现有隧道控制系统的问题
当前高速公路隧道内的机电设备种类众多，并通过传统的PLC架构实现对单一设备的控制，PLC受限于专有连接、专用软件和许可成本，对高级网络和安全功能的支持较弱，且缺乏对以 IT 为中心的编程语言和协议(如 HTTPS和MQTT)的支持，编程维护相对繁琐。以PLC为核心的机电设备管控模式还存在控制器位置分散、重复投资、机电设备状态不可感知等问题，另外，基于现有架构难以实现机电设备、视频监控、火灾报警、紧急电话和广播系统等系统的集中统一管控，无法做到数据的打通和共享，难以满足未来对隧道智慧化管控的需求。同时，未来对智慧化算法的应用，在现有的架构上也无法直接搭建，需要单独设置算法服务器或专用硬件才能实现。
未来隧道管控系统的发展趋势
边缘计算是计算机系统从扁平到边缘，以及面向5G网络架构演进的必然技术，同时也提供了一种新的生态系统和价值链。边缘计算技术是云计算的一项重要补充，边缘计算能够实现数据在网络边缘侧的分析、处理与储存，不仅减少了对云端依赖，也提高了数据的安全性。无论是云计算本身，还是网络传输受限，或是数据安全，边缘计算是时下构建智能控制过程中优先考虑的内容之一。
边缘控制器是基于PC的控制器，其并不等同于单独的工业控制计算机，它是将PLC、PC和运动控制器集成到同一台设备里，兼具数据存储、计算、通信、逻辑控制等功能，可以同时进行多种任务，又互不干扰。
未来，隧道控制网络将朝着集成化和融合化的方向发展，机电、视频监控等系统将实现有机串联，这其中边缘智能控制器大有可为，边缘智能控制器可满足智能交通综合监控行业需求，与云控平台系统组成云边协同监控系统，满足智能化、灵活部署、安全可靠等业务需求。同时通过边缘控制器的算法能力，在边缘控制器上部署对应的算法能提升整个隧道的智慧化管理水平。
边缘控制器功能介绍
和利时推出的边缘智能控制器EIC解决方案，是以紧凑的工业尺寸，融合工业控制、边缘计算、边云协同、物联网络、信息安全、本地显示等核心能力的边缘智能计算平台。
图1 和利时边缘智能控制器
● 强大的边缘计算能力。现场侧实现强大的工业控制功能；开放侧容器、微服务可由由云平台统一进行管理，实现云边协同，支持扩展图像处理模块、计算加速模块。
● 灵活配置的虚拟化和容器技术。提供虚拟化管理平台、容器部署技术，可划分多个业务系统及各系统的网络、计算、存储资源，保证系统间的安全隔离。
● 强大的系统扩充弹性。整机模块化设计，主控资源、扩展资源可灵活扩展，便于现场升级改造、产线重组，实现现场硬件成本的集约化。
● 集成成熟的工业技术。通过集成工业控制、边缘部署、物联通讯等相关技术，整合传统多套软硬件产品的功能，满足不同行业的各种应用需求，并简化系统架构。
● 赋能多样化的终端设备。通过多种标准的外设接口和通讯协议，与传感器、仪表仪器、工业设备、摄像头等多样化的现场设备交互，以智能应用赋能终端设备。
● 适用于严苛的工业环境。工业级无风扇设计，通过多种可靠性测试、安规认证、CE认证。
应用案例
在高速公路隧道场景下，基于边缘控制器以及云-网-边-端的架构可以优化和精简现有的隧道监控系统架构，提升管理以及数据传输效率，打造统一的数据底盘，提升智慧化应用和综合管理水平。
和利时云边平台的软件架构如图2所示。其上端为PaaS（和利时工业互联网平台或企业私有云），再上是SaaS，支持各种云服务，如ERP、企业全局能源管理、企业全局生产监控等。其设备边缘的软件是围绕工业互联网解决方案展开的，兼顾实时要求高PLC、运动控制等和采集现场监控数据的SCADA的软件开发环境，而且也提供精细化的HMI软件开发工具。
图2 和利时云边平台的软件架构
在边缘侧，在隧道变电所布置隧道边缘控制器，可通过监控专网实现与中心平台进行连接。隧道机电设备通过隧道内的工业以太环网实现隧道边缘控制器与网络 IO 控制器之间的数据传输连接。隧道边缘控制器主要实现数据预处理与转发功能,接收隧道现场设备采集的数据，在本地进行存储与备份，并将预处理后的数据发送至中心平台服务器。系统网络拓扑如图3所示。
图3 系统网络拓扑
关于通信方式的选择，物联网是目前正在高速发展的技术，还处于发展期。由于物联网需求与行业，应用，通讯技术的发展紧密相关，因此无法选择一种方案实现现场需求。EIC通过控制器的可配置通讯模块支持通用广泛使用的7种物联网协议协议：MQTT、 DDS、 AMQP、XMPP、 JMS、 REST、 CoAP；同时支持多种传输介质：RS-485、以太网、光纤、2/3/4/5G通讯、Wifi（低功耗、长距离、标准）、Lora、ZigBee等。
相比于传统隧道PLC组网方案，基于边缘控制器的隧道监控系统，具有以下优点：
● 结构简单：整个系统分为2级，边缘控制器对网络IO集中管控，网络IO只作为传输节点，不含程序，故障点单一；
● 协议通用：采用通用物联网协议；
● 配置灵活：更新、扩容无需编程；
● 升级便利：可远程OTA升级；
● 算法部署：可部署灯光控制，视频事件监测等算法，实现智慧化应用。
目前产品应用方案已经在四川龙池隧道、山西薛公岭隧道应用。
创新应用
基于边缘控制器强大的算力，结合隧道场景催生如下智慧应用：
智能算法集成：通过与云端协同，智能控制器可接纳云端服务器下发的智能算法模型，通过边缘计算，实现智能照明、智能通风、智能设备诊断等一系列功能，并将智能诊断结果、清洗后的设备数据实时上传云端，完成数据转发。
智慧能源管理：通过构建基于交通流量和隧道内环境的AI分析模型联动风机控制子系统实现隧道自适应变频送风，通过照明智能控制子系统实现对隧道内LED灯亮度及色温的智能控制。
智能视频识别：支撑智能视频识别场景。
无线数据采集：边缘智能控制器通过4G/5G网络与云端远程通讯，并通过4G/5G或窄带通讯无线网络采集隧道内的机电设备、传感器及仪表、仪器数据。
车路协同：以边缘智能控制器为核心，路侧终端RSU为纽带，实现车-路-云的信息协同，提供车辆位置及状态、事故及拥堵实时判定、障碍物等路面异常检测能力，打造智慧的路。
边缘控制器产品的应用，可以有效提高隧道机电设备综合管控的效率、降低运维管理成本、提升设备间高效协同联动的能力，实现对高速公路隧道机电设备的全过程的科学化、智能化、精准化、预防性管理，为智慧隧道的建设的赋能增效，推动高速公路隧道管理工作由粗放向精细化转变、传统向智能化转变。