基于物聯(lián)網技術的軌道交通智能手操箱系統(tǒng)研究

摘 要：針對軌道交通車站傳統(tǒng)手操箱系統(tǒng)現(xiàn)狀及其存在的問題，基于物聯(lián)網技術，從系統(tǒng)架構設計、軟件設計、穩(wěn)定性與安全性設計3個方面對智能手操箱系統(tǒng)展開研究。系統(tǒng)中邊緣網關采用微服務架構進行軟件設計，通過將不同的功能模塊組合在一起，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理和轉發(fā)等功能；智能手操箱終端使用WiFi網絡與邊緣網關通信，同時對無線網絡的穩(wěn)定性進行了分析，并提出就地控制安全防護的方法。實驗結果表明，基于物聯(lián)網技術的智能手操箱系統(tǒng)運行穩(wěn)定、實時性好，能夠實現(xiàn)對設備的實時監(jiān)測與控制，極大地提高了設備運維的數(shù)字化程度。

關鍵詞：智能手操箱；軌道交通；物聯(lián)網；MQTT協(xié)議；WiFi；無線通信

中圖分類號：TP319 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）11-0-06

0 引 言

傳統(tǒng)手操箱是一種用于控制電氣設備的手動控制裝置，通常由一個外殼、多個按鈕和指示燈等組成。在軌道交通系統(tǒng)中，每個車站都配備有大量的風機和風閥等機電被控設備，這些設備的手操箱被安裝于設備附近，以滿足管理單位對設備的巡檢運維需求。目前傳統(tǒng)的手操箱與被控設備一一對應設置，每個手操箱采用單根或多根多芯控制電纜與被控設備控制柜相連，因此大量傳統(tǒng)手操箱被安裝于機房墻面上，同時現(xiàn)場還要敷設安裝大量控制電纜，這會造成空間、時間及成本的大量消耗?；诖?，已有相關文獻對傳統(tǒng)手操箱做了數(shù)字化方面的探索。文獻[1]對智能型手操箱在城市軌道交通配電系統(tǒng)中的應用前景進行了研究，指出了手操箱的多種發(fā)展方向，包括總線1托N型、全觸摸屏型和無線型。文獻[2]給出了智能環(huán)控系統(tǒng)中總線手操箱的落地應用場景。

目前，國內外學者從信息采集、智能控制、穩(wěn)定性和安全性等角度出發(fā)，基于物聯(lián)網技術開展的系統(tǒng)設計與研究已取得了一定的成果[3]。文獻[4]設計的檢測系統(tǒng)通過MQTT協(xié)議進行數(shù)據(jù)的遠程推送與交互。文獻[5]設計了基于多協(xié)議數(shù)據(jù)融合的實時監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對化工廠房溫濕度、煙感以及電力系統(tǒng)的遠程實時監(jiān)控。文獻[6-7]介紹了基于MQTT的智能家居系統(tǒng)。文獻[8]提出了利用ModBus TCP和MQTT協(xié)議構建工業(yè)物聯(lián)網環(huán)境的方案。文獻[9]提出了基于MQTT協(xié)議與ModBus協(xié)議進行交互的分層傳感器網絡架構。文獻[10]提出了基于MQTT協(xié)議和IEC-61499標準的機器人控制系統(tǒng)，并開展了工業(yè)機器人完成焊接任務的實驗。

鑒于以上研究，本文基于物聯(lián)網技術進行無線型智能手操箱的可行性研究。將無線型智能手操箱系統(tǒng)用于軌道交通車站環(huán)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集和設備控制，以助力實現(xiàn)設備的數(shù)字化管理。

1 系統(tǒng)架構設計

智能手操箱系統(tǒng)是一種基于物聯(lián)網的工業(yè)采集與控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括端設備、數(shù)據(jù)采集控制模組（DCCM）、邊緣網關和智能手操箱4個部分。系統(tǒng)架構如圖1所示。

