滕書華，李利民，劉 鑫，龍 帆

(湖南省交通科學研究院有限公司，湖南 長沙 410015)

隨著國家對新基建政策支持力度不斷加大，全國各地開始大跨步建設智能交通系統(tǒng)。智能機柜是未來交通系統(tǒng)發(fā)展中一個重要節(jié)點。將先進的信息、數(shù)據(jù)通訊傳輸、強弱電監(jiān)控、電子傳感、控制及計算機技術有效集成運用于整個地面交通管理系統(tǒng)中，智能機柜在其中起到越來越重要的作用。

作為智能機柜的典型應用，治超控制柜是整個治超非現(xiàn)場執(zhí)法系統(tǒng)的控制中樞，它為UPS、工控機、動環(huán)監(jiān)測、空調、預留擴展端口等提供安全運行環(huán)境[1]，為治超系統(tǒng)各設備提供一體化系統(tǒng)集成收容及可靠供備電，負責各種傳感數(shù)據(jù)的接入、信息的處理、存儲及傳輸，是后臺服務連接前端各種現(xiàn)場設備的中樞系統(tǒng)。治超控制柜獨立安裝于路側，是一款能夠保障戶外安全、防雨、抗振、適應高低溫等各種復雜氣候環(huán)境的電子設備。它需要有良好的擴展能力和穩(wěn)定運行基礎[2]，進而實現(xiàn)高集成性、高可用性和強大處理能力。

目前治超控制柜還存在如下問題：

1)供電系統(tǒng)續(xù)航能力差。當前治超控制柜的供電系統(tǒng)，在市電停電、采用電池續(xù)航時，很難保證關鍵生產(chǎn)設備長時間工作。如何在停電的情況下，優(yōu)先保證主設備的供電是本領域技術人員亟待解決的問題。

2)門鎖安全隱患大。傳統(tǒng)的治超控制柜門鎖存在多種安全隱患，如門鎖縫隙大、防塵效果差，鑰匙太多、丟失、私配等問題，以及易盜易損壞。采用智能化手段解決門鎖的安全隱患也是需解決的問題之一。

3)柜體運維效率低[3]。當前，治超控制柜僅用于收集一些參數(shù)并發(fā)送給遠程管理模塊，不能實時監(jiān)控機柜環(huán)境及設備運行狀態(tài)，故障難以及時發(fā)現(xiàn)，很多時候需要專家到現(xiàn)場確認和解決，維護效率低、維護成本高[4]。

本文通過對治超控制柜各子系統(tǒng)的綜合研究，設計了一種新型不停車治超智能控制柜。它集安全防護、環(huán)境監(jiān)測、智能運維等功能為一體，解決了設備運維不便以及停電情況下系統(tǒng)供電時間短、安全性差、易盜易損等難題，降低了維護難度和成本，為治超控制柜系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運行提供重要保障。

1 不停車治超智能控制柜系統(tǒng)

根據(jù)功能需求，不停車智能控制柜由柜體、電源配給單元、高速動態(tài)稱重單元、高速動態(tài)寬高限測量單元、動環(huán)管控單元、視頻圖像處理單元、信息處理單元、通信交換單元等8個部分組成。柜體主要起支撐和保護作用;電源配給單元負責外部電源的輸入穩(wěn)壓，外部電源接口包括市電和發(fā)電機電源，具備交流配電單元、UPS電池單元、供電切換單元、電力監(jiān)測裝置，確保機柜24 h不間斷工作;高速動態(tài)稱重和高速動態(tài)寬高限測量是整個智能控制柜的核心單元，其完成治超業(yè)務中對車輛車型、軸型、軸重、重量、外廓等的測量，為執(zhí)法提供數(shù)據(jù)支撐；動環(huán)管控單元依托柜內多種傳感器和執(zhí)行器以及柜體配合，完成對柜內微環(huán)境的實時監(jiān)測和調整，同時提供電子門禁、權限管理、自檢等功能，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行；視頻圖像處理單元完成執(zhí)法檢測過程中的車輛圖像抓拍、執(zhí)法現(xiàn)場錄像、車輛牌照識別等功能;信息處理單元主要組成部分為高穩(wěn)定工控機，負責整個系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的緩存，提供算法運行平臺和系統(tǒng)算力;通信交換單元完成智能控制柜內部及整機對外數(shù)據(jù)的溝通，內部各模塊之間通過千兆以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交換，整個系統(tǒng)對外通過冗余光纖保證通信的速率和穩(wěn)定性。

