一種新型不停車治超智能控制柜

滕書華，李利民，劉 鑫，龍 帆

(湖南省交通科學研究院有限公司，湖南 長沙 410015)

隨著國家對新基建政策支持力度不斷加大，全國各地開始大跨步建設智能交通系統。智能機柜是未來交通系統發展中一個重要節點。將先進的信息、數據通訊傳輸、強弱電監控、電子傳感、控制及計算機技術有效集成運用于整個地面交通管理系統中，智能機柜在其中起到越來越重要的作用。

作為智能機柜的典型應用，治超控制柜是整個治超非現場執法系統的控制中樞，它為UPS、工控機、動環監測、空調、預留擴展端口等提供安全運行環境[1]，為治超系統各設備提供一體化系統集成收容及可靠供備電，負責各種傳感數據的接入、信息的處理、存儲及傳輸，是后臺服務連接前端各種現場設備的中樞系統。治超控制柜獨立安裝于路側，是一款能夠保障戶外安全、防雨、抗振、適應高低溫等各種復雜氣候環境的電子設備。它需要有良好的擴展能力和穩定運行基礎[2]，進而實現高集成性、高可用性和強大處理能力。

目前治超控制柜還存在如下問題：

1)供電系統續航能力差。當前治超控制柜的供電系統，在市電停電、采用電池續航時，很難保證關鍵生產設備長時間工作。如何在停電的情況下，優先保證主設備的供電是本領域技術人員亟待解決的問題。

2)門鎖安全隱患大。傳統的治超控制柜門鎖存在多種安全隱患，如門鎖縫隙大、防塵效果差，鑰匙太多、丟失、私配等問題，以及易盜易損壞。采用智能化手段解決門鎖的安全隱患也是需解決的問題之一。

3)柜體運維效率低[3]。當前，治超控制柜僅用于收集一些參數并發送給遠程管理模塊，不能實時監控機柜環境及設備運行狀態，故障難以及時發現，很多時候需要專家到現場確認和解決，維護效率低、維護成本高[4]。

本文通過對治超控制柜各子系統的綜合研究，設計了一種新型不停車治超智能控制柜。它集安全防護、環境監測、智能運維等功能為一體，解決了設備運維不便以及停電情況下系統供電時間短、安全性差、易盜易損等難題，降低了維護難度和成本，為治超控制柜系統的持續穩定運行提供重要保障。

1 不停車治超智能控制柜系統

根據功能需求，不停車智能控制柜由柜體、電源配給單元、高速動態稱重單元、高速動態寬高限測量單元、動環管控單元、視頻圖像處理單元、信息處理單元、通信交換單元等8個部分組成。柜體主要起支撐和保護作用;電源配給單元負責外部電源的輸入穩壓，外部電源接口包括市電和發電機電源，具備交流配電單元、UPS電池單元、供電切換單元、電力監測裝置，確保機柜24 h不間斷工作;高速動態稱重和高速動態寬高限測量是整個智能控制柜的核心單元，其完成治超業務中對車輛車型、軸型、軸重、重量、外廓等的測量，為執法提供數據支撐；動環管控單元依托柜內多種傳感器和執行器以及柜體配合，完成對柜內微環境的實時監測和調整，同時提供電子門禁、權限管理、自檢等功能，保證系統安全穩定運行；視頻圖像處理單元完成執法檢測過程中的車輛圖像抓拍、執法現場錄像、車輛牌照識別等功能;信息處理單元主要組成部分為高穩定工控機，負責整個系統中數據的緩存，提供算法運行平臺和系統算力;通信交換單元完成智能控制柜內部及整機對外數據的溝通，內部各模塊之間通過千兆以太網進行數據交換，整個系統對外通過冗余光纖保證通信的速率和穩定性。

不停車治超智能控制柜的內部網絡劃分為電源網、控制網和數據通信網。電源網主要進行智能控制柜電能的供給和分配；控制網主要完成各個子系統內部及傳感器與控制器之間的信息交互；數據通信網主要承載業務數據流。

