基于开源鸿蒙的云边协同智慧隧道解决方案

基于开源鸿蒙的云边协同智慧隧道解决方案

· 拓维信息系统股份有限公司

1　目标和概述

1.1　行业挑战

  飞速发展的基建建设，给公路隧道运营安全管理工作带来了巨大的压力和严峻的挑战。伴随着我国公路隧 道建设的逐年推进和公路运力需求的快速增加，国家相 关部门提出推进智慧隧道基础设施建设，逐步实现我国 公路隧道智能化、信息化、集成化、绿色节能化是智慧 交通发展的关键。

作为公路路网中监管难度最高的路段，隧道是公路 场景中最为难啃的“黑盒子”。繁杂的机电设备加上特 殊的环境因素，要实现传统隧道的数字化转型升级，推 动先进信息技术对隧道基础设施建设的赋能，当前还面 临着多个难题亟待解决：

（1）数据烟囱丛生，各设备之间难“沟通”，大 量硬件设备铺设感而不知

隧道场景中的设备极其复杂，面临着设备接口不 一、软件协议不一等问题；虽然有照明、标示指示灯、 监控、烟感、雾感等设备，但是无法做到数据实时监 测、回传以及远程控制设备。设备与设备之间产生的数 据不能互联、互通，难以支撑设备之间的智慧调控。

（2）状态感知缺失，难以掌握实时详情

隧道机电系统中设备种类众多，多数通过传统的 PLC架构实现对单一设备的控制，对机电设备状态的实 时感知却无能为力。设备状态无法实时掌握，使得隧道 内的设备隐患发现难、解决难，甚至影响对隧道内车辆 运行状态、异常事件的实时掌握与管控。

（3）设备部署复杂，智慧升级难以进行

传统隧道设备大小不一、规格不一、功能不一，使 得隧道设备智能化成本高、难度大。

（4）业务协同依赖线下组织完成

通过线下电话或人工巡检方式获取事件报警信息、 事件通知和完成处置，高度依赖现场人员的专业程度。

1.2　方案目标

以全栈国产自主可控助推交通数字化基建，助力公 路隧道智能化、信息化、集成化、绿色节能化发展，将 开源鸿蒙新技术作为抓手，结合物联网、边缘计算、AI 人工智能和大数据等其他新技术，基于“云-网-边-端” 架构，建设智慧隧道一体化综合管控平台，围绕安全保 障、设备运维管控、应急调度指挥、低碳节能等需求， 发挥云端资源优势和边缘端灵活性的特点，构建隧道业 务云端下发、边缘快速部署和终端设备标准化接入能 力，实现隧道全要素的实时感知、全设备的快速接入与 管控、各业务系统的统一部署和维护、单体隧道的快速 个性化接入和多级集中管控，全面提升隧道的安全性、 便捷性和智能化水平，用数字驱动打造“安全、高效、 绿色、创新”的智慧交通示范样板。夯实“开源鸿蒙+ 鲲鹏+昇腾AI”等国产技术基座，不断融合大数据、边 缘计算、物联网等技术能力，以全栈国产自主可控助推 交通“新基建”。同时聚合上下游产业链生态聚集，开 放共享、能力共建，共创全场景智慧交通新生态，支撑 交通强国和国家综合立体交通网建设。

1.3　方案概述

以智慧隧道自主可控、综合管控为导向，结合开源 鸿蒙操作系统的技术优势，利用云边端协同架构模式， 全面提升公路隧道低碳节能、设备管控、应急指挥、运 维运营等综合业务能力和开展场景试点。针对隧道智能 化建设难题，基于兆瀚昇腾AI服务器，以云网边端协同技术架构打造一套智慧隧道全要素融合的创新方案。方 案通过在隧道系统中深入运用开源鸿蒙、AI、边缘计 算、物联网等新型信息技术，从操作系统和国产计算基 础设施出发构建一个“全联接、全感知、全智能”的数 字隧道世界。

（1）全联接：破解隧道设备边界

隧道场景中的设备极其复杂，面临着设备接口不 一、软件协议不一等难题。创新方案借助开源鸿蒙这一 技术赋能，对隧道智能照明设备、通风设备、指示标示 设备、监控设备、检测设备和消防设备共6大类机电类 设备进行数字化升级，依托操作系统中分布式软总线、 设备虚拟化等技术加持，打破信息孤岛。同时还打通所 有隧道设备之间的“边界”，实现隧道设备的智联协 同，以伴随式数据采集赋能创新业务应用。

