滕書華，李利民，劉 鑫，龍 帆

(湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長沙 410015)

隨著國家對(duì)新基建政策支持力度不斷加大，全國各地開始大跨步建設(shè)智能交通系統(tǒng)。智能機(jī)柜是未來交通系統(tǒng)發(fā)展中一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)。將先進(jìn)的信息、數(shù)據(jù)通訊傳輸、強(qiáng)弱電監(jiān)控、電子傳感、控制及計(jì)算機(jī)技術(shù)有效集成運(yùn)用于整個(gè)地面交通管理系統(tǒng)中，智能機(jī)柜在其中起到越來越重要的作用。

作為智能機(jī)柜的典型應(yīng)用，治超控制柜是整個(gè)治超非現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法系統(tǒng)的控制中樞，它為UPS、工控機(jī)、動(dòng)環(huán)監(jiān)測(cè)、空調(diào)、預(yù)留擴(kuò)展端口等提供安全運(yùn)行環(huán)境[1]，為治超系統(tǒng)各設(shè)備提供一體化系統(tǒng)集成收容及可靠供備電，負(fù)責(zé)各種傳感數(shù)據(jù)的接入、信息的處理、存儲(chǔ)及傳輸，是后臺(tái)服務(wù)連接前端各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的中樞系統(tǒng)。治超控制柜獨(dú)立安裝于路側(cè)，是一款能夠保障戶外安全、防雨、抗振、適應(yīng)高低溫等各種復(fù)雜氣候環(huán)境的電子設(shè)備。它需要有良好的擴(kuò)展能力和穩(wěn)定運(yùn)行基礎(chǔ)[2]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高集成性、高可用性和強(qiáng)大處理能力。

目前治超控制柜還存在如下問題：

1)供電系統(tǒng)續(xù)航能力差。當(dāng)前治超控制柜的供電系統(tǒng)，在市電停電、采用電池續(xù)航時(shí)，很難保證關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備長時(shí)間工作。如何在停電的情況下，優(yōu)先保證主設(shè)備的供電是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的問題。

2)門鎖安全隱患大。傳統(tǒng)的治超控制柜門鎖存在多種安全隱患，如門鎖縫隙大、防塵效果差，鑰匙太多、丟失、私配等問題，以及易盜易損壞。采用智能化手段解決門鎖的安全隱患也是需解決的問題之一。

3)柜體運(yùn)維效率低[3]。當(dāng)前，治超控制柜僅用于收集一些參數(shù)并發(fā)送給遠(yuǎn)程管理模塊，不能實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)柜環(huán)境及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，故障難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)，很多時(shí)候需要專家到現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)和解決，維護(hù)效率低、維護(hù)成本高[4]。

本文通過對(duì)治超控制柜各子系統(tǒng)的綜合研究，設(shè)計(jì)了一種新型不停車治超智能控制柜。它集安全防護(hù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能運(yùn)維等功能為一體，解決了設(shè)備運(yùn)維不便以及停電情況下系統(tǒng)供電時(shí)間短、安全性差、易盜易損等難題，降低了維護(hù)難度和成本，為治超控制柜系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行提供重要保障。

1 不停車治超智能控制柜系統(tǒng)

