謝昊良

（山西省智慧交通研究院有限公司，山西太原 030032）

1 概述

近幾年，隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、邊緣計(jì)算等技術(shù)迅猛發(fā)展，高速公路建設(shè)正朝著智慧化和數(shù)字化方向發(fā)展。高速公路機(jī)電設(shè)備作為實(shí)現(xiàn)智慧高速的硬件基礎(chǔ)，亟需提高機(jī)電設(shè)備運(yùn)維監(jiān)測(cè)能力，如需要在傳統(tǒng)機(jī)電設(shè)備要求的基礎(chǔ)上，通過(guò)各種裝置與技術(shù)對(duì)設(shè)備運(yùn)行中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳回進(jìn)行管理、分析與監(jiān)測(cè)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的智能化運(yùn)維檢測(cè)和運(yùn)營(yíng)管理。

隨著高速公路路網(wǎng)的不斷延伸，與之配套的機(jī)電設(shè)備也存在著數(shù)量多、分布廣的特點(diǎn)，且大部分的機(jī)電設(shè)備距離城市較遠(yuǎn)，現(xiàn)有的機(jī)電設(shè)備運(yùn)維仍然采用傳統(tǒng)的管理方式，如人工巡檢、手工記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)。人工巡檢存在諸多弊端，如無(wú)法巡視到位，往往只能查看設(shè)備外部，無(wú)法查看設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)變化；運(yùn)維巡檢周期長(zhǎng)，無(wú)法做到24 h 巡檢[1]，巡檢過(guò)程無(wú)法監(jiān)管，缺乏對(duì)設(shè)備的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)與分析；高速公路機(jī)電設(shè)施點(diǎn)多面廣，運(yùn)維人員工作強(qiáng)度大，效率低，成本高；故障不易定位，運(yùn)維難度大，短時(shí)間內(nèi)無(wú)法恢復(fù)正常，容易造成故障處理延誤，引發(fā)生命財(cái)產(chǎn)損失。

為了解決傳統(tǒng)高速公路機(jī)電設(shè)備存在的故障無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)、故障原因不明、運(yùn)維成本高、設(shè)備在線(xiàn)率難以達(dá)標(biāo)等問(wèn)題，同時(shí)響應(yīng)國(guó)家“交通強(qiáng)國(guó)”的戰(zhàn)略要求，本文提出了一種高速公路智能運(yùn)維監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)技術(shù)方案，通過(guò)融合多源感知、物聯(lián)網(wǎng)、云邊協(xié)同等技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化改造，實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備的供電、網(wǎng)絡(luò)、硬件、環(huán)境等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)警、故障定位、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患，提高運(yùn)維效率，降低運(yùn)維成本。

2 智能運(yùn)維檢測(cè)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文提出的高速公路智能運(yùn)維監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1。

圖1 智能運(yùn)維監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能運(yùn)維監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)采集模塊和運(yùn)維管理平臺(tái)兩個(gè)部分組成。數(shù)據(jù)采集模塊主要通過(guò)對(duì)高速公路外場(chǎng)設(shè)備配電箱內(nèi)增加多源傳感硬件，實(shí)現(xiàn)設(shè)備監(jiān)測(cè)、智能配電、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、動(dòng)環(huán)監(jiān)測(cè)等運(yùn)維監(jiān)測(cè)功能。運(yùn)維管理平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)外場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障定位、故障預(yù)警、統(tǒng)計(jì)分析等功能，通過(guò)將數(shù)據(jù)采集模塊中采集到的各類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦配電箱內(nèi)發(fā)生故障，運(yùn)維管理平臺(tái)能夠及時(shí)將故障類(lèi)型、故障位置等信息進(jìn)行告警，便于運(yùn)維管理人員進(jìn)行故障定位與處理。同時(shí)平臺(tái)可遠(yuǎn)程對(duì)外場(chǎng)設(shè)備配電接口進(jìn)行上下電、分合閘等遠(yuǎn)程控制等功能，極大提高了運(yùn)維效率，減少運(yùn)維成本，使運(yùn)維更加智能。

2.2 系統(tǒng)技術(shù)方案

2.2.1 硬件層

在原有外場(chǎng)設(shè)備配電箱的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入配電監(jiān)控與管理、網(wǎng)絡(luò)接入與監(jiān)控、機(jī)箱環(huán)境監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制等硬件和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)供電監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)、動(dòng)環(huán)檢測(cè)、遠(yuǎn)程控制、故障定位等功能，如圖2所示。

圖2 智能運(yùn)維監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)硬件層設(shè)計(jì)