不停車治超智能控制柜系統結構及內部網絡互聯關系見圖1。

圖1 不停車治超智能控制柜組成結構示意圖

系統首次上電后，環控管理單元進行自檢，報告各模塊的工況，同時生成日志存儲在本地；當系統或者某個模塊存在故障時，發出光電報警提示。當車輛駛入檢測區域，高速動態稱重單元(石英晶體傳感器+地感線圈)和寬高限測量單元(激光雷達)對車輛進行測量，同時攝像機抓拍識別車輛牌照、車輛基本外觀照片以及拍攝稱重測量執法過程的短視頻；所有數據被定義為一條檢測記錄，送入處理單元進行超限超載判定，經工控機高速處理完成后，超限超載判定結果傳輸至可變情報板進行展示性提醒；對于超限超載車輛做出識別標記，并將檢測記錄和結果通過通信交換單元發送至后臺中心或聯網治超管理中心。在系統運行過程中，當系統溫度超過設定閾值門限時，環控管理單元會自動開啟工業空調，將溫度降低至設定閾值以下；若發生結霜、潮濕等現象，則自動開啟加熱除霜進行微環境調整。同時環控單元還能實時監測系統安全狀況，當發生異常振動、非授權開門時，立即發出報警并采集現場圖像上報中心。

2 雙逆變器冗余供電系統

目前通用的控制柜都采用48 V供電，而工控機、交換機、相機、補光燈和激光雷達以及機柜空調等設備都采用220 V交流電接入，因此，需要使用逆變器將48 V直流電轉成220 V交流電[5]。傳統的做法是直接將48 V電源接入到單個逆變器，再由單個逆變器接入電源分配單元 (Power Distribution Unit， PDU)，PDU上掛載上述220 V供電設備，而這樣一旦逆變器出現故障，會導致所有上述設備因停電而無法工作。此外，還可將48 V電源分別接入到2個逆變器，主逆變器接入冗余的主設備，例如主工控機、主交換機、主相機、主補光燈、空調；備用逆變器接入到備用工控機、備用交換機、備用相機、備用補光燈，所有設備都是熱備狀態；這種情況下，當一個逆變器出現故障時，接在該逆變器PDU上的所有設備因為停電而無法工作，配置的熱備設備難以起到相應的熱備作用。上述兩種方法的共同缺點是在市電停電而采用電池續航的狀態下，無法單獨對空調進行斷電以保證關鍵設備的長時間工作。如何克服現有逆變器供電方式缺陷，在單個逆變器出現故障的情況下仍可對設備進行有效供電，并在停電的情況下優先保證主設備的供電是本領域技術人員亟待解決的技術難題。

針對上述問題，在保證設備采用交流供電、有斷電續航需求、有供電n+1模塊冗余要求下，充分利用開關電源在市電停電狀態下先一次下電、然后二次下電的特性，優先保證關鍵設備工作，同時對非關鍵設備進行斷電；利用逆變器支持直流輸入和交流旁路輸入的特性，將備用逆變器的交流輸出作為主逆變器的旁路交流輸入，保障在單個逆變器故障時不影響主設備正常運行。據此提出了一種新的冗余供電系統，如圖2所示。

圖2 雙逆變器冗余供電電路原理圖

新的冗余供電系統接入方式：① 主逆變器接48 V電源模塊的二次下電；② 備用逆變器接48 V電源模塊的一次下電；③ 備用逆變器的輸出接入到主逆變器的交流旁路輸入；④ 關鍵外設接在主逆變器輸出上；⑤ 交流空調接在備用逆變器的輸出上。

新的冗余供電系統工作特性：當兩個逆變器均正常工作時，備用逆變器承擔所有負載的輸出。當備用逆變器出現故障時，主逆變器從48 V直流獲取輸入產生220 V交流輸出。主逆變器出現故障時，備用逆變器的旁路供電可以產生輸出。當外部供電斷開而采用電池續航時，電池電壓下降到一次下電時，備用逆變器斷開而采用，同時空調斷開，主逆變器繼續工作，主設備可以繼續工作至二次下電。從而實現了在單個逆變器出現故障的情況下仍可對設備進行有效的交流220 V供電，并對主設備和次要設備的供電劃分優先級，保證在停電的情況下優先主設備供電。

3 三維和二維圖像融合的人臉識別門禁系統

傳統的機柜門鎖存在多種安全隱患，如鑰匙太多、丟失、私配以及防塵防盜效果不理想等。為了更好地防盜，基于二維人臉識別的門禁系統被廣泛應用于門禁行業。然而，當前大部分二維人臉識別門禁技術受信息量、光照、姿態、表情、化妝、年齡等影響，并不能完全滿足實際應用需求。三維人臉識別與二維人臉識別相比具有信息量大、受光照與姿態因素影響小等無法比擬的優勢，能夠有效克服諸多外界因素對人臉識別系統的干擾。因此，提出了一種三維和二維人臉圖像融合的人臉識別門禁系統。該門禁系統的人臉數據采集設備(Kinect深度傳感器和攝像頭)和自動鎖嵌設在智能控制柜的前側柜門上，柜門外側設有可輸密碼觸摸屏，用于緊急情況下開門操作，如圖3所示，門禁系統利用數據采集設備采集一個或多個用戶的人臉深度圖像和RGB圖像，并可分別提取用戶圖像特征建立用戶的人臉模板數據庫。通過對比使用者人臉數據與系統數據庫中人臉數據確定門禁系統是否發送開門信號。機柜門上的采集設備會同時自動記錄形成開鎖狀態報告，包括開鎖人的身份證信息、現場人臉二維和三維圖像以及開鎖時間，保證系統歷史數據可查。如人臉數據與系統數據不匹配，且接近對柜體進行破壞，則發送警報信號與警告語音信息。如柜門被強行打開，則自動保存柜門打開時的第一手資料(包括現場人臉圖像、視頻和開鎖時間)，可為柜體破壞提供線索。

