特长公路隧道复杂风机网络协同控制系统架构

2020-05-25郑晅，付帅，李雪

科学技术与工程 2020年10期

郑晅，付帅，李雪

(长安大学电子与控制工程学院，西安 710064)

特长公路隧道通常需要建立规模庞大的通风系统，实现有效排除污染物的目的，风机布设数量大，通风网络拓扑结构复杂，多风机通风控制系统具有很强的非线性、时变性和滞后性，为了实现风机控制的实时性、可靠性，需要建立多风机协同控制系统[1]。随着中国交通建设的不断推进，特长公路隧道数量在不断增加，据不完全统计，至2018年底，中国已建成特长隧道1 058处、4 706.6 km，长隧道4 315处、7 421.8 km，共12 128.4 km[2]。特长公路隧道在高交通负荷和交通拥堵工况下，车辆排放污染物不断累积，难以扩散，严重危害司乘人员身心健康及行车安全，隧道通风控制问题不断凸显[3]。因此，设计一个合理的特长公路隧道多风机控制系统架构，对保证特长公路隧道通风系统协同控制、提升隧道运营安全品质意义重大。

关于隧道通风控制架构研究，中外主要集中于基于PLC的隧道通风控制系统架构、基于ZigBee的隧道通风控制系统架构和基于OPC的多层过程系统架构。Wang[4]基于PLC的隧道通风控制系统架构主要在物理层实现风机控制，未考虑风机网络之间的信息传输，未能实现风机协同控制；Fu等[5]基于ZigBee的隧道通风控制系统架构实现了风机网络的信息传输，但未考虑风机控制的实时性；刘浩[6]基于OPC的多层过程系统架构解决了风机控制信息传输的接口问题，但是信息通信复杂，实时性较差。以上研究主要集中于单一的技术应用，未考虑将数据采集、信息通信、数据处理和风机控制集中于一体，融合物理层和信息层，实现隧道多风机协同控制。

信息物理系统(cyber physical system, CPS)是一个利用智能传感器、计算和信息技术有效集成信息和物理组件的系统，通过3C(computing，communicating，control)技术的有机整合与协调，完成对复杂场景的感知与调控，实现生产、生活智能化[7]。CPS可实现对物理系统的实时控制和实时监测，掌握物理设备的运营情况，实现合理的决策和控制[8]。CPS可以保证分布的物理系统通过无线通信与计算实现跨空间结合，实现不同应用服务平台的决策控制[9]。同时，CPS通过通信与计算，包括跨空间的多种系统级服务，可扩展性强，方便系统级服务的开发和部署[10]。目前，CPS在诸多领域应用广泛，包括智能电网[11-16]、智能交通[17-21]、智能医疗[22-24]、航空航天[25-27]等。

基于上述背景，根据CPS框架架构的组成要素及关键功能，设计基于CPS的5层特长公路隧道复杂风机网络协同控制系统架构，有利于提升特长公路隧道隧道风机控制智能化、信息化水平，满足面向服务的隧道风机运营需求。

1 特长公路隧道风机控制需求

1.1 隧道风机控制功能需求分析

从特长公路隧道风机控制的全流程，即从数据采集、数据处理计算、通信和控制考虑，结合公路隧道日益丰富的运营服务，如风机状态监测，可视化分析等，特长公路隧道通风控制基本应用需求如下：

(1)风机控制系统需实现对隧道内环境的监测：实现对风压-风速、CO-VI浓度等数据的采集；能对隧道内的交通量进行监测；对风机运行中电压、转速、风速及温度等数据的采集；对特殊工况(拥堵、火灾、不良气候等)下的相关数据进行采集，因此需要数据采集模块。

(2)风机控制系统需实现传感器采集数据的传输以及控制指令等信息的有效发送，因此需要数据传输模块。

(3)风机控制系统需实现对采集数据的存储、调用等功能，因此需要数据管理模块。

(4)风机控制系统需实现对采集数据进行分析处理，因此需要数据处理模块。

(5)风机控制系统需实现对风机运行状况进行实时监测及隧道通风运营状况报表展示等，因此需要可视化模块。

(6)风机控制系统需实现对风机异常状态挖掘以及故障预警等，因此需要数据挖掘模块。

(7)风机控制系统需实现对风机设备以及其他设施的检修信息管理，因此需要设备检修模块。

(8)风机控制系统需实现远程控制以及管理人员手动控制等，因此需要智能控制模块。

1.2 特长公路隧道风机控制系统架构设计

结合1.1节中应用需求分析，为满足风机协同控制的需求，考虑提高风机控制系统各种配置及规则数据、基本信息数据以及访问频繁但变更较少的数据的利用效率，减少重复数据或者信息的访问量，减轻系统负载，提出了应用接入层。通过CPS中间件，针对风机控制系统的异构性，提供具有统一访入口、使用方法。此外，为了实现功能模块之间的协同管理和统一资源配置，以达到特长公路隧道复杂风机网络协同控制目标，提出CPS层。因此，对风机控制系统分层设计为：感控层、信息层、应用接入层、应用层和CPS层，得到基于CPS的特长公路隧道复杂风机协同控制架构，如图1所示。

