余牧 吳小剛

摘要 隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，公路及公路隧道的建設(shè)規(guī)模和數(shù)量越來越龐大，隧道智能化、高效的管理也逐漸被重視。該研究以物聯(lián)網(wǎng)、微傳感和邊緣計(jì)算等新技術(shù)手段，基于“云—邊—端”架構(gòu)的隧道邊緣計(jì)算控制系統(tǒng)應(yīng)用，打造基于國產(chǎn)設(shè)備的開放式平臺(tái)，構(gòu)建統(tǒng)一數(shù)字底座，實(shí)現(xiàn)隧道機(jī)電設(shè)備的統(tǒng)一接入、實(shí)時(shí)感知、智能監(jiān)控、聯(lián)動(dòng)控制等邊緣控制功能，開展基于邊緣計(jì)算的智能應(yīng)用提升研究，從而提高隧道安全管理水平。

關(guān)鍵詞 邊緣計(jì)算；高速公路；隧道；控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào) U453.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）23-0008-04

0 引言

截至2021年末，全國公路總里程5 280 700 km，高速公路里程169 100 km；其中公路隧道23 268處、2 469.89萬延米。安全暢通是高速公路運(yùn)營的基本訴求，隧道因其空間狹小、能見度低、洞內(nèi)環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，更易發(fā)生交通事故，且事故救援及交通組織難度大，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重危害。因此，保障高速公路隧道運(yùn)營安全在高速公路安全出行方面發(fā)揮著重要作用。作為高速公路隧道安全運(yùn)行的重要組成部分，隧道內(nèi)部署的照明、通風(fēng)、監(jiān)控、消防、供配電等機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備能否穩(wěn)定和高效運(yùn)行，顯得至關(guān)重要。因此，加強(qiáng)對(duì)機(jī)電系統(tǒng)的日常監(jiān)測(cè)、運(yùn)維保障等管理工作，提升機(jī)電系統(tǒng)的數(shù)字化、智能化水平，提高隧道安全管理水平成為新的研究方向。

該研究以“云—邊—端”架構(gòu)的隧道邊緣計(jì)算控制系統(tǒng)應(yīng)用，打造基于國產(chǎn)設(shè)備的開放式平臺(tái)，對(duì)隧道照明、通風(fēng)、消防、供配電和交通事件監(jiān)控等機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化、網(wǎng)聯(lián)化和智能化改造，構(gòu)建統(tǒng)一數(shù)字底座，實(shí)現(xiàn)隧道機(jī)電的設(shè)備的統(tǒng)一接入、實(shí)時(shí)感知、智能監(jiān)控、聯(lián)動(dòng)控制等邊緣控制功能；開展基于邊緣計(jì)算的智能應(yīng)用提升研究，包括隧道智能調(diào)光系統(tǒng)研究、邊緣控制的應(yīng)急管控策略執(zhí)行、邊緣算力整合的安全管控系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制等內(nèi)容；研究基于邊緣計(jì)算的隧道風(fēng)機(jī)等隧道內(nèi)重點(diǎn)設(shè)備的智能運(yùn)維拓展應(yīng)用。采用物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算、微傳感等新型技術(shù)的隧道邊緣控制系統(tǒng)，可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制、數(shù)據(jù)交換、信息共享與區(qū)域協(xié)調(diào)控制，滿足綜合監(jiān)控等行業(yè)需求；邊緣控制系統(tǒng)與云控平臺(tái)系統(tǒng)組成云邊協(xié)同監(jiān)控系統(tǒng)，滿足智能化、靈活部署、安全可靠等業(yè)務(wù)需求；不斷提高系統(tǒng)可靠性、維護(hù)操作便利性和管理智能化，是公路隧道機(jī)電系統(tǒng)的必然發(fā)展趨勢(shì)。

1 項(xiàng)目研究的背景及必要性

1.1 項(xiàng)目背景

2022年4月，交通部印發(fā)《“十四五”公路養(yǎng)護(hù)管理發(fā)展綱要》，明確以數(shù)字化引領(lǐng)公路養(yǎng)護(hù)管理轉(zhuǎn)型升級(jí)，結(jié)合改擴(kuò)建、養(yǎng)護(hù)工程推進(jìn)高速公路數(shù)字化升級(jí)改造，逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路網(wǎng)全要素動(dòng)靜態(tài)信息的數(shù)字化呈現(xiàn)和精細(xì)化管理。推動(dòng)路網(wǎng)運(yùn)行感知網(wǎng)絡(luò)與公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)改造工程同步規(guī)劃、同步實(shí)施，實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)測(cè)與預(yù)警等技術(shù)及場(chǎng)景應(yīng)用，提升監(jiān)管和服務(wù)效能。