a)柜門 b)內部組成

此外，為了應對人臉特征隨著年齡或季節變化所產生的微小變化，門禁單元對預設時間段數據庫中的用戶人臉特征數據進行平均，得到該時間段內某用戶人臉平均特征數據并更新至系統。其中，預設時間段可以為1個月或1個季度。例如，隨著時間推移，某用戶的臉變胖了，臉寬由1月初的12.3 cm增加到1月底的12.4 cm，如果設置的時間段為1個月，則對此用戶人臉1個月的數據求平均值，即12.35 cm，2月份該用戶人臉寬度的模板值則由12.3 cm更新為12.35 cm。通過對數據庫中用戶人臉模板特征數據定期更新，避免了人體特征隨著時間變化而發生微小改變所導致的識別率下降問題。此外，該門禁系統支持遠程管理系統對門禁進行控制，支持遠程開關門操作。遠程管理系統可實時獲取和核實開門人員權限情況。

基于二維和三維圖像融合的人臉識別門禁系統，不僅極大提升了人臉識別的可靠性和安全性，還很好地保證了柜體表面外漏物(機柜外部無任何可拆卸單元)和空間縫隙最少，做到了更好的防塵和防盜；機柜外部無任何可拆卸單元，也保證了柜體的整體性。

4 遠程運維系統

為了便于遠程監控和維護，智能控制柜內布設有攝像頭和攝像頭角度調節機構。柜體由多層長方體結構組成，每層攝像頭數量根據所需監測設備的多少或復雜程度進行設置。同時，遠程控制中心可調節攝像頭角度，使監控對象處于攝像頭視場中央，監控柜體內部線路、柜體內部設備工作狀態等。柜體內局部攝像頭布置如圖4所示，可在柜體內：① 每層長方體的對角上布設4個攝像頭(見圖4a);② 每個長方體的棱角上布設8個攝像頭(見圖4b);③ 每個長方體上邊線中點處布設8個攝像頭(見圖4c)。當柜門正常打開后，柜內設備照明自動開啟(也可遠程操控打開)，各個攝像頭實時采集柜體內的線路、設備工作狀態、柜門打開時的圖像信息等，專家可實時查看柜體內設備運行情況并及時進行遠程維護，還可通過視頻、音頻來遠程指導現場操作人員進行維修。因此，大部分故障由遠程或現場操作員即可解決，大大減少了專家到現場的次數，降低了維護費用，真正實現了“前端智能采集+后臺大數據集中管理”模式及7×24 h實時監控前端一體化機柜運行，準確掌握設備、環境運行狀態。

a)布設①

b)布設②

② c)布設③

5 結論

針對當前治超控制柜運維管理不便、易盜易損以及市電異常情況下供電時間有限等缺陷，對治超控制柜各子系統進行綜合研究，設計了一種集安全防護、環境監測、智能運維等功能為一體的不停車治超造題智能控制柜，具有如下特點：

1) 通過兩個逆變器、區分一次下電和二次下電，提供了一種新型的逆變器冗余供電系統，實現單個逆變器出現故障時不影響生產設備正常運行，并通過對主要設備和次要設備供優先級電劃分，保證了關鍵設備長時間運行。

2) 基于三維和二維圖像融合的人臉識別門禁模塊，極大地提升了人臉識別可靠性和安全性；同時人臉識別門鎖還能夠自動更新人臉模板，不受時間和跨度的影響，魯棒性更強。柜體表面沒有任何外漏物(機柜外部無任何可拆卸單元)，更好地保證了柜體的整體性和防盜性。

3) 通過柜體內部布設的攝像頭和攝像頭角度調節機構，實現了遠程查看和操控柜體內設備運行，保證柜體出現故障時能夠及時恢復工作，大大減少了到現場維修次數，降低了維護難度和成本，為智能控制柜系統持續穩定運行提供了重要保障。