一种新型不停车治超智能控制柜

滕书华，李利民，刘 鑫，龙 帆

(湖南省交通科学研究院有限公司，湖南 长沙 410015)

随着国家对新基建政策支持力度不断加大，全国各地开始大跨步建设智能交通系统。智能机柜是未来交通系统发展中一个重要节点。将先进的信息、数据通讯传输、强弱电监控、电子传感、控制及计算机技术有效集成运用于整个地面交通管理系统中，智能机柜在其中起到越来越重要的作用。

作为智能机柜的典型应用，治超控制柜是整个治超非现场执法系统的控制中枢，它为UPS、工控机、动环监测、空调、预留扩展端口等提供安全运行环境[1]，为治超系统各设备提供一体化系统集成收容及可靠供备电，负责各种传感数据的接入、信息的处理、存储及传输，是后台服务连接前端各种现场设备的中枢系统。治超控制柜独立安装于路侧，是一款能够保障户外安全、防雨、抗振、适应高低温等各种复杂气候环境的电子设备。它需要有良好的扩展能力和稳定运行基础[2]，进而实现高集成性、高可用性和强大处理能力。

目前治超控制柜还存在如下问题：

1)供电系统续航能力差。当前治超控制柜的供电系统，在市电停电、采用电池续航时，很难保证关键生产设备长时间工作。如何在停电的情况下，优先保证主设备的供电是本领域技术人员亟待解决的问题。

2)门锁安全隐患大。传统的治超控制柜门锁存在多种安全隐患，如门锁缝隙大、防尘效果差，钥匙太多、丢失、私配等问题，以及易盗易损坏。采用智能化手段解决门锁的安全隐患也是需解决的问题之一。

3)柜体运维效率低[3]。当前，治超控制柜仅用于收集一些参数并发送给远程管理模块，不能实时监控机柜环境及设备运行状态，故障难以及时发现，很多时候需要专家到现场确认和解决，维护效率低、维护成本高[4]。

本文通过对治超控制柜各子系统的综合研究，设计了一种新型不停车治超智能控制柜。它集安全防护、环境监测、智能运维等功能为一体，解决了设备运维不便以及停电情况下系统供电时间短、安全性差、易盗易损等难题，降低了维护难度和成本，为治超控制柜系统的持续稳定运行提供重要保障。

1 不停车治超智能控制柜系统

根据功能需求，不停车智能控制柜由柜体、电源配给单元、高速动态称重单元、高速动态宽高限测量单元、动环管控单元、视频图像处理单元、信息处理单元、通信交换单元等8个部分组成。柜体主要起支撑和保护作用;电源配给单元负责外部电源的输入稳压，外部电源接口包括市电和发电机电源，具备交流配电单元、UPS电池单元、供电切换单元、电力监测装置，确保机柜24 h不间断工作;高速动态称重和高速动态宽高限测量是整个智能控制柜的核心单元，其完成治超业务中对车辆车型、轴型、轴重、重量、外廓等的测量，为执法提供数据支撑；动环管控单元依托柜内多种传感器和执行器以及柜体配合，完成对柜内微环境的实时监测和调整，同时提供电子门禁、权限管理、自检等功能，保证系统安全稳定运行；视频图像处理单元完成执法检测过程中的车辆图像抓拍、执法现场录像、车辆牌照识别等功能;信息处理单元主要组成部分为高稳定工控机，负责整个系统中数据的缓存，提供算法运行平台和系统算力;通信交换单元完成智能控制柜内部及整机对外数据的沟通，内部各模块之间通过千兆以太网进行数据交换，整个系统对外通过冗余光纤保证通信的速率和稳定性。

不停车治超智能控制柜的内部网络划分为电源网、控制网和数据通信网。电源网主要进行智能控制柜电能的供给和分配；控制网主要完成各个子系统内部及传感器与控制器之间的信息交互；数据通信网主要承载业务数据流。