當(dāng)前高速公路隧道內(nèi)的機(jī)電設(shè)備種類眾多，通過傳統(tǒng)的PLC架構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)單一設(shè)備的控制，PLC受限于專有連接、專用軟件和許可成本，對(duì)高級(jí)網(wǎng)絡(luò)和安全功能的支持較弱，且缺乏對(duì)以 IT為中心的編程語言和協(xié)議（如HTTPS和MQTT）的支持，編程維護(hù)相對(duì)煩瑣^[1]。以PLC為核心的機(jī)電設(shè)備管控模式還存在控制器位置分散、重復(fù)投資、機(jī)電設(shè)備狀態(tài)不可感知等問題^[2]。另外，基于現(xiàn)有架構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電設(shè)備、視頻監(jiān)控、火災(zāi)報(bào)警、緊急電話和廣播系統(tǒng)等系統(tǒng)的集中統(tǒng)一管控，無法做到數(shù)據(jù)的打通和共享，難以滿足未來對(duì)隧道智慧化管控的需求。同時(shí)，現(xiàn)有的架構(gòu)無法滿足對(duì)智慧化算法的應(yīng)用。

控制是實(shí)現(xiàn)公路隧道管理目標(biāo)的根本手段。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)考慮，系統(tǒng)控制應(yīng)從集散式控制系統(tǒng)逐步發(fā)展為現(xiàn)場(chǎng)控制，從多級(jí)控制發(fā)展為二級(jí)控制。在可靠性方面，監(jiān)控計(jì)算機(jī)及任一控制點(diǎn)的失效不會(huì)影響正常智能節(jié)點(diǎn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施實(shí)施控制。因此，信息檢測(cè)數(shù)字化、信息交流網(wǎng)絡(luò)化、運(yùn)營狀態(tài)可視化、系統(tǒng)控制智能化、系統(tǒng)管理科學(xué)化是我國公路隧道機(jī)電系統(tǒng)未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1.2 該研究必要性及預(yù)期成果

數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化是高速公路隧道智慧化發(fā)展的重要方向，開展基于邊緣控制器的隧道機(jī)電設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和協(xié)同控制關(guān)鍵技術(shù)研究，可以有效提高隧道機(jī)電設(shè)備綜合管控效率、降低運(yùn)維管理成本、提升設(shè)備間高效協(xié)同聯(lián)動(dòng)的能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路隧道機(jī)電設(shè)備全面的科學(xué)化、智能化、精準(zhǔn)化管理，為智慧隧道的建設(shè)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，并助力相關(guān)管理部門打破傳統(tǒng)，開啟隧道日常管理的精細(xì)化和智能化模式。

通過研究高速公路隧道邊緣控制系統(tǒng)及其主備組網(wǎng)方案，構(gòu)建基于邊緣控制的隧道機(jī)電統(tǒng)一數(shù)據(jù)底座，打造基于國產(chǎn)設(shè)備的開放式平臺(tái)，解決PLC產(chǎn)品私有化協(xié)議的兼容性問題，實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)數(shù)字化監(jiān)控；進(jìn)行基于邊緣控制的邊緣側(cè)應(yīng)急聯(lián)動(dòng)控制功能，實(shí)現(xiàn)輔助決策和預(yù)案聯(lián)動(dòng)，提升機(jī)電設(shè)備的邊緣控制功能；結(jié)合隧道機(jī)電數(shù)字化監(jiān)控、應(yīng)急管控等需求，研究隧道邊緣智能控制一體化平臺(tái)架構(gòu)和功能；研究基于邊緣計(jì)算的智能應(yīng)用，包括基于單燈（單回路）控制的智能調(diào)光應(yīng)用、風(fēng)機(jī)運(yùn)維智能診斷應(yīng)用以及全息隧道車路協(xié)同應(yīng)用等，以提升隧道機(jī)電系統(tǒng)監(jiān)控智能化和管理的智慧化。

1.3 關(guān)鍵創(chuàng)新點(diǎn)

