楊凱

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設計院股份有限公司，甘肅蘭州 730030）

0 引言

高速公路機電設備監(jiān)控及可視化管理是網(wǎng)絡信息時代背景下，高速公路建設發(fā)展的必然趨勢，是進一步提升高速公路運維管理能力，保障高速公路運營安全性和穩(wěn)定性的重要舉措。在明確高速公路機電系統(tǒng)設備組成的基礎上，研究高速公路機電設備監(jiān)控系統(tǒng)的構建方法和高速公路機電設備監(jiān)控及可視化管理的實現(xiàn)策略，對于我國高速公路的健康發(fā)展具有積極的作用和意義。

1 高速公路機電系統(tǒng)設備組成概述

1.1 收費系統(tǒng)的設備組成

收費系統(tǒng)主要由金額顯示設備、車輛識別系統(tǒng)、收費站監(jiān)控室計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)、IC 卡讀寫設備、對講系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、自動欄桿機、票據(jù)打印機等組成，是高速公路獲取運營資金的主要途徑。以往的收費系統(tǒng)主要為半自動收費模式，需要人工協(xié)助完成收費。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，現(xiàn)階段的收費系統(tǒng)多采用自動收費模式，即ETC 收費模式。

1.2 供配電系統(tǒng)的設備組成

高速公路供配電系統(tǒng)主要由發(fā)電機組、UPS 電源、高低壓配電線路及配套電氣設備構成，具備常規(guī)供電和應急供電兩種供電模式。主要功能和作用包括：為高速公路中的各類電氣設備進行持續(xù)性供電，在突發(fā)緊急情況時能提供一定時間的應急供電。由此可見，供配電系統(tǒng)是高速公路機電系統(tǒng)得以正常運轉的重要保障，是高速公路正常運營的基礎。

1.3 監(jiān)控系統(tǒng)的設備組成

在管理層級方面，高速公路監(jiān)控系統(tǒng)可劃分成外場監(jiān)控設備、監(jiān)控站、監(jiān)控分中心、監(jiān)控中心四個層級。

根據(jù)所處物理環(huán)境，外場監(jiān)控設備可細分為隧道內(nèi)監(jiān)控設備和常規(guī)路段監(jiān)控設備兩種類型。其中，隧道內(nèi)監(jiān)控設備包括交通控制系統(tǒng)、環(huán)境檢測系統(tǒng)、火災檢測報警系統(tǒng)、隧道通風控制系統(tǒng)、有線廣播系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)。常規(guī)路段監(jiān)控設備包括車輛檢測器、氣象檢測器、信息發(fā)布屏、遠程控制監(jiān)控器等多種設備。

在其他三個層級的監(jiān)控系統(tǒng)中，計算機控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡通信系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)及必要的輔助設備是必要組成部分。在進行系統(tǒng)構建時，需根據(jù)高速公路的建設規(guī)模和設計要求，對系統(tǒng)的組成和架構進行有針對性的設計與科學調(diào)整。

對于高速公路而言，監(jiān)控系統(tǒng)的功能作用主要是實時監(jiān)測高速公路的路面狀況、車流量情況、基礎設施工況及整體運行狀態(tài)，引導公路管理部門及時處理公路上出現(xiàn)的突發(fā)情況，為高速公路運營及管理工作的開展和優(yōu)化提供資料依據(jù)。

1.4 通信系統(tǒng)的設備組成

高速公路通信系統(tǒng)通常由通信電源系統(tǒng)、光電線纜、光纖傳輸網(wǎng)絡、數(shù)字程控交換系統(tǒng)等構成，是高速公路機電系統(tǒng)中監(jiān)控、收費等子系統(tǒng)各項業(yè)務需求緊密連接的“橋梁”，是各管理部門之間各類數(shù)據(jù)信息通暢傳輸、實時共享的重要基礎。

