0 引言
在隧道、收费站等公路机电设备密集部署的典型场景中，现场控制设备扮演了系统的“大脑”角色，而各类传感器、声光和电力电机等设备则定位于“眼”“口”和“手”的角色。目前常见的现场控制器多采用可编程控制器（Programmable Logical Controller, PLC）一类的工业控制设备。这些设备虽然在稳定可靠性方面优势突出，但在应用中存在明显短板：一是软硬件强绑定，设备功能升级成本高、难度大；二是应用数据大量使用私有协议，规范化程度低；三是设备对上层业务的支持缺乏灵活性，业务流程重构困难。此外，早期建设的公路机电系统现场控制器多为国外品牌，技术产品被设备供应商垄断，系统升级困难、数据安全缺乏有效保障，系统运维难度和成本较高[5]。
本文将以开源鸿蒙（OpenHarmony）生态内的公路机电操作系统为例，阐述其关键技术创新与应用情况，并结合典型应用案例，分析其在公路行业的实际应用效果。
1 产品研发与应用现状
近年来，随着国产操作系统技术、产品的成熟，公路交通行业开始在服务器和桌面工作站等通用性较强的设备上推进国产操作系统替代，但嵌入式国产操作系统却因为行业专属性较强而一直缺乏适用的产品。2020年9月华为宣布开源HarmonyOS 2.0部分代码，启动了OpenHarmony开源项目；2022年2月首款公路行业专属的操作系统“公路在鸿OS”问世。至此，鸿蒙在交通行业的应用逐渐拓展开来。随后三年间，该领域涌现出大批相关企业及其产品，产品内容日渐丰富。尽管除开源鸿蒙生态之外，亦有其他国产操作系统应用于公路机电系统，但均未针对其行业专属特性实现显著的技术创新。
公路机电操作系统目前尚无明确定义，但通常指运行于公路基础设施硬件（如PLC）内部，用于管理硬件资源、执行底层任务和实现设备功能的嵌入式操作系统（Embedded Operating System, EOS）或实时操作系统（Real-Time Operating System, RTOS），也包括相关的固件（Firmware）。本文的公路机电系统本质是以RTOS为技术基础，按照公路交通行业特点及其数字化、智能化应用需求所开发的软件，旨在为各类公路设备的网联化和智能化应用提供统一的语言和方法，并实现硬件芯片和应用软件的南北向适配。该系统还可根据具体设备的资源丰富程度、功能定位和性能要求“量体裁衣”，进而广泛适用于各类公路交通在役设施和新型设备。
目前工程化应用较多的公路机电操作系统主要采用OpenHarmony基本架构，由下至上依次为内核层、系统服务层、框架层和应用层，如图1所示。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，操作系统支持根据实际需求裁剪某些非必要的组件。目前公路机电操作系统的主要技术创新均基于该基本架构实现。
2 关键技术
以开源鸿蒙生态的公路机电操作系统产品为例，该系统围绕技术应用模式，可持续升级与规模化应用，以及技术自主可控3个维度，开展了行业特性适配与技术创新，并在现有的应用示范项目中展现出良好的应用效果。该操作系统在推动公路机电设备国产化、网联化和数字化的过程中发挥了重要作用。
2.1 数据共享与功能协同技术
为了便捷、规范地实现公路机电设备间的数据共享与功能协同，该公路机电操作系统引入并优化了分布式相关技术，包括OpenHarmony特有的分布式软总线技术、分布式硬件虚拟化技术和设备统一互联技术。通过分布式软总线技术构建了公路机电系统分布式技术应用架构，并基于极简协议在应用层面实现了各类通信协议的统一，从而支持多种网络环境下的设备互联；通过分布式硬件虚拟化技术构建统一的资源管理池，使得不同设备的硬件资源被统一编排，实现了跨设备的动态分配与协同调用；通过设备统一互联技术建立了设备互联物模型，实现了公路机电操作系统不同发行版本之间的互联互通。与此同时，公路操作系统还在轻量级软总线协议和无感接入技术上进行了行业特色创新。
2.1.1 轻量级软总线协议