相比較以往關(guān)于隧道機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)的研究，該研究中的隧道邊緣控制系統(tǒng)是基于“云—網(wǎng)—端”架構(gòu)，對(duì)傳統(tǒng)隧道照明、通風(fēng)、消防、供配電等設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化、網(wǎng)聯(lián)化和智能化改造，具有以下可能的創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）形成一種動(dòng)態(tài)冗余的安全組網(wǎng)架構(gòu)，提高隧道邊緣控制系統(tǒng)資源利用率、提升了系統(tǒng)可靠性。

（2）應(yīng)用邊緣控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)以隧道整體為目標(biāo)的集中管控系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少故障點(diǎn)，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。

（3）研究基于視頻交通流數(shù)的算控結(jié)合的動(dòng)態(tài)調(diào)光算法、實(shí)現(xiàn)算力整合統(tǒng)一的隧道邊緣智能應(yīng)用部署方案。

2 項(xiàng)目研究方案

基于物聯(lián)網(wǎng)、微傳感和邊緣計(jì)算等新技術(shù)的隧道邊緣控制系統(tǒng)，是開放式的智能監(jiān)控平臺(tái)，通過在中心部署統(tǒng)一的云服務(wù)，隧道本地的邊緣智能控制器可直接對(duì)接現(xiàn)場(chǎng)側(cè)的設(shè)備。系統(tǒng)可將隧道機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備統(tǒng)一接入，達(dá)到業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)的統(tǒng)一和數(shù)據(jù)扁平化管理，最終實(shí)現(xiàn)隧道全要素的實(shí)時(shí)感知、各子系統(tǒng)的智能協(xié)同控制、單體隧道和監(jiān)控中心多級(jí)管控等功能。統(tǒng)一數(shù)據(jù)底座，整合邊緣計(jì)算功能和算力，拓展隧道智能化應(yīng)用，包括智能調(diào)光、機(jī)電智能運(yùn)維、車路協(xié)同等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)隧道運(yùn)行管控的綠色節(jié)能和智慧化管理水平的提升。

2.1 基于隧道邊緣控制系統(tǒng)打造統(tǒng)一數(shù)據(jù)底座

隧道邊緣控制系統(tǒng)是基于“云—邊—端”架構(gòu)進(jìn)行部署，于中心部署統(tǒng)一云服務(wù)，隧道本地部署邊緣智能控制器，用來接入現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備。隧道邊緣控制系統(tǒng)以邊緣智能控制器為核心，以遠(yuǎn)程IO做接點(diǎn)。其中，邊緣控制器是一款基于邊緣計(jì)算的軟硬件一體化設(shè)備^[3]，可提供豐富的通訊協(xié)議及設(shè)備模型，實(shí)現(xiàn)隧管站內(nèi)機(jī)電設(shè)備數(shù)據(jù)的快速接入與處理并有前端顯示，可實(shí)現(xiàn)本地化管理；而遠(yuǎn)程IO作為邊緣控制擴(kuò)展接口，將IO、模擬量接口轉(zhuǎn)為通用的以太網(wǎng)接口，接入隧道監(jiān)控、照明、通風(fēng)、消防、供配電等設(shè)備，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)隧道監(jiān)控設(shè)備數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。

目前，隧道通風(fēng)、照明、信息發(fā)布等機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)通過遠(yuǎn)程IO模塊接入到邊緣智能控制器中，并通過在邊緣智能控制器中設(shè)計(jì)的PLC程序，完成對(duì)隧道機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集工作；該次研究拓展性的將消防報(bào)警、緊急電話與廣播、視頻事件檢測(cè)等系統(tǒng)統(tǒng)一接入邊緣控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)將隧道內(nèi)所有電機(jī)設(shè)備進(jìn)行了匯集并打通隧道系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)壁壘，實(shí)現(xiàn)供配電、照明、通風(fēng)、視頻、交通管控、消防等多系統(tǒng)數(shù)據(jù)的全面接入、并對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)而形成統(tǒng)一的數(shù)字底座，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯總、清洗、存儲(chǔ)、篩選等，為上層應(yīng)用提供中臺(tái)服務(wù)，為云平臺(tái)和大數(shù)據(jù)提供高效支撐。

2.2 打造隧道邊緣智能控制系統(tǒng)，提升安全應(yīng)急管控效率

2.2.1 “1+1”冗余安全組網(wǎng)方案，提升隧道監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)安全性

