摘要 收費(fèi)站是高速公路系統(tǒng)的核心節(jié)點(diǎn)，其機(jī)電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行尤為關(guān)鍵。該研究提出高速公路收費(fèi)站機(jī)電設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括劃分整體架構(gòu)、確定監(jiān)測對象，系統(tǒng)硬件采用多種傳感器和數(shù)據(jù)采集單元，軟件設(shè)計(jì)集成了機(jī)器學(xué)習(xí)算法和數(shù)據(jù)處理技術(shù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢后，應(yīng)用基線性能測試、壓力測試和故障模擬確保其在不同工作條件下的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞 高速公路收費(fèi)站；機(jī)電設(shè)備狀態(tài)；實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號 U418.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號 2096-8949（2024）15-0004-03

0 引言

高速公路收費(fèi)站機(jī)電設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行能夠保障交通流暢和安全，傳統(tǒng)設(shè)備監(jiān)控方法存在反應(yīng)遲緩及效率較低困境，使得故障風(fēng)險(xiǎn)及運(yùn)營成本增加。實(shí)時(shí)監(jiān)控和智能診斷技術(shù)應(yīng)用能夠有效應(yīng)對現(xiàn)有問題，該研究圍繞高速公路收費(fèi)站機(jī)電設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)展開探討，集成先進(jìn)傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)處理算法和通信手段，旨在提升收費(fèi)站機(jī)電設(shè)備的監(jiān)控效率和故障預(yù)測能力。

1 實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)概述

高速公路收費(fèi)站機(jī)電設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)（以下簡稱“系統(tǒng)”）是綜合利用傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)分析和通信技術(shù)的智能監(jiān)測平臺(tái)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控高速公路收費(fèi)站關(guān)鍵機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)可以應(yīng)用實(shí)時(shí)監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析預(yù)測并診斷設(shè)備潛在故障，并能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控能耗降低運(yùn)營成本，還可在高峰時(shí)段輔助調(diào)整設(shè)備運(yùn)行模式，以應(yīng)對客流量變化。

2 實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體架構(gòu)涵蓋傳感層、傳輸層、應(yīng)用層，具體架構(gòu)說明如下：

（1）傳感層。該層部署溫度傳感器、濕度傳感器、電流電壓傳感器，其借由I2C總線連接數(shù)據(jù)處理單元，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集。

（2）傳輸層。該層采用AES-256加密高速以太網(wǎng)連接，并設(shè)置冗余網(wǎng)絡(luò)路徑和自動(dòng)故障切換機(jī)制，從而將傳感層收集數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理中心。

（3）應(yīng)用層。該層應(yīng)用數(shù)據(jù)處理引擎能夠處理數(shù)據(jù)記錄，并采用先進(jìn)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)噪聲過濾及異常檢測。應(yīng)用層中搭載數(shù)據(jù)分析模塊對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)分析，識(shí)別潛在設(shè)備故障模式。

系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

2.2 監(jiān)測對象確定

系統(tǒng)監(jiān)測對象需覆蓋電氣設(shè)備、機(jī)械設(shè)備、環(huán)境參數(shù)以及安全設(shè)備，具體監(jiān)測說明如下：

（1）電氣設(shè)備。該模塊需監(jiān)測其電流、電壓、功率和溫度參數(shù)，以確保其運(yùn)行在安全和高效的狀態(tài)。

（2）機(jī)械設(shè)備。監(jiān)測收費(fèi)站欄桿機(jī)械及排風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、振動(dòng)及溫度，保證機(jī)械設(shè)備在合理范圍內(nèi)運(yùn)行。

（3）環(huán)境參數(shù)。監(jiān)測收費(fèi)站環(huán)境溫度、濕度和灰塵濃度，以評估環(huán)境對設(shè)備性能的影響。

（4）安全設(shè)備。重點(diǎn)監(jiān)測消防設(shè)備和緊急停機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和故障信息，確保在緊急情況下能夠及時(shí)響應(yīng)并處理。

