ETC門架智慧運(yùn)維關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

(湖南省交通科學(xué)研究院有限公司， 湖南 長沙 410015)

0 引言

根據(jù)國家統(tǒng)一部署，2020年1月1日零時起，全國高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)新、舊系統(tǒng)進(jìn)行切換，全國收費(fèi)制式成功升級為分段計費(fèi)和扣費(fèi)的自由流收費(fèi)制式。新收費(fèi)方式主要依靠高速公路分段設(shè)置的ETC門架系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，ETC門架是新收費(fèi)制式正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。目前湖南已在全省6 802 km高速公路的關(guān)鍵控制點(diǎn)上布設(shè)ETC門架共1 144套。ETC門架系統(tǒng)由以下主要設(shè)備和設(shè)施組成：車道控制器、RSU(支持PCI/PCI-E密碼卡)、車牌圖像識別設(shè)備、工況機(jī)、防雷設(shè)施、通信設(shè)備、供電設(shè)備等，其中車道控制器、工況機(jī)、防雷設(shè)施、通信設(shè)備和供電設(shè)備等集成在綜合控制機(jī)柜內(nèi)(見圖1)。

圖1 ETC門架布設(shè)示意圖

當(dāng)車輛通過ETC門架時，被門架系統(tǒng)捕捉車牌圖像和感知ETC信號，生成通行記錄和交易計費(fèi)。為保證交通暢通、收費(fèi)公平，ETC收費(fèi)制式運(yùn)行需高度可靠，計費(fèi)需及時精準(zhǔn)，要求ETC門架設(shè)備故障解決及時。ETC門架數(shù)量多、分布廣、機(jī)電設(shè)備種類多，涉及到機(jī)電設(shè)備共約7萬件，目前“人工巡查、被動發(fā)現(xiàn)”的傳統(tǒng)運(yùn)維模式需投入大量人力，時效性差。為此，本文提出利用人工智能技術(shù)開展智慧化運(yùn)維,以適應(yīng)自由流收費(fèi)制式要求。

1 研究思路

1.1 現(xiàn)有研究不足

國外由于高速公路信息化建設(shè)早，采用大量先進(jìn)技術(shù)輔助專業(yè)人員開展機(jī)電設(shè)備運(yùn)維，以實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置，延長設(shè)備服役壽命，降低維護(hù)成本的目標(biāo)。德國、日本和英國均有監(jiān)控路側(cè)ETC設(shè)備工作狀態(tài)并及時開展公路設(shè)備故障處理[1-4]。我國高速公路基礎(chǔ)設(shè)施迅速發(fā)展的同時，3大機(jī)電系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，但機(jī)電設(shè)備管理起步晚，缺乏有效的監(jiān)測手段和智能化運(yùn)維技術(shù)，還停留在粗放型管理模式[5]。目前，國內(nèi)已有建設(shè)機(jī)電設(shè)備養(yǎng)護(hù)平臺[6]，但平臺主要是基于人工調(diào)查采集信息來進(jìn)行運(yùn)維管理，功能較為單一，應(yīng)用較為局限。為提高機(jī)電運(yùn)維效率，亟需利用新一代信息技術(shù)開展覆蓋資產(chǎn)管理、狀態(tài)監(jiān)控、智能維護(hù)和知識整合的智慧化運(yùn)維。

1.2 研究目標(biāo)

擬通過大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)與ETC門架運(yùn)維需求的深度融合，實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

1) 標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)維：建設(shè)一套ETC門架機(jī)電設(shè)備運(yùn)維的標(biāo)準(zhǔn)化流程，覆蓋設(shè)備故障識別、故障上報、故障診斷評估、設(shè)備維修和驗(yàn)收全流程。

2) 實(shí)時化管理：實(shí)時監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，分析診斷設(shè)備工作質(zhì)量，第一時間掌握設(shè)備破壞事件，遠(yuǎn)程設(shè)置設(shè)備參數(shù)，確保ETC門架系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3) 科學(xué)化決策：對設(shè)備參數(shù)狀態(tài)、故障原因、故障數(shù)據(jù)和運(yùn)維策略運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，不斷提高運(yùn)維決策的自動化程度和科學(xué)化水平。

2 智慧運(yùn)維關(guān)鍵技術(shù)

2.1 運(yùn)維業(yè)務(wù)流程重構(gòu)

智慧運(yùn)維模式業(yè)務(wù)流程重構(gòu)如圖2所示。

在當(dāng)前傳統(tǒng)運(yùn)維模式下，各省高速公路從各收費(fèi)站監(jiān)控室到各路段監(jiān)控分中心，再到省高速公路監(jiān)控中心開展分級管理機(jī)電設(shè)備[4]。收費(fèi)站監(jiān)控室開展日常巡檢發(fā)現(xiàn)并上報故障，路段監(jiān)控分中心根據(jù)故障類型、故障等級和維護(hù)級別，通過電話等方式派發(fā)工單通知運(yùn)維單位現(xiàn)場維護(hù)故障設(shè)備，并生成運(yùn)維報告。運(yùn)維信息匯總至省高速公路監(jiān)控中心。

