李瀟陽(yáng)

（華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210014）

1 概述

交通隧道工控系統(tǒng)大部分市場(chǎng)被國(guó)外PLC 品牌占領(lǐng)，PLC 生態(tài)體系封閉，不同PLC 品牌的硬件體系與指令系統(tǒng)不同，運(yùn)維人員對(duì)隧道外場(chǎng)PLC 設(shè)備進(jìn)行維護(hù)調(diào)試時(shí)常被接口對(duì)應(yīng)不上、底層設(shè)備調(diào)試?yán)щy等問(wèn)題所困擾。

鴻蒙系統(tǒng)替代PLC 系統(tǒng)的主要實(shí)現(xiàn)路徑是通過(guò)隧道外場(chǎng)設(shè)置智能物聯(lián)網(wǎng)關(guān)控制器，向上實(shí)現(xiàn)隧道機(jī)電數(shù)據(jù)采集，向下完成機(jī)電設(shè)備的聯(lián)動(dòng)控制。隧道外場(chǎng)采集匯聚的底層數(shù)據(jù)依托鴻蒙分布式部署的能力，為隧道管理中心的數(shù)據(jù)導(dǎo)入提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，讓不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)可以從底層進(jìn)行互通。

鴻蒙系統(tǒng)基于“國(guó)產(chǎn)開(kāi)源鴻蒙操作系統(tǒng)（鴻蒙控制平臺(tái)）+國(guó)產(chǎn)芯片方案（鴻蒙控制器）”實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)自主可控，以“云—邊—端”協(xié)同的方式，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)機(jī)電設(shè)備接入，無(wú)須為統(tǒng)一的協(xié)議而大面積改造設(shè)備；同時(shí)，能高效精準(zhǔn)地完成對(duì)機(jī)電設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控、聯(lián)動(dòng)控制，并提供了設(shè)備間的物聯(lián)互聯(lián)能力。

相比于PLC 系統(tǒng)，鴻蒙系統(tǒng)主要具有以下優(yōu)勢(shì)。

第一，鴻蒙控制器本身可擴(kuò)展各類(lèi)接口（RJ45 接口、數(shù)字量/模擬量接口、RS485/232 接口等），因此無(wú)須對(duì)隧道外場(chǎng)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行改造，外場(chǎng)設(shè)備可按原有方式接入組網(wǎng)，鴻蒙控制器通過(guò)統(tǒng)一的MQTT 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。第二，傳統(tǒng)隧道機(jī)電設(shè)備終端大多沒(méi)有處理能力或處理能力弱，設(shè)備間無(wú)法互聯(lián)，通過(guò)鴻蒙控制器可實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備在線(xiàn)化，為管理部門(mén)提供智能化巡檢服務(wù)。第三，傳統(tǒng)隧道機(jī)電設(shè)備間缺乏數(shù)據(jù)交互，協(xié)同能力弱，鴻蒙控制器支持通過(guò)多設(shè)備協(xié)同的方式實(shí)現(xiàn)設(shè)備間近場(chǎng)直連，對(duì)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管控，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)預(yù)案的自動(dòng)化處理。第四，相比于傳統(tǒng)PLC，鴻蒙控制器的邊緣計(jì)算系統(tǒng)支持多種升級(jí)方式，后續(xù)可持續(xù)擴(kuò)展周邊機(jī)電設(shè)備智能化，拓展更多場(chǎng)景下的設(shè)備協(xié)同服務(wù)。

2 研究目標(biāo)

本文主要探討交通隧道場(chǎng)景下，鴻蒙系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)PLC 系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化功能替代，從鴻蒙控制器功能需求、鴻蒙控制平臺(tái)功能需求、隧道控制場(chǎng)景需求等方面來(lái)分析鴻蒙系統(tǒng)如何全面替代PLC 系統(tǒng)。

從隧道機(jī)電的聯(lián)動(dòng)控制需求而言，完整鴻蒙控制系統(tǒng)需要包括邊端鴻蒙控制器（含配套鴻蒙邊緣計(jì)算平臺(tái)軟件）及鴻蒙控制平臺(tái)構(gòu)成。

3 鴻蒙技術(shù)底座

開(kāi)源鴻蒙（OpenHarmony）整體遵從分層設(shè)計(jì)，從下向上依次為：內(nèi)核層（Linux 內(nèi)核或者LiteOS）、系統(tǒng)服務(wù)層（服務(wù)子系統(tǒng)集）、框架層和應(yīng)用層（多語(yǔ)言程序框架）。系統(tǒng)功能按照“系統(tǒng)＞子系統(tǒng)＞組件”逐級(jí)展開(kāi)，在多設(shè)備部署場(chǎng)景下，支持根據(jù)實(shí)際需求裁剪某些非必要的組件[1]。

