基于智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的隧道設(shè)備集成技術(shù)應(yīng)用研究

摘 要：文中主要探討了通過智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)技術(shù)進(jìn)行隧道設(shè)備集成的技術(shù)，通過智能網(wǎng)關(guān)集成技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備間的智能連接，解決了隧道前端設(shè)備及子系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)聯(lián)控問題。通過將不同生產(chǎn)廠商、不同協(xié)議的隧道設(shè)備信息納入統(tǒng)一管控的信息體系，實現(xiàn)了一體化監(jiān)測與管控。以婁衡高速鎖石隧道管理所管轄的隧道作為目標(biāo)對象，研究了隧道設(shè)備智能集成技術(shù)的應(yīng)用，并以隧道燈控場景為例，探討了智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的消息傳輸機制。

關(guān)鍵詞：隧道設(shè)備集成；物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)；隧道智能化；MQTT；一體化監(jiān)測；設(shè)備協(xié)議適配

中圖分類號：TP39；TN915 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）10-0-03

0 引 言

高速隧道管控是關(guān)系高速公路安全平穩(wěn)運行的重要手段，而做好隧道管控的重點是解決各類設(shè)備與子系統(tǒng)間的互連互通操作性問題，將前端種類雜、關(guān)聯(lián)多、相對分散的設(shè)備協(xié)同聯(lián)動后，構(gòu)建一個面向應(yīng)用的最優(yōu)系統(tǒng)。技術(shù)層面的關(guān)鍵是通過設(shè)備協(xié)議適配與通信接口標(biāo)準(zhǔn)化，借助網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸至云端集控中心，實現(xiàn)不同廠商的設(shè)備或子系統(tǒng)數(shù)據(jù)融通“上浮”；同時，監(jiān)控指令也能協(xié)同有序地傳遞到設(shè)備現(xiàn)場，實現(xiàn)上層指令“下沉”。本文以婁衡高速鎖石隧道管理所管轄的隧道為研究對象，進(jìn)行隧道設(shè)備智能集成技術(shù)的應(yīng)用探究[1]。

1 隧道管控現(xiàn)狀分析

1.1 管控痛點問題

隧道作為公路的重要組成部分，其系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜、安全隱患大、管理難度高，管理單位在隧道智能化管控方面投入巨大，但傳統(tǒng)的隧道信息化建設(shè)存在標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、分系統(tǒng)獨立設(shè)計、軟件平臺不統(tǒng)一、存在信息“孤島”、系統(tǒng)資源整合程度低等問題，導(dǎo)致隧道智能化管控建設(shè)成本高、系統(tǒng)運營技術(shù)風(fēng)險大，且系統(tǒng)運維成本高，人工監(jiān)控工作量大，效果不夠理想[2-3]。

隧道各設(shè)備或子系統(tǒng)通常采用異構(gòu)、非標(biāo)的接口標(biāo)準(zhǔn)，集成不同廠家的接口或子系統(tǒng)時，可能會面臨無法兼容的問題。

1.2 集成解決方案

在多部委推動新一代交通控制網(wǎng)建設(shè)工程，要求強化交通基礎(chǔ)設(shè)施廣泛聯(lián)通能力的背景下，加強控制系統(tǒng)的智能化和一體化成為行業(yè)集成應(yīng)用的重要研究內(nèi)容。隧道設(shè)備管控的智能化需求日益增長，物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)日益成熟，利用智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)技術(shù)實現(xiàn)隧道各設(shè)備或子系統(tǒng)集成融通是效果較好的集成解決方案[4]。

