高速公路隧道遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)研究

韋騰高

(廣西交通科學(xué)研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

隧道是高速公路的重要組成部分。當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生事故時(shí)，其相對(duì)封閉的空間不利于救援疏散工作的開(kāi)展，因此，隧道內(nèi)的行車(chē)安全顯得尤為重要。高速公路隧道一般按公路隧道交通工程及附屬設(shè)施配置等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置監(jiān)控、供配電、照明、通風(fēng)、消防等機(jī)電設(shè)施。完善的機(jī)電設(shè)施可以為隧道的運(yùn)營(yíng)管理提供可靠保障。隧道機(jī)電設(shè)備種類(lèi)多樣，這為隧道的日常維護(hù)工作帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。調(diào)研發(fā)現(xiàn)隧道維護(hù)一般存在以下幾個(gè)問(wèn)題：(1)隧道維護(hù)員一般難以掌握各種設(shè)備的維護(hù)技術(shù)；(2)隧道維護(hù)員與售后技術(shù)人員的溝通不暢，售后技術(shù)人員不能直觀(guān)地了解現(xiàn)場(chǎng)情況，無(wú)法及時(shí)給予技術(shù)支持；(3)隧道機(jī)電設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題后，大部分采取的措施是等待相關(guān)售后技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)分析并解決問(wèn)題，導(dǎo)致維護(hù)周期較長(zhǎng)且費(fèi)用昂貴。在此期間，隧道的運(yùn)營(yíng)安全也存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

隨著移動(dòng)智能終端以及無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的快速發(fā)展，為該問(wèn)題的解決提供了契機(jī)。無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)可以在現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)員與售后技術(shù)人員之間構(gòu)建一個(gè)實(shí)時(shí)溝通渠道。PLC(可編程邏輯控制器，Programmable Logic Controller)作為區(qū)域控制設(shè)備接入了隧道內(nèi)監(jiān)控、照明、通風(fēng)、消防等多個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備。本系統(tǒng)以此為突破口，通過(guò)移動(dòng)智能終端APP(Application)與PLC建立通信，同時(shí)利用4G網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器端建立遠(yuǎn)程通信，從而實(shí)現(xiàn)隧道的遠(yuǎn)程維護(hù)。

1 系統(tǒng)方案及關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)由PLC、無(wú)線(xiàn)路由器、移動(dòng)智能終端、服務(wù)器、維護(hù)管理平臺(tái)組成。PLC負(fù)責(zé)隧道內(nèi)各機(jī)電系統(tǒng)的接入，如交通控制系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、隧道照明系統(tǒng)、隧道通風(fēng)系統(tǒng)等。PLC編程定義各設(shè)備的控制字、反饋?zhàn)值刂罚粗贫ǖ脑O(shè)備通信協(xié)議，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入或讀出。無(wú)線(xiàn)路由器主要負(fù)責(zé)PLC與移動(dòng)智能終端的WIFI連接。移動(dòng)智能終端負(fù)責(zé)與PLC通信，發(fā)送控制指令和讀取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。同時(shí)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)視頻傳輸至遠(yuǎn)端服務(wù)器。服務(wù)器負(fù)責(zé)接收PLC上傳的數(shù)據(jù)，進(jìn)行存儲(chǔ)及管理。維護(hù)管理平臺(tái)使得售后技術(shù)人員通過(guò)WEB訪(fǎng)問(wèn)實(shí)現(xiàn)與隧道維護(hù)員的實(shí)時(shí)溝通、操控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、分析數(shù)據(jù)，達(dá)到遠(yuǎn)程解決隧道維護(hù)問(wèn)題的目的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 高速公路隧道遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 PLC技術(shù)