4 鴻蒙控制平臺(tái)

鴻蒙控制平臺(tái)基于鴻蒙底層開(kāi)發(fā)，需實(shí)現(xiàn)設(shè)備接入、設(shè)備管理、設(shè)備遠(yuǎn)程升級(jí)等主要功能，具體如圖1所示。

圖1 鴻蒙控制平臺(tái)功能架構(gòu)示意圖

4.1 設(shè)備接入功能需求

隧道外場(chǎng)機(jī)電設(shè)備若具備IP 通信能力，則可直接接入鴻蒙控制平臺(tái)，也可通過(guò)有線(xiàn)方式接入鴻蒙控制器匯聚后與鴻蒙控制平臺(tái)進(jìn)行通信。

隧道外場(chǎng)機(jī)電設(shè)備若不具備IP 通信能力或無(wú)法直接連接平臺(tái)，則需要先通過(guò)控制電纜或無(wú)線(xiàn)通信方式接入鴻蒙控制器，經(jīng)由鴻蒙控制器內(nèi)置物聯(lián)網(wǎng)關(guān)和鴻蒙控制平臺(tái)進(jìn)行通信，具體如圖2 所示。

圖2 鴻蒙控制系統(tǒng)設(shè)備接入示意圖

隧道外場(chǎng)機(jī)電設(shè)備接入控制器后，用戶(hù)還需在鴻蒙控制平臺(tái)進(jìn)行設(shè)備注冊(cè)，獲取設(shè)備的ProductSecret和ProductKey 燒錄到設(shè)備里；設(shè)備注冊(cè)完成后，生成設(shè)備三元組信息并創(chuàng)建MQTT 安全連接認(rèn)證。

4.2 設(shè)備管理功能需求

鴻蒙控制平臺(tái)需要提供相關(guān)設(shè)備管理功能，包括產(chǎn)品管理、指令管理、場(chǎng)景管理等功能。

產(chǎn)品管理：用于對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)字化的描述，定義產(chǎn)品的屬性、服務(wù)和事件。指令管理：鴻蒙控制平臺(tái)可對(duì)設(shè)備的聯(lián)動(dòng)規(guī)則進(jìn)行設(shè)置管理，在滿(mǎn)足指令的觸發(fā)條件時(shí)，設(shè)備可根據(jù)設(shè)定的指令來(lái)進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作。場(chǎng)景管理：鴻蒙控制平臺(tái)可以通過(guò)創(chuàng)建場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)或多個(gè)設(shè)備的手動(dòng)控制或指定條件下自動(dòng)聯(lián)動(dòng)控制，也可以修改場(chǎng)景下的設(shè)備控制和指令執(zhí)行條件。

4.3 數(shù)據(jù)管理功能需求

鴻蒙控制平臺(tái)需要提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)加密與數(shù)據(jù)清洗服務(wù)。

數(shù)據(jù)加密：基于安全考慮，需要對(duì)于數(shù)據(jù)進(jìn)行加密后存儲(chǔ)，未經(jīng)授權(quán)訪(fǎng)問(wèn)的用戶(hù)均無(wú)法讀取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)加密后，需要密鑰對(duì)其進(jìn)行解密，以保護(hù)數(shù)據(jù)免遭未經(jīng)授權(quán)的訪(fǎng)問(wèn)或使用。

數(shù)據(jù)清洗：隧道外場(chǎng)設(shè)備實(shí)時(shí)產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，為減輕平臺(tái)的存儲(chǔ)與處理負(fù)荷，還需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提純、分級(jí)、降維等清洗處理。

4.4 設(shè)備運(yùn)維功能需求

鴻蒙控制平臺(tái)需要提供對(duì)隧道外場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控和運(yùn)維能力。

遠(yuǎn)程調(diào)試：支持鴻蒙控制平臺(tái)下發(fā)指令給設(shè)備，控制設(shè)備端功能。遠(yuǎn)程配置：支持通過(guò)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)遠(yuǎn)程登錄，對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理。OTA 升級(jí)：支持鴻蒙控制平臺(tái)對(duì)設(shè)備固件的管理和升級(jí)。監(jiān)控告警：支持對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和報(bào)警。設(shè)備模擬：支持平臺(tái)使用模擬設(shè)備與鴻蒙控制平臺(tái)建立連接通信，使用模擬數(shù)據(jù)，驗(yàn)證平臺(tái)與設(shè)備端之間的通信功能。日志服務(wù)：支持鴻蒙控制平臺(tái)調(diào)用云端運(yùn)行日志和設(shè)備本地日志服務(wù)。

