1 引言

高速公路上安裝的機電設(shè)備具有種類多、數(shù)量大等特點，各個設(shè)備分散安裝增加了設(shè)備運維檢修的難度， 設(shè)備巡檢養(yǎng)護工作耗費了大量人力資源。 傳統(tǒng)運維管理系統(tǒng)需要由人工輸入巡檢運維數(shù)據(jù)，無法提高運維管理效率，也難以發(fā)揮計算機技術(shù)的強大功能。 在運維管理中引進人工智能技術(shù)、GIS 系統(tǒng)及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)等， 可開展機電設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，呈現(xiàn)設(shè)備運行狀態(tài)，并進行在線故障分析。 發(fā)生故障后能智能派單，幫助運維人員第一時間發(fā)現(xiàn)故障問題，指導(dǎo)運維人員現(xiàn)場維修，最大程度提高響應(yīng)效率，減少故障損失。 本研究介紹了智慧運維系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，分析系統(tǒng)功能，以期積極推廣智慧運維系統(tǒng)的應(yīng)用，降低公路運維成本，提高設(shè)備故障響應(yīng)效率，保證機電設(shè)備安全運行。

2 高速公路機電設(shè)備智慧運維關(guān)鍵技術(shù)

2.1 自動監(jiān)測技術(shù)

高速公路工程使用大量機電設(shè)備， 由于不同機電設(shè)備廠商的產(chǎn)品型號不同，對機電設(shè)備的集中監(jiān)控難度較大。 部分機電設(shè)備經(jīng)過光電纜網(wǎng)絡(luò)接入有線網(wǎng)絡(luò)， 部分設(shè)備通過RS232等接口連接網(wǎng)絡(luò)，但仍有部分設(shè)備無法入網(wǎng)。 聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以采取標準化協(xié)議，如數(shù)據(jù)庫支持SQL、服務(wù)器支持SNMP 等，在場上支持下將設(shè)備狀態(tài)上傳至系統(tǒng)中。 通過HTTP 訪問設(shè)備發(fā)送指令，并接收設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，通過數(shù)據(jù)信息傳遞第一時間掌握設(shè)備狀態(tài)信息，如光強檢測設(shè)備、欄桿機及稱重設(shè)備等。 對于目前尚未聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備，可以借助前端采集終端對設(shè)備數(shù)據(jù)進行采集，通過物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，支持運維管理工作的開展。

2.2 遠距離無線電技術(shù)

Lora 技術(shù)作為遠距離傳輸技術(shù)，具有安全性高、傳輸距離遠等特征，終端可以接受不同強弱信噪比的信號，并選擇對應(yīng)的擴頻因子，從而實現(xiàn)遠距離信號傳輸。 高速公路上由于設(shè)備相對分散，更適合應(yīng)用Lora 技術(shù)實現(xiàn)信號傳播。 傳感器可以對電壓、溫度及電流進行測定，將測定數(shù)據(jù)發(fā)送至Lora 網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)和有線網(wǎng)絡(luò)相連接，將數(shù)據(jù)傳遞至服務(wù)器，并對設(shè)備展開全天候狀態(tài)監(jiān)控。 由于終端電耗低，電池可滿足終端的正常運作需求，一旦設(shè)備停電，可借助電池供電持續(xù)運行一段時間。1 kps 速率的信號可在空曠場地中遠距離運輸4 km，即使在隧道內(nèi)，傳輸距離也能長達1 km[1]。 使用7 920 C 鋰電池可為設(shè)備提供8 h 供電，滿足大部分情況下的供電運行需求。