1.5 照明系統(tǒng)的設備組成

照明系統(tǒng)是高速公路機電系統(tǒng)的重要組成部分，主要由場站照明子系統(tǒng)、主車道照明子系統(tǒng)、隧道照明子系統(tǒng)組成。其中，場站照明子系統(tǒng)主要保證收費站、管理站正常工作時的照明需求。主車道照明子系統(tǒng)主要為重要路段和事故多發(fā)路段提供主線照明，保證監(jiān)控設備在夜間的監(jiān)視效果的同時，還可以提高所在路段的行車安全性。隧道照明子系統(tǒng)主要對隧道內(nèi)進行24h 的持續(xù)性照明，同時在隧道內(nèi)發(fā)生意外事故時，可提供一段時間的應急照明[1]。

2 高速公路機電設備監(jiān)控系統(tǒng)的構建

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)的結構組成

高速公路機電監(jiān)控系統(tǒng)由底層硬件系統(tǒng)和上層軟件系統(tǒng)兩部分構成，包含監(jiān)控數(shù)據(jù)采集、中繼網(wǎng)關傳輸、云服務器、人機交互界面四個結構組成部分。具體工作原理為：在每個行車道上安裝1 個監(jiān)測器，利用該監(jiān)測器對所在車道機電設備自帶反饋信號、后裝傳感器反饋信號進行實時采集，所采集的數(shù)據(jù)信息作為判斷機電設備是否處于正常運行狀態(tài)的主要依據(jù)。監(jiān)測器完成信息采集后，會基于ZigBee 技術將采集信息傳輸至中繼網(wǎng)關，由中繼網(wǎng)關對采集數(shù)據(jù)信息進行打包處理，并通過寬帶通信網(wǎng)絡將打包好的數(shù)據(jù)信息上傳至云端服務器。此時，高速公路運維管理人員便可通過人機交互界面直接察看機電設備的監(jiān)控信息，直觀地了解監(jiān)控設備的運行狀況[2]。

2.2 機電設備監(jiān)控系統(tǒng)的構建

高速公路機電設備監(jiān)控系統(tǒng)的構建主要依托傳感器數(shù)據(jù)采集、無線網(wǎng)絡雙向通信、物聯(lián)網(wǎng)、云儲存四大技術。具體包含以下功能模塊的設計與構建：

第一，采集系統(tǒng)監(jiān)測器設計。采集系統(tǒng)監(jiān)測器主要由供電電源、信號采集、無線傳輸、數(shù)據(jù)存儲四個功能模塊組成，并具備數(shù)據(jù)采集、傳輸、儲存三項基本功能，在主控芯片和系統(tǒng)軟件的控制下協(xié)同運行。采集系統(tǒng)監(jiān)測器應采取模塊化設計，工作流程為：主程序對各接口模塊進行初始化—等待設備對應采集端配置處理—調(diào)用并進入各個數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)—將采集數(shù)據(jù)存儲至外部Flash 中—通過ZigBee 將采集數(shù)據(jù)傳輸給中繼網(wǎng)關。

第二，通信網(wǎng)關設計。通信網(wǎng)關主要由主控芯片、供電電路、基本電路、撥碼開關電路、ZigBee 模塊、4G 模塊、Wi-Fi 模塊構成。在功能設計方面，應保證通信網(wǎng)關具備4G 接收緩沖處理、4G 發(fā)送緩沖處理與確認、ZigBee 接收緩沖處理、Wi-Fi 接收緩存處理、4G重連、“看門狗”等功能。

第三，云端程序設計，即利用計算機編程語言編寫UDP Server 程序，實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)自動上傳至云端，并根據(jù)實際需求在云端進行處理和計算。在功能設計方面，應保證云端程序能夠執(zhí)行“數(shù)據(jù)處理”和“故障診斷”兩項工作。

第四，數(shù)據(jù)庫設計。在進行高速公路機電設備監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設計時，應根據(jù)用戶需求、實際情況、機電系統(tǒng)規(guī)模等因素，科學編制數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)字典，合理構建E-R 模型，以此保證數(shù)據(jù)庫的功能性與構建合理性。

