高速公路隧道遠程維護系統研究

韋騰高

(廣西交通科學研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

隧道是高速公路的重要組成部分。當隧道內發生事故時，其相對封閉的空間不利于救援疏散工作的開展，因此，隧道內的行車安全顯得尤為重要。高速公路隧道一般按公路隧道交通工程及附屬設施配置等級標準設置監控、供配電、照明、通風、消防等機電設施。完善的機電設施可以為隧道的運營管理提供可靠保障。隧道機電設備種類多樣，這為隧道的日常維護工作帶來了極大的挑戰。調研發現隧道維護一般存在以下幾個問題：(1)隧道維護員一般難以掌握各種設備的維護技術；(2)隧道維護員與售后技術人員的溝通不暢，售后技術人員不能直觀地了解現場情況，無法及時給予技術支持；(3)隧道機電設備出現問題后，大部分采取的措施是等待相關售后技術人員到現場分析并解決問題，導致維護周期較長且費用昂貴。在此期間，隧道的運營安全也存在一定的風險。

隨著移動智能終端以及無線通信技術的快速發展，為該問題的解決提供了契機。無線通信技術可以在現場維護員與售后技術人員之間構建一個實時溝通渠道。PLC(可編程邏輯控制器，Programmable Logic Controller)作為區域控制設備接入了隧道內監控、照明、通風、消防等多個系統的設備。本系統以此為突破口，通過移動智能終端APP(Application)與PLC建立通信，同時利用4G網絡與服務器端建立遠程通信，從而實現隧道的遠程維護。

1 系統方案及關鍵技術

本系統由PLC、無線路由器、移動智能終端、服務器、維護管理平臺組成。PLC負責隧道內各機電系統的接入，如交通控制系統、環境監測系統、火災報警系統、電力監控系統、隧道照明系統、隧道通風系統等。PLC編程定義各設備的控制字、反饋字地址，并按制定的設備通信協議，將數據寫入或讀出。無線路由器主要負責PLC與移動智能終端的WIFI連接。移動智能終端負責與PLC通信，發送控制指令和讀取數據，將數據存儲在數據庫中。同時負責將數據及現場視頻傳輸至遠端服務器。服務器負責接收PLC上傳的數據，進行存儲及管理。維護管理平臺使得售后技術人員通過WEB訪問實現與隧道維護員的實時溝通、操控現場設備、分析數據，達到遠程解決隧道維護問題的目的。系統結構圖如圖1所示。

圖1 高速公路隧道遠程維護系統結構圖

1.1 PLC技術

PLC通過數字輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊、網絡通信模塊、串口通信模塊等接入隧道照明、通風、消防、監控系統(環境監測、道路交通控制、車輛檢測器、電光標志、火災探測及報警等設備)。PLC程序開發中應設置維護模式，對連接的設備進行自檢測，判斷設備的運行狀態。

1.2 移動智能終端與PLC通信

隧道PLC控制柜內一般設置有工業以太網交換機，接入高速公路監控專網，為內部專用網絡。將無線路由器接入到工業以太網交換機，配置好無線網絡，從而建立移動智能終端與PLC的連接通道。移動智能終端與PLC的通信還需建立FINS連接。

1.3 移動智能終端與服務器通信

移動智能終端需要數據中心的服務器建立連接，實現遠程技術服務人員與現場維護人員的實時通信。遠程技術服務人員可以遠程控制/調試現場設備，也可通過讀回的數據及現場視頻分析故障原因，同時通過短消息/語音與現場維護人員實時溝通。

