基于边缘计算的高速公路隧道控制系统研究与应用

余牧 吴小刚

摘要 随着我国经济的快速发展，公路及公路隧道的建设规模和数量越来越庞大，隧道智能化、高效的管理也逐渐被重视。该研究以物联网、微传感和边缘计算等新技术手段，基于“云—边—端”架构的隧道边缘计算控制系统应用，打造基于国产设备的开放式平台，构建统一数字底座，实现隧道机电设备的统一接入、实时感知、智能监控、联动控制等边缘控制功能，开展基于边缘计算的智能应用提升研究，从而提高隧道安全管理水平。

关键词 边缘计算；高速公路；隧道；控制系统

中图分类号 U453.7文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）23-0008-04

0 引言

截至2021年末，全国公路总里程5 280 700 km，高速公路里程169 100 km；其中公路隧道23 268处、2 469.89万延米。安全畅通是高速公路运营的基本诉求，隧道因其空间狭小、能见度低、洞内环境复杂等特点，更易发生交通事故，且事故救援及交通组织难度大，给人民生命财产造成严重危害。因此，保障高速公路隧道运营安全在高速公路安全出行方面发挥着重要作用。作为高速公路隧道安全运行的重要组成部分，隧道内部署的照明、通风、监控、消防、供配电等机电系统设备能否稳定和高效运行，显得至关重要。因此，加强对机电系统的日常监测、运维保障等管理工作，提升机电系统的数字化、智能化水平，提高隧道安全管理水平成为新的研究方向。

该研究以“云—边—端”架构的隧道边缘计算控制系统应用，打造基于国产设备的开放式平台，对隧道照明、通风、消防、供配电和交通事件监控等机电系统设备进行数字化、网联化和智能化改造，构建统一数字底座，实现隧道机电的设备的统一接入、实时感知、智能监控、联动控制等边缘控制功能；开展基于边缘计算的智能应用提升研究，包括隧道智能调光系统研究、边缘控制的应急管控策略执行、边缘算力整合的安全管控系统联动控制等内容；研究基于边缘计算的隧道风机等隧道内重点设备的智能运维拓展应用。采用物联网、边缘计算、微传感等新型技术的隧道边缘控制系统，可进行现场控制、数据交换、信息共享与区域協调控制，满足综合监控等行业需求；边缘控制系统与云控平台系统组成云边协同监控系统，满足智能化、灵活部署、安全可靠等业务需求；不断提高系统可靠性、维护操作便利性和管理智能化，是公路隧道机电系统的必然发展趋势。

1 项目研究的背景及必要性

1.1 项目背景

2022年4月，交通部印发《“十四五”公路养护管理发展纲要》，明确以数字化引领公路养护管理转型升级，结合改扩建、养护工程推进高速公路数字化升级改造，逐步实现对高速公路网全要素动静态信息的数字化呈现和精细化管理。推动路网运行感知网络与公路基础设施建设改造工程同步规划、同步实施，实现智能监测与预警等技术及场景应用，提升监管和服务效能。

当前高速公路隧道内的机电设备种类众多，通过传统的PLC架构实现对单一设备的控制，PLC受限于专有连接、专用软件和许可成本，对高级网络和安全功能的支持较弱，且缺乏对以 IT为中心的编程语言和协议（如HTTPS和MQTT）的支持，编程维护相对烦琐^[1]。以PLC为核心的机电设备管控模式还存在控制器位置分散、重复投资、机电设备状态不可感知等问题^[2]。另外，基于现有架构难以实现对机电设备、视频监控、火灾报警、紧急电话和广播系统等系统的集中统一管控，无法做到数据的打通和共享，难以满足未来对隧道智慧化管控的需求。同时，现有的架构无法满足对智慧化算法的应用。

控制是实现公路隧道管理目标的根本手段。从系统结构考虑，系统控制应从集散式控制系统逐步发展为现场控制，从多级控制发展为二级控制。在可靠性方面，监控计算机及任一控制点的失效不会影响正常智能节点对现场设施实施控制。因此，信息检测数字化、信息交流网络化、运营状态可视化、系统控制智能化、系统管理科学化是我国公路隧道机电系统未来发展的必然趋势。

1.2 该研究必要性及预期成果

数字化、网络化、智能化是高速公路隧道智慧化发展的重要方向，开展基于边缘控制器的隧道机电设备实时监测和协同控制关键技术研究，可以有效提高隧道机电设备综合管控效率、降低运维管理成本、提升设备间高效协同联动的能力，实现对高速公路隧道机电设备全面的科学化、智能化、精准化管理，为智慧隧道的建设打下坚实基础，并助力相关管理部门打破传统，开启隧道日常管理的精细化和智能化模式。

