基于邊緣計算的高速公路隧道控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用

余牧 吳小剛

摘要 隨著我國經(jīng)濟的快速發(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)、微傳感和邊緣計算等新技術(shù)手段，基于“云—邊—端”架構(gòu)的隧道邊緣計算控制系統(tǒng)應(yīng)用，打造基于國產(chǎn)設(shè)備的開放式平臺，構(gòu)建統(tǒng)一數(shù)字底座，實現(xiàn)隧道機電設(shè)備的統(tǒng)一接入、實時感知、智能監(jiān)控、聯(lián)動控制等邊緣控制功能，開展基于邊緣計算的智能應(yīng)用提升研究，從而提高隧道安全管理水平。

關(guān)鍵詞 邊緣計算；高速公路；隧道；控制系統(tǒng)

中圖分類號 U453.7文獻標識碼 A文章編號 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)境復雜等特點，更易發(fā)生交通事故，且事故救援及交通組織難度大，給人民生命財產(chǎn)造成嚴重危害。因此，保障高速公路隧道運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行的重要組成部分，隧道內(nèi)部署的照明、通風、監(jiān)控、消防、供配電等機電系統(tǒng)設(shè)備能否穩(wěn)定和高效運行，顯得至關(guān)重要。因此，加強對機電系統(tǒng)的日常監(jiān)測、運維保障等管理工作，提升機電系統(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，對隧道照明、通風、消防、供配電和交通事件監(jiān)控等機電系統(tǒng)設(shè)備進行數(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，實現(xiàn)隧道機電的設(shè)備的統(tǒng)一接入、實時感知、智能監(jiān)控、聯(lián)動控制等邊緣控制功能；開展基于邊緣計算的智能應(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)動控制等內(nèi)容；研究基于邊緣計算的隧道風機等隧道內(nèi)重點設(shè)備的智能運維拓展應(yīng)用。采用物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算、微傳感等新型技術(shù)的隧道邊緣控制系統(tǒng)，可進行現(xiàn)場控制、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、維護操作便利性和管理智能化，是公路隧道機電系統(tǒng)的必然發(fā)展趨勢。

1 項目研究的背景及必要性

1.1 項目背景

2022年4月，交通部印發(fā)《“十四五”公路養(yǎng)護管理發(fā)展綱要》，明確以數(shù)字化引領(lǐng)公路養(yǎng)護管理轉(zhuǎn)型升級，結(jié)合改擴建、養(yǎng)護工程推進高速公路數(shù)字化升級改造，逐步實現(xiàn)對高速公路網(wǎng)全要素動靜態(tài)信息的數(shù)字化呈現(xiàn)和精細化管理。推動路網(wǎng)運行感知網(wǎng)絡(luò)與公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)改造工程同步規(guī)劃、同步實施，實現(xiàn)智能監(jiān)測與預(yù)警等技術(shù)及場景應(yīng)用，提升監(jiān)管和服務(wù)效能。

當前高速公路隧道內(nèi)的機電設(shè)備種類眾多，通過傳統(tǒng)的PLC架構(gòu)實現(xiàn)對單一設(shè)備的控制，PLC受限于專有連接、專用軟件和許可成本，對高級網(wǎng)絡(luò)和安全功能的支持較弱，且缺乏對以 IT為中心的編程語言和協(xié)議（如HTTPS和MQTT）的支持，編程維護相對煩瑣^[1]。以PLC為核心的機電設(shè)備管控模式還存在控制器位置分散、重復投資、機電設(shè)備狀態(tài)不可感知等問題^[2]。另外，基于現(xiàn)有架構(gòu)難以實現(xiàn)對機電設(shè)備、視頻監(jiān)控、火災(zāi)報警、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，難以滿足未來對隧道智慧化管控的需求。同時，現(xiàn)有的架構(gòu)無法滿足對智慧化算法的應(yīng)用。