OpenHarmony分布式软总线技术通过极简协议实现了应用层面各类通信协议的统一，支持在蓝牙、Wi-Fi及有线网络等多种网络环境下的设备互联。然而，传统公路机电设备计算能力有限且多为固定部署，对网络的高稳定性及多设备并发接入能力提出了较高的技术需求。为解决上述问题，该公路机电操作系统基于极简协议，依托自主研发的具有星型组网能力的轻量级分布式软总线技术，解决了200 KB~1 MB小内存嵌入式设备全协议栈稳定运行的问题，实现了公路机电系统中多类型设备的稳定组网。
2.1.2 无感接入技术
在公路机电设备快速自组网接入过程中，传统的PIN码验证流程认证繁琐、连接效率低下，导致组网失败或组网时间过长[9]。针对这一问题，该公路机电操作系统基于轻量级软总线技术，使用了自研的设备免校验证明技术，在软总线框架中嵌入轻量级安全认证模型，实现无感知自动认证，简化了认证过程，提升了机电设备安全连接组网的便捷性。
2.2 硬件适配与应用软件开发支持技术
公路机电设备不仅包括计算资源丰富的现场控制器、边缘计算设备，还包括计算资源匮乏的传感器、照明、电机类设备。为了以最低开发成本在更多机电设备上部署操作系统，该公路机电操作系统采用了更加灵活的系统裁剪与弹性部署技术。
2.2.1 细颗粒裁剪技术
传统公路机电系统设备种类繁多，硬件资源差异较大[10]，如：常用于传感器设备的GD32F450芯片，内存小到KB级；作为控制器芯片的RK3588，内存可达MB甚至GB级。一方面，当前主流操作系统内核通常能良好适配富资源硬件，却难以部署在小资源硬件上；另一方面，部分操作系统内核适配小资源硬件，但难以部署在富资源硬件上。在公路机电设备中，小资源硬件设备（如传感器，各类标识等嵌入式设备）占比较高，目前尚缺乏一款能统一适配并部署小资源硬件设备的操作系统内核，导致小资源硬件设备操作系统碎片化，缺乏统一的连接、管理与调度。
为应对小资源硬件设备操作系统不统一的问题，该公路机电操作系统通过微内核架构和内核抽象层设计，将内核核心功能与系统服务解耦，实现了细颗粒度内核自由裁剪。该系统将进程/线程管理、内存管理、进程间通信等最基本、最核心的功能放置于内核空间，构成基础内核，而文件系统、网络模块、设备驱动等其他系统服务则以独立扩展模块的形式运行在用户空间，形成扩展模块。在基础内核的基础上，系统通过灵活加载和卸载扩展模块，实现了对内核功能的按需裁剪，从而能部署在资源极度受限（最小内存128 KB）的机电设备上。
2.2.2 跨设备应用程序技术
2.3 原生安全与数据安全技术
该公路机电操作系统重点攻关操作系统内核形式化验证技术、分布式密钥管理与协同加解密技术。一方面，基于形式化验证技术，大幅提升了自主设计的操作系统内核LiteOS-M的原生安全能力，使其达到中国网络安全审查认证和市场监管大数据中心（CCRC）EAL5+安全水平；另一方面，通过分布式密钥管理与协同加解密技术，极大增强了系统对网络攻击的抵御能力，降低了因群组中个别计算节点发生损毁或离线而导致密钥丢失或加密解密服务中断的风险。
2.3.1 操作系统形式化验证
基于形式化验证技术，该公路机电操作系统具备了自主可控特性的操作系统内核LiteOS-M。形式化验证实施主要包括以下过程：定义基础CSP通道、集合和消息，并完成内核基础架构建模；对内存、任务、中断管理模块以及同步和通信模块进行抽象模型定义；在上述基础上，进一步设定内核模型参数、实现模型代码和数学描述，并最终完成演绎检测和模型检测。形式化验证对LiteOS-M内核的并发性、调度性、安全性、隔离性和内核性能进行了全方位的验证。凭借该技术，LiteOS-M率先获得了CCRC颁发的EAL5+安全认证，为公路机电国产操作系统的安全运行提供了自主可控的技术保障。
2.3.2 分布式密钥管理与协同加解密技术
针对公路行业机电系统应用场景，该公路机电操作系统基于OpenHarmony分布式架构，使用了自研的分布式密钥管理与协同加解密技术。
公路机电操作系统采用了分布式联合计算机制，用以实现端侧网络安全传输密钥的保护及数据加密处理。该机制有效分散了计算负载，实现算力均衡且无瓶颈，显著提升了系统处理能力，并通过将密钥操作与加解密计算分散至多个协同节点，核心密钥在任何单个节点或计算过程中均无法被反向推导，极大增强了系统对网络攻击的抵御能力，降低了核心密钥及敏感计算过程被非法窃取的风险。