不停車治超智能控制柜的內部網(wǎng)絡劃分為電源網(wǎng)、控制網(wǎng)和數(shù)據(jù)通信網(wǎng)。電源網(wǎng)主要進行智能控制柜電能的供給和分配；控制網(wǎng)主要完成各個子系統(tǒng)內部及傳感器與控制器之間的信息交互；數(shù)據(jù)通信網(wǎng)主要承載業(yè)務數(shù)據(jù)流。

不停車治超智能控制柜系統(tǒng)結構及內部網(wǎng)絡互聯(lián)關系見圖1。

圖1 不停車治超智能控制柜組成結構示意圖

系統(tǒng)首次上電后，環(huán)控管理單元進行自檢，報告各模塊的工況，同時生成日志存儲在本地；當系統(tǒng)或者某個模塊存在故障時，發(fā)出光電報警提示。當車輛駛入檢測區(qū)域，高速動態(tài)稱重單元(石英晶體傳感器+地感線圈)和寬高限測量單元(激光雷達)對車輛進行測量，同時攝像機抓拍識別車輛牌照、車輛基本外觀照片以及拍攝稱重測量執(zhí)法過程的短視頻；所有數(shù)據(jù)被定義為一條檢測記錄，送入處理單元進行超限超載判定，經(jīng)工控機高速處理完成后，超限超載判定結果傳輸至可變情報板進行展示性提醒；對于超限超載車輛做出識別標記，并將檢測記錄和結果通過通信交換單元發(fā)送至后臺中心或聯(lián)網(wǎng)治超管理中心。在系統(tǒng)運行過程中，當系統(tǒng)溫度超過設定閾值門限時，環(huán)控管理單元會自動開啟工業(yè)空調，將溫度降低至設定閾值以下；若發(fā)生結霜、潮濕等現(xiàn)象，則自動開啟加熱除霜進行微環(huán)境調整。同時環(huán)控單元還能實時監(jiān)測系統(tǒng)安全狀況，當發(fā)生異常振動、非授權開門時，立即發(fā)出報警并采集現(xiàn)場圖像上報中心。

2 雙逆變器冗余供電系統(tǒng)

目前通用的控制柜都采用48 V供電，而工控機、交換機、相機、補光燈和激光雷達以及機柜空調等設備都采用220 V交流電接入，因此，需要使用逆變器將48 V直流電轉成220 V交流電[5]。傳統(tǒng)的做法是直接將48 V電源接入到單個逆變器，再由單個逆變器接入電源分配單元 (Power Distribution Unit， PDU)，PDU上掛載上述220 V供電設備，而這樣一旦逆變器出現(xiàn)故障，會導致所有上述設備因停電而無法工作。此外，還可將48 V電源分別接入到2個逆變器，主逆變器接入冗余的主設備，例如主工控機、主交換機、主相機、主補光燈、空調；備用逆變器接入到備用工控機、備用交換機、備用相機、備用補光燈，所有設備都是熱備狀態(tài)；這種情況下，當一個逆變器出現(xiàn)故障時，接在該逆變器PDU上的所有設備因為停電而無法工作，配置的熱備設備難以起到相應的熱備作用。上述兩種方法的共同缺點是在市電停電而采用電池續(xù)航的狀態(tài)下，無法單獨對空調進行斷電以保證關鍵設備的長時間工作。如何克服現(xiàn)有逆變器供電方式缺陷，在單個逆變器出現(xiàn)故障的情況下仍可對設備進行有效供電，并在停電的情況下優(yōu)先保證主設備的供電是本領域技術人員亟待解決的技術難題。

