jīng)驗，建議片內(nèi)RAM≥192kB；片 內(nèi)FLASH≥1024kB；外 擴(kuò)FLASH≥16MB。

通信能力：近幾年，國內(nèi)長大交通隧道逐漸實現(xiàn)5G 民用通信覆蓋，部分隧道也獨立建設(shè)了用于管養(yǎng)的無線局域網(wǎng)絡(luò)，鴻蒙控制器除了滿足基礎(chǔ)以太網(wǎng)通信的RJ45 接口外，還需要滿足外掛Wi-Fi 與5G 模塊的需求。

接入能力：為滿足替代PLC 系統(tǒng)的設(shè)備接入，鴻蒙控制器需要支持各類機(jī)電設(shè)備接口模塊的靈活擴(kuò)展，包括但不限于DO 繼電器輸出、DI 數(shù)字輸入、AI 模擬量輸入、串行端口（RS485/232）等。

防護(hù)能力：鴻蒙控制器的應(yīng)用場景主要在隧道外場，考慮隧道機(jī)電系統(tǒng)聯(lián)動的可靠性與穩(wěn)定性，鴻蒙控制器應(yīng)滿足與PLC 同等工業(yè)級的防護(hù)需求。建議的防護(hù)能力包括但不限于MTBF≥50000h；工作溫度為-40～70℃；工作濕度為5%～95%（無凝結(jié)）；雙路冗余電源供電；防水防塵等級為IP65 等。

6 鴻蒙適用場景分析

傳統(tǒng)交通隧道內(nèi)PLC 主要控制監(jiān)控、照明、通風(fēng)、排水等幾大類場景，由于鴻蒙控制器本身可擴(kuò)展各類接口（RJ45 接口、數(shù)字量/模擬量接口、RS485/232 接口等），外場設(shè)備可按原有方式接入鴻蒙控制器，因此鴻蒙控制器理論上可以替代隧道內(nèi)PLC 系統(tǒng)控制的大部分場景[3]。

隧道監(jiān)控場景可接入設(shè)備類型：

車道指示器，接口類型為開關(guān)量接口、RS485 接口；可變情報板，接口類型為RJ45 接口、RS485 接口；可變限速標(biāo)志，接口類型為RJ45 接口、RS485 接口；交通誘導(dǎo)燈，接口類型為開關(guān)量接口、RS485 接口；防火門控制器，接口類型為開關(guān)量接口、RS485 接口；電梯控制器，接口類型為開關(guān)量接口、RS485 接口。

隧道照明場景可接入設(shè)備類型：

功能性照明控制器，接口類型為RJ45 接口、RS485 接口；景觀照明控制器，接口類型為RJ45 接口、RS485 接口；亮度檢測器，接口類型為RJ45 接口、RS485 接口、模擬量接口。

隧道通風(fēng)場景可接入設(shè)備類型：

非消防專用射流風(fēng)機(jī)，接口類型為開關(guān)量/模擬量接口、RS485 接口；非消防專用軸流風(fēng)機(jī)，接口類型為開關(guān)量/模擬量接口、RS485 接口；附屬用房空調(diào)系統(tǒng)，接口類型為RJ45 接口、RS485 接口；電動風(fēng)閥，接口類型為開關(guān)量接口、RS485 接口；空氣凈化系統(tǒng)，接口類型為RJ45 接口、RS485 接口；各類環(huán)境檢測器，接口類型為RJ45 接口、RS485 接口、模擬量接口。

隧道排水場景可接入設(shè)備類型：

雨/廢水泵，接口類型為開關(guān)量/模擬量接口、RS485 接口；加壓泵，接口類型為開關(guān)量/模擬量接口、RS485 接口；干池泵，接口類型為開關(guān)量/模擬量接口、RS485 接口；液位檢測器，接口類型為RS485 接口、模擬量接口。

7 結(jié)語

鴻蒙控制系統(tǒng)在隧道交通管控、環(huán)境調(diào)節(jié)、運維管理等各種使用場景中，可實現(xiàn)隧道機(jī)電設(shè)備智能互聯(lián)、集中管控、綠色節(jié)能、安全可控等功能，作為工業(yè)級智能邊緣計算設(shè)備，通過鴻蒙控制器就近連接隧道機(jī)電設(shè)備，可將傳統(tǒng)機(jī)電升級改造為具備智能控制、安全通信能力的智能設(shè)備，并直接與鴻蒙控制平臺對接。

同時，鴻蒙開發(fā)支持JS、Java 和C++等更為通用的語言，相比于PLC 組態(tài)軟件平臺，鴻蒙控制系統(tǒng)支持多種升級方式，可持續(xù)提升隧道機(jī)電設(shè)備的智能化水平，與更多場景下的設(shè)備協(xié)同服務(wù)。