智慧高速物聯(lián)網(wǎng)平臺建設創(chuàng)新型思考

王 楊

(遼寧艾特斯智能交通技術(shù)有限公司 沈陽市 110166)

0 引言

隨著新基建和智慧高速的快速發(fā)展,各種物聯(lián)網(wǎng)設備的廣泛應用，高速公路機電系統(tǒng)整體的技術(shù)架構(gòu)面臨重塑，特別是在新的技術(shù)構(gòu)架下，前端感知系統(tǒng)面臨著碎片化設備與多樣網(wǎng)絡導致設備接入困難、海量設備難于管理、設備接入數(shù)量增加等一系列難題。因此，需要通過建設物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)交通領(lǐng)域ETC門架、超限檢查站、收費廣場、路側(cè)監(jiān)控、橋隧、服務區(qū)等物聯(lián)感知設備統(tǒng)一接入，建立感知數(shù)據(jù)標準建模，實現(xiàn)感知數(shù)據(jù)共享，進而發(fā)揮感知層智慧交通數(shù)據(jù)感知、聯(lián)動處置的重要功能，真正將人、車、路相結(jié)合，實現(xiàn)有效鏈接與高效聯(lián)動。

1 高速公路數(shù)據(jù)感知體系現(xiàn)狀

1.1 現(xiàn)有數(shù)據(jù)感知體系架構(gòu)

現(xiàn)有高速公路數(shù)據(jù)感知傳輸采用傳感器和業(yè)務系統(tǒng)直連的方式，前端傳感器采用各自私有協(xié)議或部分標準協(xié)議直接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁髯缘臉I(yè)務系統(tǒng)，業(yè)務系統(tǒng)對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，數(shù)據(jù)匯集和互通通過各業(yè)務系統(tǒng)來實現(xiàn)，沒有實現(xiàn)集中式的數(shù)據(jù)匯集和共享，數(shù)據(jù)感知體系架構(gòu)圖如圖1所示[1]。

圖1 現(xiàn)有數(shù)據(jù)感知體系架構(gòu)圖

1.2 現(xiàn)有數(shù)據(jù)感知體系存在的問題

(1)智慧感知體系缺乏系統(tǒng)規(guī)劃與基礎支撐

現(xiàn)有數(shù)據(jù)感知層僅僅是實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的基本采集功能，缺少對采集數(shù)據(jù)的整體規(guī)劃，缺少不同傳感器之間的功能協(xié)作，進而導致采集基礎數(shù)據(jù)在標準統(tǒng)一、數(shù)據(jù)融合治理方面存在較大難度。

(2)碎片化設備與多樣網(wǎng)絡導致接入困難

在高速公路設備領(lǐng)域，需要連接的設備成千上萬，包括機電設施、基礎設施、收費站設施、服務器設施等，設備的類型千差萬別，組網(wǎng)模式形態(tài)與標準各異，異構(gòu)性是急需解決的關(guān)鍵問題。

(3)海量設備難于管理

在取消省界站時期，新增了大量的智能化終端設備，對設備管養(yǎng)要求進一步提高，設備的實時在線狀態(tài)、設備屬性、服務和事件信息等需要進行統(tǒng)一的管理，多語言、多網(wǎng)絡、多協(xié)議給設備維護和升級管理提出了巨大的挑戰(zhàn)。

(4)感知數(shù)據(jù)缺乏標準，難于共享與聯(lián)動

在智慧高速的架構(gòu)體系下，多源數(shù)據(jù)的融合共享是打破各個獨立“煙囪”系統(tǒng)的關(guān)鍵，而要實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合就需要在數(shù)據(jù)采集過程中建立統(tǒng)一的標準。

2 智慧高速物聯(lián)網(wǎng)平臺設計

2.1 物聯(lián)網(wǎng)平臺的含義

物聯(lián)網(wǎng)平臺是指通過構(gòu)建一層標準化的接入平臺，實現(xiàn)對多語言、多網(wǎng)絡、多協(xié)議設備的標準化接入和管理，實現(xiàn)對ETC門架、超限檢查站、收費廣場、路側(cè)監(jiān)控、橋隧、服務區(qū)等物聯(lián)感知設備統(tǒng)一接入，感知數(shù)據(jù)標準建模、感知數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)整個交通的實時在線監(jiān)測以及跨域業(yè)務聯(lián)動。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)平臺的架構(gòu)