2 智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 基本思想

基于集中監(jiān)管以及分布式控制的智能集成管控，采用智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)集成架構(gòu)，將隧道監(jiān)控異構(gòu)設(shè)備關(guān)聯(lián)起來，通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)適配底層各異構(gòu)設(shè)備的協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)化通信接口，對隧道環(huán)境、設(shè)施狀態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集與動態(tài)匯總，利用云端算力對數(shù)據(jù)進(jìn)行多維融合分析與數(shù)據(jù)挖掘，可根據(jù)融合分析結(jié)果及時預(yù)警異常事件[5]。異常發(fā)生后，對隧道設(shè)備實施由上而下的分布式管控，按應(yīng)急預(yù)案自動執(zhí)行預(yù)置的管控流程，提升隧道安全系數(shù)，降低運營及養(yǎng)護(hù)成本，提高突發(fā)事件處置及設(shè)備智能化管養(yǎng)水平，實現(xiàn)隧道綜合集成系統(tǒng)的高效管控。

智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)了OPC要求的各種規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，提供設(shè)備驅(qū)動發(fā)送數(shù)字信號、模擬信號，實現(xiàn)設(shè)備間的通信，屏蔽了設(shè)備通信的細(xì)節(jié)，提供了統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的接入方式，簡化了應(yīng)用層的設(shè)備接入和交互操作。智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通過屏蔽底層復(fù)雜的協(xié)議轉(zhuǎn)換與適配技術(shù)細(xì)節(jié)以及通信傳輸邏輯，以統(tǒng)一的設(shè)備概念和邏輯向上層提供服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在集成框架中扮演著承上啟下的角色，通過主動適配第三方協(xié)議的方式，轉(zhuǎn)換協(xié)議為定義的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議語言，完成指令和數(shù)據(jù)的上傳下達(dá)[6-7]。

2.2 智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)框架

智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計上融入了嵌入式通信中間件的概念：智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)對設(shè)備進(jìn)行抽象化處理，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議集采用分層設(shè)計，通過信息“抽象-實現(xiàn)”機制構(gòu)建各層間的訪問邊界，屏蔽上層對下層復(fù)雜細(xì)節(jié)的處理，實現(xiàn)程序接口的“即用即取”，便于程序在異構(gòu)平臺間移植和調(diào)試。智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)全面支持移動、電信和聯(lián)通的3G/4G/5G通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，實現(xiàn)了串口設(shè)備與服務(wù)器，以及串口設(shè)備與串口設(shè)備之間的雙向、透明、無線傳輸，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)具有使用簡單、可遠(yuǎn)程維護(hù)等特點。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)內(nèi)置了豐富的PLC通信協(xié)議庫，適用于隧道等現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程傳輸、設(shè)備遠(yuǎn)程維護(hù)與控制、大型設(shè)備生命周期管理、各類型通信協(xié)議解析和轉(zhuǎn)換等場景[8]。

智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)具有廣泛接入能力、智能管控能力、封裝與拆解能力。

2.2.1 廣泛接入能力

業(yè)界的近程通信協(xié)議多種多樣，物聯(lián)網(wǎng)的接入方式也多種多樣。國內(nèi)外已經(jīng)開展了廣域通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化工作，通過智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)整合多種接入方式也是推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化的一種重要手段。智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以在不同類型的感知延伸網(wǎng)絡(luò)間進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，確保其具有廣域、局域互聯(lián)的廣泛接入能力。

2.2.2 智能管控能力

智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)強大的管控能力體現(xiàn)在以下方面：

（1）實現(xiàn)子網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點管理以及遠(yuǎn)程喚醒、控制、診斷、升級和維護(hù)；

（2）支持遠(yuǎn)程動態(tài)監(jiān)聽設(shè)備狀態(tài)；

（3）查看PLC所有節(jié)點，操控PLC指令等。

提出基于統(tǒng)一的智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)方式串聯(lián)感知系統(tǒng)以及上層應(yīng)用，通過統(tǒng)一的管理接口對多元網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)行綜合管控。

