■楊名有

（福建省高速公路集團有限公司南平管理分公司，南平 353000）

隨著高速公路事業(yè)的不斷發(fā)展和路網的不斷延伸，福建省南平市境內現有高速公路收費站58 座，隧道331 座，ETC 門架170 座，目前沿線隧道配電房為無人值守管理模式且收費站通信機房并未安裝動力環(huán)境監(jiān)控設備，當發(fā)生10 kV 外線路供電故障、機房溫度異常時不能被及時發(fā)現，雖然各個配電房都有后備UPS 蓄電池組，但蓄電池組容量有限，如果停電后未及時發(fā)現，可能導致蓄電池組過放電發(fā)生通信中斷的事故。 供電監(jiān)測多依靠UPS 監(jiān)控軟件進行監(jiān)測，當10 kV 外線路停電后，UPS 監(jiān)控軟件并不能識別出電力故障，同時當維護人員在外作業(yè)時，不能通過UPS 監(jiān)控軟件查詢現場供電情況。 基于此，設計高速公路10 kV 外線路停電、通信機房溫濕度異常告警信息推送系統，該系統通過局域網開關量采集模塊、PLC、 智能遠程終端、微信公眾平臺、云平臺等監(jiān)測10 kV 外線路供給是否正常，并將停電告警信息經過采集、分析處理， 當觸發(fā)告警條件時可將告警信息內容通過微信公眾平臺推送至維護人員手機上。

1 現狀分析

為了保障沿線收費站、隧道各用電設備的可靠用電，隧道供電方式為市電供電和UPS 不間斷電源應急供電，長隧道配備雙電源互投供電功能。 收費站供電方式為市電供電和柴油發(fā)電機互補供電及UPS 不間斷電源應急供電，在每個收費站和隧道機房都配有1～2 臺UPS 和蓄電池組對各用電設備不間斷供電，雖然能實現市電監(jiān)控，但同時也存在著不少缺點，如告警延時、依靠監(jiān)控人員實時監(jiān)控等問題，主要有以下幾個特點。

優(yōu)點：（1）支持模塊統一管理功能，每臺UPS 主機都配有數據采集模塊，每臺UPS 數據可以歸集到UPS 監(jiān)控軟件，可實現集中管理；（2）可監(jiān)控市電輸入告警狀態(tài)、電壓、負載、電池容量等參數。

缺點：（1）告警延時長。 故障發(fā)生需由當班監(jiān)控人員發(fā)現后，反饋給對應轄區(qū)機電維護站，再通知機電維護站運維管理人員前去處理，由于南平市境內高速公路路段公司和維護單位較多，一條路段往往由多個維護站共同維護，監(jiān)控人員不能快速定位故障點對應的維護單位和人員，存在不可避免的人為延時問題，造成運維管理人員不能第一時間知曉故障和及時處理；（2）準確性不高和功能不完善。 當10 kV 外供電線路失電后， 但由于在每個收費站都配有1 臺柴油發(fā)電機，在10 kV 外線路失電后會自行啟動提供電力供給， 現有監(jiān)控軟件不能辨別出10 kV 外線路故障，容易誤導監(jiān)控人員市電已經恢復正常； 同時收費站通信機房沒有溫濕度監(jiān)測功能，由于通信機房內溫度過高未及時發(fā)現，造成服務器和通信設備死機、停機現象偶有發(fā)生；（3）較依賴人工。 停電故障發(fā)生時，需依靠人工發(fā)現，同時由于線路里程長、供電點多，發(fā)生故障后需查找所轄路段運維管理人員的聯系方式。 在雷雨季節(jié)時，10 kV 外線路供電故障經常發(fā)生， 依賴人工判定故障地點效率低，會導致故障數據收集緩慢，影響故障修復的進度。

2 系統整體架構和原理

針對當前UPS 監(jiān)控軟件不能準確判斷10 kV外線路供給狀態(tài)及不能采集通信機房內溫濕度、響應不及時、功能不完善等問題，設計了高速公路停電信息推送系統，該系統選用合適的軟、硬件技術方案，借助PLC、智能終端、云平臺、微信公眾平臺等，PLC 將收集到的故障信息發(fā)送至智能終端，智能終端通過外網與云平臺服務器通信，當觸發(fā)告警閾值且滿足告警條件后，將故障情況按照事先編輯好的消息模板及時推動到運維管理人員手機微信上，可通過web 網頁、微信公眾號和手機APP 等多種方式隨時隨地實時監(jiān)控，增加故障數據信息報表的存儲功能，為事后查詢、統計、分析等提供可靠依據（圖1）。