2.2.1.1 供電監(jiān)控

供電監(jiān)控模塊包括了4 個(gè)功能：防雷保護(hù)、自動(dòng)重合閘、市電監(jiān)測(cè)、斷電續(xù)航。

a）防雷保護(hù)功能 可對(duì)防雷器的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可上傳配電箱遭受雷擊次數(shù)；當(dāng)防雷器失效時(shí)，會(huì)將告警信息上報(bào)。

b）自動(dòng)重合閘功能 可對(duì)當(dāng)前配電箱內(nèi)各配電接口的電流與電壓進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)發(fā)生過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、漏電等情況時(shí)，可自動(dòng)關(guān)閉電閘保護(hù)設(shè)備；同時(shí)通過(guò)遠(yuǎn)程通訊功能可對(duì)電閘進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，方便管理人員進(jìn)行控制維護(hù)[2]。

c）市電監(jiān)測(cè)功能 監(jiān)測(cè)參數(shù)包括市電進(jìn)線(xiàn)三相電源的相電壓、電流、頻率、功率因數(shù)、有功功率、無(wú)功功率等，對(duì)于重要的參數(shù)，可作曲線(xiàn)記錄。通過(guò)分析有關(guān)參數(shù)的歷史曲線(xiàn)，管理員能清楚地知道供電電源的質(zhì)量是否可靠完好[3]。

d）斷電續(xù)航功能 在配電箱中設(shè)置電容，可在配電箱斷電時(shí)提供額外電力，斷電續(xù)航時(shí)長(zhǎng)超過(guò)60 s，可供配電箱將斷電告警信息上報(bào)。

2.2.1.2 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)

網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)模塊主要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)各硬件單元在網(wǎng)情況進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控。配有完全物理隔離的雙網(wǎng)口板卡，網(wǎng)口1 通過(guò)監(jiān)控網(wǎng)將采集到的數(shù)據(jù)上傳中心；網(wǎng)口2 通過(guò)交換機(jī)連接配電箱內(nèi)網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備，如攝像機(jī)、雷達(dá)等。數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備通過(guò)協(xié)議或PING 的方式查看設(shè)備工作狀態(tài)，可通過(guò)IP信息實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的在線(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，并在設(shè)備離線(xiàn)時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)告警；在運(yùn)維管理平臺(tái)處可通過(guò)各配電箱內(nèi)數(shù)據(jù)采集模塊上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合統(tǒng)計(jì)，并自動(dòng)分析判斷網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，方便管理人員進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控。

2.2.1.3 動(dòng)環(huán)監(jiān)測(cè)

動(dòng)環(huán)監(jiān)測(cè)主要是針對(duì)配電箱內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

a）溫濕度傳感器 實(shí)現(xiàn)對(duì)配電箱內(nèi)溫度與濕度采集。

b）水位監(jiān)測(cè)傳感器 實(shí)現(xiàn)配電箱內(nèi)漏水檢測(cè)及告警功能。

c）煙霧傳感器 實(shí)現(xiàn)煙霧的探測(cè)及告警功能。

d）開(kāi)關(guān)門(mén)監(jiān)測(cè) 實(shí)現(xiàn)對(duì)箱門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，并可在箱門(mén)打開(kāi)時(shí)遠(yuǎn)程告警。

2.2.1.4 遠(yuǎn)程控制

遠(yuǎn)程控制可對(duì)各配電線(xiàn)路進(jìn)行遠(yuǎn)程的控制及負(fù)載監(jiān)測(cè)，并可在斷電后通過(guò)光端機(jī)遠(yuǎn)程控制重啟。

2.2.1.5 故障定位

故障定位可分別對(duì)市電故障、設(shè)備故障、電源故障、通訊線(xiàn)纜故障進(jìn)行定位[4]。

a）市電故障定位 對(duì)輸入市電和工作市電異常情況進(jìn)行定位并在線(xiàn)回傳告警數(shù)據(jù)。

b）設(shè)備故障定位 實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像機(jī)、交流電源、直流電源、通信設(shè)備、箱內(nèi)環(huán)境的故障定位并在線(xiàn)回傳故障數(shù)據(jù)。

c）電源故障定位 可對(duì)交、直流電源故障定位并回傳故障數(shù)據(jù)，以區(qū)分設(shè)備故障。

d）通訊線(xiàn)纜故障定位 可定位具體某個(gè)設(shè)備的通訊故障并回傳數(shù)據(jù)。

2.2.2 服務(wù)層

服務(wù)層支持B∕S（瀏覽器∕服務(wù)器）模式，將各種不同功能監(jiān)控子系統(tǒng)（動(dòng)力、環(huán)境、安防、重要設(shè)備）無(wú)縫融合到一個(gè)統(tǒng)一運(yùn)維管理平臺(tái)下，直接登錄瀏覽器即可操控，方便用戶(hù)使用和管理，顯著提高運(yùn)維管理效率。服務(wù)層涵蓋基礎(chǔ)服務(wù)、采集服務(wù)、告警服務(wù)、健康管理服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)和系統(tǒng)服務(wù)，其中基礎(chǔ)服務(wù)是各服務(wù)依賴(lài)的基礎(chǔ)包，如圖3所示。

圖3 智能運(yùn)維監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)服務(wù)層設(shè)計(jì)

2.2.2.1 采集服務(wù)

采集服務(wù)包含數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩部分，數(shù)據(jù)采集設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)與告警數(shù)據(jù)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行去重、加工等處理操作，并將告警和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交由告警服務(wù)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)處理。

2.2.2.2 告警服務(wù)

