鸿蒙系统替代交通隧道内PLC系统的可行性研究

李潇阳

（华设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210014）

1 概述

交通隧道工控系统大部分市场被国外PLC 品牌占领，PLC 生态体系封闭，不同PLC 品牌的硬件体系与指令系统不同，运维人员对隧道外场PLC 设备进行维护调试时常被接口对应不上、底层设备调试困难等问题所困扰。

鸿蒙系统替代PLC 系统的主要实现路径是通过隧道外场设置智能物联网关控制器，向上实现隧道机电数据采集，向下完成机电设备的联动控制。隧道外场采集汇聚的底层数据依托鸿蒙分布式部署的能力，为隧道管理中心的数据导入提供统一标准，让不同设备之间的数据可以从底层进行互通。

鸿蒙系统基于“国产开源鸿蒙操作系统（鸿蒙控制平台）+国产芯片方案（鸿蒙控制器）”实现国产自主可控，以“云—边—端”协同的方式，实现各类机电设备接入，无须为统一的协议而大面积改造设备；同时，能高效精准地完成对机电设备状态的监控、联动控制，并提供了设备间的物联互联能力。

相比于PLC 系统，鸿蒙系统主要具有以下优势。

第一，鸿蒙控制器本身可扩展各类接口（RJ45 接口、数字量/模拟量接口、RS485/232 接口等），因此无须对隧道外场机电设备进行改造，外场设备可按原有方式接入组网，鸿蒙控制器通过统一的MQTT 协议进行数据上传。第二，传统隧道机电设备终端大多没有处理能力或处理能力弱，设备间无法互联，通过鸿蒙控制器可实现机电设备在线化，为管理部门提供智能化巡检服务。第三，传统隧道机电设备间缺乏数据交互，协同能力弱，鸿蒙控制器支持通过多设备协同的方式实现设备间近场直连，对设备进行统一管控，实现各类预案的自动化处理。第四，相比于传统PLC，鸿蒙控制器的边缘计算系统支持多种升级方式，后续可持续扩展周边机电设备智能化，拓展更多场景下的设备协同服务。

2 研究目标

本文主要探讨交通隧道场景下，鸿蒙系统如何实现传统PLC 系统的国产化功能替代，从鸿蒙控制器功能需求、鸿蒙控制平台功能需求、隧道控制场景需求等方面来分析鸿蒙系统如何全面替代PLC 系统。

从隧道机电的联动控制需求而言，完整鸿蒙控制系统需要包括边端鸿蒙控制器（含配套鸿蒙边缘计算平台软件）及鸿蒙控制平台构成。

3 鸿蒙技术底座

开源鸿蒙（OpenHarmony）整体遵从分层设计，从下向上依次为：内核层（Linux 内核或者LiteOS）、系统服务层（服务子系统集）、框架层和应用层（多语言程序框架）。系统功能按照“系统＞子系统＞组件”逐级展开，在多设备部署场景下，支持根据实际需求裁剪某些非必要的组件[1]。

4 鸿蒙控制平台

鸿蒙控制平台基于鸿蒙底层开发，需实现设备接入、设备管理、设备远程升级等主要功能，具体如图1所示。

图1 鸿蒙控制平台功能架构示意图

4.1 设备接入功能需求

隧道外场机电设备若具备IP 通信能力，则可直接接入鸿蒙控制平台，也可通过有线方式接入鸿蒙控制器汇聚后与鸿蒙控制平台进行通信。

隧道外场机电设备若不具备IP 通信能力或无法直接连接平台，则需要先通过控制电缆或无线通信方式接入鸿蒙控制器，经由鸿蒙控制器内置物联网关和鸿蒙控制平台进行通信，具体如图2 所示。

图2 鸿蒙控制系统设备接入示意图

隧道外场机电设备接入控制器后，用户还需在鸿蒙控制平台进行设备注册，获取设备的ProductSecret和ProductKey 烧录到设备里；设备注册完成后，生成设备三元组信息并创建MQTT 安全连接认证。