（2）全智能：构建隧道“超级终端”

传统隧道设备大小不一、规格不一、功能不一，使 得隧道设备智能化成本高、难度大。创新方案以开源鸿 蒙这一国产操作系统为基础，得益于其采用的组件弹性 化设计，能够针对隧道不同设备“剪裁”出不同大小、 功能的操作系统；同时还在不断推动适配各类芯片、模 组，全面降低硬件智能化成本和准入门槛。设备智能化 升级后，开源鸿蒙的分布式软总线技术能在操作系统层 面实现所有隧道设备的统一调度以及传感器协同使用， 打造一套隧道“超级终端”，让隧道设备运营更便捷、 更安全、更环保。例如：隧道照明设备能够通过“超级 终端”体系内的光线感应、车辆感应等，及时调整进出 时的灯光亮度，降低“黑、白洞”效应的影响，同时还 能根据隧道内实时车辆情况，合理调节灯光亮度，按需 照明、节能减排，实现隧道整体的“低碳化”运营。

（3）全感知：慧眼所达，全息全知

作为交通场景中的“黑盒子”，隧道往往面临着 实时监控受限的问题。针对这一现状，创新方案深度融 合“数字视网膜平台”能力，可以在不更换现有监控终 端的情况下，构建一套“端边云协同”视觉计算架构， 通过边缘AI一体机，对隧道拥堵、火灾、交通事故、抛 洒物等隧道事件进行实时识别，实现事件有效视频智能 提取和AI流量卸载处理，并通过视频编码、特征编码 以及联合优化处理，将分析结果“零时差”地推送至拓 维·寻木物联网平台进行告警及相应的处置流程，做到 发现早、定位准、响应快，实现隧道监控的全息全知。

（4）全高效：国产底座算力支撑

基于兆瀚昇腾AI服务器打造的智慧隧道创新解决 方案，拥有强大的AI计算、AI推理能力。服务器支持 不同场景的差异化算力需求，广泛应用于中心侧AI推理 场景，具有超强的计算性能、低能耗、易于部署维护和 支持云边协同等特点。

2　方案介绍

云-边-端总体方案架构如图1所示。

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图1 云-边-端总体方案架构图

基于开源鸿蒙技术的智慧隧道解决方案是以“云边 端”协同为核心思路，以国产化计算能力和开源鸿蒙操 作系统为底座，充分融合边缘计算、物联网、AI和云计 算的技术优势，构建一个能力开放、立体感知、敏捷部 署、全域协同和持续进化的隧道智慧感知和一体化管控 系统。云边协同解决方案涵盖了“云边端”的全联接服 务，由端层、边缘层、云层三个部分组成。

2.1　端层

通过对端侧部分设备进行鸿蒙化改造和适配，构建 统一通信接入标准，实现设备的快速接入和互联互通。 非鸿蒙化设备也可通过拓维·寻木物联网平台提供的多 协议、多网络、多模式接入能力，进行设备快速连接至 边缘侧，全面感知隧道内的运行状态、气候环境、设备 运行状态等全域数据，汇集至边缘一体机。

2.2　边缘层

边缘侧是依托国产鲲鹏服务器，提供算力支撑和应 用部署的软硬件环境。边缘一体机汇集端侧全量数据，通过搭载拓维·建木边缘计算管理平台接收云端下发的 业务应用，结合自身的设备接入、数据处理、边缘计 算、特征识别等能力，实现设备管控、事件识别和低碳 节能等隧道业务流转，并将业务数据按照分层分级规范 上传至云端。

网络层面支持隧道专网、互联网、Wi-Fi、VPN专 网等多种网络连接模式，依据项目实施现场实际情况进 行因地制宜的网络选择，以节约利旧为基本原则，实现 传输通信的安全、稳定、高效。

基于边缘AI融合拓维·建木边缘计算平台技术， 集设备接入、数据处理、边缘计算、特征解析和流量 卸载等多功能于一体的隧道边缘智能终端——边缘AI 一体机，拥有充沛的计算能力，也是达成云边端协同 的核心载体。通过一体机来实现对端侧设备的快速接 入，并对产生的视频数据、图片数据、业务数据进行 实时处理、分析和传输。形成智慧隧道一体化机柜产 品，支撑未来一隧道一机柜复制，提高智慧隧道接入 实施效率，降低成本。

