特長公路隧道復雜風機網絡協同控制系統架構

鄭 晅，付 帥，李 雪

(長安大學電子與控制工程學院，西安 710064)

特長公路隧道通常需要建立規模龐大的通風系統，實現有效排除污染物的目的，風機布設數量大，通風網絡拓撲結構復雜，多風機通風控制系統具有很強的非線性、時變性和滯后性，為了實現風機控制的實時性、可靠性，需要建立多風機協同控制系統[1]。隨著中國交通建設的不斷推進，特長公路隧道數量在不斷增加，據不完全統計，至2018年底，中國已建成特長隧道1 058處、4 706.6 km，長隧道4 315處、7 421.8 km，共12 128.4 km[2]。特長公路隧道在高交通負荷和交通擁堵工況下，車輛排放污染物不斷累積，難以擴散，嚴重危害司乘人員身心健康及行車安全，隧道通風控制問題不斷凸顯[3]。因此，設計一個合理的特長公路隧道多風機控制系統架構，對保證特長公路隧道通風系統協同控制、提升隧道運營安全品質意義重大。

關于隧道通風控制架構研究，中外主要集中于基于PLC的隧道通風控制系統架構、基于ZigBee的隧道通風控制系統架構和基于OPC的多層過程系統架構。Wang[4]基于PLC的隧道通風控制系統架構主要在物理層實現風機控制，未考慮風機網絡之間的信息傳輸，未能實現風機協同控制；Fu等[5]基于ZigBee的隧道通風控制系統架構實現了風機網絡的信息傳輸，但未考慮風機控制的實時性；劉浩[6]基于OPC的多層過程系統架構解決了風機控制信息傳輸的接口問題，但是信息通信復雜，實時性較差。以上研究主要集中于單一的技術應用，未考慮將數據采集、信息通信、數據處理和風機控制集中于一體，融合物理層和信息層，實現隧道多風機協同控制。

信息物理系統(cyber physical system, CPS)是一個利用智能傳感器、計算和信息技術有效集成信息和物理組件的系統，通過3C(computing，communicating，control)技術的有機整合與協調，完成對復雜場景的感知與調控，實現生產、生活智能化[7]。CPS可實現對物理系統的實時控制和實時監測，掌握物理設備的運營情況，實現合理的決策和控制[8]。CPS可以保證分布的物理系統通過無線通信與計算實現跨空間結合，實現不同應用服務平臺的決策控制[9]。同時，CPS通過通信與計算，包括跨空間的多種系統級服務，可擴展性強，方便系統級服務的開發和部署[10]。目前，CPS在諸多領域應用廣泛，包括智能電網[11-16]、智能交通[17-21]、智能醫療[22-24]、航空航天[25-27]等。

基于上述背景，根據CPS框架架構的組成要素及關鍵功能，設計基于CPS的5層特長公路隧道復雜風機網絡協同控制系統架構，有利于提升特長公路隧道隧道風機控制智能化、信息化水平，滿足面向服務的隧道風機運營需求。

1 特長公路隧道風機控制需求

1.1 隧道風機控制功能需求分析

從特長公路隧道風機控制的全流程，即從數據采集、數據處理計算、通信和控制考慮，結合公路隧道日益豐富的運營服務，如風機狀態監測，可視化分析等，特長公路隧道通風控制基本應用需求如下：

(1)風機控制系統需實現對隧道內環境的監測：實現對風壓-風速、CO-VI濃度等數據的采集；能對隧道內的交通量進行監測；對風機運行中電壓、轉速、風速及溫度等數據的采集；對特殊工況(擁堵、火災、不良氣候等)下的相關數據進行采集，因此需要數據采集模塊。

(2)風機控制系統需實現傳感器采集數據的傳輸以及控制指令等信息的有效發送，因此需要數據傳輸模塊。

(3)風機控制系統需實現對采集數據的存儲、調用等功能，因此需要數據管理模塊。

(4)風機控制系統需實現對采集數據進行分析處理，因此需要數據處理模塊。

(5)風機控制系統需實現對風機運行狀況進行實時監測及隧道通風運營狀況報表展示等，因此需要可視化模塊。

(6)風機控制系統需實現對風機異常狀態挖掘以及故障預警等，因此需要數據挖掘模塊。

(7)風機控制系統需實現對風機設備以及其他設施的檢修信息管理，因此需要設備檢修模塊。

(8)風機控制系統需實現遠程控制以及管理人員手動控制等，因此需要智能控制模塊。

1.2 特長公路隧道風機控制系統架構設計

結合1.1節中應用需求分析，為滿足風機協同控制的需求，考慮提高風機控制系統各種配置及規則數據、基本信息數據以及訪問頻繁但變更較少的數據的利用效率，減少重復數據或者信息的訪問量，減輕系統負載，提出了應用接入層。通過CPS中間件，針對風機控制系統的異構性，提供具有統一訪入口、使用方法。此外，為了實現功能模塊之間的協同管理和統一資源配置，以達到特長公路隧道復雜風機網絡協同控制目標，提出CPS層。因此，對風機控制系統分層設計為：感控層、信息層、應用接入層、應用層和CPS層，得到基于CPS的特長公路隧道復雜風機協同控制架構，如圖1所示。

