高速公路物聯(lián)網(wǎng)平臺設(shè)計與應(yīng)用
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摘要：本文梳理了湖南省高速公路運營期信息化發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了湖南省高速公路物聯(lián)網(wǎng)平臺的總體架構(gòu)、業(yè)務(wù)架構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)以及主要研發(fā)內(nèi)容，以實現(xiàn)湖南省海量高速公路物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)備的統(tǒng)一接入與管理，實時數(shù)據(jù)億級高并犮傳輸、存儲與分發(fā)，粘結(jié)上層智慧應(yīng)用，助推湖南省高速公路信息化建設(shè)更上一個臺階。湖南省高速公路物聯(lián)網(wǎng)平臺在湖南省高速公路橋隧坡的安全監(jiān)測及數(shù)字化管養(yǎng)平臺中得到了充分驗證，架構(gòu)合理，技術(shù)先進(jìn)，效果良好。
關(guān)鍵詞：異構(gòu)感知；物聯(lián)網(wǎng)平臺；橋隧坡管養(yǎng)
目前，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速公路信息化應(yīng)用系統(tǒng)的運行流程為：通過與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，再根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用需求開發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)維護(hù)、展示與統(tǒng)計功能。這種系統(tǒng)架構(gòu)在局部領(lǐng)域運行良好，但是從提升高速公路信息化建設(shè)整體水平來看，這些獨立的業(yè)務(wù)信息化架構(gòu)存在以下問題：各業(yè)務(wù)系統(tǒng)根據(jù)各自的業(yè)務(wù)需求，局限地只跟所關(guān)聯(lián)的設(shè)備打交道；各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)分屬不同的系統(tǒng)集成開發(fā)商，各自開發(fā)關(guān)鍵的設(shè)備連接管理組件，存在重復(fù)開發(fā)、重復(fù)投資的現(xiàn)象，而且水平各異，沒有實現(xiàn)抽象整合與復(fù)用；設(shè)備數(shù)據(jù)的交換與共享通過業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享接口來實現(xiàn)，增加了數(shù)據(jù)的傳輸與轉(zhuǎn)換鏈路，不利于數(shù)據(jù)的快速獲取，信息的原始性、真實性也難以保證。目前的高速公路物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)架構(gòu)無法滿足湖南省高速公路信息化應(yīng)用發(fā)展需求，打造基于湖南省統(tǒng)一的高速公路物聯(lián)網(wǎng)平臺的高效、綠色、平安、智慧的高速公路勢在必行。
一、高速公路物聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)
（一）總體架構(gòu)結(jié)合傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的3層架構(gòu)，增加物聯(lián)網(wǎng)平臺層，高速公路物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的總體架構(gòu)分為以下4個層次，如圖1所示。感知層：主要為智能的物聯(lián)網(wǎng)傳感器、監(jiān)測器、檢測器以及攝像機(jī)等設(shè)備。例如通過監(jiān)控設(shè)備可以在線實時獲取高速公路網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備健康狀態(tài)、道路運行狀態(tài)以及外部環(huán)境狀態(tài)等信息，如表所示。網(wǎng)絡(luò)層：網(wǎng)絡(luò)傳輸層主要分為接入網(wǎng)和核心網(wǎng)兩大類。接入網(wǎng)負(fù)責(zé)和感知網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)系，將感知網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶诵木W(wǎng)中，所以接入網(wǎng)應(yīng)該包含更多的接入方式以達(dá)到兼容，主要分為無線接入網(wǎng)和有線接入網(wǎng)。核心網(wǎng)負(fù)責(zé)快速傳遞數(shù)據(jù)和信息。平臺層：主要包括物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和物聯(lián)網(wǎng)管理云平臺兩部分，負(fù)責(zé)所有設(shè)備的快速接入、設(shè)備數(shù)據(jù)的傳輸與同步、設(shè)備的可視化遠(yuǎn)程管理、上層應(yīng)用接入平臺以及其他輔助的安全保證策略與平臺、業(yè)務(wù)輔助分析平臺等。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和應(yīng)用程序之間需由物聯(lián)網(wǎng)平臺建立互聯(lián)互通的橋梁，不僅可以便捷地對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行集中管理和控制，而且可以縮短產(chǎn)品物聯(lián)網(wǎng)化的開發(fā)周期。應(yīng)用層：接入平臺層的業(yè)務(wù)對應(yīng)的設(shè)備數(shù)據(jù)，支撐高速公路智慧化應(yīng)用的挖掘，根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求研發(fā)對應(yīng)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)平臺層的價值最大化。