4.2 设备管理功能需求

鸿蒙控制平台需要提供相关设备管理功能，包括产品管理、指令管理、场景管理等功能。

产品管理：用于对产品进行数字化的描述，定义产品的属性、服务和事件。指令管理：鸿蒙控制平台可对设备的联动规则进行设置管理，在满足指令的触发条件时，设备可根据设定的指令来进行相应动作。场景管理：鸿蒙控制平台可以通过创建场景实现对一个或多个设备的手动控制或指定条件下自动联动控制，也可以修改场景下的设备控制和指令执行条件。

4.3 数据管理功能需求

鸿蒙控制平台需要提供基础的数据加密与数据清洗服务。

数据加密：基于安全考虑，需要对于数据进行加密后存储，未经授权访问的用户均无法读取数据。数据加密后，需要密钥对其进行解密，以保护数据免遭未经授权的访问或使用。

数据清洗：隧道外场设备实时产生海量数据，为减轻平台的存储与处理负荷，还需要对数据进行提纯、分级、降维等清洗处理。

4.4 设备运维功能需求

鸿蒙控制平台需要提供对隧道外场设备的监控和运维能力。

远程调试：支持鸿蒙控制平台下发指令给设备，控制设备端功能。远程配置：支持通过网络服务远程登录，对设备进行管理。OTA 升级：支持鸿蒙控制平台对设备固件的管理和升级。监控告警：支持对设备状态进行实时监控和报警。设备模拟：支持平台使用模拟设备与鸿蒙控制平台建立连接通信，使用模拟数据，验证平台与设备端之间的通信功能。日志服务：支持鸿蒙控制平台调用云端运行日志和设备本地日志服务。

5 鸿蒙控制器

作为工业级智能边缘计算设备，基于鸿蒙系统开发的鸿蒙控制器用于实现隧道内传统PLC 区域控制器的各类功能，无须对隧道外场机电设备进行改造，外场设备可按原有方式接入组网；同时，通过鸿蒙控制器就近连接隧道机电设备，可将传统机电升级改造成具备智能控制、安全通信能力的智能设备，并直接与鸿蒙控制平台对接。作为边缘智能控制设备，鸿蒙控制器需要实现安全管理、连接管理、应用管理等主要功能，具体如图3 所示。

图3 鸿蒙控制器功能架构示意图

5.1 安全管理功能需求

传输安全：鸿蒙控制器需要支持数据传输加密安全，支持主流的安全加密协议，支持数据完整性校验。

准入安全：鸿蒙控制器需要支持多种安全准入认证，具备如802.1X 协议认证能力，接入数字证书认证能力。

设备安全：鸿蒙控制器需要支持安全加固，可根据业务需求及时发现问题并调整安全策略。

5.2 连接管理功能需求

鸿蒙控制器提供SDK 套件，使设备能够接入鸿蒙控制平台，并对设备进行连接和控制管理。鸿蒙控制器支持通过鸿蒙控制平台进行软件升级管理，并支持平台批量升级[2]。

5.3 应用管理功能需求

配置管理：鸿蒙控制器需要支持业务基本配置、设备信息配置、通信接口配置、安全配置等必要的配置管理。

设备管理：鸿蒙控制器需要支持监测当前连接设备的状态，并上传数据到鸿蒙控制平台。

故障管理：鸿蒙控制器需要提供设备状态监控、分析和预警功能，实时诊断硬件或软件故障、告警显示和记录功能，并给出故障所在位置。

日志管理：鸿蒙控制器需要对所有的配置操作、用户登录、事件告警等进行详细的日志记录，包括时间、操作类型、结果等。

故障恢复：一旦出现重大故障，鸿蒙控制器应能自动重启且重启时输出状态保持，同时产生故障告警信息，最大限度地降低业务损失。

5.4 设备物理特性需求

计算能力：鸿蒙控制器作为边缘计算设备，需要一定的计算能力，建议处理器采用工业级ARM Cortex-M 32 位以上的国产化芯片。

存储能力：鸿蒙控制器作为边缘计算设备，在管理中心通信故障时，也能按预案执行相应指令，因此需要一定的存储能力。依据试点项目经验，建议片内RAM≥192kB；片 内FLASH≥1024kB；外 扩FLASH≥16MB。