圖1 特長公路隧道復雜風機網絡CPS協同控制架構

如圖1所示，感控層實現隧道內數據的采集以及風機運行狀態的感知；信息層實現事件/信息之間的傳輸交換；CPS應用接入層為系統各種配置及規則數據、用戶的基本信息數據以及個性化定制信息數據，以及訪問頻繁但變更較少的數據提供支撐，減少重復數據或者信息的訪問量，提高資源利用效率，減輕系統負載；應用層提供隧道運營風機控制基本應用，如遠程控制、設備檢修等基礎上，應用層還可以提供多層次的服務，為隧道消防、隧道照明、隧道供配電等其他隧道運營系統提供接口；CPS層對數據的處理以及確定不同工況下風機控制策略，最后形成風機控制指令。

該系統架構從隧道環境及風機狀態感知、實時分析、科學決策和精準執行四個方面實現特長公路隧道復雜風機網絡協同控制的目標，加強了對隧道內風機數據和環境數據變化的敏感度，實現資源共同利用。

2 特長公路隧道風機網絡CPS模型

2.1 感控層

感控層通過隧道內分布式傳感器單元采集隧道內數據，通過網絡節點傳輸至CPS網絡，實現數據的存儲以及數據處理。感控層與CPS層中的CPS單元松耦合，有利于進行數據的分布式計算，提高資源利用效率和計算能力。通過CPS單元處理實時信息/數據，結合歷史信息/數據，獲得不同工況下多風機的控制策略，并通過網絡節點傳輸至各執行器進行風機狀態調控，從而實現風機的協同控制。

2.1.1 風機集群劃分

針對特長公路隧道風機需進行集群劃分，方便隧道風機協同控制。劃分思路如下，其結構如圖2所示。

(1)隧道出、入口段：根據特長公路隧道風機整體布局情況，考慮風機控制的主要目的是保障隧道內空氣質量，根據《公路隧道通風設計細則》[28]可得，隧道洞口污染物累積嚴重，可對污染物濃度高及風機密集區域進行單獨劃分，并設置智能傳感器進行監測，采集相關數據，進行處理和分析，達到風機智能控制的目的。

(2)隧道中間段：隧道中間段按照距離進行劃分，可根據橫通道數目，選取距離1～2 km作為一個控制段。

(3)豎井段：豎井是隧道通風的主要基礎設施，布設的軸流風機可以有效地為隧道內提供源源不斷的新鮮空氣，保障隧道內的駕乘人員的健康。

復雜風機網絡CPS架構感控層由風機集群、傳感器、執行器和嵌入式控制模塊組成，可實現對隧道內風機、環境的感知、控制、調節，基本架構如圖3所示。

圖2 特長公路隧道多風機集群劃分示意圖

圖3 感控層架構圖

如圖3所示，傳感器單元負責隧道內數據的采集，可分為環境傳感器和風機傳感器。環境傳感器感知數據主要是隧道內的交通量、風壓-風速、CO-VI濃度；風機傳感器主要針對風機運行數據得采集：溫度、風壓、電壓、電流和轉速等。執行器單元負責接收風機控制指令(啟停、調頻變速等)，實現對風機集群運行狀態的改變。為了實現風機集群的系統自治，每個風機集群都有對應的嵌入式控制模塊，其主要包括計算、通信以及控制單元。計算單元可根據相應的數據處理邏輯，對數據進行處理，輔助預先制定的不同工況風機控制策略對風機進行控制；通信單元既負責單個風機集群內部數據、控制指令的傳輸，也負責和其余風機集群信息的傳遞和接收更高層次的指令；存儲單元主要實現數據的存儲以及管理，包括歷史數據和實時數據。

2.1.2 風機集群信息傳輸

為滿足風機集群之間信息傳輸要求，風機集群之間的傳輸采用主干網絡和子網絡結合、有線網絡和無線網絡相結合的形式。主干網絡可由光纖網絡等傳輸速度較快、可靠性較高的網絡構成，保證信息向上或者向下的傳輸；子網絡可采用ZigBee等無線傳感網絡，用于風機集群之間的隧道環境數據和風機數據等信息的交換，最后統一于有線網絡，實現信息傳送以及存儲、計算和控制，基本傳輸原理如圖4所示。