为确保系统服务的持续性与高可用性，本项目组深入研究并构建了分布式加解密计算群组，并为其设计了节点冗余结构。此设计有效规避了因群组中个别计算节点发生损毁或离线而导致的密钥丢失或加密解密服务中断风险，为公路行业关键数据的安全传输与处理提供了可靠保障。
3 典型应用案例
1）案例1：隧道场景下的轻量级分布式软总线技术应用
该案例充分展示了轻量级分布式软总线技术的分布性与透明性。隧道内机电设备数量较多，采用传统组网技术将使机电系统的物理网络走线极为复杂，进而导致系统故障率增大、运维困难。使用公路机电操作系统的轻量级分布式软总线技术后，一方面，用极其简洁的物理网络结构将隧道内的检测器、信号灯等多类机电设备接入同一逻辑网络，使得控制器之间也可通过软总线稳定传输数据，实现协同控制；另一方面，系统资源由多设备共享，对不同种类、不同网络接入方式的设备，系统可自动屏蔽底层网络差异，实现跨设备、跨网络的透明通信，使得开发者无需关注设备物理位置或网络差异。
应用系统结构与部署场景如图2所示。
通过在山东、深圳等地的工程实践与部署，本案例采用轻量级分布式软总线技术，将不同型号的隧道现场控制器进行组网应用，通过对风机、交通信号灯、车道指示器、CO/VI检测器、风速风向检测器等设备的状态采集和控制，快速实现了隧道的全息监测、智能调光、异常事件精准感知、重点车辆全域实时轨迹跟踪及智慧养护等多类应用。根据应用效果统计，该公路机电操作系统的应用使得隧道机电运维效率提升30%以上，节省用电超10%；通过多类设备软件平台通用化与一次开发多端部署等工程技术，节省系统开发建设成本约30%。
2）案例2：巡检场景下的设备无感组网应用
传统巡检工作需由巡检人员沿线路对设备进行逐一巡查、记录。针对安装位置特殊、结构复杂的公路机电设备，该方式不仅加大了巡查人员的作业风险，也因漏检和记录错误等问题使得巡检准确度和全面性难以保障。通过引入公路机电操作系统的无感接入技术，在有效降低作业风险的同时确保了巡检的全面覆盖和数据准确。
无感组网在公路机电巡检场景中的典型应用见图3。巡检人员通过手持终端激活组网功能后，由后台自动完成设备发现、身份认证与网络接入，无需输入任何PIN码或手动干预，即可安全快速地接入机电系统网络。巡查人员无需靠近机电设备即可远程查看摄像头画面、风机转速、灯光强度、环境参数等设备状态信息，并可直接发出远程控制指令，显著降低了巡检作业难度和工作量，有效提升了巡检效率和安全性。以某高速公路基础设施监测预警系统的巡检业务为例，通过使用无感接入技术有效提高了设备运行效率和可靠性，使机电设施故障响应处理时间缩短约50%，系统设备维护成本降低约15%。
自2022年1月起，该公路机电操作系统相关软硬件目前已应用于11个省、88条高速公路、48座隧道，共计236公里（双向），395座收费站共计1 896个车道，社会效益和经济效益显著。
4 结束语
公路机电操作系统在应用示范中所产生的社会效益和经济效益表明，作为数字公路重要的一类基础软件，其通过面向行业需求的技术创新，重新构建了数字公路机电系统的技术架构、丰富了系统功能、降低了系统开发建设和运维成本。目前以PLC为典型代表的公路机电设备，其基础软件在功能升级、数据规范和业务流程支撑等方面存在明显不足。基于OpenHarmony基础架构研发的公路机电操作系统有效解决了上述应用痛点。
随着应用范围的持续扩大，公路机电操作系统也面临一些新的挑战，包括不同基础架构的公路机电操作系统之间的兼容与协同、对更多类型公路机电硬件设备的适配，以及行业通用业务组件的开发与内嵌，这些方向将成为未来研究的重点。在未来一段时间内，公路机电设备基础软件的发展仍具有广阔空间，其品类有可能扩大至大桌面操作系统、服务器操作系统和各类数据库与行业通用软件组件。随着公路数字化进程的加速，公路机电操作系统将成为行业和产业协同发展的纽带，助力形成行业产业相互促进的良好局面。