端設備是智能手操箱系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，為軌道交通車站機電環(huán)控設備，主要包括隧道風機、風閥、冷卻水泵和傳感器等，其中傳感器主要負責采集環(huán)控設備的溫度、電流、電壓和振動等模擬量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集控制模組具有豐富的I/O接口，用于采集端設備數(shù)據(jù)，同時可接收邊緣網關的控制命令。邊緣網關是智能手操箱系統(tǒng)的核心部分，負責對數(shù)據(jù)采集控制模組和智能手操箱之間的數(shù)據(jù)進行處理、傳輸和存儲等。智能手操箱能夠實現(xiàn)對端設備的遠程控制和監(jiān)視，其具備友好的用戶界面，能夠提供良好的操作體驗，既能滿足運維需求，又符合數(shù)字化轉型的發(fā)展趨勢。

端設備和數(shù)據(jù)采集控制模組為現(xiàn)場既有設備，邊緣網關為新增設備，智能手操箱是基于Android系統(tǒng)的手持終端，用以替代傳統(tǒng)手操箱。在端設備附近布設無線接入點設備，用以實現(xiàn)WiFi網絡的覆蓋。數(shù)據(jù)通信方式：數(shù)據(jù)采集控制模組利用以太網，基于ModBus-TCP協(xié)議與邊緣網關進行有線通信；邊緣網關利用WiFi網絡，基于MQTT協(xié)議與智能手操箱進行無線通信。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 智能手操箱操作界面設計

以上海地鐵某線路為例，環(huán)控機房內原傳統(tǒng)手操箱如圖2所示，其僅設計了機械按鈕和指示燈。本文的智能手操箱不僅具備傳統(tǒng)手操箱的狀態(tài)采集和控制功能，同時又根據(jù)數(shù)字化轉型的需求設計了新的功能。

智能手操箱操作界面可以讓操作人員直觀地看到現(xiàn)場設備的狀態(tài)，并且能夠直接對現(xiàn)場設備進行控制。如圖3所示，操作界面劃分為4個區(qū)域：控制區(qū)、狀態(tài)區(qū)、設備模型區(qū)和傳感器監(jiān)測區(qū)。以排熱風機為例，控制區(qū)內“遠方”“停止”“就地”為權限控制選擇按鈕，“開機”“關機”“加熱”和“加熱停止”為控制按鈕。當按下按鈕時就會下發(fā)控制命令，經邊緣網關最終到達現(xiàn)場設備；操作成功后智能手操箱會收到反饋信號，控制按鈕旁的指示燈亮則表示控制成功。狀態(tài)區(qū)實時顯示現(xiàn)場設備的運行狀態(tài)。設備模型區(qū)顯示設備實物圖或模型圖，點擊圖形時會展示近一個月內單設備的控制記錄和故障報警記錄。傳感器監(jiān)測區(qū)可實時展示現(xiàn)場設備的電流、電壓和功率等模擬量數(shù)據(jù)，當新增智能傳感器時，其采集到的數(shù)據(jù)也可實時展示在該區(qū)域。

操作界面的功能是在穩(wěn)定通信的基礎上實現(xiàn)的，因采用的是無線通信方式，需要保證WiFi網絡的穩(wěn)定性。智能手操箱與邊緣網關是直接進行數(shù)據(jù)交互的，因此邊緣網關的穩(wěn)定性也會影響智能手操箱能否實時接收到反饋信號，以及控制數(shù)據(jù)能否實時下發(fā)。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路設計

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理由邊緣網關實現(xiàn)，邊緣網關采用微服務架構進行軟件設計[11-12]，通過將不同的功能模塊組合在一起，實現(xiàn)了設備服務、控制服務、數(shù)據(jù)處理、協(xié)議轉換、數(shù)據(jù)轉發(fā)和歷史數(shù)據(jù)存儲等功能。

