高速公路物联网平台设计与应用

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摘要：本文梳理了湖南省高速公路运营期信息化发展现状，介绍了湖南省高速公路物联网平台的总体架构、业务架构、技术架构以及主要研发内容，以实现湖南省海量高速公路物联网应用设备的统一接入与管理，实时数据亿级高并犮传输、存储与分发，粘结上层智慧应用，助推湖南省高速公路信息化建设更上一个台阶。湖南省高速公路物联网平台在湖南省高速公路桥隧坡的安全监测及数字化管养平台中得到了充分验证，架构合理，技术先进，效果良好。

关键词：异构感知；物联网平台；桥隧坡管养

目前，基于物联网技术的高速公路信息化应用系统的运行流程为：通过与物联网设备连接，将采集到的数据传输至数据中心服务器，再根据业务应用需求开发相应的数据维护、展示与统计功能。这种系统架构在局部领域运行良好，但是从提升高速公路信息化建设整体水平来看，这些独立的业务信息化架构存在以下问题：各业务系统根据各自的业务需求，局限地只跟所关联的设备打交道；各个业务系统分属不同的系统集成开发商，各自开发关键的设备连接管理组件，存在重复开发、重复投资的现象，而且水平各异，没有实现抽象整合与复用；设备数据的交换与共享通过业务系统的数据共享接口来实现，增加了数据的传输与转换链路，不利于数据的快速获取，信息的原始性、真实性也难以保证。目前的高速公路物联网应用技术架构无法满足湖南省高速公路信息化应用发展需求，打造基于湖南省统一的高速公路物联网平台的高效、绿色、平安、智慧的高速公路势在必行。

一、高速公路物联网平台架构

（一）总体架构结合传统物联网应用的3层架构，增加物联网平台层，高速公路物联网应用的总体架构分为以下4个层次，如图1所示。感知层：主要为智能的物联网传感器、监测器、检测器以及摄像机等设备。例如通过监控设备可以在线实时获取高速公路网络状态、基础设施设备健康状态、道路运行状态以及外部环境状态等信息，如表所示。网络层：网络传输层主要分为接入网和核心网两大类。接入网负责和感知网进行联系，将感知网的数据传输到核心网中，所以接入网应该包含更多的接入方式以达到兼容，主要分为无线接入网和有线接入网。核心网负责快速传递数据和信息。平台层：主要包括物联网网关和物联网管理云平台两部分，负责所有设备的快速接入、设备数据的传输与同步、设备的可视化远程管理、上层应用接入平台以及其他辅助的安全保证策略与平台、业务辅助分析平台等。物联网设备和应用程序之间需由物联网平台建立互联互通的桥梁，不仅可以便捷地对物联网设备进行集中管理和控制，而且可以缩短产品物联网化的开发周期。应用层：接入平台层的业务对应的设备数据，支撑高速公路智慧化应用的挖掘，根据不同的业务需求研发对应的业务系统，实现平台层的价值最大化。

（二）业务架构湖南省高速＾＞路联网管理一般采用如下3级管理体制。第一级：省级控制中心。第二级：管理处分中心，设在各管理处内。第三级：还贷性路段桥隧管理所／经营性路段分中心，根据隧道级别及路段具体情况设a。根据高速公路实际管理情况，高速公路物联网平台同样可以设置成分级管理，分为一级平台（省级控制中心）、二级平台（管理处分中心）以及三级平台（路段分中心／桥隧管理所），同时也可以满足单个层次一个中心的集中管理模式。各级物理网平台都具备物（包括设备、系统、云平台以及第三方平台）的接入能力、物联网管理云平台的能力，同时根据物联网平台所在的级别规则实现向与上级物联网平台的数据同步与协调控制的功能，具体业务架构如图2所示。

（三）技术架构从上文的描述中可以看出高速公路物联网平台的定位：高速公路物联网平台处于感知层与应用层之间，连接物联网应用设备与上层应用，与各种异构设备进行双向通信获取同步数据，传递指令，同时提供开放的API应用服务接口，便于上层应用系统灵活快速接入，起到承上启下的作用，是高速公路物联网应用的“战略要塞”与“咽喉之地”。高速公路物联网平台的实现技术架构如图3所示。

二、主要研发内容

（一＞基础设施标准管理平台（IMP）基础设施标准管理平台（InfrastructureManagerPlatform，IMP）是指物联网平台中进行设备接入、双向通信、设备管理、数据安全控制等方面的管理与控制需规定的数据格式、语义规范以及传输协议等内容。IMP是物联网平台中其他应用平台的基础支撑，是实现标准的数据采集、传输、存储与分析的基石。

（二）物接入通信平台（CMP）在高速公路机电设备领域，需要连接的设备成千上万，设备的类型千差万别，组网模式形态与标准各异，异构性比较明显是急需解决的关键问题。CMP主要研究设备的快速接入、数据的封装与转发、指令的接收与响应，是现实设备与物联网管理云平台直接连接的中间平台，需要满足快接入、高稳定可用、高并发、高容量、高兼容等指标要求，具有以下特点。1、兼容包括标准协议以及自定义协议，如MQTT、CoAP、MODBUS、HTTP、TCP、RGMP等多种协议，开发并不断丰富Agent库。2、兼容2／3．／4G、NB－IoT、LoRa等各种异构通信网络，处理复杂多变的网络结构。3、物联网网关（IoT－Hub）作为设备和云平台之间的连接桥梁，具备高并发、高可用、高性能、弹性可伸缩等特点，支持上亿设备的快速接入与操作控制。