2.3 專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)是人工智能技術(shù)中的重要內(nèi)容， 基于現(xiàn)有知識庫智能分析設(shè)備故障信息， 并根據(jù)專家數(shù)據(jù)庫給出對應(yīng)的處理辦法，對歷史數(shù)據(jù)展開統(tǒng)計調(diào)查，通過查閱類似故障信息提出解決方案。 處理故障后，所有的處理方案、診斷技術(shù)以及故障數(shù)據(jù)均保存于專家系統(tǒng)中，作為新的條目備用。 隨著運行時間的積累，專家?guī)熘袛?shù)據(jù)越來越多，專家系統(tǒng)分析經(jīng)驗越來越豐富，從而形成了智慧運維診斷。 專家系統(tǒng)還能根據(jù)用戶輸入關(guān)鍵字模糊匹配，對數(shù)據(jù)檢索分析，對用戶提出的問題給出指導(dǎo)建議。 專家系統(tǒng)可自動化進行數(shù)據(jù)分析，研判可能出現(xiàn)故障的原因，提示用戶展開巡檢養(yǎng)護工作，以提高運維效率。

2.4 時序數(shù)據(jù)庫

機電設(shè)備運行數(shù)據(jù)存在時間屬性，可定時更新，使用時序數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行保存。 不同于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，時序數(shù)據(jù)庫采取時間屬性+ 標簽化形式進行數(shù)據(jù)保存，能快速寫入數(shù)據(jù)，支持多維度查詢功能。 只設(shè)置時間索引降低儲存成本，數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)簡單，方便于數(shù)據(jù)庫維護管理。系統(tǒng)選擇Elasticsearch 數(shù)據(jù)庫，用于對狀態(tài)數(shù)據(jù)的保存， 應(yīng)用數(shù)據(jù)保存于Mysql 數(shù)據(jù)庫中[2]。18 s 即可完成50 多萬條數(shù)據(jù)的寫入，1 s 內(nèi)可完成數(shù)據(jù)查詢，吞吐量高，更適合運維管理工作實踐。

3 高速公路機電設(shè)備智慧運維系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)框架

高速公路機電智慧運維系統(tǒng)能科學(xué)了解機電設(shè)備狀態(tài)、養(yǎng)護機電設(shè)施，從而保障機電設(shè)施的運行安全。 通過智慧運維管理可第一時間了解系統(tǒng)安全隱患及缺陷故障， 實施日常隱患排查工作。 運維系統(tǒng)將對高速公路進行全天候監(jiān)測，保護高速公路的安全性。 結(jié)合機電設(shè)備的運維管理需求，設(shè)計運維管理系統(tǒng)，其組織框架如圖1 所示。

圖1 智慧運維系統(tǒng)

3.2 運行監(jiān)控

為保證機電設(shè)備智慧運維應(yīng)保證設(shè)備穩(wěn)定運行， 能夠及時發(fā)現(xiàn)故障問題并第一時間解決問題， 運行監(jiān)控模塊即在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠密切關(guān)注機電設(shè)備運行狀態(tài)以及運行數(shù)據(jù)，保存故障信息，保證了工作人員可以快速發(fā)現(xiàn)故障問題，積極解決故障。 借助于機電設(shè)備管理平臺，能夠統(tǒng)一監(jiān)測機電設(shè)備，并對故障信息進行警報處理， 根據(jù)故障數(shù)據(jù)形成警報統(tǒng)計分析圖、拓撲監(jiān)控視圖、機房模擬圖以及主線路段展示圖等。

3.3 設(shè)備管理

智慧運維系統(tǒng)最基礎(chǔ)的功能為設(shè)備管理模塊， 可以統(tǒng)一管理不同設(shè)備以及配件， 保證流程規(guī)范化。 設(shè)備管理分為庫存、機構(gòu)以及設(shè)備3 個模塊，實現(xiàn)對設(shè)備的全生命周期管理。如圖2 所示，從運營分析及運營規(guī)劃開始，可在智慧運維系統(tǒng)中開始管理，包括上線、驗證、錄入、入庫及下線展開設(shè)備規(guī)劃和運營的全生命周期管理。 同時也能對設(shè)備維護工作展開管理，詳細記錄設(shè)備維護任務(wù)、執(zhí)行情況、滿意度以及維護數(shù)據(jù)記錄等內(nèi)容。 如對設(shè)備進行巡檢養(yǎng)護，可在養(yǎng)護記錄單中詳細記錄養(yǎng)護巡檢調(diào)度管理任務(wù)、值班人員等信息，全程以數(shù)據(jù)形式記錄儲存。