PLC通過(guò)數(shù)字輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、串口通信模塊等接入隧道照明、通風(fēng)、消防、監(jiān)控系統(tǒng)(環(huán)境監(jiān)測(cè)、道路交通控制、車(chē)輛檢測(cè)器、電光標(biāo)志、火災(zāi)探測(cè)及報(bào)警等設(shè)備)。PLC程序開(kāi)發(fā)中應(yīng)設(shè)置維護(hù)模式，對(duì)連接的設(shè)備進(jìn)行自檢測(cè)，判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

1.2 移動(dòng)智能終端與PLC通信

隧道PLC控制柜內(nèi)一般設(shè)置有工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，接入高速公路監(jiān)控專(zhuān)網(wǎng)，為內(nèi)部專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)。將無(wú)線(xiàn)路由器接入到工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，配置好無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，從而建立移動(dòng)智能終端與PLC的連接通道。移動(dòng)智能終端與PLC的通信還需建立FINS連接。

1.3 移動(dòng)智能終端與服務(wù)器通信

移動(dòng)智能終端需要數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器建立連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程技術(shù)服務(wù)人員與現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員的實(shí)時(shí)通信。遠(yuǎn)程技術(shù)服務(wù)人員可以遠(yuǎn)程控制/調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，也可通過(guò)讀回的數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)視頻分析故障原因，同時(shí)通過(guò)短消息/語(yǔ)音與現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員實(shí)時(shí)溝通。

1.4 隧道遠(yuǎn)程維護(hù)軟件平臺(tái)

隧道遠(yuǎn)程維護(hù)軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)隧道維護(hù)的事件管理、記錄查詢(xún)及生成各類(lèi)統(tǒng)計(jì)報(bào)表等功能。

2 移動(dòng)智能終端與PLC的FINS連接

FINS(Factory Interface Network Service)是歐姆龍PLC的通信命令體系的名稱(chēng)。每個(gè)PLC的CPU單元都擁有唯一網(wǎng)絡(luò)號(hào)、節(jié)點(diǎn)號(hào)以及單元號(hào)，與以太網(wǎng)通信不同。FINS通信可以通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)地址設(shè)備間尋址。PLC的以太網(wǎng)單元能夠?qū)崿F(xiàn)IP地址和FINS節(jié)點(diǎn)地址之間自動(dòng)轉(zhuǎn)換、IP地址表和復(fù)合地址表三種轉(zhuǎn)換方式。FINS通信服務(wù)是一種基于UDP/IP或TCP/IP的通信方式。FINS以太網(wǎng)通信協(xié)議模型如圖2所示。

圖2 FINS以太網(wǎng)通信協(xié)議模型圖

在以太網(wǎng)FINS通信中，各種數(shù)據(jù)信息是以UDP/IP包或者TCP/IP包的方式在以太網(wǎng)上發(fā)送和接收的。由圖2可以看出，設(shè)備在應(yīng)用層使用FINS節(jié)點(diǎn)地址，而在Internet層使用IP地址。傳輸層為FINS通信提供通信端口，定義了本地UDP或TCP端口號(hào)，默認(rèn)端口號(hào)為9 600。

移動(dòng)智能終端與PLC的FINS連接步驟：(1)設(shè)置PLC的網(wǎng)絡(luò)號(hào)、節(jié)點(diǎn)號(hào)和單元號(hào)，確認(rèn)PLC模塊上節(jié)點(diǎn)號(hào)和單元號(hào)的撥碼與軟件設(shè)置一致；(2)連接無(wú)線(xiàn)路由器，移動(dòng)智能終端連接無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)；(3)通過(guò)移動(dòng)智能終端APP設(shè)置目標(biāo)IP地址、端口號(hào)等；(4)發(fā)送握手信號(hào)，并接收響應(yīng)信號(hào)，判斷是否連接；(5)發(fā)送FINS指令，并處理響應(yīng)數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖3)。

圖3 FINS通信程序流程圖

3 移動(dòng)智能終端APP

移動(dòng)智能終端作為本系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，起到承上啟下作用。移動(dòng)智能終端既要實(shí)現(xiàn)與PLC的通信，又要實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)端服務(wù)器的通信。因此，移動(dòng)智能終端APP的開(kāi)發(fā)也是本系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.1 網(wǎng)絡(luò)通信功能