邊緣網關中設備服務會輪詢現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集控制模組的數(shù)據(jù)，并將采集到的16進制報文轉換為JSON結構的數(shù)據(jù)，將其加密后通過MQTT協(xié)議發(fā)送到MQTT Broker，智能手操箱實時訂閱數(shù)據(jù)會被展示在操作界面上。數(shù)據(jù)采集鏈路如圖4（a）所示，時延可表示為：

daqDelay = tspoll-tsimob" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

式中：tspoll為輪詢到設備數(shù)據(jù)的時間；tsimob為智能手操箱訂閱到數(shù)據(jù)的時間。

智能手操箱下發(fā)控制命令后，數(shù)據(jù)經過MQTT Broker、控制服務和設備服務。設備服務利用ModBus-TCP協(xié)議把控制數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)采集控制模組，最終可實現(xiàn)設備的控制。當控制服務向設備服務下發(fā)命令后，會收到數(shù)據(jù)是否成功寫入DCCM的響應，再次利用MQTT協(xié)議將控制響應發(fā)布到智能手操箱操作界面，并設計彈窗功能，提示操作人員控制命令是否下發(fā)成功。同時通過控制按鈕旁的信號燈判斷現(xiàn)場設備是否按照控制命令進行動作。設備控制數(shù)據(jù)鏈路如圖4（b）所示，往返時間可表示為：

RTT = tscontrol-tsimob" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （2）

式中：tscontrol為點擊控制按鈕的時間。

系統(tǒng)的事件記錄功能可以記錄報警和控制信息。要想記錄事件的完整數(shù)據(jù)，特別是涉及第三方平臺的控制記錄，僅以智能手操箱作為控制指令的下發(fā)節(jié)點是不夠的。因此邊緣網關的控制數(shù)據(jù)鏈路被設計為將控制響應和控制反饋信號分離出來，也被納入數(shù)據(jù)采集鏈路中，并以其作為輸入節(jié)點，從而能夠完整地捕獲對設備的所有控制記錄，包括來自第三方平臺的控制操作。

2.3 MQTT通信方式設計

上文提到了智能手操箱與邊緣網關的數(shù)據(jù)交互協(xié)議為MQTT協(xié)議，本小節(jié)主要從通信角色、主題規(guī)范設計、數(shù)據(jù)規(guī)范設計3方面進行MQTT通信方式的具體設計。

2.3.1 通信角色

在MQTT通信過程中有3種角色：發(fā)布者、MQTT Broker、訂閱者。信號燈接收狀態(tài)數(shù)據(jù)（反饋）時的MQTT通信角色如圖5（a）所示，控制按鈕下發(fā)數(shù)據(jù)時的MQTT通信角色如圖5（b）所示。

2.3.2 主題規(guī)范設計

主題是雙（多）方約定的通信通道。由于本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源為現(xiàn)場設備，從應用端追溯到現(xiàn)場設備可經線路級、車站級、設備級，每一級別的獨立個體都有唯一編碼，故可利用每一級的唯一編碼作為規(guī)范來設計主題名。多級主題可劃分為2類，分為現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)采集通道和控制響應通道，其中數(shù)據(jù)采集通道如圖5（a）所示，控制響應通道如圖5（b）右半部分所示。單級主題為智能手操箱控制命令數(shù)據(jù)通道，如圖5（b）左半部分所示。3類數(shù)據(jù)通道的主題見表1。

2.3.3 數(shù)據(jù)規(guī)范設計

為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)規(guī)范化，設備的狀態(tài)點、反饋點和傳感器數(shù)據(jù)結構等應在前期設計完善，并建立設備數(shù)據(jù)模型。本系統(tǒng)將采用標準的JSON數(shù)據(jù)格式進行編排；針對上述數(shù)據(jù)通道，設計了相應的數(shù)據(jù)規(guī)范。