根據(jù)功能需求，不停車智能控制柜由柜體、電源配給單元、高速動(dòng)態(tài)稱重單元、高速動(dòng)態(tài)寬高限測(cè)量單元、動(dòng)環(huán)管控單元、視頻圖像處理單元、信息處理單元、通信交換單元等8個(gè)部分組成。柜體主要起支撐和保護(hù)作用;電源配給單元負(fù)責(zé)外部電源的輸入穩(wěn)壓，外部電源接口包括市電和發(fā)電機(jī)電源，具備交流配電單元、UPS電池單元、供電切換單元、電力監(jiān)測(cè)裝置，確保機(jī)柜24 h不間斷工作;高速動(dòng)態(tài)稱重和高速動(dòng)態(tài)寬高限測(cè)量是整個(gè)智能控制柜的核心單元，其完成治超業(yè)務(wù)中對(duì)車輛車型、軸型、軸重、重量、外廓等的測(cè)量，為執(zhí)法提供數(shù)據(jù)支撐；動(dòng)環(huán)管控單元依托柜內(nèi)多種傳感器和執(zhí)行器以及柜體配合，完成對(duì)柜內(nèi)微環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整，同時(shí)提供電子門禁、權(quán)限管理、自檢等功能，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行；視頻圖像處理單元完成執(zhí)法檢測(cè)過程中的車輛圖像抓拍、執(zhí)法現(xiàn)場(chǎng)錄像、車輛牌照識(shí)別等功能;信息處理單元主要組成部分為高穩(wěn)定工控機(jī)，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的緩存，提供算法運(yùn)行平臺(tái)和系統(tǒng)算力;通信交換單元完成智能控制柜內(nèi)部及整機(jī)對(duì)外數(shù)據(jù)的溝通，內(nèi)部各模塊之間通過千兆以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，整個(gè)系統(tǒng)對(duì)外通過冗余光纖保證通信的速率和穩(wěn)定性。

不停車治超智能控制柜的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)劃分為電源網(wǎng)、控制網(wǎng)和數(shù)據(jù)通信網(wǎng)。電源網(wǎng)主要進(jìn)行智能控制柜電能的供給和分配；控制網(wǎng)主要完成各個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)部及傳感器與控制器之間的信息交互；數(shù)據(jù)通信網(wǎng)主要承載業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流。

不停車治超智能控制柜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)關(guān)系見圖1。

圖1 不停車治超智能控制柜組成結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)首次上電后，環(huán)控管理單元進(jìn)行自檢，報(bào)告各模塊的工況，同時(shí)生成日志存儲(chǔ)在本地；當(dāng)系統(tǒng)或者某個(gè)模塊存在故障時(shí)，發(fā)出光電報(bào)警提示。當(dāng)車輛駛?cè)霗z測(cè)區(qū)域，高速動(dòng)態(tài)稱重單元(石英晶體傳感器+地感線圈)和寬高限測(cè)量單元(激光雷達(dá))對(duì)車輛進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)攝像機(jī)抓拍識(shí)別車輛牌照、車輛基本外觀照片以及拍攝稱重測(cè)量執(zhí)法過程的短視頻；所有數(shù)據(jù)被定義為一條檢測(cè)記錄，送入處理單元進(jìn)行超限超載判定，經(jīng)工控機(jī)高速處理完成后，超限超載判定結(jié)果傳輸至可變情報(bào)板進(jìn)行展示性提醒；對(duì)于超限超載車輛做出識(shí)別標(biāo)記，并將檢測(cè)記錄和結(jié)果通過通信交換單元發(fā)送至后臺(tái)中心或聯(lián)網(wǎng)治超管理中心。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，當(dāng)系統(tǒng)溫度超過設(shè)定閾值門限時(shí)，環(huán)控管理單元會(huì)自動(dòng)開啟工業(yè)空調(diào)，將溫度降低至設(shè)定閾值以下；若發(fā)生結(jié)霜、潮濕等現(xiàn)象，則自動(dòng)開啟加熱除霜進(jìn)行微環(huán)境調(diào)整。同時(shí)環(huán)控單元還能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安全狀況，當(dāng)發(fā)生異常振動(dòng)、非授權(quán)開門時(shí)，立即發(fā)出報(bào)警并采集現(xiàn)場(chǎng)圖像上報(bào)中心。

2 雙逆變器冗余供電系統(tǒng)