圖2 高速公路機(jī)電運(yùn)維流程圖

相比于傳統(tǒng)運(yùn)維模式，智慧運(yùn)維模式對業(yè)務(wù)流程進(jìn)行了重構(gòu)，整個智慧運(yùn)維業(yè)務(wù)主要由以下流程組成：

1) 故障申報：通過故障申報頁面上報設(shè)備故障情況；

2) 工單下發(fā)：設(shè)備確認(rèn)故障以后生成派工單下發(fā)至相應(yīng)運(yùn)維公司；

3) 方案審核：運(yùn)維公司針對故障提交技術(shù)方案并提交審核；

4) 維修上報：運(yùn)維公司人員進(jìn)行設(shè)備維修，并上報至分中心。

2.2 接口標(biāo)準(zhǔn)化

取消省站高速公路收費(fèi)站項(xiàng)目不僅設(shè)備類型多，而且每類設(shè)備供應(yīng)商品牌多。為此，在項(xiàng)目方案設(shè)計階段提出統(tǒng)一設(shè)備接口標(biāo)準(zhǔn)，針對設(shè)備選型和采購對廠家設(shè)備提出接口要求，為設(shè)備運(yùn)維預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)化智能運(yùn)維接口。通過接口獲取設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備故障及硬件壽命可用周期， 并通過標(biāo)準(zhǔn)化的維護(hù)工具或策略進(jìn)行處置， 以提升運(yùn)維效率及運(yùn)維規(guī)范性。通過標(biāo)準(zhǔn)化接口，設(shè)備的狀態(tài)從心跳數(shù)據(jù)包中獲得， ETC門架設(shè)備定期(默認(rèn)為5 min)產(chǎn)生1條心跳數(shù)據(jù)，通過接口將心跳數(shù)據(jù)實(shí)時上傳。

2.3 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的智慧運(yùn)維決策技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)智慧運(yùn)維，引入機(jī)器學(xué)習(xí)方法開展故障的遠(yuǎn)程識別和運(yùn)維的科學(xué)決策。機(jī)器學(xué)習(xí)從過去數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)各指標(biāo)的特征與規(guī)律，然后根據(jù)實(shí)時已知信息對未知信息進(jìn)行推斷，是在經(jīng)驗(yàn)積累中改善具體算法性能的人工智能方法。

在整個智慧化運(yùn)維決策模型的2個階段均采用機(jī)器學(xué)習(xí)思維，如圖3所示。第1個階段是故障學(xué)習(xí)階段，對ETC門架設(shè)備各項(xiàng)狀態(tài)參數(shù)與設(shè)備實(shí)際故障情況進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，通過對歷史故障記錄的學(xué)習(xí)，用來推斷實(shí)時狀態(tài)下可能發(fā)生的故障。第2個階段是運(yùn)維決策階段，根據(jù)歷史運(yùn)維記錄和運(yùn)維效果評估不同故障情形下運(yùn)維策略的合理性，建立運(yùn)維決策學(xué)習(xí)模型，并應(yīng)用于針對實(shí)時故障的運(yùn)維工單生成。在平臺運(yùn)行初始階段，故障學(xué)習(xí)模型和運(yùn)維決策學(xué)習(xí)模型均被賦予初始參數(shù)，隨著運(yùn)維工作的不斷開展，模型不斷自我學(xué)習(xí)，優(yōu)化相關(guān)參數(shù)，提高模型的科學(xué)性。

圖3 智慧化運(yùn)維決策模型

3 平臺實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

3.1 平臺總體架構(gòu)

運(yùn)用上述技術(shù)，進(jìn)行ETC門架智慧運(yùn)維管理平臺的開發(fā)。平臺總體架構(gòu)如圖4所示，包含6個層面：

圖4 平臺架構(gòu)圖

1) 數(shù)據(jù)采集層：接入ETC門架機(jī)電設(shè)備的基礎(chǔ)信息和實(shí)時狀態(tài)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對ETC門架機(jī)電設(shè)備的基本管理，是運(yùn)行監(jiān)測、運(yùn)維管理的基礎(chǔ)。

2) 基礎(chǔ)層：包含Web服務(wù)器、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、嵌入式設(shè)備建設(shè)等內(nèi)容，為平臺運(yùn)行提供軟、硬件環(huán)境。