（二）業(yè)務(wù)架構(gòu)湖南省高速＾＞路聯(lián)網(wǎng)管理一般采用如下3級管理體制。第一級：省級控制中心。第二級：管理處分中心，設(shè)在各管理處內(nèi)。第三級：還貸性路段橋隧管理所／經(jīng)營性路段分中心，根據(jù)隧道級別及路段具體情況設(shè)a。根據(jù)高速公路實際管理情況，高速公路物聯(lián)網(wǎng)平臺同樣可以設(shè)置成分級管理，分為一級平臺（省級控制中心）、二級平臺（管理處分中心）以及三級平臺（路段分中心／橋隧管理所），同時也可以滿足單個層次一個中心的集中管理模式。各級物理網(wǎng)平臺都具備物（包括設(shè)備、系統(tǒng)、云平臺以及第三方平臺）的接入能力、物聯(lián)網(wǎng)管理云平臺的能力，同時根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)平臺所在的級別規(guī)則實現(xiàn)向與上級物聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)據(jù)同步與協(xié)調(diào)控制的功能，具體業(yè)務(wù)架構(gòu)如圖2所示。
（三）技術(shù)架構(gòu)從上文的描述中可以看出高速公路物聯(lián)網(wǎng)平臺的定位：高速公路物聯(lián)網(wǎng)平臺處于感知層與應(yīng)用層之間，連接物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)備與上層應(yīng)用，與各種異構(gòu)設(shè)備進(jìn)行雙向通信獲取同步數(shù)據(jù)，傳遞指令，同時提供開放的API應(yīng)用服務(wù)接口，便于上層應(yīng)用系統(tǒng)靈活快速接入，起到承上啟下的作用，是高速公路物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的“戰(zhàn)略要塞”與“咽喉之地”。高速公路物聯(lián)網(wǎng)平臺的實現(xiàn)技術(shù)架構(gòu)如圖3所示。
二、主要研發(fā)內(nèi)容
（一＞基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)管理平臺（IMP）基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)管理平臺（InfrastructureManagerPlatform，IMP）是指物聯(lián)網(wǎng)平臺中進(jìn)行設(shè)備接入、雙向通信、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)安全控制等方面的管理與控制需規(guī)定的數(shù)據(jù)格式、語義規(guī)范以及傳輸協(xié)議等內(nèi)容。IMP是物聯(lián)網(wǎng)平臺中其他應(yīng)用平臺的基礎(chǔ)支撐，是實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲與分析的基石。
（二）物接入通信平臺（CMP）在高速公路機(jī)電設(shè)備領(lǐng)域，需要連接的設(shè)備成千上萬，設(shè)備的類型千差萬別，組網(wǎng)模式形態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)各異，異構(gòu)性比較明顯是急需解決的關(guān)鍵問題。CMP主要研究設(shè)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(yīng)，是現(xiàn)實設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)管理云平臺直接連接的中間平臺，需要滿足快接入、高穩(wěn)定可用、高并發(fā)、高容量、高兼容等指標(biāo)要求，具有以下特點。1、兼容包括標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議以及自定義協(xié)議，如MQTT、CoAP、MODBUS、HTTP、TCP、RGMP等多種協(xié)議，開發(fā)并不斷豐富Agent庫。2、兼容2／3．／4G、NB－IoT、LoRa等各種異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)，處理復(fù)雜多變的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。3、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)（IoT－Hub）作為設(shè)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，支持上億設(shè)備的快速接入與操作控制。
（三）物解析管理平臺（PMP）PMP負(fù)責(zé)對消息內(nèi)容的解析服務(wù)，包括快速完成各種設(shè)備數(shù)據(jù)協(xié)議的解析，將設(shè)備上傳的原始數(shù)據(jù)解析成可分析、可洞察的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。本平臺管理的對象為設(shè)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)等研究內(nèi)容。通過本平臺可以實現(xiàn)簡單快速地通過物解析服務(wù)，在云端解析和計算各種設(shè)備中的數(shù)據(jù)。本平臺的主要研究內(nèi)容如下。1、消息路由機(jī)制。根據(jù)不同的設(shè)備傳遞的消息類型、主題以及優(yōu)先級，預(yù)設(shè)通配符，映射定義對應(yīng)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。該模塊為本平臺的核心模塊，主要負(fù)責(zé)對消息內(nèi)容的解析。比如對于設(shè)備采集并傳輸上來的不同協(xié)議（MQTT、CoAP、MODBUS、HTTP、TCP、RGMP等）的原始數(shù)據(jù)，根據(jù)配置的設(shè)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，需滿足大數(shù)據(jù)存儲的各項技術(shù)要求，消息存儲借助于大數(shù)據(jù)分布式存儲技術(shù)，本平臺不對具體的實現(xiàn)解決方式進(jìn)行研究與開發(fā)，只考慮兼容主流的已有的消息存儲中間件。