目前通用的控制柜都采用48 V供電，而工控機(jī)、交換機(jī)、相機(jī)、補(bǔ)光燈和激光雷達(dá)以及機(jī)柜空調(diào)等設(shè)備都采用220 V交流電接入，因此，需要使用逆變器將48 V直流電轉(zhuǎn)成220 V交流電[5]。傳統(tǒng)的做法是直接將48 V電源接入到單個(gè)逆變器，再由單個(gè)逆變器接入電源分配單元 (Power Distribution Unit， PDU)，PDU上掛載上述220 V供電設(shè)備，而這樣一旦逆變器出現(xiàn)故障，會(huì)導(dǎo)致所有上述設(shè)備因停電而無法工作。此外，還可將48 V電源分別接入到2個(gè)逆變器，主逆變器接入冗余的主設(shè)備，例如主工控機(jī)、主交換機(jī)、主相機(jī)、主補(bǔ)光燈、空調(diào)；備用逆變器接入到備用工控機(jī)、備用交換機(jī)、備用相機(jī)、備用補(bǔ)光燈，所有設(shè)備都是熱備狀態(tài)；這種情況下，當(dāng)一個(gè)逆變器出現(xiàn)故障時(shí)，接在該逆變器PDU上的所有設(shè)備因?yàn)橥ｋ姸鵁o法工作，配置的熱備設(shè)備難以起到相應(yīng)的熱備作用。上述兩種方法的共同缺點(diǎn)是在市電停電而采用電池續(xù)航的狀態(tài)下，無法單獨(dú)對(duì)空調(diào)進(jìn)行斷電以保證關(guān)鍵設(shè)備的長時(shí)間工作。如何克服現(xiàn)有逆變器供電方式缺陷，在單個(gè)逆變器出現(xiàn)故障的情況下仍可對(duì)設(shè)備進(jìn)行有效供電，并在停電的情況下優(yōu)先保證主設(shè)備的供電是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)難題。

針對(duì)上述問題，在保證設(shè)備采用交流供電、有斷電續(xù)航需求、有供電n+1模塊冗余要求下，充分利用開關(guān)電源在市電停電狀態(tài)下先一次下電、然后二次下電的特性，優(yōu)先保證關(guān)鍵設(shè)備工作，同時(shí)對(duì)非關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行斷電；利用逆變器支持直流輸入和交流旁路輸入的特性，將備用逆變器的交流輸出作為主逆變器的旁路交流輸入，保障在單個(gè)逆變器故障時(shí)不影響主設(shè)備正常運(yùn)行。據(jù)此提出了一種新的冗余供電系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 雙逆變器冗余供電電路原理圖

新的冗余供電系統(tǒng)接入方式：① 主逆變器接48 V電源模塊的二次下電；② 備用逆變器接48 V電源模塊的一次下電；③ 備用逆變器的輸出接入到主逆變器的交流旁路輸入；④ 關(guān)鍵外設(shè)接在主逆變器輸出上；⑤ 交流空調(diào)接在備用逆變器的輸出上。

新的冗余供電系統(tǒng)工作特性：當(dāng)兩個(gè)逆變器均正常工作時(shí)，備用逆變器承擔(dān)所有負(fù)載的輸出。當(dāng)備用逆變器出現(xiàn)故障時(shí)，主逆變器從48 V直流獲取輸入產(chǎn)生220 V交流輸出。主逆變器出現(xiàn)故障時(shí)，備用逆變器的旁路供電可以產(chǎn)生輸出。當(dāng)外部供電斷開而采用電池續(xù)航時(shí)，電池電壓下降到一次下電時(shí)，備用逆變器斷開而采用，同時(shí)空調(diào)斷開，主逆變器繼續(xù)工作，主設(shè)備可以繼續(xù)工作至二次下電。從而實(shí)現(xiàn)了在單個(gè)逆變器出現(xiàn)故障的情況下仍可對(duì)設(shè)備進(jìn)行有效的交流220 V供電，并對(duì)主設(shè)備和次要設(shè)備的供電劃分優(yōu)先級(jí)，保證在停電的情況下優(yōu)先主設(shè)備供電。

3 三維和二維圖像融合的人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)