告警服務(wù)主要用于監(jiān)測(cè)外場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)是否正確，并向用戶(hù)提示告警信息，既要求告警的實(shí)時(shí)性，又要保證告警的準(zhǔn)確性。告警服務(wù)提供自定義的統(tǒng)一事件庫(kù)，每個(gè)告警事件又可設(shè)定多個(gè)告警組，每個(gè)告警組都可設(shè)定一種告警方式及一組管理人員，當(dāng)有事件發(fā)生時(shí)，運(yùn)維管理平臺(tái)根據(jù)用戶(hù)設(shè)定的告警流程，把告警信息及時(shí)反饋給監(jiān)控人員。告警事件包括告警方式設(shè)定、事件等級(jí)分類(lèi)、告警事件分組、事件目錄定義、事件確認(rèn)處理及事件日志管理等。

2.2.2.3 健康管理服務(wù)

健康管理服務(wù)主要用于對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊和運(yùn)維管理平臺(tái)等相關(guān)服務(wù)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)是否健康的自我監(jiān)控，如監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集模塊當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)、各監(jiān)測(cè)模塊、傳感器、通信網(wǎng)絡(luò)工作是否正常等。當(dāng)外場(chǎng)機(jī)電設(shè)備與數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)生通訊中斷時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)通過(guò)聲光告警方式通知在場(chǎng)的值班人員，并且可以通過(guò)電話(huà)通知或者手機(jī)短信通知系統(tǒng)管理員[5]。

2.2.2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)包括日終報(bào)表任務(wù)、月終報(bào)表任務(wù)、告警存儲(chǔ)服務(wù)。

a）日終報(bào)表任務(wù) 對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并生成相關(guān)日?qǐng)?bào)表。

b）月終報(bào)表任務(wù) 對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并生成相關(guān)月報(bào)表。

c）告警存儲(chǔ)服務(wù) 將告警相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.2.2.5 系統(tǒng)服務(wù)

系統(tǒng)服務(wù)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理維護(hù)，包括：人員管理、區(qū)域管理、點(diǎn)位管理、組態(tài)、系統(tǒng)配置、自檢管理和服務(wù)管理等。

2.2.2.6 日志管理

日志管理用于追蹤用戶(hù)操作記錄和系統(tǒng)運(yùn)行情況，使系統(tǒng)有跡可循，包括：操作記錄、控制記錄和運(yùn)行日志等。

2.2.3 展示層

展示層主要通過(guò)合理的布局、功能劃分和較高的識(shí)別度方便使用人員快速使用系統(tǒng)和可視化展示，提供統(tǒng)一的大屏、設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、報(bào)表、圖表、告警通知和手機(jī)App 等功能交互，如圖4所示。

圖4 智能運(yùn)維監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)展示層設(shè)計(jì)

大屏頁(yè)能夠在首頁(yè)對(duì)設(shè)備總體狀態(tài)及箱體在線(xiàn)情況以場(chǎng)景圖方式展示，并對(duì)故障實(shí)現(xiàn)快速告警，同時(shí)對(duì)故障信息分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，支持按點(diǎn)位、告警級(jí)別、告警事件等不同維度以圖表方式展示統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

用戶(hù)端支持電話(huà)、短信、屏幕彈窗、App 推送等多種告警方式，及時(shí)告知運(yùn)維人員獲取故障信息，并可以根據(jù)故障類(lèi)型定位，精準(zhǔn)運(yùn)維，提高運(yùn)維效率。同時(shí)可在故障發(fā)生的時(shí)候，對(duì)攝像機(jī)、光端機(jī)等外場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行初步的排障操作，通過(guò)遠(yuǎn)程重啟，修復(fù)大多數(shù)故障問(wèn)題。

3 工程應(yīng)用案例

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)已在黎霍高速公路機(jī)電工程項(xiàng)目中應(yīng)用，通過(guò)對(duì)該項(xiàng)目外場(chǎng)的各類(lèi)配電箱（圖5）和控制箱引入運(yùn)維技術(shù)和硬件，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、智能配電、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、動(dòng)環(huán)監(jiān)測(cè)等功能，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)上傳到機(jī)電設(shè)備運(yùn)行智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像機(jī)、雷達(dá)、情報(bào)板等外場(chǎng)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，能夠解決傳統(tǒng)配電箱運(yùn)維響應(yīng)不及時(shí)的問(wèn)題，便于運(yùn)維人員及時(shí)處理故障，有效地保證了外場(chǎng)機(jī)電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖5 智能運(yùn)維監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)配電箱展示

4 結(jié)語(yǔ)

隨著高速公路智能化速度不斷加快，機(jī)電設(shè)備智慧運(yùn)維需求日趨旺盛，本文依托大數(shù)據(jù)、人工智能、邊緣計(jì)算等技術(shù)，提出了基于云邊協(xié)同的高速公路智能運(yùn)維監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)技術(shù)方案，通過(guò)對(duì)外場(chǎng)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化改造，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電設(shè)備的供電、網(wǎng)絡(luò)、硬件、環(huán)境等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)警、故障定位、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，并且構(gòu)建了基于B∕S 機(jī)電設(shè)備運(yùn)行智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件，提高了運(yùn)維人員工作效率、降低了運(yùn)維成本。