(湖南省交通科學(xué)研究院有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410015)

0 引言

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)一部署，2020年1月1日零時(shí)起，全國(guó)高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)新、舊系統(tǒng)進(jìn)行切換，全國(guó)收費(fèi)制式成功升級(jí)為分段計(jì)費(fèi)和扣費(fèi)的自由流收費(fèi)制式。新收費(fèi)方式主要依靠高速公路分段設(shè)置的ETC門架系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，ETC門架是新收費(fèi)制式正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。目前湖南已在全省6 802 km高速公路的關(guān)鍵控制點(diǎn)上布設(shè)ETC門架共1 144套。ETC門架系統(tǒng)由以下主要設(shè)備和設(shè)施組成：車道控制器、RSU(支持PCI/PCI-E密碼卡)、車牌圖像識(shí)別設(shè)備、工況機(jī)、防雷設(shè)施、通信設(shè)備、供電設(shè)備等，其中車道控制器、工況機(jī)、防雷設(shè)施、通信設(shè)備和供電設(shè)備等集成在綜合控制機(jī)柜內(nèi)(見圖1)。

圖1 ETC門架布設(shè)示意圖

當(dāng)車輛通過(guò)ETC門架時(shí)，被門架系統(tǒng)捕捉車牌圖像和感知ETC信號(hào)，生成通行記錄和交易計(jì)費(fèi)。為保證交通暢通、收費(fèi)公平，ETC收費(fèi)制式運(yùn)行需高度可靠，計(jì)費(fèi)需及時(shí)精準(zhǔn)，要求ETC門架設(shè)備故障解決及時(shí)。ETC門架數(shù)量多、分布廣、機(jī)電設(shè)備種類多，涉及到機(jī)電設(shè)備共約7萬(wàn)件，目前“人工巡查、被動(dòng)發(fā)現(xiàn)”的傳統(tǒng)運(yùn)維模式需投入大量人力，時(shí)效性差。為此，本文提出利用人工智能技術(shù)開展智慧化運(yùn)維,以適應(yīng)自由流收費(fèi)制式要求。

1 研究思路

1.1 現(xiàn)有研究不足

國(guó)外由于高速公路信息化建設(shè)早，采用大量先進(jìn)技術(shù)輔助專業(yè)人員開展機(jī)電設(shè)備運(yùn)維，以實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置，延長(zhǎng)設(shè)備服役壽命，降低維護(hù)成本的目標(biāo)。德國(guó)、日本和英國(guó)均有監(jiān)控路側(cè)ETC設(shè)備工作狀態(tài)并及時(shí)開展公路設(shè)備故障處理[1-4]。我國(guó)高速公路基礎(chǔ)設(shè)施迅速發(fā)展的同時(shí)，3大機(jī)電系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，但機(jī)電設(shè)備管理起步晚，缺乏有效的監(jiān)測(cè)手段和智能化運(yùn)維技術(shù)，還停留在粗放型管理模式[5]。目前，國(guó)內(nèi)已有建設(shè)機(jī)電設(shè)備養(yǎng)護(hù)平臺(tái)[6]，但平臺(tái)主要是基于人工調(diào)查采集信息來(lái)進(jìn)行運(yùn)維管理，功能較為單一，應(yīng)用較為局限。為提高機(jī)電運(yùn)維效率，亟需利用新一代信息技術(shù)開展覆蓋資產(chǎn)管理、狀態(tài)監(jiān)控、智能維護(hù)和知識(shí)整合的智慧化運(yùn)維。

1.2 研究目標(biāo)

擬通過(guò)大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)與ETC門架運(yùn)維需求的深度融合，實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

1) 標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)維：建設(shè)一套ETC門架機(jī)電設(shè)備運(yùn)維的標(biāo)準(zhǔn)化流程，覆蓋設(shè)備故障識(shí)別、故障上報(bào)、故障診斷評(píng)估、設(shè)備維修和驗(yàn)收全流程。