針對上述問題，在保證設備采用交流供電、有斷電續(xù)航需求、有供電n+1模塊冗余要求下，充分利用開關電源在市電停電狀態(tài)下先一次下電、然后二次下電的特性，優(yōu)先保證關鍵設備工作，同時對非關鍵設備進行斷電；利用逆變器支持直流輸入和交流旁路輸入的特性，將備用逆變器的交流輸出作為主逆變器的旁路交流輸入，保障在單個逆變器故障時不影響主設備正常運行。據(jù)此提出了一種新的冗余供電系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 雙逆變器冗余供電電路原理圖

新的冗余供電系統(tǒng)接入方式：① 主逆變器接48 V電源模塊的二次下電；② 備用逆變器接48 V電源模塊的一次下電；③ 備用逆變器的輸出接入到主逆變器的交流旁路輸入；④ 關鍵外設接在主逆變器輸出上；⑤ 交流空調接在備用逆變器的輸出上。

新的冗余供電系統(tǒng)工作特性：當兩個逆變器均正常工作時，備用逆變器承擔所有負載的輸出。當備用逆變器出現(xiàn)故障時，主逆變器從48 V直流獲取輸入產(chǎn)生220 V交流輸出。主逆變器出現(xiàn)故障時，備用逆變器的旁路供電可以產(chǎn)生輸出。當外部供電斷開而采用電池續(xù)航時，電池電壓下降到一次下電時，備用逆變器斷開而采用，同時空調斷開，主逆變器繼續(xù)工作，主設備可以繼續(xù)工作至二次下電。從而實現(xiàn)了在單個逆變器出現(xiàn)故障的情況下仍可對設備進行有效的交流220 V供電，并對主設備和次要設備的供電劃分優(yōu)先級，保證在停電的情況下優(yōu)先主設備供電。

3 三維和二維圖像融合的人臉識別門禁系統(tǒng)

傳統(tǒng)的機柜門鎖存在多種安全隱患，如鑰匙太多、丟失、私配以及防塵防盜效果不理想等。為了更好地防盜，基于二維人臉識別的門禁系統(tǒng)被廣泛應用于門禁行業(yè)。然而，當前大部分二維人臉識別門禁技術受信息量、光照、姿態(tài)、表情、化妝、年齡等影響，并不能完全滿足實際應用需求。三維人臉識別與二維人臉識別相比具有信息量大、受光照與姿態(tài)因素影響小等無法比擬的優(yōu)勢，能夠有效克服諸多外界因素對人臉識別系統(tǒng)的干擾。因此，提出了一種三維和二維人臉圖像融合的人臉識別門禁系統(tǒng)。該門禁系統(tǒng)的人臉數(shù)據(jù)采集設備(Kinect深度傳感器和攝像頭)和自動鎖嵌設在智能控制柜的前側柜門上，柜門外側設有可輸密碼觸摸屏，用于緊急情況下開門操作，如圖3所示，門禁系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)采集設備采集一個或多個用戶的人臉深度圖像和RGB圖像，并可分別提取用戶圖像特征建立用戶的人臉模板數(shù)據(jù)庫。通過對比使用者人臉數(shù)據(jù)與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中人臉數(shù)據(jù)確定門禁系統(tǒng)是否發(fā)送開門信號。機柜門上的采集設備會同時自動記錄形成開鎖狀態(tài)報告，包括開鎖人的身份證信息、現(xiàn)場人臉二維和三維圖像以及開鎖時間，保證系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)可查。如人臉數(shù)據(jù)與系統(tǒng)數(shù)據(jù)不匹配，且接近對柜體進行破壞，則發(fā)送警報信號與警告語音信息。如柜門被強行打開，則自動保存柜門打開時的第一手資料(包括現(xiàn)場人臉圖像、視頻和開鎖時間)，可為柜體破壞提供線索。