2.2.3 封裝與拆解能力

智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)完成不同感知網(wǎng)絡(luò)到接入網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，將底層復(fù)雜的通信協(xié)議信息按標(biāo)準(zhǔn)化格式進(jìn)行統(tǒng)一封裝，確保不同的感知網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議能互相識別，實現(xiàn)廣域互聯(lián)。同樣，也能將上層下發(fā)的數(shù)據(jù)包拆解成感知層協(xié)議，識別的信令與控制指令[9]。

2.3 智能網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)流

（1）請求信息和控制指令通過以太網(wǎng)傳輸至網(wǎng)關(guān)，使用以太網(wǎng)控制芯片驅(qū)動以太網(wǎng)物理層的數(shù)據(jù)流通；

（2）處理器的控制模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行拆幀處理，獲取鏈路層的有效數(shù)據(jù)；

（3）網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換程序通過處理由高速總線交換而來的數(shù)據(jù)，獲得原始請求與控制指令信息；

（4）按目標(biāo)總線協(xié)議格式進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝，并通過總線通道發(fā)送數(shù)據(jù)；

（5）數(shù)據(jù)幀通過片外總線收發(fā)模塊到達(dá)相應(yīng)的物理總線鏈路，其中，片外總線與總線通道相互聯(lián)通。

反向轉(zhuǎn)換的情況與上述數(shù)據(jù)流通方向相反。

3 隧道智能集成管控案例應(yīng)用

3.1 隧道基本情況

本文討論的隧道前端設(shè)備主要以湖南省婁底至衡陽（歸陽）高速公路K27+053.33附近的鎖石隧道管理所所轄隧道為應(yīng)用對象，其基礎(chǔ)信息見表1所列。

鎖石隧道管理所主要負(fù)責(zé)檀樹灣、筍安山、金玉堂3個隧道內(nèi)所有機電設(shè)備的監(jiān)控、運營管理、事件處置，并接收來自婁底監(jiān)控分中心發(fā)送的指令。隧道管理所內(nèi)的設(shè)備包括遙控攝像機、固定攝像機、車輛檢測器、可變信息發(fā)布屏、交通信號燈、車道指示標(biāo)志、隧道可變限速標(biāo)志、一氧化碳/

透過率（CO/VI）檢測器、風(fēng)速風(fēng)向檢測器、光強檢測器、火災(zāi)報警設(shè)備、本地控制器、工業(yè)以太網(wǎng)交換機、橫洞指示標(biāo)志等。需要實現(xiàn)隧道交通綜合監(jiān)控、隧道通風(fēng)監(jiān)控、隧道照明監(jiān)控、隧道緊急電話和廣播、隧道火災(zāi)和消防報警、隧道和路段預(yù)案處理、隧道情報板信息發(fā)布和采集、隧道氣象檢測和環(huán)境檢測數(shù)據(jù)采集、隧道事件報警接收和處理、隧道視頻監(jiān)視管理。

隧道照明有人工、自動（本地）、遠(yuǎn)程控制（人工/自動）3種方式，其中人工（本地）方式由照明系統(tǒng)自行完成，監(jiān)控系統(tǒng)需監(jiān)聽回路狀態(tài)；自動（本地）及遠(yuǎn)控方式由監(jiān)控系統(tǒng)與照明系統(tǒng)配合完成。照明回路的類型一般分為應(yīng)急照明、基本照明、加強照明等，監(jiān)控系統(tǒng)通過PLC控制回路的開合，實現(xiàn)照明系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。筍安山婁底端照明回路一覽表見表2。

3.2 基于智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)隧道設(shè)備集成應(yīng)用

智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是所有設(shè)備通信的中心節(jié)點，也是將各種智能設(shè)備互聯(lián)的中轉(zhuǎn)器，如圖2所示。在婁衡高速鎖石隧道設(shè)備或子系統(tǒng)集成過程中，應(yīng)用智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)作為連接PLC與云端平臺的核心樞紐，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與指令下達(dá)。