2) 實(shí)時(shí)化管理：實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，分析診斷設(shè)備工作質(zhì)量，第一時(shí)間掌握設(shè)備破壞事件，遠(yuǎn)程設(shè)置設(shè)備參數(shù)，確保ETC門架系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3) 科學(xué)化決策：對(duì)設(shè)備參數(shù)狀態(tài)、故障原因、故障數(shù)據(jù)和運(yùn)維策略運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，不斷提高運(yùn)維決策的自動(dòng)化程度和科學(xué)化水平。

2 智慧運(yùn)維關(guān)鍵技術(shù)

2.1 運(yùn)維業(yè)務(wù)流程重構(gòu)

智慧運(yùn)維模式業(yè)務(wù)流程重構(gòu)如圖2所示。

在當(dāng)前傳統(tǒng)運(yùn)維模式下，各省高速公路從各收費(fèi)站監(jiān)控室到各路段監(jiān)控分中心，再到省高速公路監(jiān)控中心開展分級(jí)管理機(jī)電設(shè)備[4]。收費(fèi)站監(jiān)控室開展日常巡檢發(fā)現(xiàn)并上報(bào)故障，路段監(jiān)控分中心根據(jù)故障類型、故障等級(jí)和維護(hù)級(jí)別，通過(guò)電話等方式派發(fā)工單通知運(yùn)維單位現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)故障設(shè)備，并生成運(yùn)維報(bào)告。運(yùn)維信息匯總至省高速公路監(jiān)控中心。

圖2 高速公路機(jī)電運(yùn)維流程圖

相比于傳統(tǒng)運(yùn)維模式，智慧運(yùn)維模式對(duì)業(yè)務(wù)流程進(jìn)行了重構(gòu)，整個(gè)智慧運(yùn)維業(yè)務(wù)主要由以下流程組成：

1) 故障申報(bào)：通過(guò)故障申報(bào)頁(yè)面上報(bào)設(shè)備故障情況；

2) 工單下發(fā)：設(shè)備確認(rèn)故障以后生成派工單下發(fā)至相應(yīng)運(yùn)維公司；

3) 方案審核：運(yùn)維公司針對(duì)故障提交技術(shù)方案并提交審核；

4) 維修上報(bào)：運(yùn)維公司人員進(jìn)行設(shè)備維修，并上報(bào)至分中心。

2.2 接口標(biāo)準(zhǔn)化

取消省站高速公路收費(fèi)站項(xiàng)目不僅設(shè)備類型多，而且每類設(shè)備供應(yīng)商品牌多。為此，在項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)階段提出統(tǒng)一設(shè)備接口標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)設(shè)備選型和采購(gòu)對(duì)廠家設(shè)備提出接口要求，為設(shè)備運(yùn)維預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)化智能運(yùn)維接口。通過(guò)接口獲取設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備故障及硬件壽命可用周期， 并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的維護(hù)工具或策略進(jìn)行處置， 以提升運(yùn)維效率及運(yùn)維規(guī)范性。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化接口，設(shè)備的狀態(tài)從心跳數(shù)據(jù)包中獲得， ETC門架設(shè)備定期(默認(rèn)為5 min)產(chǎn)生1條心跳數(shù)據(jù)，通過(guò)接口將心跳數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳。

2.3 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的智慧運(yùn)維決策技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)智慧運(yùn)維，引入機(jī)器學(xué)習(xí)方法開展故障的遠(yuǎn)程識(shí)別和運(yùn)維的科學(xué)決策。機(jī)器學(xué)習(xí)從過(guò)去數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)各指標(biāo)的特征與規(guī)律，然后根據(jù)實(shí)時(shí)已知信息對(duì)未知信息進(jìn)行推斷，是在經(jīng)驗(yàn)積累中改善具體算法性能的人工智能方法。