图1 特长公路隧道复杂风机网络CPS协同控制架构

如图1所示，感控层实现隧道内数据的采集以及风机运行状态的感知；信息层实现事件/信息之间的传输交换；CPS应用接入层为系统各种配置及规则数据、用户的基本信息数据以及个性化定制信息数据，以及访问频繁但变更较少的数据提供支撑，减少重复数据或者信息的访问量，提高资源利用效率，减轻系统负载；应用层提供隧道运营风机控制基本应用，如远程控制、设备检修等基础上，应用层还可以提供多层次的服务，为隧道消防、隧道照明、隧道供配电等其他隧道运营系统提供接口；CPS层对数据的处理以及确定不同工况下风机控制策略，最后形成风机控制指令。

该系统架构从隧道环境及风机状态感知、实时分析、科学决策和精准执行四个方面实现特长公路隧道复杂风机网络协同控制的目标，加强了对隧道内风机数据和环境数据变化的敏感度，实现资源共同利用。

2 特长公路隧道风机网络CPS模型

2.1 感控层

感控层通过隧道内分布式传感器单元采集隧道内数据，通过网络节点传输至CPS网络，实现数据的存储以及数据处理。感控层与CPS层中的CPS单元松耦合，有利于进行数据的分布式计算，提高资源利用效率和计算能力。通过CPS单元处理实时信息/数据，结合历史信息/数据，获得不同工况下多风机的控制策略，并通过网络节点传输至各执行器进行风机状态调控，从而实现风机的协同控制。

2.1.1 风机集群划分

针对特长公路隧道风机需进行集群划分，方便隧道风机协同控制。划分思路如下，其结构如图2所示。

(1)隧道出、入口段：根据特长公路隧道风机整体布局情况，考虑风机控制的主要目的是保障隧道内空气质量，根据《公路隧道通风设计细则》[28]可得，隧道洞口污染物累积严重，可对污染物浓度高及风机密集区域进行单独划分，并设置智能传感器进行监测，采集相关数据，进行处理和分析，达到风机智能控制的目的。

(2)隧道中间段：隧道中间段按照距离进行划分，可根据横通道数目，选取距离1～2 km作为一个控制段。

(3)竖井段：竖井是隧道通风的主要基础设施，布设的轴流风机可以有效地为隧道内提供源源不断的新鲜空气，保障隧道内的驾乘人员的健康。

复杂风机网络CPS架构感控层由风机集群、传感器、执行器和嵌入式控制模块组成，可实现对隧道内风机、环境的感知、控制、调节，基本架构如图3所示。

图2 特长公路隧道多风机集群划分示意图

图3 感控层架构图

如图3所示，传感器单元负责隧道内数据的采集，可分为环境传感器和风机传感器。环境传感器感知数据主要是隧道内的交通量、风压-风速、CO-VI浓度；风机传感器主要针对风机运行数据得采集：温度、风压、电压、电流和转速等。执行器单元负责接收风机控制指令(启停、调频变速等)，实现对风机集群运行状态的改变。为了实现风机集群的系统自治，每个风机集群都有对应的嵌入式控制模块，其主要包括计算、通信以及控制单元。计算单元可根据相应的数据处理逻辑，对数据进行处理，辅助预先制定的不同工况风机控制策略对风机进行控制；通信单元既负责单个风机集群内部数据、控制指令的传输，也负责和其余风机集群信息的传递和接收更高层次的指令；存储单元主要实现数据的存储以及管理，包括历史数据和实时数据。

2.1.2 风机集群信息传输

为满足风机集群之间信息传输要求，风机集群之间的传输采用主干网络和子网络结合、有线网络和无线网络相结合的形式。主干网络可由光纤网络等传输速度较快、可靠性较高的网络构成，保证信息向上或者向下的传输；子网络可采用ZigBee等无线传感网络，用于风机集群之间的隧道环境数据和风机数据等信息的交换，最后统一于有线网络，实现信息传送以及存储、计算和控制，基本传输原理如图4所示。

2.2 信息层

复杂风机网络CPS架构信息层利用CPS网络技术，连接系统各个处于不同空间和时间的子系统，如感控层、应用层，保证各层之间相互通信、数据信息传输，实现风机协同控制。为保证信息层数据传输的实时性和准确性，对信息层中涉及的数据分发服务和事件/信息优先级进行研究。