在數(shù)據(jù)采集通道中，端設備數(shù)據(jù)模型包含會話ID“msgid”、毫秒級時間戳“ts”以及設備數(shù)據(jù)devices。嵌套數(shù)據(jù)結構中包含智能手操箱控制反饋區(qū)feedback、狀態(tài)區(qū)status和傳感器監(jiān)測區(qū)sensor的實時數(shù)據(jù)，如圖6所示。

在控制命令通道中，智能手操箱操作界面的控制按鈕可下發(fā)一個控制指令，也可同時下發(fā)多個控制指令。如圖7所示，控制命令數(shù)據(jù)模型包含請求ID“Request ID”、時間戳“ts”和控制命令“command”字段。嵌套數(shù)據(jù)結構中包含設備具體點位的控制指令。

3 系統(tǒng)安全設計

3.1 無線網絡穩(wěn)定性分析

為滿足智能手操箱的遠程無線通信需求，本系統(tǒng)利用AP構建WiFi網絡。在網絡覆蓋設計時，盡量減少同頻干擾和鄰頻干擾，提高信號強度，從而保證網絡的高穩(wěn)定性。在部署WiFi網絡時本系統(tǒng)主要從覆蓋區(qū)信號強度、干擾性和故障措施3個方面進行分析。

3.1.1 信號強度分析

進行網絡規(guī)劃時，可根據(jù)AP信號強度規(guī)劃AP數(shù)量，AP信號覆蓋區(qū)域如圖8所示。AP信號強度RSSI與距離成反比，單位為dBm。文獻[13]指出當收發(fā)天線之間的距離大于6 m時，容易受到外界環(huán)境影響，信號強度波動幅度較大?；诖耍谠O備房內布設AP時，選擇智能手操箱常在位置時需保證信號強度RSSI在-60 dBm以內。

3.1.2 信號干擾分析

為了避免軌道交通車站既有WiFi網絡對本系統(tǒng)WiFi網絡的信號干擾，須合理規(guī)劃頻段和信道。同時，在建設WiFi網絡時須盡量避開同樣使用2.4 GHz頻段的ZigBee和藍牙信號[14]。針對WiFi網絡干擾問題，文獻[15]提出了一種抗WiFi干擾的信道分配機制。文獻[16]闡述了地鐵建設及優(yōu)化改造過程中各子系統(tǒng)之間的WiFi干擾問題，并介紹了列車控制系統(tǒng)采用的信道切換、窄帶壓縮及鎖頻等防干擾措施，最后分析了車地無線傳輸系統(tǒng)的頻段選擇。上述研究為本系統(tǒng)WiFi網絡的建設提供了參考。

3.1.3 網絡故障措施

正常工作狀態(tài)下智能手操箱利用WiFi通信，若WiFi出現(xiàn)故障可切換為以太網連接，邊緣網關處預留了網口，可供智能手操箱連接。此時雖沒有設備操作權限，但可執(zhí)行一些應急操作，如遠程就地權限切換。待網絡修復后，智能手操箱接入WiFi網絡，繼續(xù)完成后續(xù)設備操作。

3.2 控制安全防護

控制命令安全防護是保證物聯(lián)網控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要技術措施。文獻[17]總結了近年來針對物聯(lián)網系統(tǒng)的防御理論和方法，并提出了物聯(lián)網訪問控制安全性設計要求?；诖?，本文主要從應用層和網絡層2個角度進行了安全防護研究。

傳統(tǒng)手操箱通常被安裝在設備附近，確保端設備在操作人員的視野內，以達到安全操作設備的目的?；诖?，本系統(tǒng)通過近場通信（NFC）技術進行智能手操箱操作權限驗證。在設備房間一處或多處安裝無源NFC卡，每張NFC卡可綁定1臺或多臺設備，NFC卡被放置在設備附近，以便智能手操箱能夠輕松識別，如圖9所示。

在進行操作之前，智能手操箱須靠近NFC卡以獲取操作權限，且具有操作時間限制。本系統(tǒng)增加的NFC認證可以有效防止操作人員未到現(xiàn)場就進行設備操作，從而提高系統(tǒng)的安全性。