在整個(gè)智慧化運(yùn)維決策模型的2個(gè)階段均采用機(jī)器學(xué)習(xí)思維，如圖3所示。第1個(gè)階段是故障學(xué)習(xí)階段，對(duì)ETC門架設(shè)備各項(xiàng)狀態(tài)參數(shù)與設(shè)備實(shí)際故障情況進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，通過(guò)對(duì)歷史故障記錄的學(xué)習(xí)，用來(lái)推斷實(shí)時(shí)狀態(tài)下可能發(fā)生的故障。第2個(gè)階段是運(yùn)維決策階段，根據(jù)歷史運(yùn)維記錄和運(yùn)維效果評(píng)估不同故障情形下運(yùn)維策略的合理性，建立運(yùn)維決策學(xué)習(xí)模型，并應(yīng)用于針對(duì)實(shí)時(shí)故障的運(yùn)維工單生成。在平臺(tái)運(yùn)行初始階段，故障學(xué)習(xí)模型和運(yùn)維決策學(xué)習(xí)模型均被賦予初始參數(shù)，隨著運(yùn)維工作的不斷開展，模型不斷自我學(xué)習(xí)，優(yōu)化相關(guān)參數(shù)，提高模型的科學(xué)性。

圖3 智慧化運(yùn)維決策模型

3 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

3.1 平臺(tái)總體架構(gòu)

運(yùn)用上述技術(shù)，進(jìn)行ETC門架智慧運(yùn)維管理平臺(tái)的開發(fā)。平臺(tái)總體架構(gòu)如圖4所示，包含6個(gè)層面：

圖4 平臺(tái)架構(gòu)圖

1) 數(shù)據(jù)采集層：接入ETC門架機(jī)電設(shè)備的基礎(chǔ)信息和實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)ETC門架機(jī)電設(shè)備的基本管理，是運(yùn)行監(jiān)測(cè)、運(yùn)維管理的基礎(chǔ)。

2) 基礎(chǔ)層：包含Web服務(wù)器、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、嵌入式設(shè)備建設(shè)等內(nèi)容，為平臺(tái)運(yùn)行提供軟、硬件環(huán)境。

3) 數(shù)據(jù)層：實(shí)現(xiàn)對(duì)包括門架運(yùn)行狀態(tài)和故障信息的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、維修記錄庫(kù)、解決方案庫(kù)、設(shè)備庫(kù)、運(yùn)維人員庫(kù)等在內(nèi)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理。

4) 業(yè)務(wù)支持層：通過(guò)統(tǒng)一的總線服務(wù)實(shí)現(xiàn)相關(guān)應(yīng)用組件的有效整合和管理，包括業(yè)務(wù)服務(wù)中間件、應(yīng)用中間件、安全中間件、數(shù)據(jù)交換平臺(tái)等。

5) 業(yè)務(wù)應(yīng)用層：實(shí)現(xiàn)全省門架系統(tǒng)的故障監(jiān)測(cè)、故障維修流程監(jiān)管、維修評(píng)價(jià)、日常養(yǎng)護(hù)計(jì)劃制訂、設(shè)備管理及人員管理等業(yè)務(wù)。

6) Web服務(wù)層：通過(guò)Web端展現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)不同權(quán)限的信息瀏覽、設(shè)備操作和數(shù)據(jù)庫(kù)查詢。

3.2 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

運(yùn)用上述智慧運(yùn)維關(guān)鍵技術(shù)和框架，平臺(tái)已完成開發(fā)，主要包括以下模塊。

3.2.1設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控

機(jī)電設(shè)備監(jiān)控是運(yùn)行監(jiān)測(cè)、運(yùn)維管理的基礎(chǔ)，通過(guò)實(shí)時(shí)接入設(shè)備狀態(tài)參數(shù)和工作參數(shù)，分析設(shè)備運(yùn)行狀況，識(shí)別設(shè)備故障，并進(jìn)行警告和展示,見圖5。