2.2 信息層

復雜風機網絡CPS架構信息層利用CPS網絡技術，連接系統各個處于不同空間和時間的子系統，如感控層、應用層，保證各層之間相互通信、數據信息傳輸，實現風機協同控制。為保證信息層數據傳輸的實時性和準確性，對信息層中涉及的數據分發服務和事件/信息優先級進行研究。

2.2.1 基于發布/訂閱方式的數據分發服務

為滿足CPS網絡快速高效數據分發的要求，采用一種適應CPS網絡需求的數據分發方法，即發布/訂閱方式，在網絡的負載能力和計算能力有限的情況下盡可能提高數據分發的質量和效率，降低網絡尤其是骨干網絡的數據擁塞情況，將數據快速準確提供給風機集群，提高資源利用效率。數據分發服務(DDS)的發布/訂閱模型，如圖5所示。

圖4 風機集群信息傳輸流程圖

風機集群發布數據流程如圖6所示。風機集群自治系統運行過程中，首先由感控層中的傳感器單元獲取隧道內相關數據，包括機械設備狀態，空間環境等數據，完成數據采集。感控節點將數據與對應的時間戳，設備號進行匹配，數據進一步處理為對應信息。信息層將信息存入對應的數據庫，再送到應用接入層，由系統語義規則對其進行解析，獲取其中的時間戳，設備號和具體數據。

圖5 DDS發布/訂閱模型圖

圖6 數據發布流程圖

感控層中的風機集群可向信息層申請訂閱數據，其流程如圖7所示。風機集群將目標數據的設備號，時間戳發送至信息層；信息層通過應用接入層根據語義服務器中的內容對數據訂閱請求進行“翻譯”，之后通過信息層存儲器獲取目標數據，并發送給風機集群。

圖7 數據訂閱流程圖

2.2.2 風機事件/信息優先級劃分

風機CPS控制系統是一種分布式系統，在某一時刻，同一節點上可能收到多個數據包需要處理，或多個數據包需要發送出去，此時需要建立事件/信息的優先級，根據事件優先級進行劃分，優先級高的數據包優先被處理和發送，以便縮短高優先級的數據包在處理前或發送前的排隊等待時間，提高網絡傳輸的實時性。

根據公路隧道運營工況劃分[29]，對于特長公路隧道事件/信息優先級的分配從以下兩個方面考慮。

(1)考慮隧道運行狀況的四種工況：正常、怠速、擁堵以及特殊工況(火災、大霧等不良氣候)，優先級排序為：特殊工況>擁堵>怠速>正常；不同優先級對應每個事件/信息的緊迫程度，以便訂閱者可以根據不同的系統設計目標分配系統資源有效減少并發性帶來的系統問題。

(2)量化置信度：采用置信度函數，對事件/信息的可信度進行量化處理。置信度和置信度衰減方程—指定事件/信息置信度以及它是如何隨著時間的推移而消失的。置信度及其方程由特定的設備和控制邏輯決定，為訂閱者在任何時間點計算訂閱事件信息的置信度提供一種標準方法。置信度函數可定義為

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

(1)

式(1)中：k為事件的編號；time是事件發生的時間；loc是事件發生的位置；p是采集到傳感器值的標量和向量。置信度衰減方程函數可定義為

FA=Fade(time)

(2)

置信區間為：pi

圖8 事件處理流程

2.3 應用接入層

應用接入層通過CPS中間件，針對風機控制系統的異構性，將各種可以公用的能力進行統一封裝，提供具有統一訪入口、使用方法和高性能計算服務。分布式應用軟件借助CPS中間件共享資源，管理計算機資源和網絡通信，進行事件/信息傳遞。

CPS中間件可采用SCE層次結構[30-31]，如圖9所示，采用了3層架構分塊部署模型。前端服務器FS(Front Server)模塊對CPS層匯報特長公隧道風機控制系統的運行狀態、管理環境和風機數據等資源，同時，可解決信息層和感控層中由于隧道風機控制系統遠程連接異構和跨平臺應用的缺陷，數據庫存儲了其所管理的感控層采集的結構化及非結構化數據，實現了數據的管理。

圖9 中間件層次結構圖

中央服務器(center server,CS)為隧道風機協同控制提供全局信息服務和元調度，結合應用層需求和CPS層單元高效的處理能力，實現對FS數據庫中多源數據的融合。