2.3 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)涉及精細(xì)的工程技術(shù)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念，旨在通過集成先進(jìn)的傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)采集模塊、通信接口與處理單元，構(gòu)建一個(gè)既能實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)電設(shè)備狀態(tài)又能對預(yù)警信息進(jìn)行快速響應(yīng)的綜合性監(jiān)控平臺(tái)。首先，傳感器的選型與布局是硬件設(shè)計(jì)的初步階段，要求傳感器不僅要具備高度的敏感性與準(zhǔn)確性，以便于捕捉設(shè)備運(yùn)行中的微小變化，還需考慮其在惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行能力，如防塵、抗干擾及適應(yīng)溫差變化等特性。傳感器的類型包括但不限于振動(dòng)傳感器、溫度傳感器、電流傳感器和壓力傳感器，其共同構(gòu)成了設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的感知層，為數(shù)據(jù)采集提供了精確的原始輸入。系統(tǒng)溫度傳感器選用BD-PT100-X，振動(dòng)傳感器為CYT9200，電流傳感器則選用ACS712。電動(dòng)門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝振動(dòng)傳感器監(jiān)測其運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，照明系統(tǒng)電源線路則配置電流傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控電流變化，從而確保關(guān)鍵部位收集的數(shù)據(jù)具有高度相關(guān)性及準(zhǔn)確性[1-2]。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集單元（DCU）選用DCU-1140-A，其具備濾波和信號放大功能，能夠確保數(shù)據(jù)傳輸過程質(zhì)量。

系統(tǒng)通信接口設(shè)計(jì)集成有線和無線兩種通信方式，有線通信部分采用高速以太網(wǎng)接口，并配備L2TP（Layer 2 Tunneling Protocol）及IPSec（Internet Protocol Security）協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加密傳輸，無線通信則采用5G通信模塊保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和靈活性。系統(tǒng)內(nèi)置了WPA3（Wi-Fi Protected Access 3）安全協(xié)議，能夠進(jìn)一步加強(qiáng)無線傳輸?shù)陌踩浴?/p>

2.4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)扮演著至關(guān)重要的角色，其不僅涵蓋了數(shù)據(jù)處理與分析、用戶界面設(shè)計(jì)、系統(tǒng)安全與維護(hù)等多個(gè)方面，而且還需確保系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、穩(wěn)定性和高效性。軟件設(shè)計(jì)的首要任務(wù)是構(gòu)建一個(gè)健壯的軟件架構(gòu)，該架構(gòu)應(yīng)當(dāng)基于模塊化設(shè)計(jì)原則，以便于系統(tǒng)的后續(xù)升級和維護(hù)。模塊化設(shè)計(jì)不僅減少了各組件間的依賴性，提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性和可測試性，同時(shí)還促進(jìn)了代碼的重用。此外，軟件架構(gòu)應(yīng)采用分層設(shè)計(jì)方法，通常包括數(shù)據(jù)采集層、處理層、業(yè)務(wù)邏輯層和表示層，每一層都承擔(dān)著特定的職責(zé)，從而確保了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的清晰性和邏輯性。系統(tǒng)集成快速傅里葉變換（FFT）算法分析振動(dòng)數(shù)據(jù)，設(shè)置256點(diǎn)FFT，采樣頻率則設(shè)置為2 000 Hz，以覆蓋大部分機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行頻率范圍。在此基礎(chǔ)上，F(xiàn)FT算法采用漢寧窗減少頻譜泄漏，提高頻譜可讀性。針對機(jī)器學(xué)習(xí)算法而言，SVM核心參數(shù)包括核函數(shù)類型、懲罰參數(shù)C和核函數(shù)參數(shù)[3-4]。該系統(tǒng)選擇徑向基函數(shù)（RBF）作為核函數(shù)，懲罰參數(shù)C設(shè)置為1.0，并應(yīng)用交叉驗(yàn)證選擇RBF核γ參數(shù)以確保最佳泛化能力（圖2）。系統(tǒng)應(yīng)用CNN模型設(shè)計(jì)由3個(gè)卷積層和2個(gè)全連接層組成的網(wǎng)絡(luò)，卷積核大小為3×3或5×5并使用ReLU作為激活函數(shù)。