2.3　云层

云控平台是整个系统的中枢核心，包括省中心平 台、桥隧所平台以及能力支撑平台。省中心平台通过对 隧道业务系统产生的数据进行分析，支撑决策。桥隧所 平台进行业务系统的实际承载和应用，依托能力支撑平 台的IOT物联能力、边缘计算能力和AI智能处理能力， 具备设备物联管控、业务应用的灵活编排、数据智能分 析挖掘和算法模型训练推送等功能，实现隧道快速进行 业务能力构建和个性化配置，形成能力共享、标准统 一、全栈协同的一体化平台。

智慧隧道云控平台建设为“1+1+5”，包括：1个 智能运营中心IOC、1个能力支撑平台、5个业务应用。

（1）智能运营中心IOC

智能运营中心IOC是面向集团层面，从运营与安全的 角度全面提供数据统计分析，对多维数据进行关联分析与 挖掘，利用可视化进行呈现，支持集团领导科学决策。

（2）能力支撑平台

能力支撑平台包括IOT物联模块、边缘计算模块、 智能处理模块和开源鸿蒙应用枢纽。其中IOT物联模块 实现对端侧设备的接入管控和数据协同；边缘计算模块 实现对隧道边缘一体机的资源调度和业务协同；智能 处理模块是对数据的分析和模型训练下发，实现算力协 同；鸿蒙枢纽实现对鸿蒙设备的统一管控赋能。四者综 合支撑业务应用和云边端协同。

（3）智慧应用

智慧应用包括节能降耗、能效监测、车辆车行 监控、电力监控、设备管理等。其中应用市场系统是 在云端使用，其余以软件包形式部署于云控平台。集 团用户通过应用市场将各类隧道业务应用系统进行封 装和上架，可直接从云端下发应用到隧道边缘节点启 动，实现隧道业务应用的快速部署、个性化适配以及 统一运维。

3　代表性及推广价值

3.1　方案亮点

（1）各类机电设备物联：可通过机电一体化物联 平台，将路段所有鸿蒙化设备、PLC设备和其他普通设 备等各类机电化设备进行连接。提供标准化接口协议， 实现全业务流水数据的采集与接入，并在云端部署统一 的设备/应用监控、日志采集等运维能力，提供完整的 边缘和云协同的一体化服务能力。

（2）边缘一体，云边协同：利用边缘计算+AI+边 缘物联的组合，支持百万级边缘节点接入、千万级并 发，具备云边协同、边边协同、边端协同能力。基于 AIoT的多接入边缘计算技术，实现大量多源异构设备 接入管控；基于视觉识别的数字视网膜，边缘AI一体机 接收边缘云下发的视频识别、节能优化、自动控制等算 法模型，实现灵活的创新应用和对各种异常事件的及时 预警和快速处置。基于云边协同的新一代智慧控制网， 建立统一化管理平台，实现全方位远程监控、平台业务 统一管理以及数字化运维。

（3）国产自主可控：将ARM架构的鲲鹏处理器和 华为昇腾AI图形处理芯片、SSD控制器芯片、智能网卡 芯片、智能管理芯片等国产自主可控芯片以及拓维信息 自主研发的拓维信息·梧桐云原生平台操作系统、IOT、 视频/图片处理算法等软件产品有机集成在一起，形成 具备超高算力和边缘智能AI一体机。边缘AI一体机满 足新的算力需求，可以在极致空间内提供更高性能、更 高扩展性的边缘计算和AI推理能力，来打造全栈国产自 主可控智慧交通系统。

（4）快速部署，开箱即用：形成智慧隧道一体化机柜产品，云端统一调度和管控，支撑未来一隧道一机 柜复制，大幅降低了实施难度和技术门槛，提高智慧隧 道接入实施效率，降低成本。实现单体隧道的快速个性 化接入和多级集中管控，全面提升隧道的安全性、便捷 性和智能化水平。