圖1 系統結構示意圖

2.1 系統硬件和軟件組成

系統硬件包括2 個部分：監(jiān)控中心硬件部分和隧道、收費站硬件部分。 監(jiān)控中心的硬件主要包括收集器、串口服務器、西門子S7-200smart 系列PLC、巨控GRM530 智能終端等。 隧道、收費站的硬件包括采集器、溫濕度傳感器、LoRa 通信終端、串口服務器等，主要實現數據采集、處理和傳輸。

系統軟件包括GRM530 智能終端的GRMDev5開發(fā)軟件、 西門子STEP 7- Micro/WIN SMART 編程軟件、采集器組網軟件、串口調試助手、手機APP和微信公眾平臺，實現設備參數配置、設備間相互配合、協同工作，保證數據傳輸可靠。

2.2 隧道停電信號采集及組網傳輸

2.2.1 隧道配電房停電信號采集

沿線隧道配電房安裝有2 臺施耐德WTS320自動轉換開關，分別用于10 kV 外線路發(fā)生停電時能夠切換至另一側供電。 在自動轉換開關輔助常開觸點引出接線至采集器輸入端口，當10 kV 外線路停電時，自動轉換開關動作后常開觸點吸合，此時采集器接收到閉合的開關量信號，完成停電信號采集動作。

2.2.2 采集器聯動組網配置

各隧道配電房采集器與在監(jiān)控分中心機房收集器進行組網配對，設備間通過局域網UDP 廣播點對點進行通信，采集器配置為主機開關量輸入檢測設備，收集器配置為從機繼電器輸出設備；同一局域網內主機的目標ID 與從機的設備ID 一致主機就可以控制從機。 考慮設備狀態(tài)及時性和實時性，控制類型采用實時聯動關系進行控制，即采集器輸入端口1 和2 采集到開關量信號后，實時聯動映射到收集器設備輸出繼電器端口1 和2。

2.2.3 數據通信傳輸方式

由于高速公路隧道沿線機房較多、設備分布較離散，沒有接入外網，同時沒有備用的光纖直連監(jiān)控分中心機房，綜合考慮項目施工成本和施工便捷性， 復用現有高速公路隧道監(jiān)控環(huán)網進行傳輸，該環(huán)網支持RJ45 網口設備接入，因此選用支持RJ45網口通信方式采集器，設備間可進行1 對多相互組網聯動（圖2）。

圖2 采集器、收集器組網傳輸示意圖

2.3 收費站機房溫濕度和停電信號采集及傳輸方式

收費站通信機房設有烽火SDH 傳輸設備、服務器、三層數據交換機等重要設備，對機房內設備供電和環(huán)境溫濕度度要求較高，主要對接入收費站配電房10 kV 外線路和通信機房溫濕度進行采集。

2.3.1 通信機房溫濕度采集

在通信機房內安裝RS-485 型溫濕度傳感器，支持標準Modbus-RTU 協議，不需要經過復雜的校驗、標定過程，將采集到的溫濕度數據分別存儲在內部寄存器地址為40001 和40002 中，對應的數值可通過線性關系直接轉換成具體溫濕度讀數。

2.3.2 配電房停電信號采集

沿線收費站的10 kV 外線路單獨接入配電房內，建設時配電房至通信機房中間沒有鋪設通信光纜無法通信，而且之間存在障礙物干擾，在這種情況下使用蜂窩、Wi-Fi 和藍牙低功耗（BLE）網絡通信方式是不可靠的，故采用LoRa 無線通信方式（圖3），其采用LoRa 擴頻技術，工作頻率在433 MHz，抗干擾和穿透能力強，可實現低功耗和遠距離傳輸，極大降低施工成本。 在收費站配電房和通信機房各安裝1 臺LoRa 終端進行點對點傳輸數據，LoRa 終端設備自帶IO 和RS485 接口，IO 口與配電房內施耐德WTS320 自動轉換開關輔助觸點連接，采集10 kV外線路供給狀態(tài)是否正常。