4 實驗測試

為了測試智能手操箱系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，本研究在實驗室搭建了仿真平臺測試環(huán)境對系統(tǒng)進行測試，如圖10所示。

當智能手操箱控制命令正常下發(fā)時，電機轉動或閥門開啟，此時智能手操箱操作界面彈出“操作成功提示”，并且操作界面控制區(qū)反饋信號燈亮起，表明一條控制命令正常下發(fā)并作用于端設備。旋轉沙盤上的“故障”旋鈕，用以模擬設備出現(xiàn)了故障，此時智能手操箱操作界面狀態(tài)區(qū)故障信號燈亮起，表明數(shù)據(jù)采集功能正常運行。

在本研究的智能手操箱系統(tǒng)中，對數(shù)據(jù)采集、控制的實時性和穩(wěn)定性進行了實驗測試。在實驗中，操作者點擊操作界面的控制按鈕后，即可計算出整個控制鏈路的時延。對于采集鏈路，因為采集動作是實時（每500 ms輪詢一次）進行的，則同樣可以計算出采集鏈路的時延。

因智能手操箱日常運行在無線網絡環(huán)境中，為了驗證無線數(shù)據(jù)采集與控制的穩(wěn)定性在可接受范圍內，本研究設計了4種WiFi工況，如圖11所示，包括2.4 GHz有干擾、2.4 GHz較少干擾、5 GHz有干擾和5 GHz無干擾信號。測試環(huán)境的WiFi干擾為當前環(huán)境中既有WiFi干擾和利用多個AP制造的同頻干擾和鄰頻干擾。

對系統(tǒng)中的設備進行數(shù)據(jù)采集和控制實驗，測試時WiFi信號強度保持在臨界值，即-60 dBm。更進一步地采用有線以太網進行實驗以進行對比。5種工況下數(shù)據(jù)采集鏈路的時延如圖12所示，平均時延在38.5 ms左右。控制命令數(shù)據(jù)鏈路的往返時間RTT如圖13所示，平均往返時間在63 ms左右。

在數(shù)據(jù)分析中常以標準差（std）作為衡量樣本數(shù)據(jù)的離散度標準，因此本文采用標準差以客觀可量化的方式評價各種工況下的通信質量，結果見表2。采用以太網通信時，通信質量明顯優(yōu)于其他工況；相同的信號強度下，2.4 GHz的通信質量優(yōu)于5 GHz的通信質量。

5 結 語

本文所研究的基于物聯(lián)網技術的智能手操箱系統(tǒng)可以實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的實時監(jiān)測和就地控制，在很大程度上提高了設備運維的數(shù)字化程度。為了保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，在布設AP進行WiFi網絡覆蓋時，需對現(xiàn)場環(huán)境進行WiFi信號檢測，避開信道干擾，并且保證信號強度。同時，本系統(tǒng)的NFC認證功能，更進一步地加強了就地控制的安全性。經過實驗測試驗證，所設計的基于物聯(lián)網技術的智能手操箱系統(tǒng)運行穩(wěn)定、實時性好，能夠實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的遠程實時監(jiān)測，同時能夠實現(xiàn)對設備的就地控制。

注：本文通訊作者為張力文。

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作者簡介：張力文（1994—），男，碩士，工程師，研究方向為物聯(lián)系統(tǒng)設計、故障診斷與智能運維技術。

張宏亮（1985—），男，工程師，研究方向為軌道交通軟硬件數(shù)字化產品研發(fā)和技術。

沈 蓉（1978—），女，高級工程師，研究方向為軌道交通的創(chuàng)新設計理論與方法、工程設計技術與新產品開發(fā)。

黃春燁（1987—），男，工程師，研究方向為軌道交通設施設備智能運維技術。

收稿日期：2023-11-02 修回日期：2023-12-05