通信能力：近几年，国内长大交通隧道逐渐实现5G 民用通信覆盖，部分隧道也独立建设了用于管养的无线局域网络，鸿蒙控制器除了满足基础以太网通信的RJ45 接口外，还需要满足外挂Wi-Fi 与5G 模块的需求。

接入能力：为满足替代PLC 系统的设备接入，鸿蒙控制器需要支持各类机电设备接口模块的灵活扩展，包括但不限于DO 继电器输出、DI 数字输入、AI 模拟量输入、串行端口（RS485/232）等。

防护能力：鸿蒙控制器的应用场景主要在隧道外场，考虑隧道机电系统联动的可靠性与稳定性，鸿蒙控制器应满足与PLC 同等工业级的防护需求。建议的防护能力包括但不限于MTBF≥50000h；工作温度为-40～70℃；工作湿度为5%～95%（无凝结）；双路冗余电源供电；防水防尘等级为IP65 等。

6 鸿蒙适用场景分析

传统交通隧道内PLC 主要控制监控、照明、通风、排水等几大类场景，由于鸿蒙控制器本身可扩展各类接口（RJ45 接口、数字量/模拟量接口、RS485/232 接口等），外场设备可按原有方式接入鸿蒙控制器，因此鸿蒙控制器理论上可以替代隧道内PLC 系统控制的大部分场景[3]。

隧道监控场景可接入设备类型：

车道指示器，接口类型为开关量接口、RS485 接口；可变情报板，接口类型为RJ45 接口、RS485 接口；可变限速标志，接口类型为RJ45 接口、RS485 接口；交通诱导灯，接口类型为开关量接口、RS485 接口；防火门控制器，接口类型为开关量接口、RS485 接口；电梯控制器，接口类型为开关量接口、RS485 接口。

隧道照明场景可接入设备类型：

功能性照明控制器，接口类型为RJ45 接口、RS485 接口；景观照明控制器，接口类型为RJ45 接口、RS485 接口；亮度检测器，接口类型为RJ45 接口、RS485 接口、模拟量接口。

隧道通风场景可接入设备类型：

非消防专用射流风机，接口类型为开关量/模拟量接口、RS485 接口；非消防专用轴流风机，接口类型为开关量/模拟量接口、RS485 接口；附属用房空调系统，接口类型为RJ45 接口、RS485 接口；电动风阀，接口类型为开关量接口、RS485 接口；空气净化系统，接口类型为RJ45 接口、RS485 接口；各类环境检测器，接口类型为RJ45 接口、RS485 接口、模拟量接口。

隧道排水场景可接入设备类型：

雨/废水泵，接口类型为开关量/模拟量接口、RS485 接口；加压泵，接口类型为开关量/模拟量接口、RS485 接口；干池泵，接口类型为开关量/模拟量接口、RS485 接口；液位检测器，接口类型为RS485 接口、模拟量接口。

7 结语

鸿蒙控制系统在隧道交通管控、环境调节、运维管理等各种使用场景中，可实现隧道机电设备智能互联、集中管控、绿色节能、安全可控等功能，作为工业级智能边缘计算设备，通过鸿蒙控制器就近连接隧道机电设备，可将传统机电升级改造为具备智能控制、安全通信能力的智能设备，并直接与鸿蒙控制平台对接。

同时，鸿蒙开发支持JS、Java 和C++等更为通用的语言，相比于PLC 组态软件平台，鸿蒙控制系统支持多种升级方式，可持续提升隧道机电设备的智能化水平，与更多场景下的设备协同服务。