圖3 LoRa 終端傳輸原理

2.3.3 數據通信傳輸方式

由于溫濕度傳感器傳輸使用的是RS-485 接口和Modbus-RTU 協議進行傳輸，數據不能直接通過交換機傳輸至監(jiān)控中心，需借助串口服務器將RS-485 串口轉換成TCP/IP 協議網絡接口， 實現RS-485 串口與TCP/IP 協議網絡接口的數據雙向透明傳輸。 沿線收費站通信機房和監(jiān)控中心機房各安裝1 臺串口服務器實現多對1 數據透傳，采集、傳輸設備通信接口選用RS-485 串口， 支持Modbus-RTU協議。 通信方式采用主從式結構，串口服務器作為主機將各個從機設備RS-485 接口串聯起來進行通信，復用收費站區(qū)域主干通信網絡將數據傳輸至監(jiān)控分中心。

2.3.4 串口服務器點對點透傳模式配置

串口服務器實現多對1 數據透傳，需對串口服務器模式進行修改。 將沿線收費站安裝的串口服務器設置為Server 模式，監(jiān)控中心機房內串口服務器設置為Client 模式，將客戶端串口服務器（Client 模式）遠程端口和遠程服務器地址都設置為服務端串口服務器（Server 模式）本地端口和IP 地址，即可完成配對，具體配置如下：客戶端串口服務器（Server模式）設置：本機IP 地址：35.44.98.100；工作模式：Server；本地端口：26。服務端串口服務器（Client 模式）設置：本機IP 地址：35.44.98.101；工作模式：Client；遠程端口：26；遠程服務器地址：35.44.98.100。

2.4 監(jiān)控中心信號收集、反饋處理

各隧道監(jiān)測點的采集器采集到的停電信號經過設備間組網聯動反饋給收集器，反饋信號經過收集器繼電器輸出西門子S7-200smart PLC 數字量輸入模塊，各數據存入至PLC 內部I 區(qū)寄存器進行存儲，PLC 無需添加任何程序。 巨控GRM530 系列智能終端包含2 個RS-485 端口、1 個WAN 口和2 個LAN 口。 WAN 口需接入外網才能將數據傳輸至云平臺，LAN 口接入監(jiān)控中心機房內三層以太網交換機和PLC 進行通信。沿線收費站采集的數據通過串口服務器與智能終端的RS-485 接口相連， 通訊連通后讀取PLC 和相關串口通訊設備寄存器區(qū)地址數據，從而實現兩者的雙向數據交換。

2.4.1 智能終端關聯變量設置

通訊連接后，使用巨控GRM530 系列智能終端的GRMDev5 軟件開發(fā)工程， 設置智能終端與PLC通信協議為smart S7-200 TCP 協議，RS-485 通訊設備通過Modbus-RTU 協議進行通信，將新建變量關聯到PLC 和相關通訊設備寄存器地址。 新建設備PLC，配置IP 地址和網絡端口，該地址和智能終端的IP 地址需在同一個網段， 建立各個隧道配電房變量名稱、類型、變量組等參數，根據溫濕度傳感器和PLC 中寄存器類型和地址與智能終端建立變量關聯，溫濕度傳感器寄存器存儲的濕度、溫度值分別對應組態(tài)地址為40001 和40002， 在新建變量時，變量類型為浮點數，寄存器類型選擇可讀寫字4X，IO 數據類型為INT16，地址分別對應為1、2。 新建PLC 變量時，變量類型為開關量，寄存器類型選擇I 區(qū)（Bit），IO 數據類型為BIT，地址范圍為0.00-31.07，分別對應各采集器監(jiān)測點位，工程編譯后程序可用過云端下載到智能終端。

2.4.2 變量報警信息的編輯

要實現告警信息推送，需使用GRMDev5 軟件事先對變量或者表達式預先定義（圖4）。停電信息的變量類型采用開關量形式，開關量型變量報警觸發(fā)表達式格式為：變量名稱==1，即停電狀態(tài)是變量值由0 變?yōu)? 后觸發(fā)告警。 溫濕度變量類型采用浮點數形式，溫度報警上限為30℃，下限為15℃，超出閾值后觸發(fā)告警。 在條件報警編輯器內對每個變量觸發(fā)告警時需要發(fā)送的信息內容預設模板，信息推送依據模板內容推送至用戶手機。

圖4 GRMDev5 軟件操作界面

2.5 告警信息推送平臺功能架構構思

隨著微信等社交軟件的不斷發(fā)展應用，越來越多的人開始使用微信，目前微信用戶人數已超12 億人。對企業(yè)而言，一方面，微信已深入到千家萬戶，便于用戶的推廣；另一方面，微信公眾平臺支持第三方服務接入，兼容性、擴展性、靈活性較好，無用戶數量和時間、位置限制，采用微信公眾平臺對設備進行監(jiān)控和接收告警信息，用戶只需關注巨控智能終端廠家開通的工業(yè)安全平臺公眾號，綁定智能終端SN 碼和登錄密碼， 在手機微信公眾平臺上就實現遠程監(jiān)控和接收告警信息。