（四）設(shè)備管理平臺（DMP）DMP是對需接入的設(shè)備通過后端控制臺進(jìn)行集中可視化管理的平臺，提供完整的設(shè)備生命周期管理功能，支持設(shè)備注冊、功能定義、遠(yuǎn)程配置、遠(yuǎn)程維護(hù)、實時監(jiān)控、分組管理、設(shè)備刪除。
（五）數(shù)據(jù)分析平臺（DAP＞設(shè)備數(shù)據(jù)（設(shè)備本身數(shù)據(jù)以及設(shè)備采集的數(shù)據(jù)）存儲在數(shù)據(jù)中心，DAP利用大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析算法，通過可視化圖表、空間可視化等工具將物聯(lián)網(wǎng)平臺中存儲的數(shù)據(jù)宏觀展示出來，同時也提供設(shè)備歷史數(shù)據(jù)查詢功能，比如設(shè)備概況統(tǒng)計（接入數(shù)、在線率、在線數(shù)、故障數(shù)等）、API調(diào)用統(tǒng)計、數(shù)據(jù)簇情況（數(shù)據(jù)接入量、數(shù)據(jù)解析成功／失畋率）等。
（六）應(yīng)用使能平臺（AEP）AEP是為上級業(yè)務(wù)應(yīng)用提供支撐的幫助平臺，方便應(yīng)用程序快速具備物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的能力，縮短開發(fā)周期及降低開發(fā)成本。應(yīng)用使能平臺是一種以技術(shù)為中心的產(chǎn)品，具備生態(tài)持續(xù)性，以與行業(yè)無關(guān)的可擴(kuò)展的中間件為核心，采用微服務(wù)框架，實現(xiàn)服務(wù)的自動注冊、負(fù)載均衡、限流和熔斷等功能，提升服務(wù)的高可用性與可伸縮性，主要包括以下內(nèi)容。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(jìn)行設(shè)備管理、數(shù)據(jù)查詢、設(shè)備命令交互等操作，在API的基礎(chǔ)上，根據(jù)自己的個性化需求搭建上層應(yīng)用。2、主流語言版本的SDK。針對不同的應(yīng)用程序開發(fā)語義，提供封裝好的應(yīng)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(wù)，縮短開發(fā)周期，提升應(yīng)用程序性能。
（七）安全認(rèn)證平臺（SAP）SAP提供多重防護(hù)保障設(shè)備云端安全，提供用戶資源訪問安全認(rèn)證機(jī)制，提供產(chǎn)品級以及設(shè)備級的不同粒度的秘鑰，并支持用戶自定義秘鑰訪問權(quán)限，以最大限度保證用戶設(shè)備及應(yīng)用層接入的安全性。提供統(tǒng)一的鑒權(quán)中心，提供靈活多變的鑒權(quán)方式，為每個設(shè)備頒發(fā)唯一證書，提供TLS以及DTLS（適用于CoAP）加密通道，保證用戶數(shù)據(jù)的傳輸安全。
三、應(yīng)用情況
由于湖南省交通科學(xué)研究院在橋隧坡交通安全狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)與設(shè)備領(lǐng)域積累了較為豐富的技術(shù)、設(shè)備成果和工程化、產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗，基于本文提出的全省統(tǒng)一的高速公路物聯(lián)網(wǎng)平臺的全新架構(gòu)，我院對已有的相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備全面升級重構(gòu)，組織研發(fā)了湖南省高速公路橋隧坡的安全監(jiān)測及數(shù)字化管養(yǎng)平臺，接入了全省10座大型橋梁、5座特長隧道、6個高邊坡共1662個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，實現(xiàn)了對湖南省高速公路重大基礎(chǔ)設(shè)施的實時監(jiān)測、安全預(yù)警和科學(xué)運管?；诒疚闹械母咚俟肺锫?lián)網(wǎng)平臺，屏蔽設(shè)備接入與數(shù)據(jù)采集等異構(gòu)環(huán)節(jié)，專注橋隧坡的安全監(jiān)測及數(shù)字化管養(yǎng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用，大大提高了系統(tǒng)開發(fā)效率和系統(tǒng)的穩(wěn)定行、健壯性。
四、結(jié)束語
在建設(shè)交通強(qiáng)國的重大戰(zhàn)略及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展等多重因素驅(qū)動下，結(jié)合湖南省高速公路機(jī)電信息化應(yīng)用架構(gòu)中出現(xiàn)的新問題和新需求，本文提出建設(shè)一套湖南省統(tǒng)一的高速公路物聯(lián)網(wǎng)平臺，為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間搭建高效、穩(wěn)定、安全的應(yīng)用平臺，起到設(shè)備與上層應(yīng)用互聯(lián)互通的中間橋梁作用，打通各種類型的設(shè)備，屏蔽設(shè)備的差異性，快速接入設(shè)備，為上層應(yīng)用提供統(tǒng)一、規(guī)范的設(shè)備數(shù)據(jù)接入服務(wù)，讓上層應(yīng)用專注于業(yè)務(wù)處理，不過多關(guān)注設(shè)備的實現(xiàn)細(xì)節(jié)，大大降低開發(fā)成本，提升開發(fā)效率，縮短開發(fā)周期，方便高速公路運營管理方快速集成業(yè)務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)集成統(tǒng)一的運營管理平臺，使高速公路運營管理更加高效智能，從而更大程度提升湖南省高速公路整體的信息化水平，助力湖南省智慧高速公路的建設(shè)。本文的研究內(nèi)容已在湖南省高速公路的橋隧坡安全管養(yǎng)領(lǐng)域得到應(yīng)用與驗證，取得了良好的應(yīng)用效果。在后續(xù)的工作中，將持續(xù)優(yōu)化完善高速公路物聯(lián)網(wǎng)平臺，加大推廣。
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作者：廖飛 單位：湖南省交通科學(xué)研究院有限公司