鴻蒙系統替代交通隧道內PLC系統的可行性研究

李瀟陽

（華設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014）

1 概述

交通隧道工控系統大部分市場被國外PLC 品牌占領，PLC 生態體系封閉，不同PLC 品牌的硬件體系與指令系統不同，運維人員對隧道外場PLC 設備進行維護調試時常被接口對應不上、底層設備調試困難等問題所困擾。

鴻蒙系統替代PLC 系統的主要實現路徑是通過隧道外場設置智能物聯網關控制器，向上實現隧道機電數據采集，向下完成機電設備的聯動控制。隧道外場采集匯聚的底層數據依托鴻蒙分布式部署的能力，為隧道管理中心的數據導入提供統一標準，讓不同設備之間的數據可以從底層進行互通。

鴻蒙系統基于“國產開源鴻蒙操作系統（鴻蒙控制平臺）+國產芯片方案（鴻蒙控制器）”實現國產自主可控，以“云—邊—端”協同的方式，實現各類機電設備接入，無須為統一的協議而大面積改造設備；同時，能高效精準地完成對機電設備狀態的監控、聯動控制，并提供了設備間的物聯互聯能力。

相比于PLC 系統，鴻蒙系統主要具有以下優勢。

第一，鴻蒙控制器本身可擴展各類接口（RJ45 接口、數字量/模擬量接口、RS485/232 接口等），因此無須對隧道外場機電設備進行改造，外場設備可按原有方式接入組網，鴻蒙控制器通過統一的MQTT 協議進行數據上傳。第二，傳統隧道機電設備終端大多沒有處理能力或處理能力弱，設備間無法互聯，通過鴻蒙控制器可實現機電設備在線化，為管理部門提供智能化巡檢服務。第三，傳統隧道機電設備間缺乏數據交互，協同能力弱，鴻蒙控制器支持通過多設備協同的方式實現設備間近場直連，對設備進行統一管控，實現各類預案的自動化處理。第四，相比于傳統PLC，鴻蒙控制器的邊緣計算系統支持多種升級方式，后續可持續擴展周邊機電設備智能化，拓展更多場景下的設備協同服務。

2 研究目標

本文主要探討交通隧道場景下，鴻蒙系統如何實現傳統PLC 系統的國產化功能替代，從鴻蒙控制器功能需求、鴻蒙控制平臺功能需求、隧道控制場景需求等方面來分析鴻蒙系統如何全面替代PLC 系統。

從隧道機電的聯動控制需求而言，完整鴻蒙控制系統需要包括邊端鴻蒙控制器（含配套鴻蒙邊緣計算平臺軟件）及鴻蒙控制平臺構成。

3 鴻蒙技術底座

開源鴻蒙（OpenHarmony）整體遵從分層設計，從下向上依次為：內核層（Linux 內核或者LiteOS）、系統服務層（服務子系統集）、框架層和應用層（多語言程序框架）。系統功能按照“系統＞子系統＞組件”逐級展開，在多設備部署場景下，支持根據實際需求裁剪某些非必要的組件[1]。

4 鴻蒙控制平臺

鴻蒙控制平臺基于鴻蒙底層開發，需實現設備接入、設備管理、設備遠程升級等主要功能，具體如圖1所示。

圖1 鴻蒙控制平臺功能架構示意圖

4.1 設備接入功能需求

隧道外場機電設備若具備IP 通信能力，則可直接接入鴻蒙控制平臺，也可通過有線方式接入鴻蒙控制器匯聚后與鴻蒙控制平臺進行通信。

隧道外場機電設備若不具備IP 通信能力或無法直接連接平臺，則需要先通過控制電纜或無線通信方式接入鴻蒙控制器，經由鴻蒙控制器內置物聯網關和鴻蒙控制平臺進行通信，具體如圖2 所示。

圖2 鴻蒙控制系統設備接入示意圖

隧道外場機電設備接入控制器后，用戶還需在鴻蒙控制平臺進行設備注冊，獲取設備的ProductSecret和ProductKey 燒錄到設備里；設備注冊完成后，生成設備三元組信息并創建MQTT 安全連接認證。