（5）海量视频图片高效处理和AI流量卸载：图片 的智能压缩可以实现为满足行业应用中在百亿级别图片 中快速查询提供基础，也将降低图片传输的带宽需求， 从而降低接入网网络投资成本。图片压缩流量卸载子 系统将具备对图片压缩20-50倍的能力，千万张级别的 图片文件数据量规模经图片压缩流量卸载处理后，存 储空间大约占TB级别，网络带宽需求也将为压缩前的 1/20-1/50。实现事件的有效视频智能提取和AI流量卸 载处理，通过视频编码、特征编码以及联合优化处理， 将分析结果“零时差”推送至云平台进行告警及相应的 处置流程，做到发现早、定位准、响应快，实现隧道监 控的全息全知。

（6）事件识别算法：通过构建算法引擎，建立高 速路段和隧道异常事件模型。对隧道拥堵、火灾、交通 事故、抛洒物等隧道事件进行实时识别，利用图片AI增强识别能力，构建事件识别算法，实现在边缘侧实时识 别异常事件。

3.2　推广价值

（1）应用示范效应

· 高精尖平台孵化：研制开发基于昇腾AI和开源鸿 蒙技术体系的智慧交通公共算力服务平台、边缘计算平 台、物联网平台、隧道综合运营管控平台。

· 国产自主可控技术发展：研发具有自主知识产权 的隧道鸿蒙化感知设备与超级终端，带动人工智能、智 能计算、开源鸿蒙智能终端产业及技术的发展。

· 实现智慧高速技术集成研究与应用创新：编制基 于鸿蒙与鲲鹏体系的高速公路智慧隧道行业标准1项，1 项发明专利，1-3项软件著作权，发表1-3篇学术论文。

· 人才培养：培养一批具备开源鸿蒙、昇腾AI、物 联网技术能力的高新技术人才。

· 全国标杆示范：打造全国开源鸿蒙+智慧隧道应用典 范，完善商务模式和技术体系，面向全国进行示范推广。

（2）商业价值

· 隧道建设：通过本项目建设，可实现隧道拓展的 快速部署接入，每公里隧道软件部署实施费用控制在5 万元以内，一体机费用控制在12万以内。整体解决方案 未来在隧道信息化业务拓展过程中，相比传统隧道信息 化项目建设，每公里节约成本在100-200万元，包括替 换原有区域控制设备成本、前端照明设备采购成本、软 件调试成本等。

· 低碳节能：通过鸿蒙化设备控制和节能策略，实 现隧道照明在广域尺度周期里成本降低、效益增大，践 行了绿色双碳节能国策方针，节约了参与主体投资运营 成本。试点环境下，智能化升级后将节约隧道用电能耗 20%以上，对于常态化车流量较小隧道节能降耗效益更 大。

· 管养运维：通过本项目建设，能够实现隧道基础 设施的数字化、智能化统一管控及智慧化感知，使管养 运维人员能够在中心平台感知机电设施运行状态，提升 隧道巡检的效能以及管养运维的效率，从而减少隧道运 维养护人员的巡检成本以及运维成本，进一步提升机电 设施的生命周期寿命。

· 基于拓维信息近20年的物联网技术沉淀，以及基于 边缘一体机物联网关构建的一体化高速机电设备联网感 知系统，实现对高速机电设备的一站式监控、管理与运 维，通过设备健康大数据分析，实现设备预防性维护， 减少设备故障发生率，使客户设备运维效率提升20％， 设备可靠性提升30％，大大降低了业主的运维成本。

（3）社会价值

本项目建设一方面可推动公路机电系统升级换代， 实现机电核心设备基础设施的安全可控，以及支撑业务 和基础设施的互联互通，推动开源鸿蒙产业开放可持续 的产业生态发展。一方面，将促进隧道行业的机电基础 设施基础数据归集，构建标准统一、信息全面、融合共 享的数据体系。推进智慧隧道运行管理数字化，通过数 字化提高隧道运行管理与服务能力。

另一方面有助于推动智慧交通行业数字化建设取得 显著效果，建设积极探索国产自主可控技术、人工智能 技术在交通领域的创新应用，促进智慧隧道在交通强国 方针政策下的新型信息技术的落地，能够提升隧道运营 管理过程中的监管与服务效能，提升对隧道安全与应急 的感知效率，从而促进高速公路运营管理单位工作更为 充分、高效，提升高速公路隧道通行效率和安全性，提 高高速公路服务民生的能力和水平，具有显著的社会效益。

来源 | 《自动化博览》2023年第2期暨《边缘计算2023专辑》｜注：本文仅用了学习交流，版权归原作者所有