配置目標(biāo)PLC網(wǎng)絡(luò)號(hào)、端口號(hào)、節(jié)點(diǎn)號(hào)和單元號(hào)等參數(shù)通過(guò)WIFI無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)PLC的通信；配置服務(wù)器端的網(wǎng)絡(luò)號(hào)、端口號(hào)等參數(shù)通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端服務(wù)器的通信。移動(dòng)智能終端APP的網(wǎng)絡(luò)通信配置界面如圖4所示。

圖4 移動(dòng)智能終端APP網(wǎng)絡(luò)通信配置示例圖

3.2 隧道設(shè)備維護(hù)功能

移動(dòng)智能終端除了連接PLC及遠(yuǎn)端服務(wù)器，還可以通過(guò)APP的隧道設(shè)備維護(hù)界面讀取PLC連接的各類(lèi)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制、實(shí)時(shí)視頻、故障信息查詢(xún)等功能。移動(dòng)智能終端APP的隧道設(shè)備維護(hù)界面如圖5和圖6所示。

圖5 隧道設(shè)備控制界面圖

圖6 隧道設(shè)備狀態(tài)讀取界面圖

移動(dòng)智能終端APP實(shí)現(xiàn)的主要功能包括：(1)通過(guò)FINS指令與PLC建立在線(xiàn)連接，便于訪(fǎng)問(wèn)操作；

(2)可直接通過(guò)APP測(cè)試設(shè)備；(3)可將測(cè)試數(shù)據(jù)或故障數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程上傳至后臺(tái)服務(wù)中心；(4)可錄制現(xiàn)場(chǎng)視頻或照片，上傳至后臺(tái)服務(wù)中心；(5)在后臺(tái)服務(wù)中心通過(guò)手機(jī)APP直接監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試情況。

4 隧道遠(yuǎn)程維護(hù)軟件平臺(tái)

隧道遠(yuǎn)程維護(hù)軟件平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)功能有：(1)可查詢(xún)路網(wǎng)隧道及設(shè)備信息；(2)可與多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)建立在線(xiàn)連接，進(jìn)行實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)；(3)通過(guò)移動(dòng)智能終端建立與現(xiàn)場(chǎng)PLC通信，實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)和監(jiān)控視頻，便于技術(shù)服務(wù)人員分析設(shè)備故障；(4)對(duì)未響應(yīng)的維護(hù)請(qǐng)求進(jìn)行登記，便于查詢(xún)和重新建立在線(xiàn)維護(hù)連接；(5)可調(diào)取歷史維護(hù)信息進(jìn)行查看；(6)實(shí)時(shí)記錄維護(hù)動(dòng)態(tài)并進(jìn)行歸檔；(7)根據(jù)業(yè)務(wù)人員需求生成各類(lèi)維護(hù)報(bào)表等。隧道遠(yuǎn)程維護(hù)軟件界面如圖7所示。

圖7 隧道遠(yuǎn)程維護(hù)軟件平臺(tái)界面圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)高速公路隧道維護(hù)難、周期長(zhǎng)、安全影響大等問(wèn)題，提出了一種高速公路隧道遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)解決方案。通過(guò)研究解決了移動(dòng)智能終端與PLC、遠(yuǎn)端服務(wù)器通信，隧道遠(yuǎn)程維護(hù)軟件平臺(tái)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)可以提高隧道維護(hù)效率，縮短維護(hù)周期，減少維護(hù)費(fèi)用，從而為高速公路隧道的運(yùn)營(yíng)安全提供有效保障。因此，本系統(tǒng)隨著高速公路隧道的不斷增多，維護(hù)工作量不斷增長(zhǎng)，將具備越來(lái)越好的應(yīng)用前景。