2.2.1 基于发布/订阅方式的数据分发服务

为满足CPS网络快速高效数据分发的要求，采用一种适应CPS网络需求的数据分发方法，即发布/订阅方式，在网络的负载能力和计算能力有限的情况下尽可能提高数据分发的质量和效率，降低网络尤其是骨干网络的数据拥塞情况，将数据快速准确提供给风机集群，提高资源利用效率。数据分发服务(DDS)的发布/订阅模型，如图5所示。

图4 风机集群信息传输流程图

风机集群发布数据流程如图6所示。风机集群自治系统运行过程中，首先由感控层中的传感器单元获取隧道内相关数据，包括机械设备状态，空间环境等数据，完成数据采集。感控节点将数据与对应的时间戳，设备号进行匹配，数据进一步处理为对应信息。信息层将信息存入对应的数据库，再送到应用接入层，由系统语义规则对其进行解析，获取其中的时间戳，设备号和具体数据。

图5 DDS发布/订阅模型图

图6 数据发布流程图

感控层中的风机集群可向信息层申请订阅数据，其流程如图7所示。风机集群将目标数据的设备号，时间戳发送至信息层；信息层通过应用接入层根据语义服务器中的内容对数据订阅请求进行“翻译”，之后通过信息层存储器获取目标数据，并发送给风机集群。

图7 数据订阅流程图

2.2.2 风机事件/信息优先级划分

风机CPS控制系统是一种分布式系统，在某一时刻，同一节点上可能收到多个数据包需要处理，或多个数据包需要发送出去，此时需要建立事件/信息的优先级，根据事件优先级进行划分，优先级高的数据包优先被处理和发送，以便缩短高优先级的数据包在处理前或发送前的排队等待时间，提高网络传输的实时性。

根据公路隧道运营工况划分[29]，对于特长公路隧道事件/信息优先级的分配从以下两个方面考虑。

(1)考虑隧道运行状况的四种工况：正常、怠速、拥堵以及特殊工况(火灾、大雾等不良气候)，优先级排序为：特殊工况>拥堵>怠速>正常；不同优先级对应每个事件/信息的紧迫程度，以便订阅者可以根据不同的系统设计目标分配系统资源有效减少并发性带来的系统问题。

(2)量化置信度：采用置信度函数，对事件/信息的可信度进行量化处理。置信度和置信度衰减方程—指定事件/信息置信度以及它是如何随着时间的推移而消失的。置信度及其方程由特定的设备和控制逻辑决定，为订阅者在任何时间点计算订阅事件信息的置信度提供一种标准方法。置信度函数可定义为

CONk=Confidence(k,time,loc,p)

(1)

式(1)中：k为事件的编号；time是事件发生的时间；loc是事件发生的位置；p是采集到传感器值的标量和向量。置信度衰减方程函数可定义为

FA=Fade(time)

(2)

置信区间为：pi

图8 事件处理流程

2.3 应用接入层

应用接入层通过CPS中间件，针对风机控制系统的异构性，将各种可以公用的能力进行统一封装，提供具有统一访入口、使用方法和高性能计算服务。分布式应用软件借助CPS中间件共享资源，管理计算机资源和网络通信，进行事件/信息传递。

CPS中间件可采用SCE层次结构[30-31]，如图9所示，采用了3层架构分块部署模型。前端服务器FS(Front Server)模块对CPS层汇报特长公隧道风机控制系统的运行状态、管理环境和风机数据等资源，同时，可解决信息层和感控层中由于隧道风机控制系统远程连接异构和跨平台应用的缺陷，数据库存储了其所管理的感控层采集的结构化及非结构化数据，实现了数据的管理。

图9 中间件层次结构图

中央服务器(center server,CS)为隧道风机协同控制提供全局信息服务和元调度，结合应用层需求和CPS层单元高效的处理能力，实现对FS数据库中多源数据的融合。

客户端面向隧道运营管理部门及公众提供统一的访问入口。API接口降低了开发复杂性，提高系统的可伸缩性。

为了实现资源信息的高效传输，采用基于SCE的CPS中间件信息传输方式，如图10所示。FS按照根据管理人员需求，定时查询CPS处理单元控制命令状态，并与本地数据库对比，若发现控制命令状态有更新，则向CS汇报；CS接收到汇报信息，则立即更新数据库信息，返回相应的状态码；FS接收到正确的状态码，实现本地数据库的更新。

图10 资源信息报告模式结构

2.4 应用层

应用层根据下层传输的风机网络即时信息，可实现对隧道通风运行态势的监控和预测以及优化调度等功能。

针对特长公路隧道运营服务的要求，应用层在风机控制基本应用，如远程控制、设备检修等基础上，应用层还可以提供多层次的服务，为隧道消防、隧道照明、隧道供配电等其他隧道运营系统提供接口，实现隧道运营一体化和不同工况下机电设备的协同控制，特别是在特殊工况(火灾等)发挥机电设备的作用，保证隧道内司乘人员的安全以及为救援提供技术保障，平台架构如图11所示。