4.2 設備管理功能需求

鴻蒙控制平臺需要提供相關設備管理功能，包括產品管理、指令管理、場景管理等功能。

產品管理：用于對產品進行數字化的描述，定義產品的屬性、服務和事件。指令管理：鴻蒙控制平臺可對設備的聯動規則進行設置管理，在滿足指令的觸發條件時，設備可根據設定的指令來進行相應動作。場景管理：鴻蒙控制平臺可以通過創建場景實現對一個或多個設備的手動控制或指定條件下自動聯動控制，也可以修改場景下的設備控制和指令執行條件。

4.3 數據管理功能需求

鴻蒙控制平臺需要提供基礎的數據加密與數據清洗服務。

數據加密：基于安全考慮，需要對于數據進行加密后存儲，未經授權訪問的用戶均無法讀取數據。數據加密后，需要密鑰對其進行解密，以保護數據免遭未經授權的訪問或使用。

數據清洗：隧道外場設備實時產生海量數據，為減輕平臺的存儲與處理負荷，還需要對數據進行提純、分級、降維等清洗處理。

4.4 設備運維功能需求

鴻蒙控制平臺需要提供對隧道外場設備的監控和運維能力。

遠程調試：支持鴻蒙控制平臺下發指令給設備，控制設備端功能。遠程配置：支持通過網絡服務遠程登錄，對設備進行管理。OTA 升級：支持鴻蒙控制平臺對設備固件的管理和升級。監控告警：支持對設備狀態進行實時監控和報警。設備模擬：支持平臺使用模擬設備與鴻蒙控制平臺建立連接通信，使用模擬數據，驗證平臺與設備端之間的通信功能。日志服務：支持鴻蒙控制平臺調用云端運行日志和設備本地日志服務。

5 鴻蒙控制器

作為工業級智能邊緣計算設備，基于鴻蒙系統開發的鴻蒙控制器用于實現隧道內傳統PLC 區域控制器的各類功能，無須對隧道外場機電設備進行改造，外場設備可按原有方式接入組網；同時，通過鴻蒙控制器就近連接隧道機電設備，可將傳統機電升級改造成具備智能控制、安全通信能力的智能設備，并直接與鴻蒙控制平臺對接。作為邊緣智能控制設備，鴻蒙控制器需要實現安全管理、連接管理、應用管理等主要功能，具體如圖3 所示。

圖3 鴻蒙控制器功能架構示意圖

5.1 安全管理功能需求

傳輸安全：鴻蒙控制器需要支持數據傳輸加密安全，支持主流的安全加密協議，支持數據完整性校驗。

準入安全：鴻蒙控制器需要支持多種安全準入認證，具備如802.1X 協議認證能力，接入數字證書認證能力。

設備安全：鴻蒙控制器需要支持安全加固，可根據業務需求及時發現問題并調整安全策略。

5.2 連接管理功能需求

鴻蒙控制器提供SDK 套件，使設備能夠接入鴻蒙控制平臺，并對設備進行連接和控制管理。鴻蒙控制器支持通過鴻蒙控制平臺進行軟件升級管理，并支持平臺批量升級[2]。

5.3 應用管理功能需求

配置管理：鴻蒙控制器需要支持業務基本配置、設備信息配置、通信接口配置、安全配置等必要的配置管理。

設備管理：鴻蒙控制器需要支持監測當前連接設備的狀態，并上傳數據到鴻蒙控制平臺。

故障管理：鴻蒙控制器需要提供設備狀態監控、分析和預警功能，實時診斷硬件或軟件故障、告警顯示和記錄功能，并給出故障所在位置。

日志管理：鴻蒙控制器需要對所有的配置操作、用戶登錄、事件告警等進行詳細的日志記錄，包括時間、操作類型、結果等。

故障恢復：一旦出現重大故障，鴻蒙控制器應能自動重啟且重啟時輸出狀態保持，同時產生故障告警信息，最大限度地降低業務損失。

5.4 設備物理特性需求

計算能力：鴻蒙控制器作為邊緣計算設備，需要一定的計算能力，建議處理器采用工業級ARM Cortex-M 32 位以上的國產化芯片。

存儲能力：鴻蒙控制器作為邊緣計算設備，在管理中心通信故障時，也能按預案執行相應指令，因此需要一定的存儲能力。依據試點項目經驗，建議片內RAM≥192kB；片 內FLASH≥1024kB；外 擴FLASH≥16MB。