5 鴻蒙控制器

作為工業(yè)級(jí)智能邊緣計(jì)算設(shè)備，基于鴻蒙系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的鴻蒙控制器用于實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)傳統(tǒng)PLC 區(qū)域控制器的各類(lèi)功能，無(wú)須對(duì)隧道外場(chǎng)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行改造，外場(chǎng)設(shè)備可按原有方式接入組網(wǎng)；同時(shí)，通過(guò)鴻蒙控制器就近連接隧道機(jī)電設(shè)備，可將傳統(tǒng)機(jī)電升級(jí)改造成具備智能控制、安全通信能力的智能設(shè)備，并直接與鴻蒙控制平臺(tái)對(duì)接。作為邊緣智能控制設(shè)備，鴻蒙控制器需要實(shí)現(xiàn)安全管理、連接管理、應(yīng)用管理等主要功能，具體如圖3 所示。

圖3 鴻蒙控制器功能架構(gòu)示意圖

5.1 安全管理功能需求

傳輸安全：鴻蒙控制器需要支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸加密安全，支持主流的安全加密協(xié)議，支持?jǐn)?shù)據(jù)完整性校驗(yàn)。

準(zhǔn)入安全：鴻蒙控制器需要支持多種安全準(zhǔn)入認(rèn)證，具備如802.1X 協(xié)議認(rèn)證能力，接入數(shù)字證書(shū)認(rèn)證能力。

設(shè)備安全：鴻蒙控制器需要支持安全加固，可根據(jù)業(yè)務(wù)需求及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并調(diào)整安全策略。

5.2 連接管理功能需求

鴻蒙控制器提供SDK 套件，使設(shè)備能夠接入鴻蒙控制平臺(tái)，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行連接和控制管理。鴻蒙控制器支持通過(guò)鴻蒙控制平臺(tái)進(jìn)行軟件升級(jí)管理，并支持平臺(tái)批量升級(jí)[2]。

5.3 應(yīng)用管理功能需求

配置管理：鴻蒙控制器需要支持業(yè)務(wù)基本配置、設(shè)備信息配置、通信接口配置、安全配置等必要的配置管理。

設(shè)備管理：鴻蒙控制器需要支持監(jiān)測(cè)當(dāng)前連接設(shè)備的狀態(tài)，并上傳數(shù)據(jù)到鴻蒙控制平臺(tái)。

故障管理：鴻蒙控制器需要提供設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、分析和預(yù)警功能，實(shí)時(shí)診斷硬件或軟件故障、告警顯示和記錄功能，并給出故障所在位置。

日志管理：鴻蒙控制器需要對(duì)所有的配置操作、用戶(hù)登錄、事件告警等進(jìn)行詳細(xì)的日志記錄，包括時(shí)間、操作類(lèi)型、結(jié)果等。

故障恢復(fù)：一旦出現(xiàn)重大故障，鴻蒙控制器應(yīng)能自動(dòng)重啟且重啟時(shí)輸出狀態(tài)保持，同時(shí)產(chǎn)生故障告警信息，最大限度地降低業(yè)務(wù)損失。

5.4 設(shè)備物理特性需求

計(jì)算能力：鴻蒙控制器作為邊緣計(jì)算設(shè)備，需要一定的計(jì)算能力，建議處理器采用工業(yè)級(jí)ARM Cortex-M 32 位以上的國(guó)產(chǎn)化芯片。

存儲(chǔ)能力：鴻蒙控制器作為邊緣計(jì)算設(shè)備，在管理中心通信故障時(shí)，也能按預(yù)案執(zhí)行相應(yīng)指令，因此需要一定的存儲(chǔ)能力。依據(jù)試點(diǎn)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，建議片內(nèi)RAM≥192kB；片 內(nèi)FLASH≥1024kB；外 擴(kuò)FLASH≥16MB。

通信能力：近幾年，國(guó)內(nèi)長(zhǎng)大交通隧道逐漸實(shí)現(xiàn)5G 民用通信覆蓋，部分隧道也獨(dú)立建設(shè)了用于管養(yǎng)的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)，鴻蒙控制器除了滿(mǎn)足基礎(chǔ)以太網(wǎng)通信的RJ45 接口外，還需要滿(mǎn)足外掛Wi-Fi 與5G 模塊的需求。

接入能力：為滿(mǎn)足替代PLC 系統(tǒng)的設(shè)備接入，鴻蒙控制器需要支持各類(lèi)機(jī)電設(shè)備接口模塊的靈活擴(kuò)展，包括但不限于DO 繼電器輸出、DI 數(shù)字輸入、AI 模擬量輸入、串行端口（RS485/232）等。