1.4 隧道遠程維護軟件平臺

隧道遠程維護軟件平臺實現隧道維護的事件管理、記錄查詢及生成各類統計報表等功能。

2 移動智能終端與PLC的FINS連接

FINS(Factory Interface Network Service)是歐姆龍PLC的通信命令體系的名稱。每個PLC的CPU單元都擁有唯一網絡號、節點號以及單元號，與以太網通信不同。FINS通信可以通過這種方式實現不同網絡地址設備間尋址。PLC的以太網單元能夠實現IP地址和FINS節點地址之間自動轉換、IP地址表和復合地址表三種轉換方式。FINS通信服務是一種基于UDP/IP或TCP/IP的通信方式。FINS以太網通信協議模型如圖2所示。

圖2 FINS以太網通信協議模型圖

在以太網FINS通信中，各種數據信息是以UDP/IP包或者TCP/IP包的方式在以太網上發送和接收的。由圖2可以看出，設備在應用層使用FINS節點地址，而在Internet層使用IP地址。傳輸層為FINS通信提供通信端口，定義了本地UDP或TCP端口號，默認端口號為9 600。

移動智能終端與PLC的FINS連接步驟：(1)設置PLC的網絡號、節點號和單元號，確認PLC模塊上節點號和單元號的撥碼與軟件設置一致；(2)連接無線路由器，移動智能終端連接無線網絡；(3)通過移動智能終端APP設置目標IP地址、端口號等；(4)發送握手信號，并接收響應信號，判斷是否連接；(5)發送FINS指令，并處理響應數據(見圖3)。

圖3 FINS通信程序流程圖

3 移動智能終端APP

移動智能終端作為本系統的關鍵設備，起到承上啟下作用。移動智能終端既要實現與PLC的通信，又要實現與遠端服務器的通信。因此，移動智能終端APP的開發也是本系統關鍵技術之一。

3.1 網絡通信功能

配置目標PLC網絡號、端口號、節點號和單元號等參數通過WIFI無線網絡實現與目標PLC的通信；配置服務器端的網絡號、端口號等參數通過4G網絡實現遠端服務器的通信。移動智能終端APP的網絡通信配置界面如圖4所示。

圖4 移動智能終端APP網絡通信配置示例圖

3.2 隧道設備維護功能

移動智能終端除了連接PLC及遠端服務器，還可以通過APP的隧道設備維護界面讀取PLC連接的各類設備運行狀態，并實現設備控制、實時視頻、故障信息查詢等功能。移動智能終端APP的隧道設備維護界面如圖5和圖6所示。

圖5 隧道設備控制界面圖

圖6 隧道設備狀態讀取界面圖

移動智能終端APP實現的主要功能包括：(1)通過FINS指令與PLC建立在線連接，便于訪問操作；

(2)可直接通過APP測試設備；(3)可將測試數據或故障數據遠程上傳至后臺服務中心；(4)可錄制現場視頻或照片，上傳至后臺服務中心；(5)在后臺服務中心通過手機APP直接監視現場的測試情況。

4 隧道遠程維護軟件平臺

隧道遠程維護軟件平臺主要實現功能有：(1)可查詢路網隧道及設備信息；(2)可與多個現場建立在線連接，進行實時現場維護；(3)通過移動智能終端建立與現場PLC通信，實時讀取數據和監控視頻，便于技術服務人員分析設備故障；(4)對未響應的維護請求進行登記，便于查詢和重新建立在線維護連接；(5)可調取歷史維護信息進行查看；(6)實時記錄維護動態并進行歸檔；(7)根據業務人員需求生成各類維護報表等。隧道遠程維護軟件界面如圖7所示。

圖7 隧道遠程維護軟件平臺界面圖

5 結語

本文針對高速公路隧道維護難、周期長、安全影響大等問題，提出了一種高速公路隧道遠程維護系統解決方案。通過研究解決了移動智能終端與PLC、遠端服務器通信，隧道遠程維護軟件平臺等多項關鍵技術。該系統的實現可以提高隧道維護效率，縮短維護周期，減少維護費用，從而為高速公路隧道的運營安全提供有效保障。因此，本系統隨著高速公路隧道的不斷增多，維護工作量不斷增長，將具備越來越好的應用前景。