通信能力：近幾年，國內長大交通隧道逐漸實現5G 民用通信覆蓋，部分隧道也獨立建設了用于管養的無線局域網絡，鴻蒙控制器除了滿足基礎以太網通信的RJ45 接口外，還需要滿足外掛Wi-Fi 與5G 模塊的需求。

接入能力：為滿足替代PLC 系統的設備接入，鴻蒙控制器需要支持各類機電設備接口模塊的靈活擴展，包括但不限于DO 繼電器輸出、DI 數字輸入、AI 模擬量輸入、串行端口（RS485/232）等。

防護能力：鴻蒙控制器的應用場景主要在隧道外場，考慮隧道機電系統聯動的可靠性與穩定性，鴻蒙控制器應滿足與PLC 同等工業級的防護需求。建議的防護能力包括但不限于MTBF≥50000h；工作溫度為-40～70℃；工作濕度為5%～95%（無凝結）；雙路冗余電源供電；防水防塵等級為IP65 等。

6 鴻蒙適用場景分析

傳統交通隧道內PLC 主要控制監控、照明、通風、排水等幾大類場景，由于鴻蒙控制器本身可擴展各類接口（RJ45 接口、數字量/模擬量接口、RS485/232 接口等），外場設備可按原有方式接入鴻蒙控制器，因此鴻蒙控制器理論上可以替代隧道內PLC 系統控制的大部分場景[3]。

隧道監控場景可接入設備類型：

車道指示器，接口類型為開關量接口、RS485 接口；可變情報板，接口類型為RJ45 接口、RS485 接口；可變限速標志，接口類型為RJ45 接口、RS485 接口；交通誘導燈，接口類型為開關量接口、RS485 接口；防火門控制器，接口類型為開關量接口、RS485 接口；電梯控制器，接口類型為開關量接口、RS485 接口。

隧道照明場景可接入設備類型：

功能性照明控制器，接口類型為RJ45 接口、RS485 接口；景觀照明控制器，接口類型為RJ45 接口、RS485 接口；亮度檢測器，接口類型為RJ45 接口、RS485 接口、模擬量接口。

隧道通風場景可接入設備類型：

非消防專用射流風機，接口類型為開關量/模擬量接口、RS485 接口；非消防專用軸流風機，接口類型為開關量/模擬量接口、RS485 接口；附屬用房空調系統，接口類型為RJ45 接口、RS485 接口；電動風閥，接口類型為開關量接口、RS485 接口；空氣凈化系統，接口類型為RJ45 接口、RS485 接口；各類環境檢測器，接口類型為RJ45 接口、RS485 接口、模擬量接口。

隧道排水場景可接入設備類型：

雨/廢水泵，接口類型為開關量/模擬量接口、RS485 接口；加壓泵，接口類型為開關量/模擬量接口、RS485 接口；干池泵，接口類型為開關量/模擬量接口、RS485 接口；液位檢測器，接口類型為RS485 接口、模擬量接口。

7 結語

鴻蒙控制系統在隧道交通管控、環境調節、運維管理等各種使用場景中，可實現隧道機電設備智能互聯、集中管控、綠色節能、安全可控等功能，作為工業級智能邊緣計算設備，通過鴻蒙控制器就近連接隧道機電設備，可將傳統機電升級改造為具備智能控制、安全通信能力的智能設備，并直接與鴻蒙控制平臺對接。

同時，鴻蒙開發支持JS、Java 和C++等更為通用的語言，相比于PLC 組態軟件平臺，鴻蒙控制系統支持多種升級方式，可持續提升隧道機電設備的智能化水平，與更多場景下的設備協同服務。