傳統(tǒng)的機(jī)柜門鎖存在多種安全隱患，如鑰匙太多、丟失、私配以及防塵防盜效果不理想等。為了更好地防盜，基于二維人臉識(shí)別的門禁系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于門禁行業(yè)。然而，當(dāng)前大部分二維人臉識(shí)別門禁技術(shù)受信息量、光照、姿態(tài)、表情、化妝、年齡等影響，并不能完全滿足實(shí)際應(yīng)用需求。三維人臉識(shí)別與二維人臉識(shí)別相比具有信息量大、受光照與姿態(tài)因素影響小等無法比擬的優(yōu)勢(shì)，能夠有效克服諸多外界因素對(duì)人臉識(shí)別系統(tǒng)的干擾。因此，提出了一種三維和二維人臉圖像融合的人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)。該門禁系統(tǒng)的人臉數(shù)據(jù)采集設(shè)備(Kinect深度傳感器和攝像頭)和自動(dòng)鎖嵌設(shè)在智能控制柜的前側(cè)柜門上，柜門外側(cè)設(shè)有可輸密碼觸摸屏，用于緊急情況下開門操作，如圖3所示，門禁系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集一個(gè)或多個(gè)用戶的人臉深度圖像和RGB圖像，并可分別提取用戶圖像特征建立用戶的人臉模板數(shù)據(jù)庫。通過對(duì)比使用者人臉數(shù)據(jù)與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中人臉數(shù)據(jù)確定門禁系統(tǒng)是否發(fā)送開門信號(hào)。機(jī)柜門上的采集設(shè)備會(huì)同時(shí)自動(dòng)記錄形成開鎖狀態(tài)報(bào)告，包括開鎖人的身份證信息、現(xiàn)場(chǎng)人臉二維和三維圖像以及開鎖時(shí)間，保證系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)可查。如人臉數(shù)據(jù)與系統(tǒng)數(shù)據(jù)不匹配，且接近對(duì)柜體進(jìn)行破壞，則發(fā)送警報(bào)信號(hào)與警告語音信息。如柜門被強(qiáng)行打開，則自動(dòng)保存柜門打開時(shí)的第一手資料(包括現(xiàn)場(chǎng)人臉圖像、視頻和開鎖時(shí)間)，可為柜體破壞提供線索。

a)柜門

b)內(nèi)部組成

此外，為了應(yīng)對(duì)人臉特征隨著年齡或季節(jié)變化所產(chǎn)生的微小變化，門禁單元對(duì)預(yù)設(shè)時(shí)間段數(shù)據(jù)庫中的用戶人臉特征數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，得到該時(shí)間段內(nèi)某用戶人臉平均特征數(shù)據(jù)并更新至系統(tǒng)。其中，預(yù)設(shè)時(shí)間段可以為1個(gè)月或1個(gè)季度。例如，隨著時(shí)間推移，某用戶的臉變胖了，臉寬由1月初的12.3 cm增加到1月底的12.4 cm，如果設(shè)置的時(shí)間段為1個(gè)月，則對(duì)此用戶人臉1個(gè)月的數(shù)據(jù)求平均值，即12.35 cm，2月份該用戶人臉寬度的模板值則由12.3 cm更新為12.35 cm。通過對(duì)數(shù)據(jù)庫中用戶人臉模板特征數(shù)據(jù)定期更新，避免了人體特征隨著時(shí)間變化而發(fā)生微小改變所導(dǎo)致的識(shí)別率下降問題。此外，該門禁系統(tǒng)支持遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)對(duì)門禁進(jìn)行控制，支持遠(yuǎn)程開關(guān)門操作。遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)可實(shí)時(shí)獲取和核實(shí)開門人員權(quán)限情況。

基于二維和三維圖像融合的人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)，不僅極大提升了人臉識(shí)別的可靠性和安全性，還很好地保證了柜體表面外漏物(機(jī)柜外部無任何可拆卸單元)和空間縫隙最少，做到了更好的防塵和防盜；機(jī)柜外部無任何可拆卸單元，也保證了柜體的整體性。

4 遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)