不停车治超智能控制柜系统结构及内部网络互联关系见图1。

图1 不停车治超智能控制柜组成结构示意图

系统首次上电后，环控管理单元进行自检，报告各模块的工况，同时生成日志存储在本地；当系统或者某个模块存在故障时，发出光电报警提示。当车辆驶入检测区域，高速动态称重单元(石英晶体传感器+地感线圈)和宽高限测量单元(激光雷达)对车辆进行测量，同时摄像机抓拍识别车辆牌照、车辆基本外观照片以及拍摄称重测量执法过程的短视频；所有数据被定义为一条检测记录，送入处理单元进行超限超载判定，经工控机高速处理完成后，超限超载判定结果传输至可变情报板进行展示性提醒；对于超限超载车辆做出识别标记，并将检测记录和结果通过通信交换单元发送至后台中心或联网治超管理中心。在系统运行过程中，当系统温度超过设定阈值门限时，环控管理单元会自动开启工业空调，将温度降低至设定阈值以下；若发生结霜、潮湿等现象，则自动开启加热除霜进行微环境调整。同时环控单元还能实时监测系统安全状况，当发生异常振动、非授权开门时，立即发出报警并采集现场图像上报中心。

2 双逆变器冗余供电系统

目前通用的控制柜都采用48 V供电，而工控机、交换机、相机、补光灯和激光雷达以及机柜空调等设备都采用220 V交流电接入，因此，需要使用逆变器将48 V直流电转成220 V交流电[5]。传统的做法是直接将48 V电源接入到单个逆变器，再由单个逆变器接入电源分配单元 (Power Distribution Unit， PDU)，PDU上挂载上述220 V供电设备，而这样一旦逆变器出现故障，会导致所有上述设备因停电而无法工作。此外，还可将48 V电源分别接入到2个逆变器，主逆变器接入冗余的主设备，例如主工控机、主交换机、主相机、主补光灯、空调；备用逆变器接入到备用工控机、备用交换机、备用相机、备用补光灯，所有设备都是热备状态；这种情况下，当一个逆变器出现故障时，接在该逆变器PDU上的所有设备因为停电而无法工作，配置的热备设备难以起到相应的热备作用。上述两种方法的共同缺点是在市电停电而采用电池续航的状态下，无法单独对空调进行断电以保证关键设备的长时间工作。如何克服现有逆变器供电方式缺陷，在单个逆变器出现故障的情况下仍可对设备进行有效供电，并在停电的情况下优先保证主设备的供电是本领域技术人员亟待解决的技术难题。

针对上述问题，在保证设备采用交流供电、有断电续航需求、有供电n+1模块冗余要求下，充分利用开关电源在市电停电状态下先一次下电、然后二次下电的特性，优先保证关键设备工作，同时对非关键设备进行断电；利用逆变器支持直流输入和交流旁路输入的特性，将备用逆变器的交流输出作为主逆变器的旁路交流输入，保障在单个逆变器故障时不影响主设备正常运行。据此提出了一种新的冗余供电系统，如图2所示。

图2 双逆变器冗余供电电路原理图

新的冗余供电系统接入方式：① 主逆变器接48 V电源模块的二次下电；② 备用逆变器接48 V电源模块的一次下电；③ 备用逆变器的输出接入到主逆变器的交流旁路输入；④ 关键外设接在主逆变器输出上；⑤ 交流空调接在备用逆变器的输出上。

新的冗余供电系统工作特性：当两个逆变器均正常工作时，备用逆变器承担所有负载的输出。当备用逆变器出现故障时，主逆变器从48 V直流获取输入产生220 V交流输出。主逆变器出现故障时，备用逆变器的旁路供电可以产生输出。当外部供电断开而采用电池续航时，电池电压下降到一次下电时，备用逆变器断开而采用，同时空调断开，主逆变器继续工作，主设备可以继续工作至二次下电。从而实现了在单个逆变器出现故障的情况下仍可对设备进行有效的交流220 V供电，并对主设备和次要设备的供电划分优先级，保证在停电的情况下优先主设备供电。

3 三维和二维图像融合的人脸识别门禁系统

传统的机柜门锁存在多种安全隐患，如钥匙太多、丢失、私配以及防尘防盗效果不理想等。为了更好地防盗，基于二维人脸识别的门禁系统被广泛应用于门禁行业。然而，当前大部分二维人脸识别门禁技术受信息量、光照、姿态、表情、化妆、年龄等影响，并不能完全满足实际应用需求。三维人脸识别与二维人脸识别相比具有信息量大、受光照与姿态因素影响小等无法比拟的优势，能够有效克服诸多外界因素对人脸识别系统的干扰。因此，提出了一种三维和二维人脸图像融合的人脸识别门禁系统。该门禁系统的人脸数据采集设备(Kinect深度传感器和摄像头)和自动锁嵌设在智能控制柜的前侧柜门上，柜门外侧设有可输密码触摸屏，用于紧急情况下开门操作，如图3所示，门禁系统利用数据采集设备采集一个或多个用户的人脸深度图像和RGB图像，并可分别提取用户图像特征建立用户的人脸模板数据库。通过对比使用者人脸数据与系统数据库中人脸数据确定门禁系统是否发送开门信号。机柜门上的采集设备会同时自动记录形成开锁状态报告，包括开锁人的身份证信息、现场人脸二维和三维图像以及开锁时间，保证系统历史数据可查。如人脸数据与系统数据不匹配，且接近对柜体进行破坏，则发送警报信号与警告语音信息。如柜门被强行打开，则自动保存柜门打开时的第一手资料(包括现场人脸图像、视频和开锁时间)，可为柜体破坏提供线索。