在隧道中部署隧道邊緣控制系統(tǒng)方案時(shí)，邊緣控制器按照“1+1”的雙套冗余備份進(jìn)行設(shè)置，主備邊緣控制器之間互相備份數(shù)據(jù)，在主控邊緣控制器異常后自動(dòng)切換到備用邊緣控制器進(jìn)行隧道設(shè)備管理。該次邊緣控制器之間動(dòng)態(tài)冗余技術(shù)研究主要包括：多隧道機(jī)電設(shè)備配置靜態(tài)備份技術(shù)、兩套邊緣控制器之間動(dòng)態(tài)備份技術(shù)和安全組網(wǎng)技術(shù)。最終實(shí)現(xiàn)長隧道中多套邊緣控制器之間的冗余應(yīng)用，以及在多個(gè)短隧道之間互為冗余應(yīng)用，進(jìn)而提升隧道監(jiān)控系統(tǒng)可用性。

2.2.2 邊緣側(cè)實(shí)現(xiàn)外場(chǎng)聯(lián)動(dòng)控制，增加應(yīng)急處置能力

隧道邊緣控制器的軟件架構(gòu)分為開放側(cè)和現(xiàn)場(chǎng)側(cè)，現(xiàn)場(chǎng)側(cè)實(shí)現(xiàn)PLC功能，開放側(cè)部署通用桌面系統(tǒng)Windows或Linux系統(tǒng)，用于數(shù)據(jù)服務(wù)和應(yīng)用程序管理服務(wù)，通過軟件的部署實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理、數(shù)據(jù)中臺(tái)等功能。如圖1所示。

通過重構(gòu)基于邊緣控制器的隧道場(chǎng)景，分析邊端設(shè)備的組成和協(xié)同關(guān)系，研究智能邊緣控制器控制下的隧道綜合管控架構(gòu)，基于智能邊緣控制器的云邊協(xié)同和冗余切換，實(shí)現(xiàn)隧道機(jī)電設(shè)備的高效協(xié)同聯(lián)動(dòng)。邊緣智能應(yīng)急聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，包括消防報(bào)警應(yīng)急和交通事件應(yīng)急。

2.2.3 開展無線物聯(lián)組網(wǎng)應(yīng)用研究，推動(dòng)移動(dòng)端實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)測(cè)

構(gòu)建隧道無線物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，研究支持無線物聯(lián)傳輸?shù)倪h(yuǎn)程IO模塊，從而在光纖環(huán)網(wǎng)基礎(chǔ)上增加無線物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)光纖有線傳輸和無線傳輸雙重通道，在移動(dòng)端通過App或WEB的方式實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地監(jiān)測(cè)隧道外場(chǎng)機(jī)電設(shè)備狀態(tài)。

2.3 基于邊緣控制的智能應(yīng)用

2.3.1 隧道智能調(diào)光控制應(yīng)用

隧道智能調(diào)光系統(tǒng)采用雷達(dá)、洞內(nèi)外亮度檢測(cè)儀、攝像機(jī)AI識(shí)別等技術(shù)，通過對(duì)隧道內(nèi)車輛的實(shí)時(shí)檢測(cè)與跟蹤，運(yùn)用跟隨算法，實(shí)現(xiàn)LED隧道燈開關(guān)和亮度的實(shí)時(shí)控制^[4]，達(dá)到“車來燈亮、車走燈暗、燈隨車移”的安全節(jié)能照明效果，避免LED隧道燈處于長期、大面積全開狀態(tài)，有效實(shí)現(xiàn)照明節(jié)能。并且車流量越小、早晚車流量分布越不均衡、隧道越長，節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益越明顯。

該系統(tǒng)實(shí)施的技術(shù)路線是利用邊緣智能控制器及遠(yuǎn)程IO對(duì)隧道燈的小段無極調(diào)光，邊緣智能控制器部署負(fù)責(zé)采集洞內(nèi)外亮度、車流量、隧道異常事件并通過智能照明算法、車輛檢測(cè)算法得到LED燈控制算法，遠(yuǎn)程IO輸出模擬信號(hào)對(duì)LED燈進(jìn)行調(diào)光^[5]。照明控制過程如圖2～3所示。