通过研究高速公路隧道边缘控制系统及其主备组网方案，构建基于边缘控制的隧道机电统一数据底座，打造基于国产设备的开放式平台，解决PLC产品私有化协议的兼容性问题，实现机电系统数字化监控；进行基于边缘控制的边缘侧应急联动控制功能，实现辅助决策和预案联动，提升机电设备的边缘控制功能；结合隧道机电数字化监控、应急管控等需求，研究隧道边缘智能控制一体化平台架构和功能；研究基于边缘计算的智能应用，包括基于单灯（单回路）控制的智能调光应用、风机运维智能诊断应用以及全息隧道车路协同应用等，以提升隧道机电系统监控智能化和管理的智慧化。

1.3 关键创新点

相比较以往关于隧道机电设备系统的研究，该研究中的隧道边缘控制系统是基于“云—网—端”架构，对传统隧道照明、通风、消防、供配电等设备进行数字化、网联化和智能化改造，具有以下可能的创新点：

（1）形成一种动态冗余的安全组网架构，提高隧道边缘控制系统资源利用率、提升了系统可靠性。

（2）应用边缘控制技术实现以隧道整体为目标的集中管控系统，简化了系统结构，减少故障点，提升系统稳定性。

（3）研究基于视频交通流数的算控结合的动态调光算法、实现算力整合统一的隧道边缘智能应用部署方案。

2 项目研究方案

基于物联网、微传感和边缘计算等新技术的隧道边缘控制系统，是开放式的智能监控平台，通过在中心部署统一的云服务，隧道本地的边缘智能控制器可直接对接现场侧的设备。系统可将隧道机电系统设备统一接入，达到业务和数据的统一和数据扁平化管理，最终实现隧道全要素的实时感知、各子系统的智能协同控制、单体隧道和监控中心多级管控等功能。统一数据底座，整合边缘计算功能和算力，拓展隧道智能化应用，包括智能调光、机电智能运维、车路协同等，实现了对隧道运行管控的绿色节能和智慧化管理水平的提升。

2.1 基于隧道边缘控制系统打造统一数据底座

隧道边缘控制系统是基于“云—边—端”架构进行部署，于中心部署统一云服务，隧道本地部署边缘智能控制器，用来接入现场的设备。隧道边缘控制系统以边缘智能控制器为核心，以远程IO做接点。其中，边缘控制器是一款基于边缘计算的软硬件一体化设备^[3]，可提供丰富的通讯协议及设备模型，实现隧管站内机电设备数据的快速接入与处理并有前端显示，可实现本地化管理；而远程IO作为边缘控制扩展接口，将IO、模拟量接口转为通用的以太网接口，接入隧道监控、照明、通风、消防、供配电等设备，进而实现隧道监控设备数字化和网络化。

目前，隧道通风、照明、信息发布等机电系统设备，已经实现通过远程IO模块接入到边缘智能控制器中，并通过在边缘智能控制器中设计的PLC程序，完成对隧道机电系统设备的数据采集工作；该次研究拓展性的将消防报警、紧急电话与广播、视频事件检测等系统统一接入边缘控制系统，实现将隧道内所有电机设备进行了汇集并打通隧道系统间的数据壁垒，实现供配电、照明、通风、视频、交通管控、消防等多系统数据的全面接入、并对设备状态进行监测，进而形成统一的数字底座，实现数据的汇总、清洗、存储、筛选等，为上层应用提供中台服务，为云平台和大数据提供高效支撑。

2.2 打造隧道边缘智能控制系统，提升安全应急管控效率

2.2.1 “1+1”冗余安全组网方案，提升隧道监控网络安全性

在隧道中部署隧道边缘控制系统方案时，边缘控制器按照“1+1”的双套冗余备份进行设置，主备边缘控制器之间互相备份数据，在主控边缘控制器异常后自动切换到备用边缘控制器进行隧道设备管理。该次边缘控制器之间动态冗余技术研究主要包括：多隧道机电设备配置静态备份技术、两套边缘控制器之间动态备份技术和安全组网技术。最终实现长隧道中多套边缘控制器之间的冗余应用，以及在多个短隧道之间互为冗余应用，进而提升隧道监控系统可用性。

2.2.2 边缘侧实现外场联动控制，增加应急处置能力

隧道边缘控制器的软件架构分为开放侧和现场侧，现场侧实现PLC功能，开放侧部署通用桌面系统Windows或Linux系统，用于数据服务和应用程序管理服务，通过软件的部署实现设备管理、数据中台等功能。如图1所示。