a)柜門

b)內部組成

此外，為了應對人臉特征隨著年齡或季節(jié)變化所產(chǎn)生的微小變化，門禁單元對預設時間段數(shù)據(jù)庫中的用戶人臉特征數(shù)據(jù)進行平均，得到該時間段內某用戶人臉平均特征數(shù)據(jù)并更新至系統(tǒng)。其中，預設時間段可以為1個月或1個季度。例如，隨著時間推移，某用戶的臉變胖了，臉寬由1月初的12.3 cm增加到1月底的12.4 cm，如果設置的時間段為1個月，則對此用戶人臉1個月的數(shù)據(jù)求平均值，即12.35 cm，2月份該用戶人臉寬度的模板值則由12.3 cm更新為12.35 cm。通過對數(shù)據(jù)庫中用戶人臉模板特征數(shù)據(jù)定期更新，避免了人體特征隨著時間變化而發(fā)生微小改變所導致的識別率下降問題。此外，該門禁系統(tǒng)支持遠程管理系統(tǒng)對門禁進行控制，支持遠程開關門操作。遠程管理系統(tǒng)可實時獲取和核實開門人員權限情況。

基于二維和三維圖像融合的人臉識別門禁系統(tǒng)，不僅極大提升了人臉識別的可靠性和安全性，還很好地保證了柜體表面外漏物(機柜外部無任何可拆卸單元)和空間縫隙最少，做到了更好的防塵和防盜；機柜外部無任何可拆卸單元，也保證了柜體的整體性。

4 遠程運維系統(tǒng)

為了便于遠程監(jiān)控和維護，智能控制柜內布設有攝像頭和攝像頭角度調節(jié)機構。柜體由多層長方體結構組成，每層攝像頭數(shù)量根據(jù)所需監(jiān)測設備的多少或復雜程度進行設置。同時，遠程控制中心可調節(jié)攝像頭角度，使監(jiān)控對象處于攝像頭視場中央，監(jiān)控柜體內部線路、柜體內部設備工作狀態(tài)等。柜體內局部攝像頭布置如圖4所示，可在柜體內：① 每層長方體的對角上布設4個攝像頭(見圖4a);② 每個長方體的棱角上布設8個攝像頭(見圖4b);③ 每個長方體上邊線中點處布設8個攝像頭(見圖4c)。當柜門正常打開后，柜內設備照明自動開啟(也可遠程操控打開)，各個攝像頭實時采集柜體內的線路、設備工作狀態(tài)、柜門打開時的圖像信息等，專家可實時查看柜體內設備運行情況并及時進行遠程維護，還可通過視頻、音頻來遠程指導現(xiàn)場操作人員進行維修。因此，大部分故障由遠程或現(xiàn)場操作員即可解決，大大減少了專家到現(xiàn)場的次數(shù)，降低了維護費用，真正實現(xiàn)了“前端智能采集+后臺大數(shù)據(jù)集中管理”模式及7×24 h實時監(jiān)控前端一體化機柜運行，準確掌握設備、環(huán)境運行狀態(tài)。

a)布設①

b)布設②

c)布設③

5 結論

針對當前治超控制柜運維管理不便、易盜易損以及市電異常情況下供電時間有限等缺陷，對治超控制柜各子系統(tǒng)進行綜合研究，設計了一種集安全防護、環(huán)境監(jiān)測、智能運維等功能為一體的不停車治超造題智能控制柜，具有如下特點：

1) 通過兩個逆變器、區(qū)分一次下電和二次下電，提供了一種新型的逆變器冗余供電系統(tǒng)，實現(xiàn)單個逆變器出現(xiàn)故障時不影響生產(chǎn)設備正常運行，并通過對主要設備和次要設備供優(yōu)先級電劃分，保證了關鍵設備長時間運行。

2) 基于三維和二維圖像融合的人臉識別門禁模塊，極大地提升了人臉識別可靠性和安全性；同時人臉識別門鎖還能夠自動更新人臉模板，不受時間和跨度的影響，魯棒性更強。柜體表面沒有任何外漏物(機柜外部無任何可拆卸單元)，更好地保證了柜體的整體性和防盜性。

3) 通過柜體內部布設的攝像頭和攝像頭角度調節(jié)機構，實現(xiàn)了遠程查看和操控柜體內設備運行，保證柜體出現(xiàn)故障時能夠及時恢復工作，大大減少了到現(xiàn)場維修次數(shù)，降低了維護難度和成本，為智能控制柜系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運行提供了重要保障。