控制是實現(xiàn)公路隧道管理目標的根本手段。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)場控制，從多級控制發(fā)展為二級控制。在可靠性方面，監(jiān)控計算機及任一控制點的失效不會影響正常智能節(jié)點對現(xiàn)場設(shè)施實施控制。因此，信息檢測數(shù)字化、信息交流網(wǎng)絡(luò)化、運營狀態(tài)可視化、系統(tǒng)控制智能化、系統(tǒng)管理科學化是我國公路隧道機電系統(tǒng)未來發(fā)展的必然趨勢。

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電設(shè)備實時監(jiān)測和協(xié)同控制關(guān)鍵技術(shù)研究，可以有效提高隧道機電設(shè)備綜合管控效率、降低運維管理成本、提升設(shè)備間高效協(xié)同聯(lián)動的能力，實現(xiàn)對高速公路隧道機電設(shè)備全面的科學化、智能化、精準化管理，為智慧隧道的建設(shè)打下堅實基礎(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，解決PLC產(chǎn)品私有化協(xié)議的兼容性問題，實現(xiàn)機電系統(tǒng)數(shù)字化監(jiān)控；進行基于邊緣控制的邊緣側(cè)應(yīng)急聯(lián)動控制功能，實現(xiàn)輔助決策和預(yù)案聯(lián)動，提升機電設(shè)備的邊緣控制功能；結(jié)合隧道機電數(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架構(gòu)和功能；研究基于邊緣計算的智能應(yīng)用，包括基于單燈（單回路）控制的智能調(diào)光應(yīng)用、風機運維智能診斷應(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

相比較以往關(guān)于隧道機電設(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)，對傳統(tǒng)隧道照明、通風、消防、供配電等設(shè)備進行數(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：

（1）形成一種動態(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)實現(xiàn)以隧道整體為目標的集中管控系統(tǒng)，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少故障點，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)合的動態(tài)調(diào)光算法、實現(xiàn)算力整合統(tǒng)一的隧道邊緣智能應(yīng)用部署方案。

2 項目研究方案

基于物聯(lián)網(wǎng)、微傳感和邊緣計算等新技術(shù)的隧道邊緣控制系統(tǒng)，是開放式的智能監(jiān)控平臺，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接現(xiàn)場側(cè)的設(shè)備。系統(tǒng)可將隧道機電系統(tǒng)設(shè)備統(tǒng)一接入，達到業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)的統(tǒng)一和數(shù)據(jù)扁平化管理，最終實現(xiàn)隧道全要素的實時感知、各子系統(tǒng)的智能協(xié)同控制、單體隧道和監(jiān)控中心多級管控等功能。統(tǒng)一數(shù)據(jù)底座，整合邊緣計算功能和算力，拓展隧道智能化應(yīng)用，包括智能調(diào)光、機電智能運維、車路協(xié)同等，實現(xiàn)了對隧道運行管控的綠色節(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，以遠程IO做接點。其中，邊緣控制器是一款基于邊緣計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，實現(xiàn)隧管站內(nèi)機電設(shè)備數(shù)據(jù)的快速接入與處理并有前端顯示，可實現(xiàn)本地化管理；而遠程IO作為邊緣控制擴展接口，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、消防、供配電等設(shè)備，進而實現(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、照明、信息發(fā)布等機電系統(tǒng)設(shè)備，已經(jīng)實現(xiàn)通過遠程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)計的PLC程序，完成對隧道機電系統(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警、緊急電話與廣播、視頻事件檢測等系統(tǒng)統(tǒng)一接入邊緣控制系統(tǒng)，實現(xiàn)將隧道內(nèi)所有電機設(shè)備進行了匯集并打通隧道系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)壁壘，實現(xiàn)供配電、照明、通風、視頻、交通管控、消防等多系統(tǒng)數(shù)據(jù)的全面接入、并對設(shè)備狀態(tài)進行監(jiān)測，進而形成統(tǒng)一的數(shù)字底座，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯總、清洗、存儲、篩選等，為上層應(yīng)用提供中臺服務(wù)，為云平臺和大數(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，邊緣控制器按照“1+1”的雙套冗余備份進行設(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切換到備用邊緣控制器進行隧道設(shè)備管理。該次邊緣控制器之間動態(tài)冗余技術(shù)研究主要包括：多隧道機電設(shè)備配置靜態(tài)備份技術(shù)、兩套邊緣控制器之間動態(tài)備份技術(shù)和安全組網(wǎng)技術(shù)。最終實現(xiàn)長隧道中多套邊緣控制器之間的冗余應(yīng)用，以及在多個短隧道之間互為冗余應(yīng)用，進而提升隧道監(jiān)控系統(tǒng)可用性。