（三）物解析管理平台（PMP）PMP负责对消息内容的解析服务，包括快速完成各种设备数据协议的解析，将设备上传的原始数据解析成可分析、可洞察的标准数据。本平台管理的对象为设备与云平台之间传递的消息，包括消息路由、消息解析以及消息的存储与转发等研究内容。通过本平台可以实现简单快速地通过物解析服务，在云端解析和计算各种设备中的数据。本平台的主要研究内容如下。1、消息路由机制。根据不同的设备传递的消息类型、主题以及优先级，预设通配符，映射定义对应的消息处理者，实现消息与消息处理者的动态关联。2、消息解析模块。该模块为本平台的核心模块，主要负责对消息内容的解析。比如对于设备采集并传输上来的不同协议（MQTT、CoAP、MODBUS、HTTP、TCP、RGMP等）的原始数据，根据配置的设备数据模型将其解析成能理解、能分析、能存储的语义化的数据格式。3、消息存储与转发。实现消息解析后数据的存储，需满足大数据存储的各项技术要求，消息存储借助于大数据分布式存储技术，本平台不对具体的实现解决方式进行研究与开发，只考虑兼容主流的已有的消息存储中间件。

（四）设备管理平台（DMP）DMP是对需接入的设备通过后端控制台进行集中可视化管理的平台，提供完整的设备生命周期管理功能，支持设备注册、功能定义、远程配置、远程维护、实时监控、分组管理、设备删除。

（五）数据分析平台（DAP＞设备数据（设备本身数据以及设备采集的数据）存储在数据中心，DAP利用大数据统计分析算法，通过可视化图表、空间可视化等工具将物联网平台中存储的数据宏观展示出来，同时也提供设备历史数据查询功能，比如设备概况统计（接入数、在线率、在线数、故障数等）、API调用统计、数据簇情况（数据接入量、数据解析成功／失畋率）等。

（六）应用使能平台（AEP）AEP是为上级业务应用提供支撑的帮助平台，方便应用程序快速具备物联网应用的能力，缩短开发周期及降低开发成本。应用使能平台是一种以技术为中心的产品，具备生态持续性，以与行业无关的可扩展的中间件为核心，采用微服务框架，实现服务的自动注册、负载均衡、限流和熔断等功能，提升服务的高可用性与可伸缩性，主要包括以下内容。1、开放的API接口体系。平台提供开放的API接口，用户可以通过HTTP／HTTPS调用进行设备管理、数据查询、设备命令交互等操作，在API的基础上，根据自己的个性化需求搭建上层应用。2、主流语言版本的SDK。针对不同的应用程序开发语义，提供封装好的应用接口访问的开发组件，使不同的语言开发者能快速调用物联网平台提供的接口服务，缩短开发周期，提升应用程序性能。

（七）安全认证平台（SAP）SAP提供多重防护保障设备云端安全，提供用户资源访问安全认证机制，提供产品级以及设备级的不同粒度的秘钥，并支持用户自定义秘钥访问权限，以最大限度保证用户设备及应用层接入的安全性。提供统一的鉴权中心，提供灵活多变的鉴权方式，为每个设备颁发唯一证书，提供TLS以及DTLS（适用于CoAP）加密通道，保证用户数据的传输安全。

三、应用情况

由于湖南省交通科学研究院在桥隧坡交通安全状态监测技术与设备领域积累了较为丰富的技术、设备成果和工程化、产业化经验，基于本文提出的全省统一的高速公路物联网平台的全新架构，我院对已有的相关系统和设备全面升级重构，组织研发了湖南省高速公路桥隧坡的安全监测及数字化管养平台，接入了全省10座大型桥梁、5座特长隧道、6个高边坡共1662个物联网设备，实现了对湖南省高速公路重大基础设施的实时监测、安全预警和科学运管。基于本文中的高速公路物联网平台，屏蔽设备接入与数据采集等异构环节，专注桥隧坡的安全监测及数字化管养的业务应用，大大提高了系统开发效率和系统的稳定行、健壮性。

四、结束语

在建设交通强国的重大战略及物联网技术发展等多重因素驱动下，结合湖南省高速公路机电信息化应用架构中出现的新问题和新需求，本文提出建设一套湖南省统一的高速公路物联网平台，为物联网应用和物联网设备之间搭建高效、稳定、安全的应用平台，起到设备与上层应用互联互通的中间桥梁作用，打通各种类型的设备，屏蔽设备的差异性，快速接入设备，为上层应用提供统一、规范的设备数据接入服务，让上层应用专注于业务处理，不过多关注设备的实现细节，大大降低开发成本，提升开发效率，缩短开发周期，方便高速公路运营管理方快速集成业务系统，实现集成统一的运营管理平台，使高速公路运营管理更加高效智能，从而更大程度提升湖南省高速公路整体的信息化水平，助力湖南省智慧高速公路的建设。本文的研究内容已在湖南省高速公路的桥隧坡安全管养领域得到应用与验证，取得了良好的应用效果。在后续的工作中，将持续优化完善高速公路物联网平台，加大推广。

参考文献

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作者：廖飞 单位：湖南省交通科学研究院有限公司