第五，交互式網(wǎng)頁設計。交互式網(wǎng)頁設計是實現(xiàn)機電系統(tǒng)監(jiān)控和可視化管理的重要手段。主要包含B/S 結構（瀏覽器/服務器結構）、MySQL 數(shù)據(jù)庫、Apache 服務器軟件、前端及后臺程序的開發(fā)與設計。在功能設計方面，應保證交互式網(wǎng)頁具備狀態(tài)查閱、檔案管理、實時監(jiān)控、頻次統(tǒng)計、用戶管理、監(jiān)測設備管理等功能[3]。

3 高速公路機電設備監(jiān)控及可視化管理的策略分析

3.1 做好前期系統(tǒng)規(guī)劃

做好前期的系統(tǒng)規(guī)劃工作是實現(xiàn)高速公路機電設備監(jiān)控及可視化管理的首要前提。期間，需要管理部門積極引入、靈活應用GIS、大數(shù)據(jù)分析、無線通信、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術。基于上述技術手段的整合應用，可將前端機電設備的運行狀態(tài)，如實、直觀地反饋到后方的監(jiān)控中心，管理部門可通過監(jiān)控中心終端設備實現(xiàn)機電系統(tǒng)及具體設備的監(jiān)控和管理。在進行前期系統(tǒng)規(guī)劃時，還應配置相應的服務器，利用服務器將系統(tǒng)中的傳輸信息轉化為可視化的形式，使機電設備的運行狀態(tài)更直觀、更清晰、更具動態(tài)性地呈現(xiàn)在管理人員眼前，協(xié)助管理人員更好地開展機電設備運維管理工作。

3.2 繪制軟件布局及分布圖

為了能夠準確、直觀地展現(xiàn)高速公路上各機電設備的運行情況，切實實現(xiàn)機電設備的可視化管理，高速公路管理部門應按照統(tǒng)一的標準確定每個機電設備布設位置的坐標。將所有位置坐標錄入電腦系統(tǒng)中，結合GIS、GPS 提供的數(shù)據(jù)信息，生成高速公路機電設備二維分布圖，以此初步實現(xiàn)公路上所有機電設備布設位置的可視化呈現(xiàn)。為保證分布圖繪制的精準性，工作人員應對所需數(shù)據(jù)進行實時采集和反復校對，對各路段的機電設備記錄信息進行核對，按照圖紙比例尺對分布圖中的數(shù)據(jù)進行還原，并與實際情況對比、核實。機電設備分布圖繪制完畢后，將其與監(jiān)控系統(tǒng)相連接，將每個機電設備的前端監(jiān)控數(shù)據(jù)信息與分布圖中該設備的圖標一一對應。此時，機電設備運維人員便可以通過在分布圖點選圖標的方式，直接察看對應機電設備的運行數(shù)據(jù)信息，從而實現(xiàn)機電設備的遠程監(jiān)控與可視化管理。例如高速公路機電設備一旦出現(xiàn)故障或功能異常須及時檢修，而重點路段往往會布設較多的機電設備，傳統(tǒng)技術手段下運維人員需要耗費較多的時間和精力才能找到故障點。利用分布圖，運維人員可快速、直觀地察看目標路段內(nèi)所有機電設備的運行狀態(tài)，快速完成故障點的定位，從而大幅度提升重點路段機電設備運維檢修的效率[4]。

3.3 對圖標進行設計與處理

在分布圖中利用圖標、符號進行信息標注是實現(xiàn)機電設備可視化管理的重要手段。因大部分機電設備的外形較為復雜，并不適合實施簡單標注，管理部門應在落實機電設備可視化管理工作的過程中，對機電設備對應圖標進行優(yōu)化設計，以便在分布圖和可視化人工交互管理界面中更好地標示、呈現(xiàn)機電設備，使運維管理人員在排查和甄選機電設備時，能夠快速找到圖標對應的位置，提高工作效率。此外，在進行圖標優(yōu)化的過程中，可設計一些直觀易懂的動畫，對機電設備的運行情況進行動態(tài)化呈現(xiàn)，進一步提升可視化管理的直觀性。例如，當機電設備處于正常工作狀態(tài)時，可用綠色、靜態(tài)的圖標表示，當機電設備運行異?；虺霈F(xiàn)故障時，可用紅色且循環(huán)擴散光波的動態(tài)化圖標表示，以此快速吸引后臺監(jiān)控運維人員的注意，提醒其立即對該機電設備進行故障排查和檢修。