智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)需要運行設(shè)備管理、協(xié)議轉(zhuǎn)換、融合通信、邊沿計算等進(jìn)程，進(jìn)程間通信主要通過MQTT消息總線完成。與傳統(tǒng)的IPC方式（共享內(nèi)存、命名管道、消息隊列、Socket）不同，利用MQTT消息總線，將每個進(jìn)程掛載到總線上，各進(jìn)程只需監(jiān)聽自己感興趣的主題即可接收相應(yīng)數(shù)據(jù)。

智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是所有設(shè)備通信的中心節(jié)點，即將各種智能設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)中轉(zhuǎn)器。

智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的信息處理過程如下：

（1）根據(jù)情報板、PLC等設(shè)備廠家提供的通信協(xié)議或共同商量制定的通信協(xié)議，亦或通用的國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議制定相應(yīng)的信息交互規(guī)程；

（2）采集的信息和發(fā)布的控制命令作為中間結(jié)果保存在實時數(shù)據(jù)庫中，實時數(shù)據(jù)庫反映的信息是現(xiàn)場設(shè)備的最新信息。

信息經(jīng)現(xiàn)場設(shè)備和系統(tǒng)采集后，存放到區(qū)域監(jiān)控分中心和隧道管理所的實時數(shù)據(jù)庫中。對于實時變化的模擬量數(shù)據(jù)，可按定制頻率將這些數(shù)據(jù)從實時數(shù)據(jù)庫保存到物理數(shù)據(jù)庫；對于信息變化不大的數(shù)據(jù)，如可變信息標(biāo)志，只有當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)變化時才可將數(shù)據(jù)保存到物理數(shù)據(jù)庫中，這樣既可以節(jié)省數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的硬盤空間，又可提高軟件的運算速度，提升系統(tǒng)運行的效率[10]。

以筍安山隧道婁底端照明回路控制為例，說明信息采集與指令下達(dá)的基本進(jìn)程。一般而言，照明回路的選擇主要依據(jù)隧道洞外亮度檢測器檢測到的亮度信號。將亮度信號傳送至調(diào)光控制器，再上傳至云端。經(jīng)云端算力對所采集的亮度信號進(jìn)行邏輯運算后，得到當(dāng)前需要的亮度等級，然后下發(fā)控制指令。指令控制過程如下：

（1）網(wǎng)絡(luò)橋接進(jìn)程從云端接收到控制指令后，發(fā)送主題到MQTT消息總線；

（2）因協(xié)議轉(zhuǎn)換進(jìn)程訂閱了該主題，因此立刻能接收到控制指令；

（3）協(xié)議轉(zhuǎn)換進(jìn)程分析指令內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)管控目標(biāo)是一個ZigBee通信類型的燈組，于是進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，并發(fā)送一個ZigBee控制指令到消息總線的主題上；

（4）由于ZigBee通信進(jìn)程訂閱了該主題，因此它能接收該控制指令；

（5）ZigBee通信進(jìn)程把控制指令轉(zhuǎn)換成ZigBee無線通信模塊要求的格式，之后借助硬件發(fā)送給目標(biāo)燈，從而實現(xiàn)燈控。

基于MQTT消息總線的燈控指令進(jìn)程如圖3所示。

4 結(jié) 語

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅速發(fā)展、主管部門監(jiān)管需求驅(qū)動以及國家政策加持下，隧道設(shè)備集成技術(shù)正快速向互聯(lián)網(wǎng)化、智能化方向發(fā)展。本文探討了以智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)為核心的隧道設(shè)備集成方式，并針對婁衡高速的鎖石隧道管理所進(jìn)行了應(yīng)用試點，將不同生產(chǎn)廠商、不同協(xié)議的隧道設(shè)備轉(zhuǎn)換協(xié)議定義為標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議語言，完成指令和數(shù)據(jù)的上傳下達(dá)，創(chuàng)新性解決了隧道前端設(shè)備及子系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)聯(lián)控問題。

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