2.2.2 邊緣側(cè)實現(xiàn)外場聯(lián)動控制，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)場側(cè)，現(xiàn)場側(cè)實現(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)，通過軟件的部署實現(xiàn)設(shè)備管理、數(shù)據(jù)中臺等功能。如圖1所示。

通過重構(gòu)基于邊緣控制器的隧道場景，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，實現(xiàn)隧道機電設(shè)備的高效協(xié)同聯(lián)動。邊緣智能應(yīng)急聯(lián)動系統(tǒng)，包括消防報警應(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，推動移動端實現(xiàn)智能化監(jiān)測

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)，實現(xiàn)光纖有線傳輸和無線傳輸雙重通道，在移動端通過App或WEB的方式實現(xiàn)隨時隨地監(jiān)測隧道外場機電設(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、洞內(nèi)外亮度檢測儀、攝像機AI識別等技術(shù)，通過對隧道內(nèi)車輛的實時檢測與跟蹤，運用跟隨算法，實現(xiàn)LED隧道燈開關(guān)和亮度的實時控制^[4]，達到“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)濟效益越明顯。

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

2.3.2 隧道風機智能運維拓展應(yīng)用

基于邊緣計算開展的風機智能運維，是一套集數(shù)據(jù)采集、分析、智能診斷與性能綜合評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、智能化程度高、故障識別準確等特點。風機智能診斷的實現(xiàn)方式是對風機進行建模，提取裕度、峭度、倍頻、峰值、有效值等特征值進行分析。

2.3.3 系統(tǒng)平臺架構(gòu)和功能研究

平臺融合實時全面感知、一體化管控、設(shè)備高效聯(lián)動、遠程維護升級等功能，實現(xiàn)對隧道機電設(shè)備和邊緣控制器的設(shè)備運行情況、設(shè)備協(xié)同控制效果、全方位監(jiān)測監(jiān)控效果、設(shè)備故障預(yù)測維護、異常情況下實時預(yù)警、設(shè)備接入和組網(wǎng)情況等二維和三維場景下的可視化展示查詢等^[6]。隧道邊緣智能控制系統(tǒng)的平臺化研究主要包括，分層次架構(gòu)設(shè)計、功能模塊化設(shè)計、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營方案并成功應(yīng)用于集團試驗隧道項目。開展基于邊緣控制器的隧道機電設(shè)備實時監(jiān)測和協(xié)同控制關(guān)鍵技術(shù)研究，可以有效提高隧道機電設(shè)備綜合管控的效率，降低運維管理成本、提升設(shè)備間高效協(xié)同聯(lián)動的能力，實現(xiàn)對高速公路隧道機電設(shè)備的全過程的科學化、智能化、精準化、預(yù)防性管理，為智慧隧道的建設(shè)賦能增效，推動高速公路隧道管理工作由粗放向精細化轉(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行狀態(tài)實時監(jiān)測與控制的關(guān)鍵技術(shù)研究相關(guān)成果，該技術(shù)具有良好的場景適應(yīng)能力，可支撐未來對于收費站、服務(wù)區(qū)收費分中心等智慧運維場景，服務(wù)未來高速公路智慧化運營。可以推廣應(yīng)用到其他行業(yè)內(nèi)細分領(lǐng)域，可對未來該領(lǐng)域的研究提供新的思路。

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收稿日期：2023-10-09

作者簡介：余牧（1985—），男，本科，工程師，研究方向：公路隧道機電工程、隧道運營安全。

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。