高速公路物聯(lián)網(wǎng)設備連接平臺體系架構(gòu)分為物聯(lián)通信、協(xié)議解析、設備管理、應用及服務四層[2]。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)

2.2.1物聯(lián)通信

物聯(lián)通信實現(xiàn)設備的快速接入、數(shù)據(jù)的封裝與轉(zhuǎn)發(fā)、指令的接收與響應，是現(xiàn)實設備與物聯(lián)網(wǎng)設備管理云平臺直接連接的中間平臺，滿足快接入、高穩(wěn)定可用、高并發(fā)、高容量、高兼容等指標要求，具有以下特點：

(1)兼容包括標準協(xié)議以及自定義協(xié)議，包括MQTT、CoAP、MODBUS、HTTP、TCP、RGMP多種協(xié)議。

(2)兼容2/3/4/5G、NB—loT、LoRa異構(gòu)通信網(wǎng)絡，處理復雜多變的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。

(3)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)作為設備和云平臺之間的連接橋梁，具備高并發(fā)、高可用、高性能、彈性可伸縮等特點，支持多設備的快速接入與操作控制。

2.2.2協(xié)議解析

協(xié)議解析負責對消息內(nèi)容的解析服務，包括快速完成各種設備數(shù)據(jù)協(xié)議的解析，將設備上傳的原始數(shù)據(jù)解析成可分析、可洞察的標準數(shù)據(jù)。平臺管理的對象為設備與云平臺之間傳遞的消息，包括消息路由、消息解析以及消息的存儲與轉(zhuǎn)發(fā)等內(nèi)容，主要內(nèi)容如下：

(1)消息路由機制。根據(jù)不同的設備傳遞的消息類型、主題以及優(yōu)先級，預設通配符，映射定義對應的消息處理者，實現(xiàn)消息與消息處理者的動態(tài)關(guān)聯(lián)。

(2)消息解析模塊。該模塊為平臺的核心模塊，主要負責對消息內(nèi)容的解析。對于設備采集并傳輸上來的不同協(xié)議(MQTT、CoAP、MODBUS、HTTP、TCP、RGMP)的原始數(shù)據(jù)，根據(jù)配置的設備數(shù)據(jù)模型將其解析成能理解、能分析、能存儲的語義化的數(shù)據(jù)格式。

(3)消息存儲與轉(zhuǎn)發(fā)。實現(xiàn)消息解析后數(shù)據(jù)的存儲，滿足大數(shù)據(jù)存儲的各項技術(shù)要求。

2.2.3設備管理

設備管理對需接入的設備通過后端控制臺進行集中可視化管理的平臺，提供完整的設備生命周期管理功能，支持設備注冊、功能定義、遠程配置、遠程維護、實時監(jiān)控、分組管理、設備刪除。

2.2.4應用服務

應用層是為上級業(yè)務應用提供支撐的幫助平臺，方便應用程序快速具備物聯(lián)網(wǎng)應用的能力，縮短開發(fā)周期及降低開發(fā)成本。應用平臺能實現(xiàn)服務的自動注冊、負載均衡、限流和熔斷等功能，提升服務的高可用性與可伸縮性。

(1)開放的API接口體系。平臺提供開放的API接口，用戶可以通過HTTP/HTTPS調(diào)用進行設備管理、數(shù)據(jù)查詢、設備命令交互等操作，在API基礎上，根據(jù)需求搭建上層應用。

(2)主流語言版本的SDK。針對不同的應用程序開發(fā)語義，提供封裝好的應用接口訪問的開發(fā)組件，使不同的語言開發(fā)者能快速調(diào)用物聯(lián)網(wǎng)平臺提供的接口服務，縮短開發(fā)周期，提升應用程序性能。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)平臺的主要功能