通过重构基于边缘控制器的隧道场景，分析边端设备的组成和协同关系，研究智能边缘控制器控制下的隧道综合管控架构，基于智能边缘控制器的云边协同和冗余切换，实现隧道机电设备的高效协同联动。边缘智能应急联动系统，包括消防报警应急和交通事件应急。

2.2.3 开展无线物联组网应用研究，推动移动端实现智能化监测

构建隧道无线物联网环境，研究支持无线物联传输的远程IO模块，从而在光纤环网基础上增加无线物联网组网，实现光纤有线传输和无线传输双重通道，在移动端通过App或WEB的方式实现随时随地监测隧道外场机电设备状态。

2.3 基于边缘控制的智能应用

2.3.1 隧道智能调光控制应用

隧道智能调光系统采用雷达、洞内外亮度检测仪、摄像机AI识别等技术，通过对隧道内车辆的实时检测与跟踪，运用跟随算法，实现LED隧道灯开关和亮度的实时控制^[4]，达到“车来灯亮、车走灯暗、灯随车移”的安全节能照明效果，避免LED隧道灯处于长期、大面积全开状态，有效实现照明节能。并且车流量越小、早晚车流量分布越不均衡、隧道越长，节能效果和经济效益越明显。

该系统实施的技术路线是利用边缘智能控制器及远程IO对隧道灯的小段无极调光，边缘智能控制器部署负责采集洞内外亮度、车流量、隧道异常事件并通过智能照明算法、车辆检测算法得到LED灯控制算法，远程IO输出模拟信号对LED灯进行调光^[5]。照明控制过程如图2～3所示。

2.3.2 隧道风机智能运维拓展应用

基于边缘计算开展的风机智能运维，是一套集数据采集、分析、智能诊断与性能综合评估于一体的智能化诊断系统，包括故障数据采集传感器和故障模型算法，系统具有可靠性强、智能化程度高、故障识别准确等特点。风机智能诊断的实现方式是对风机进行建模，提取裕度、峭度、倍频、峰值、有效值等特征值进行分析。

2.3.3 系统平台架构和功能研究

平台融合实时全面感知、一体化管控、设备高效联动、远程维护升级等功能，实现对隧道机电设备和边缘控制器的设备运行情况、设备协同控制效果、全方位监测监控效果、设备故障预测维护、异常情况下实时预警、设备接入和组网情况等二维和三维场景下的可视化展示查询等^[6]。隧道边缘智能控制系统的平台化研究主要包括，分层次架构设计、功能模块化设计、应用配置化等。

3 结束语

通过该次研究，形成一套智能化高速公路隧道智慧运营方案并成功应用于集团试验隧道项目。开展基于边缘控制器的隧道机电设备实时监测和协同控制关鍵技术研究，可以有效提高隧道机电设备综合管控的效率，降低运维管理成本、提升设备间高效协同联动的能力，实现对高速公路隧道机电设备的全过程的科学化、智能化、精准化、预防性管理，为智慧隧道的建设赋能增效，推动高速公路隧道管理工作由粗放向精细化转变、由传统向智能化转变^[7]。

基于智能边缘控制器的公路隧道运行状态实时监测与控制的关键技术研究相关成果，该技术具有良好的场景适应能力，可支撑未来对于收费站、服务区收费分中心等智慧运维场景，服务未来高速公路智慧化运营。可以推广应用到其他行业内细分领域，可对未来该领域的研究提供新的思路。

参考文献

[1]李慧锋， 王垒. 浅谈 PLC 在高速公路隧道监控系统的应用[J]. 中国科技博览， 2014（20）： 102-103.

[2]崔蓬. 浅谈 PLC 技术在高速公路隧道监控中的应用[J]. 广东科技， 2013（20）： 79-80.

[3]刘钰伟， 熊定辉， 刘培， 等. 一种用于隧道机电系统监控的隧道边缘控制设备： CN114017127A[P]， 2022-02-08.

[4]张星阳. PLC 技术在高速公路隧道照明节能控制领域的运用探微[J]. 通讯世界， 2017（6）： 66-67.

[5]张志. 分布式I/O控制在公路隧道监控中的应用[J]. 中国交通信息化， 2014（4）： 125-127.

[6]汤玉鹏. 高速公路隧道监控系统创新方案探讨[J]. 中国交通信息化， 2020（6）： 131-134.

[7]王斌. 高速公路隧道监控系统的发展现状及展望[J]. 交通建设与管理， 2014（8）： 167-168.

收稿日期：2023-10-09

作者简介：余牧（1985—），男，本科，工程师，研究方向：公路隧道机电工程、隧道运营安全。

通信作者：吴小刚（1979—），男，本科，工程师，研究方向：数据通信与交换。