客戶端面向隧道運營管理部門及公眾提供統一的訪問入口。API接口降低了開發復雜性，提高系統的可伸縮性。

為了實現資源信息的高效傳輸，采用基于SCE的CPS中間件信息傳輸方式，如圖10所示。FS按照根據管理人員需求，定時查詢CPS處理單元控制命令狀態，并與本地數據庫對比，若發現控制命令狀態有更新，則向CS匯報；CS接收到匯報信息，則立即更新數據庫信息，返回相應的狀態碼；FS接收到正確的狀態碼，實現本地數據庫的更新。

圖10 資源信息報告模式結構

2.4 應用層

應用層根據下層傳輸的風機網絡即時信息，可實現對隧道通風運行態勢的監控和預測以及優化調度等功能。

針對特長公路隧道運營服務的要求，應用層在風機控制基本應用，如遠程控制、設備檢修等基礎上，應用層還可以提供多層次的服務，為隧道消防、隧道照明、隧道供配電等其他隧道運營系統提供接口，實現隧道運營一體化和不同工況下機電設備的協同控制，特別是在特殊工況(火災等)發揮機電設備的作用，保證隧道內司乘人員的安全以及為救援提供技術保障，平臺架構如圖11所示。

圖11 系統應用層平臺架構

如圖11所示，隧道照明、供配電和消防系統可以共享風機集群采集的數據，通過數據信息處理，對感控層采集數據進行計算、處理和挖掘，從而實現對復雜風機網絡的實時控制、精確管理和科學決策。

2.5 CPS層

CPS層是特長隧道復雜風機協同控制架構的最頂層，該層可與其余各層進行跨層互聯以提供特定的服務支持，以適應多風機協同控制的要求。同時，CPS層能對各層進行協調并進行沖突消解，規劃行為，共同完成任務以協同控制隧道風機。CPS層協同控制原理，如圖12所示。

如圖12所示，CPS層可以接收感控層對風機集群控制的反饋，其作用是監管控制，讓風機網絡做出自配置和自適應，從而執行正確的和具有預防性的風機控制策略。風機事件定義為控制系統所涉及的數據采集、傳輸、控制命令等狀態變化過程。CPS層的風機事件定義及風機事件的協同控制策略如下。

風機事件形式化描述為

ConEvent(id,time,loc,p)

(3)

(4)

式中：EC_id是隧道風機網絡的唯一標識；SR_id是連接到嵌入式控制模塊的傳感器的唯一標識；SEQ_id是風機數據采集的發生序列號；time是發生的時間；loc是發生的位置；p是采集到傳感器值的標量和向量。

基于屬性的事件觸發機制為

(5)

式(5)中：p(t)表示t時刻EC獲得的傳感器單元采集值；p(t-1)表示t-1時刻EC獲取的傳感器采樣值；當兩者差值的范數大于常數Cp，則觸發觀測事件。

基于時間周期的事件觸發機制為

(6)

式(6)中：tk表示t時刻EC獲得的傳感器采集值的當前時刻，tk-1表示EC上一次獲取傳感器采樣值的時刻；當兩者差值的范數大于常數，則觸發觀測事件。

基于位置的事件觸發機制為

(7)

式(7)中：loc(t)表示t時刻EC獲得的傳感器空間的位置；loc(t-1)表示t-1時刻EC獲取的傳感器空間的位置；當兩者差值的范數大于常數Cloc，則觸發觀測事件。

則多風機協同控制策略為

(8)

式(8)中：OP表示AND、OR或者NOT；當式(8)為真時，觸發時空事件。

該控制策略的核心是利用全局優化與區域協同自治的配合完成分布式風機集群的協調調度，從而實現特長公路隧道復雜風機網絡的CPS協同控制。

3 結論

(1)基于CPS設計了一個5層的特長公路隧道復雜風機網絡協同控制架構，包括感控層、信息層、應用接入層、應用層和CPS層。

(2)針對特長公路隧道多風機控制，給出了風機集群劃分和風機集群信息傳輸的思路；同時，結合特長公路隧道復雜風機控制系統中的信息層數據具有海量、多態、實時的特點，采用基于發布/訂閱方式的數據分發服務，提高數據利用效率。

(3)為減少數據并發性帶來的數據包排隊等待時間，建立風機事件信息的優先級，增強高優先級數據包在網絡傳輸過程中時延的可預測性，從而提高網絡傳輸的實時性。

(4)應用接入層通過基于SCE層次結構的中間件解決，風機控制系統和接入方式等的異構性問題；CPS層對風機協同控制策略進行了研究。