防護(hù)能力：鴻蒙控制器的應(yīng)用場(chǎng)景主要在隧道外場(chǎng)，考慮隧道機(jī)電系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)的可靠性與穩(wěn)定性，鴻蒙控制器應(yīng)滿(mǎn)足與PLC 同等工業(yè)級(jí)的防護(hù)需求。建議的防護(hù)能力包括但不限于MTBF≥50000h；工作溫度為-40～70℃；工作濕度為5%～95%（無(wú)凝結(jié)）；雙路冗余電源供電；防水防塵等級(jí)為IP65 等。

6 鴻蒙適用場(chǎng)景分析

傳統(tǒng)交通隧道內(nèi)PLC 主要控制監(jiān)控、照明、通風(fēng)、排水等幾大類(lèi)場(chǎng)景，由于鴻蒙控制器本身可擴(kuò)展各類(lèi)接口（RJ45 接口、數(shù)字量/模擬量接口、RS485/232 接口等），外場(chǎng)設(shè)備可按原有方式接入鴻蒙控制器，因此鴻蒙控制器理論上可以替代隧道內(nèi)PLC 系統(tǒng)控制的大部分場(chǎng)景[3]。

隧道監(jiān)控場(chǎng)景可接入設(shè)備類(lèi)型：

車(chē)道指示器，接口類(lèi)型為開(kāi)關(guān)量接口、RS485 接口；可變情報(bào)板，接口類(lèi)型為RJ45 接口、RS485 接口；可變限速標(biāo)志，接口類(lèi)型為RJ45 接口、RS485 接口；交通誘導(dǎo)燈，接口類(lèi)型為開(kāi)關(guān)量接口、RS485 接口；防火門(mén)控制器，接口類(lèi)型為開(kāi)關(guān)量接口、RS485 接口；電梯控制器，接口類(lèi)型為開(kāi)關(guān)量接口、RS485 接口。

隧道照明場(chǎng)景可接入設(shè)備類(lèi)型：

功能性照明控制器，接口類(lèi)型為RJ45 接口、RS485 接口；景觀(guān)照明控制器，接口類(lèi)型為RJ45 接口、RS485 接口；亮度檢測(cè)器，接口類(lèi)型為RJ45 接口、RS485 接口、模擬量接口。

隧道通風(fēng)場(chǎng)景可接入設(shè)備類(lèi)型：

非消防專(zhuān)用射流風(fēng)機(jī)，接口類(lèi)型為開(kāi)關(guān)量/模擬量接口、RS485 接口；非消防專(zhuān)用軸流風(fēng)機(jī)，接口類(lèi)型為開(kāi)關(guān)量/模擬量接口、RS485 接口；附屬用房空調(diào)系統(tǒng)，接口類(lèi)型為RJ45 接口、RS485 接口；電動(dòng)風(fēng)閥，接口類(lèi)型為開(kāi)關(guān)量接口、RS485 接口；空氣凈化系統(tǒng)，接口類(lèi)型為RJ45 接口、RS485 接口；各類(lèi)環(huán)境檢測(cè)器，接口類(lèi)型為RJ45 接口、RS485 接口、模擬量接口。

隧道排水場(chǎng)景可接入設(shè)備類(lèi)型：

雨/廢水泵，接口類(lèi)型為開(kāi)關(guān)量/模擬量接口、RS485 接口；加壓泵，接口類(lèi)型為開(kāi)關(guān)量/模擬量接口、RS485 接口；干池泵，接口類(lèi)型為開(kāi)關(guān)量/模擬量接口、RS485 接口；液位檢測(cè)器，接口類(lèi)型為RS485 接口、模擬量接口。

7 結(jié)語(yǔ)

鴻蒙控制系統(tǒng)在隧道交通管控、環(huán)境調(diào)節(jié)、運(yùn)維管理等各種使用場(chǎng)景中，可實(shí)現(xiàn)隧道機(jī)電設(shè)備智能互聯(lián)、集中管控、綠色節(jié)能、安全可控等功能，作為工業(yè)級(jí)智能邊緣計(jì)算設(shè)備，通過(guò)鴻蒙控制器就近連接隧道機(jī)電設(shè)備，可將傳統(tǒng)機(jī)電升級(jí)改造為具備智能控制、安全通信能力的智能設(shè)備，并直接與鴻蒙控制平臺(tái)對(duì)接。

同時(shí)，鴻蒙開(kāi)發(fā)支持JS、Java 和C++等更為通用的語(yǔ)言，相比于PLC 組態(tài)軟件平臺(tái)，鴻蒙控制系統(tǒng)支持多種升級(jí)方式，可持續(xù)提升隧道機(jī)電設(shè)備的智能化水平，與更多場(chǎng)景下的設(shè)備協(xié)同服務(wù)。