2.3.2 隧道風(fēng)機(jī)智能運(yùn)維拓展應(yīng)用

基于邊緣計(jì)算開展的風(fēng)機(jī)智能運(yùn)維，是一套集數(shù)據(jù)采集、分析、智能診斷與性能綜合評(píng)估于一體的智能化診斷系統(tǒng)，包括故障數(shù)據(jù)采集傳感器和故障模型算法，系統(tǒng)具有可靠性強(qiáng)、智能化程度高、故障識(shí)別準(zhǔn)確等特點(diǎn)。風(fēng)機(jī)智能診斷的實(shí)現(xiàn)方式是對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行建模，提取裕度、峭度、倍頻、峰值、有效值等特征值進(jìn)行分析。

2.3.3 系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)和功能研究

平臺(tái)融合實(shí)時(shí)全面感知、一體化管控、設(shè)備高效聯(lián)動(dòng)、遠(yuǎn)程維護(hù)升級(jí)等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道機(jī)電設(shè)備和邊緣控制器的設(shè)備運(yùn)行情況、設(shè)備協(xié)同控制效果、全方位監(jiān)測(cè)監(jiān)控效果、設(shè)備故障預(yù)測(cè)維護(hù)、異常情況下實(shí)時(shí)預(yù)警、設(shè)備接入和組網(wǎng)情況等二維和三維場(chǎng)景下的可視化展示查詢等^[6]。隧道邊緣智能控制系統(tǒng)的平臺(tái)化研究主要包括，分層次架構(gòu)設(shè)計(jì)、功能模塊化設(shè)計(jì)、應(yīng)用配置化等。

3 結(jié)束語

通過該次研究，形成一套智能化高速公路隧道智慧運(yùn)營方案并成功應(yīng)用于集團(tuán)試驗(yàn)隧道項(xiàng)目。開展基于邊緣控制器的隧道機(jī)電設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和協(xié)同控制關(guān)鍵技術(shù)研究，可以有效提高隧道機(jī)電設(shè)備綜合管控的效率，降低運(yùn)維管理成本、提升設(shè)備間高效協(xié)同聯(lián)動(dòng)的能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路隧道機(jī)電設(shè)備的全過程的科學(xué)化、智能化、精準(zhǔn)化、預(yù)防性管理，為智慧隧道的建設(shè)賦能增效，推動(dòng)高速公路隧道管理工作由粗放向精細(xì)化轉(zhuǎn)變、由傳統(tǒng)向智能化轉(zhuǎn)變^[7]。

基于智能邊緣控制器的公路隧道運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制的關(guān)鍵技術(shù)研究相關(guān)成果，該技術(shù)具有良好的場(chǎng)景適應(yīng)能力，可支撐未來對(duì)于收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)收費(fèi)分中心等智慧運(yùn)維場(chǎng)景，服務(wù)未來高速公路智慧化運(yùn)營?？梢酝茝V應(yīng)用到其他行業(yè)內(nèi)細(xì)分領(lǐng)域，可對(duì)未來該領(lǐng)域的研究提供新的思路。

參考文獻(xiàn)

[1]李慧鋒， 王壘. 淺談 PLC 在高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用[J]. 中國科技博覽， 2014（20）： 102-103.

[2]崔蓬. 淺談 PLC 技術(shù)在高速公路隧道監(jiān)控中的應(yīng)用[J]. 廣東科技， 2013（20）： 79-80.

[3]劉鈺偉， 熊定輝， 劉培， 等. 一種用于隧道機(jī)電系統(tǒng)監(jiān)控的隧道邊緣控制設(shè)備： CN114017127A[P]， 2022-02-08.

[4]張星陽. PLC 技術(shù)在高速公路隧道照明節(jié)能控制領(lǐng)域的運(yùn)用探微[J]. 通訊世界， 2017（6）： 66-67.

[5]張志. 分布式I/O控制在公路隧道監(jiān)控中的應(yīng)用[J]. 中國交通信息化， 2014（4）： 125-127.

[6]湯玉鵬. 高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)創(chuàng)新方案探討[J]. 中國交通信息化， 2020（6）： 131-134.

[7]王斌. 高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J]. 交通建設(shè)與管理， 2014（8）： 167-168.

收稿日期：2023-10-09

作者簡(jiǎn)介：余牧（1985—），男，本科，工程師，研究方向：公路隧道機(jī)電工程、隧道運(yùn)營安全。

通信作者：吳小剛（1979—），男，本科，工程師，研究方向：數(shù)據(jù)通信與交換。