a)柜门

b)内部组成

此外，为了应对人脸特征随着年龄或季节变化所产生的微小变化，门禁单元对预设时间段数据库中的用户人脸特征数据进行平均，得到该时间段内某用户人脸平均特征数据并更新至系统。其中，预设时间段可以为1个月或1个季度。例如，随着时间推移，某用户的脸变胖了，脸宽由1月初的12.3 cm增加到1月底的12.4 cm，如果设置的时间段为1个月，则对此用户人脸1个月的数据求平均值，即12.35 cm，2月份该用户人脸宽度的模板值则由12.3 cm更新为12.35 cm。通过对数据库中用户人脸模板特征数据定期更新，避免了人体特征随着时间变化而发生微小改变所导致的识别率下降问题。此外，该门禁系统支持远程管理系统对门禁进行控制，支持远程开关门操作。远程管理系统可实时获取和核实开门人员权限情况。

基于二维和三维图像融合的人脸识别门禁系统，不仅极大提升了人脸识别的可靠性和安全性，还很好地保证了柜体表面外漏物(机柜外部无任何可拆卸单元)和空间缝隙最少，做到了更好的防尘和防盗；机柜外部无任何可拆卸单元，也保证了柜体的整体性。

4 远程运维系统

为了便于远程监控和维护，智能控制柜内布设有摄像头和摄像头角度调节机构。柜体由多层长方体结构组成，每层摄像头数量根据所需监测设备的多少或复杂程度进行设置。同时，远程控制中心可调节摄像头角度，使监控对象处于摄像头视场中央，监控柜体内部线路、柜体内部设备工作状态等。柜体内局部摄像头布置如图4所示，可在柜体内：① 每层长方体的对角上布设4个摄像头(见图4a);② 每个长方体的棱角上布设8个摄像头(见图4b);③ 每个长方体上边线中点处布设8个摄像头(见图4c)。当柜门正常打开后，柜内设备照明自动开启(也可远程操控打开)，各个摄像头实时采集柜体内的线路、设备工作状态、柜门打开时的图像信息等，专家可实时查看柜体内设备运行情况并及时进行远程维护，还可通过视频、音频来远程指导现场操作人员进行维修。因此，大部分故障由远程或现场操作员即可解决，大大减少了专家到现场的次数，降低了维护费用，真正实现了“前端智能采集+后台大数据集中管理”模式及7×24 h实时监控前端一体化机柜运行，准确掌握设备、环境运行状态。

a)布设①

b)布设②

c)布设③

5 结论

针对当前治超控制柜运维管理不便、易盗易损以及市电异常情况下供电时间有限等缺陷，对治超控制柜各子系统进行综合研究，设计了一种集安全防护、环境监测、智能运维等功能为一体的不停车治超造题智能控制柜，具有如下特点：

1) 通过两个逆变器、区分一次下电和二次下电，提供了一种新型的逆变器冗余供电系统，实现单个逆变器出现故障时不影响生产设备正常运行，并通过对主要设备和次要设备供优先级电划分，保证了关键设备长时间运行。

2) 基于三维和二维图像融合的人脸识别门禁模块，极大地提升了人脸识别可靠性和安全性；同时人脸识别门锁还能够自动更新人脸模板，不受时间和跨度的影响，鲁棒性更强。柜体表面没有任何外漏物(机柜外部无任何可拆卸单元)，更好地保证了柜体的整体性和防盗性。

3) 通过柜体内部布设的摄像头和摄像头角度调节机构，实现了远程查看和操控柜体内设备运行，保证柜体出现故障时能够及时恢复工作，大大减少了到现场维修次数，降低了维护难度和成本，为智能控制柜系统持续稳定运行提供了重要保障。