3.4 優(yōu)化完善監(jiān)控系統(tǒng)

按照相關規(guī)范標準的要求，各高速公路均會配備監(jiān)控系統(tǒng)。從實際情況來看，現(xiàn)階段設計的監(jiān)控系統(tǒng)，其主要功能為記錄所在路段的路況信息，而各路段間的聯(lián)系較少，通常僅通過上級管理中心進行聯(lián)系協(xié)調(diào)。這種情況并不利于高速公路機電設備監(jiān)控及可視化管理的實現(xiàn)，高速公路管理部門應進一步優(yōu)化和完善當前的監(jiān)控系統(tǒng)，全面提升各路段之間監(jiān)控數(shù)據(jù)的共享。例如，在擁有較多分支且里程數(shù)較大的高速公路中，會存在車輛分流的現(xiàn)象。此時，若各路段之間的監(jiān)控數(shù)據(jù)能夠實時共享，管理部門便可對公路全程的路況情況進行精準把握，以便在出現(xiàn)緊急情況時能夠更科學、及時地對該路段進行整體性管控，最大限度地保證路面車輛的行駛安全。

3.5 構建集成化管理系統(tǒng)

受多種因素的影響，很多高速公路機電設備研發(fā)企業(yè)在進行產(chǎn)品研發(fā)時，未重視設備兼容性及與其他機電設備互聯(lián)互通性的開發(fā)，不同類型的研發(fā)企業(yè)之間缺乏深入的技術交流與合作，導致很多機電設備在投入使用后難以有效連接、充分配合，從而嚴重影響了高速公路機電設備的運維管理，阻礙了機電設備監(jiān)控與可視化管理的實現(xiàn)。例如，國內(nèi)很多機電設備研發(fā)企業(yè)在研發(fā)產(chǎn)品的過程中，僅從機電設備對立運行的角度進行研發(fā)，以此最大限度地保證自身產(chǎn)品的質(zhì)量性與實用性，該研發(fā)模式并不能保證設備的兼容性。在實際工作中，大部分機電設備都不是獨立運行的，普遍會與其他機電設備聯(lián)系和配合，因此，上述研發(fā)模式下生產(chǎn)的機電設備雖然個體質(zhì)量沒有問題，但很難與其他機電設備良好配合組成為一個運行高效、穩(wěn)定的機電系統(tǒng)。針對上述問題，管理部門在構建高速公路機電系統(tǒng)時，應優(yōu)先選擇兼容性、連接性好的機電設備，以此構建出一套配合緊密、整體性強的機電系統(tǒng)。在此基礎上，利用現(xiàn)代信息技術手段構建一個能夠統(tǒng)籌管理該機電系統(tǒng)中各機電設備的集成化管理系統(tǒng)，從而為高速公路機電設備監(jiān)控與可視化管理的實現(xiàn)提供良好的載體[5]。

4 結語

綜上所述，高速公路機電系統(tǒng)由供配電、監(jiān)控、收費、通信、照明等多個子系統(tǒng)構成，包含眾多的機電設備，這些機電設備的運行狀態(tài)對高速公路的運行安全性具有決定性的影響。在新時期背景下，為進一步提高高速公路的運維管理水平，更好地保障高速公路的運行安全性，高速公路管理部門應積極進行現(xiàn)代化機電設備監(jiān)控系統(tǒng)的構建，并通過該研究策略實現(xiàn)機電設備的監(jiān)控及可視化管理。