為了便于遠(yuǎn)程監(jiān)控和維護(hù)，智能控制柜內(nèi)布設(shè)有攝像頭和攝像頭角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。柜體由多層長方體結(jié)構(gòu)組成，每層攝像頭數(shù)量根據(jù)所需監(jiān)測(cè)設(shè)備的多少或復(fù)雜程度進(jìn)行設(shè)置。同時(shí)，遠(yuǎn)程控制中心可調(diào)節(jié)攝像頭角度，使監(jiān)控對(duì)象處于攝像頭視場(chǎng)中央，監(jiān)控柜體內(nèi)部線路、柜體內(nèi)部設(shè)備工作狀態(tài)等。柜體內(nèi)局部攝像頭布置如圖4所示，可在柜體內(nèi)：① 每層長方體的對(duì)角上布設(shè)4個(gè)攝像頭(見圖4a);② 每個(gè)長方體的棱角上布設(shè)8個(gè)攝像頭(見圖4b);③ 每個(gè)長方體上邊線中點(diǎn)處布設(shè)8個(gè)攝像頭(見圖4c)。當(dāng)柜門正常打開后，柜內(nèi)設(shè)備照明自動(dòng)開啟(也可遠(yuǎn)程操控打開)，各個(gè)攝像頭實(shí)時(shí)采集柜體內(nèi)的線路、設(shè)備工作狀態(tài)、柜門打開時(shí)的圖像信息等，專家可實(shí)時(shí)查看柜體內(nèi)設(shè)備運(yùn)行情況并及時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)，還可通過視頻、音頻來遠(yuǎn)程指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)操作人員進(jìn)行維修。因此，大部分故障由遠(yuǎn)程或現(xiàn)場(chǎng)操作員即可解決，大大減少了專家到現(xiàn)場(chǎng)的次數(shù)，降低了維護(hù)費(fèi)用，真正實(shí)現(xiàn)了“前端智能采集+后臺(tái)大數(shù)據(jù)集中管理”模式及7×24 h實(shí)時(shí)監(jiān)控前端一體化機(jī)柜運(yùn)行，準(zhǔn)確掌握設(shè)備、環(huán)境運(yùn)行狀態(tài)。

a)布設(shè)①

b)布設(shè)②

c)布設(shè)③

5 結(jié)論

針對(duì)當(dāng)前治超控制柜運(yùn)維管理不便、易盜易損以及市電異常情況下供電時(shí)間有限等缺陷，對(duì)治超控制柜各子系統(tǒng)進(jìn)行綜合研究，設(shè)計(jì)了一種集安全防護(hù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能運(yùn)維等功能為一體的不停車治超造題智能控制柜，具有如下特點(diǎn)：

1) 通過兩個(gè)逆變器、區(qū)分一次下電和二次下電，提供了一種新型的逆變器冗余供電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)單個(gè)逆變器出現(xiàn)故障時(shí)不影響生產(chǎn)設(shè)備正常運(yùn)行，并通過對(duì)主要設(shè)備和次要設(shè)備供優(yōu)先級(jí)電劃分，保證了關(guān)鍵設(shè)備長時(shí)間運(yùn)行。

2) 基于三維和二維圖像融合的人臉識(shí)別門禁模塊，極大地提升了人臉識(shí)別可靠性和安全性；同時(shí)人臉識(shí)別門鎖還能夠自動(dòng)更新人臉模板，不受時(shí)間和跨度的影響，魯棒性更強(qiáng)。柜體表面沒有任何外漏物(機(jī)柜外部無任何可拆卸單元)，更好地保證了柜體的整體性和防盜性。

3) 通過柜體內(nèi)部布設(shè)的攝像頭和攝像頭角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程查看和操控柜體內(nèi)設(shè)備運(yùn)行，保證柜體出現(xiàn)故障時(shí)能夠及時(shí)恢復(fù)工作，大大減少了到現(xiàn)場(chǎng)維修次數(shù)，降低了維護(hù)難度和成本，為智能控制柜系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行提供了重要保障。