3.2.2運(yùn)行情況展示

將所有門架系統(tǒng)的位置和運(yùn)行狀態(tài)(正常/故障)清晰直觀地顯示在道路網(wǎng)中，通過(guò)點(diǎn)擊該頁(yè)面的站點(diǎn)，可以彈出該站點(diǎn)ETC門架的實(shí)時(shí)狀態(tài)和所屬道路等信息。如果某個(gè)設(shè)備發(fā)生故障，將會(huì)在地圖上彈出報(bào)警信息,見圖6。

圖5 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)界面

圖6 運(yùn)行情況展示界面

3.2.3三維監(jiān)控巡檢

通過(guò)設(shè)備接口實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵設(shè)備車道控制器、站級(jí)服務(wù)器的在線狀態(tài)及心跳信息采集，實(shí)時(shí)檢測(cè)上報(bào)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)測(cè)車牌識(shí)別系統(tǒng)的識(shí)別成功率。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)，能夠及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息，生成報(bào)警記錄。同時(shí)運(yùn)維人員可通過(guò)平臺(tái)的三維巡檢(見圖7)，遠(yuǎn)程查看設(shè)備故障區(qū)域和故障原因，并通過(guò)該模塊實(shí)現(xiàn)門架機(jī)柜遠(yuǎn)程自動(dòng)開門管理、電池維護(hù)和門架設(shè)備空開遠(yuǎn)程上電等控制操作。實(shí)現(xiàn)運(yùn)維人員遠(yuǎn)程化操作，及時(shí)解決設(shè)備故障，節(jié)約維護(hù)成本，提高效率。

圖7 三維巡檢界面

3.2.4設(shè)備運(yùn)維管理

當(dāng)平臺(tái)監(jiān)測(cè)到設(shè)備異常時(shí)，自動(dòng)產(chǎn)生運(yùn)維工單。設(shè)備相關(guān)的故障信息、預(yù)警信息以及設(shè)備報(bào)廢、設(shè)備更換后自動(dòng)關(guān)聯(lián)新設(shè)備都會(huì)自動(dòng)記錄到平臺(tái)，為每一臺(tái)設(shè)備構(gòu)建一個(gè)完整的生命周期和繼承關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)歷代設(shè)備追蹤的全流程管控，從而完成運(yùn)維系統(tǒng)集中運(yùn)維，幫助管理者實(shí)現(xiàn)集中管理、準(zhǔn)確定位故障、快速排除故障、提高工作效率、規(guī)范運(yùn)維等目標(biāo)，并提供統(tǒng)計(jì)分析和決策支持及故障預(yù)警機(jī)制，踐行科學(xué)的運(yùn)維管理模式。自動(dòng)化運(yùn)維管理模塊見圖8。

圖8 自動(dòng)化運(yùn)維管理模塊

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)門架系統(tǒng)機(jī)電設(shè)備狀態(tài)參數(shù)，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)診斷設(shè)備健康狀態(tài)，自主選擇維修策略，自動(dòng)報(bào)送故障信息，派發(fā)維修工單，檢查維修效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)門架機(jī)電設(shè)備的集中式管理、實(shí)時(shí)化監(jiān)控和智慧化運(yùn)維，并設(shè)計(jì)開發(fā)響應(yīng)的智慧運(yùn)維平臺(tái)，打通運(yùn)維各單位之間的壁壘，實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備的數(shù)據(jù)共享，將原先的“被動(dòng)運(yùn)維”轉(zhuǎn)換為“主動(dòng)管控”，解決了人工巡查不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障的問(wèn)題。

智慧運(yùn)維技術(shù)縮短了ETC門架設(shè)備運(yùn)維時(shí)間，降低了人工和管理成本，提升了設(shè)備的使用壽命和維護(hù)效率，提高了整個(gè)ETC收費(fèi)系統(tǒng)的可靠性。本文的成果已在湖南省開展應(yīng)用，目前已穩(wěn)定運(yùn)行0.5 a，為全省ETC系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供了有力支撐。