2.5.1 告警信息通知生成規(guī)則

微信公眾平臺推送方式有模板信息推送、純文本信息推送、 視頻信息推送和語音信息推送等，模板信息推送方式支持設置參數字段方式自動獲取數據庫的匹配字段內容，因此選擇模板消息推送作為停電通知的推送方式[1]。

2.5.2 微信客戶匹配規(guī)則

云平臺數據庫客戶數據與微信公眾號平臺已有的微信客戶數據并不完全相對，同時信息推送用戶群體范圍和權限不同，為保證信息推送到微信目的客戶群體的準確性，需設定匹配規(guī)則對數據庫用戶和消息推送目的用戶2 個來源數據進行匹配和過濾處理[1]，使用GRMDev5 軟件對設備間的變量操作權限進行編輯定義，分配用戶權限賬號以便于信息發(fā)送到不同用戶群體，實現微信信息推送精準定位。

2.5.3 告警信息推送

告警信息的推送是指當系統中某些變量值超過了所規(guī)定的界限或滿足報警表達式時，智能終端自動發(fā)送報警短信。 每條告警信息包含報警條件、發(fā)送目標、 報警延時和報警消息模板等要素。 PLC和相關通訊設備寄存器地址狀態(tài)往往是以開關量和浮點數呈現，當智能終端讀取到開關量類型的變量狀態(tài)由0 變?yōu)? 或浮點數類型變量數值超出預設閾值就可觸發(fā)報警條件，智能終端根據事先編輯的信息模板通過外網將數據傳送到云平臺上的監(jiān)控服務器，云平臺通過和微信端匹配的接口，將告警信息推送至維護人員手機微信公眾號上，也支持使用手機短信和語音播報通知功能。

3 工程應用

該套系統在南平松建、京臺高速公路進行理論分析、系統整體設計、軟硬件的安裝調試，對轄區(qū)36條隧道、9 座收費站的10 kV 外線路供電點以及通信機房溫濕度完成全覆蓋監(jiān)控，安裝投入使用后測試表明該系統具有信息推送準確、穩(wěn)定性高、可實時云端監(jiān)控等特點，特別是利用微信公眾平臺能較方便運維管理人員使用，主要有以下特點：

3.1 故障告警及時性高

以往故障響應不及時，故障出現后監(jiān)控人員需多次核實、多方查找運維管理人員聯系方式，該系統投入使用后將故障報修從被動接收轉變?yōu)閷⒐收瞎?jié)點移至撥打報修電話之前，告警信息推送從故障出現到運維管理人員知悉能在5 s 內完成， 實現運維管理人員提前介入、主動響應、精準定位。

3.2 完善系統功能

對現有監(jiān)控軟件使用上功能不足進行補充，增加10 kV 外線路失壓監(jiān)測功能、通信機房溫濕度監(jiān)測功能、Web 瀏覽器和微信監(jiān)管功能，通過云平臺用戶可以不受任何時間、任何地點限制，使用手機APP、網頁、微信等多種方式從云平臺獲取數據，實現監(jiān)控和接收告警信息，使用方便靈活（圖5）。

圖5 微信公眾號監(jiān)控界面

3.3 統計分析功能

實現監(jiān)控和告警信息推送同時，增加報表統計功能，在云平臺上可以查看歷史數據表格與歷史報警表格，還可以直接導出數據表格和報警表格到電腦，供打印和處理，支持斷線續(xù)傳功能，定時記錄的數據會在下次上線后補錄到云服務器，歷史數據不會丟失。

4 結語

依托物聯網設備、云平臺和微信公眾平臺等技術手段，實現機房高效預警、無人值守、遠程報警和集中管理等功能。 微信推送告警信息的方式能滿足運維管理人員在任何時間、任何地點第一時間接收到告警信息，實現故障點的快速精準定位和及時響應。 該系統無需搭建服務器，維護成本低，可擴展性好， 極大確保高速公路機電三大系統穩(wěn)定運行，提升了整個系統的運維管理能力，為高速公路安全暢通和車戶出行提供優(yōu)質服務保障。