圖2 設(shè)備管理

3.4 統(tǒng)計管理

機電智慧運維系統(tǒng)的統(tǒng)計管理主要負責統(tǒng)計記錄、 分析運行數(shù)據(jù)， 并提出運營建議。 經(jīng)過對機電設(shè)備運行數(shù)據(jù)的分析，形成綜合管理數(shù)據(jù)表，詳細記錄各個指標的數(shù)據(jù)和變化，在管理系統(tǒng)中統(tǒng)一展示， 經(jīng)過人工智能以及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的進一步統(tǒng)計分析，可以從不同角度展示分析結(jié)果，向運維人員呈現(xiàn)設(shè)備健康狀態(tài)、性能參數(shù)、故障原因、成本效益等詳細信息。 按照管理單位設(shè)定的考核指標，也能對運維人員工作情況進行數(shù)據(jù)化考核，從系統(tǒng)數(shù)據(jù)中選擇設(shè)備管理任務(wù)、運維能力、用戶評價、工作時間等數(shù)據(jù)展開數(shù)據(jù)考核，更公平客觀地評價員工工作績效。 同時經(jīng)過對運維數(shù)據(jù)的分析，也能了解設(shè)備零部件運行壽命、運維頻率以及預(yù)算定額等詳細數(shù)據(jù)，為管理人員做出管理決策提供數(shù)據(jù)支持。 表1 為對使用年限和故障率的分析， 根據(jù)故障率的對比更有利于選擇性能更好的設(shè)備，降低故障率。

表1 不同設(shè)備使用年限和故障率統(tǒng)計結(jié)果

如運維管理機構(gòu)想要對比設(shè)備品牌性能差異， 也能根據(jù)系統(tǒng)中故障率分析、性能指標評價硬件設(shè)備的穩(wěn)定性，指導(dǎo)采購計劃選擇性價比更優(yōu)的品牌。

3.5 知識庫管理

經(jīng)過一段時間運行后，設(shè)備運維數(shù)據(jù)得到全方位保存，經(jīng)過長期積累，形成綜合知識庫，根據(jù)運維管理單位特點，對知識庫數(shù)據(jù)展開數(shù)據(jù)挖掘及人工智能分析， 得到降低故障率及運維成本的可行性措施，進而挖掘運維系統(tǒng)的服務(wù)功能[3]。 知識庫數(shù)據(jù)也提供檢索數(shù)據(jù)、維護數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)管理等功能，能夠應(yīng)用于運維管理階段各個環(huán)節(jié)中， 充分利用大數(shù)據(jù)支持運維管理，推動知識庫智能化發(fā)展。

3.6 移動端

在移動互聯(lián)網(wǎng)的支持下， 運維人員可利用手機終端下載移動端平臺，在運維現(xiàn)場發(fā)送處理工單，如在巡檢養(yǎng)護任務(wù)中將現(xiàn)場工況拍照上傳至系統(tǒng)，查看歷史故障數(shù)據(jù)，并直接填寫巡檢情況，第一時間上傳并完成巡檢運維任務(wù)。 同時也能通過移動端系統(tǒng)接受公告信息、故障問題等信息。 通過移動端平臺，機電智慧運維實現(xiàn)了公開透明化管理， 最大程度提高運維管理效率，降低運維成本，對機電設(shè)備實現(xiàn)閉環(huán)管理。 運維人員通過掃描設(shè)備的二維碼，系統(tǒng)自動跳轉(zhuǎn)設(shè)備的相關(guān)信息，運維人員可遠程獲取設(shè)備的檢修時間、故障信息、具體位置、設(shè)備編號等信息，無須現(xiàn)場錄入設(shè)備信息，大幅提高運維人員操作效率及勞動量。 監(jiān)控中心也能了解運維人員到達現(xiàn)場的時間及維修記錄，無須進行簽到，提高人員管理效率。

4 結(jié)語