系統(tǒng)采用高效數(shù)據(jù)管道及多線程處理機(jī)制，其中多線程處理機(jī)制允許系統(tǒng)同時(shí)處理來自不同傳感器的數(shù)據(jù)，確保即使在高數(shù)據(jù)流量下也能保持實(shí)時(shí)性[5]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于事件驅(qū)動(dòng)的架構(gòu)，當(dāng)新數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，相應(yīng)的處理線程會(huì)被觸發(fā)并執(zhí)行必要分析及計(jì)算，然后將結(jié)果傳遞到下一處理階段或直接輸出（圖3）。

該系統(tǒng)集成維護(hù)管理平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)，平臺(tái)使用SSH（Secure Shell）協(xié)議進(jìn)行安全遠(yuǎn)程登錄，應(yīng)用TLS（Transport Layer Security）協(xié)議確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)募用芎屯暾?。系統(tǒng)管理員可以通過該平臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀況，分析日志文件中的錯(cuò)誤和警告信息，如圖4所示。

3 系統(tǒng)性能論證

3.1 試驗(yàn)環(huán)境

該試驗(yàn)環(huán)境模擬實(shí)際運(yùn)行條件，具體軟、硬件環(huán)境參數(shù)如表1所示。

3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)第一階段為系統(tǒng)基線性能測試，第二階段為壓力測試和故障模擬?；诰€性能測試階段部署收費(fèi)站傳感器收集數(shù)據(jù)，應(yīng)用系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。此過程將計(jì)算傳感器數(shù)據(jù)被采集到最終處理完成所需的時(shí)間，以評估數(shù)據(jù)處理延遲時(shí)間。穩(wěn)定性評估則使連續(xù)運(yùn)行系統(tǒng)超過48 h，觀察其性能是否出現(xiàn)顯著下降或故障。壓力測試和故障模擬階段選擇將系統(tǒng)置于高負(fù)載條件，模擬傳感器故障、設(shè)備超溫、電流異常類機(jī)電設(shè)備故障場景，并評估系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。

3.3 參考指標(biāo)

該性能測試旨在全面評估系統(tǒng)的性能和效能，具體指標(biāo)說明如表2所示。

3.4 結(jié)果分析

該基線性能測試及壓力測試結(jié)果見表3。

由表3可見，系統(tǒng)基線性能測試每秒成功處理的數(shù)據(jù)記錄達(dá)到100 250條/s，表明系統(tǒng)在正常負(fù)載下?lián)碛懈咝?shù)據(jù)處理能力。系統(tǒng)真陽性率（TPR）為95.12%，假陽性率（FPR）有效控制在4.88%以內(nèi)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間（RT）平均響應(yīng)時(shí)間為2.35 s，能夠確保系統(tǒng)快速響應(yīng)于各類故障或異常狀態(tài)。

在壓力測試和故障模擬階段，系統(tǒng)故障檢測準(zhǔn)確率依然保持在94.89%的真陽性率和5.11%的假陽性率，響應(yīng)時(shí)間平均值為2.58 s，連續(xù)無故障運(yùn)行時(shí)間（UFT）達(dá)到99.998%的高標(biāo)準(zhǔn)，證明了系統(tǒng)極高的可靠性及穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

該研究設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了高速公路收費(fèi)站機(jī)電設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，試驗(yàn)驗(yàn)證表明：該系統(tǒng)具有高效數(shù)據(jù)處理能力及良好穩(wěn)定性。但系統(tǒng)在極端環(huán)境條件下的適應(yīng)性和長期穩(wěn)定性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證，因此，后續(xù)研究將著重提高系統(tǒng)對復(fù)雜環(huán)境變化的適應(yīng)性。隨著技術(shù)發(fā)展，機(jī)電設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)將為高速公路收費(fèi)站的管理和運(yùn)營帶來更多便利。

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收稿日期：2024-03-07

作者簡介：武新超（1982—），男，本科，工程師，研究方向：機(jī)電工程。