2.3.1設備接入

面向高速機電設施、基礎設施、收費站設施、服務器設施，可以實現(xiàn)多語言、多網(wǎng)絡、多協(xié)議設備的快速接入。主要能實現(xiàn)三種方式的設備接入，一是基于設備SKD二次開發(fā)，支持行業(yè)多語言，包括JAVA/PYTHON/NODE.JS/PHP/C#.NET等；二是支持多網(wǎng)絡適配，包括NB-IOT/蜂窩通信/LORA/WIFI/ZIGBEE/有線等；三是支持行業(yè)主流的多協(xié)議，包括MQTT/COAP/HTTPS/GB1818/GA1400/MODBUS等。

遵循通用標準建設物聯(lián)網(wǎng)設備管理平臺，讓各類設備廠商遵循標準連接設備，形成不同廠家設備之間的協(xié)同和聯(lián)動，最終逐步實現(xiàn)體系化的高速公路物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)。

2.3.2物聯(lián)網(wǎng)設備管理

物聯(lián)網(wǎng)設備管理主要是通過構(gòu)建設備模型，對設備進行全方位管理[3]。設備模型信息包含設備狀態(tài)信息，例如設備在線/離線、激活/未激活等信息；設備的檔案信息，例如設備安裝位置、歸屬權(quán)等靜態(tài)信息；設備的基本屬性，例如設備運行時的溫度和濕度；設備的服務信息，例如設備被遠程調(diào)用執(zhí)行的動作、指令；設備事件信息，例如設備主動上報的信息、告警、故障通知等。

通過對上述設備信息的分組和標識，形成基礎資源庫，再利用基礎資源庫拼接組合成相關(guān)功能模塊。

2.3.3實現(xiàn)全生命周期的設備維護

通過物聯(lián)網(wǎng)平臺可實現(xiàn)對設備的全生命周期設備維護[4]，主要實現(xiàn)在線升級、日志服務、消息軌跡和遠程調(diào)試四個功能。

(1)在線升級。為海量的前端設備提供設備升級通道，支持固件、軟件等升級。同時具備固件版本管理、固件升級策略和固件統(tǒng)計分析等功能，實現(xiàn)固件推送和消息同步等功能，提高設備升級維護的效率和質(zhì)量，保障設備能及時更新至最新軟件版本。

(2)消息軌跡查詢。通過對設備信息的實時監(jiān)控，可以追蹤設備消息的軌跡，為精準定位設備故障提供參照依據(jù)，例如在對門架ETC天線故障排查時，可以利用消息軌跡查詢，確定消息在傳輸路徑是否正常，在某一個傳輸環(huán)節(jié)是否存在異常情況等等，提高設備故障排查效率和運維時效性。

(3)設備遠程調(diào)試。通過接入層的標準協(xié)議的統(tǒng)一，可以實現(xiàn)遠程SSH設備登錄，實現(xiàn)屬性設置調(diào)試，服務調(diào)用調(diào)試和設備模擬器功能等多種設備遠程調(diào)試手段，減少現(xiàn)場運維的頻次，豐富維護手段，提高設備維護的效率。

2.3.4實現(xiàn)感知數(shù)據(jù)高效匯聚

利用物聯(lián)網(wǎng)平臺的設備接入和整合能力，可以實現(xiàn)對監(jiān)控圖像、收費數(shù)據(jù)、道路環(huán)境感知等異構(gòu)數(shù)據(jù)的匯聚，有利于形成統(tǒng)一的大數(shù)據(jù)資源池，對行業(yè)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一匯聚、統(tǒng)一建模管理，構(gòu)建數(shù)據(jù)秩序，充分挖掘數(shù)據(jù)價值，不斷完善數(shù)據(jù)的生產(chǎn)要素屬性，讓數(shù)據(jù)更好找、更好看、更好用。

3 結(jié)束語

分析了高速公路現(xiàn)有數(shù)據(jù)感知系統(tǒng)的現(xiàn)狀，根據(jù)感知系統(tǒng)存在的問題和信息技術(shù)手段的發(fā)展趨勢，提出了面向智慧高速的物聯(lián)網(wǎng)平臺，實現(xiàn)對異構(gòu)感知數(shù)據(jù)匯聚、異網(wǎng)感知設備的接入，實現(xiàn)行業(yè)協(xié)議無縫對接，為智慧高速上層應用集約調(diào)用提供了有效支撐。