3) 數(shù)據(jù)層：實(shí)現(xiàn)對包括門架運(yùn)行狀態(tài)和故障信息的實(shí)時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、維修記錄庫、解決方案庫、設(shè)備庫、運(yùn)維人員庫等在內(nèi)數(shù)據(jù)的存儲與管理。

4) 業(yè)務(wù)支持層：通過統(tǒng)一的總線服務(wù)實(shí)現(xiàn)相關(guān)應(yīng)用組件的有效整合和管理，包括業(yè)務(wù)服務(wù)中間件、應(yīng)用中間件、安全中間件、數(shù)據(jù)交換平臺等。

5) 業(yè)務(wù)應(yīng)用層：實(shí)現(xiàn)全省門架系統(tǒng)的故障監(jiān)測、故障維修流程監(jiān)管、維修評價、日常養(yǎng)護(hù)計劃制訂、設(shè)備管理及人員管理等業(yè)務(wù)。

6) Web服務(wù)層：通過Web端展現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)不同權(quán)限的信息瀏覽、設(shè)備操作和數(shù)據(jù)庫查詢。

3.2 平臺實(shí)現(xiàn)

運(yùn)用上述智慧運(yùn)維關(guān)鍵技術(shù)和框架，平臺已完成開發(fā)，主要包括以下模塊。

3.2.1設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控

機(jī)電設(shè)備監(jiān)控是運(yùn)行監(jiān)測、運(yùn)維管理的基礎(chǔ)，通過實(shí)時接入設(shè)備狀態(tài)參數(shù)和工作參數(shù)，分析設(shè)備運(yùn)行狀況，識別設(shè)備故障，并進(jìn)行警告和展示,見圖5。

3.2.2運(yùn)行情況展示

將所有門架系統(tǒng)的位置和運(yùn)行狀態(tài)(正常/故障)清晰直觀地顯示在道路網(wǎng)中，通過點(diǎn)擊該頁面的站點(diǎn)，可以彈出該站點(diǎn)ETC門架的實(shí)時狀態(tài)和所屬道路等信息。如果某個設(shè)備發(fā)生故障，將會在地圖上彈出報警信息,見圖6。

圖5 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測界面

圖6 運(yùn)行情況展示界面

3.2.3三維監(jiān)控巡檢

通過設(shè)備接口實(shí)現(xiàn)對關(guān)鍵設(shè)備車道控制器、站級服務(wù)器的在線狀態(tài)及心跳信息采集，實(shí)時檢測上報設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)測車牌識別系統(tǒng)的識別成功率。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常時，能夠及時發(fā)出報警信息，生成報警記錄。同時運(yùn)維人員可通過平臺的三維巡檢(見圖7)，遠(yuǎn)程查看設(shè)備故障區(qū)域和故障原因，并通過該模塊實(shí)現(xiàn)門架機(jī)柜遠(yuǎn)程自動開門管理、電池維護(hù)和門架設(shè)備空開遠(yuǎn)程上電等控制操作。實(shí)現(xiàn)運(yùn)維人員遠(yuǎn)程化操作，及時解決設(shè)備故障，節(jié)約維護(hù)成本，提高效率。

圖7 三維巡檢界面

3.2.4設(shè)備運(yùn)維管理

當(dāng)平臺監(jiān)測到設(shè)備異常時，自動產(chǎn)生運(yùn)維工單。設(shè)備相關(guān)的故障信息、預(yù)警信息以及設(shè)備報廢、設(shè)備更換后自動關(guān)聯(lián)新設(shè)備都會自動記錄到平臺，為每一臺設(shè)備構(gòu)建一個完整的生命周期和繼承關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對歷代設(shè)備追蹤的全流程管控，從而完成運(yùn)維系統(tǒng)集中運(yùn)維，幫助管理者實(shí)現(xiàn)集中管理、準(zhǔn)確定位故障、快速排除故障、提高工作效率、規(guī)范運(yùn)維等目標(biāo)，并提供統(tǒng)計分析和決策支持及故障預(yù)警機(jī)制，踐行科學(xué)的運(yùn)維管理模式。自動化運(yùn)維管理模塊見圖8。

圖8 自動化運(yùn)維管理模塊

4 結(jié)語

本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時監(jiān)測門架系統(tǒng)機(jī)電設(shè)備狀態(tài)參數(shù)，通過機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)診斷設(shè)備健康狀態(tài)，自主選擇維修策略，自動報送故障信息，派發(fā)維修工單，檢查維修效果，實(shí)現(xiàn)對門架機(jī)電設(shè)備的集中式管理、實(shí)時化監(jiān)控和智慧化運(yùn)維，并設(shè)計開發(fā)響應(yīng)的智慧運(yùn)維平臺，打通運(yùn)維各單位之間的壁壘，實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備的數(shù)據(jù)共享，將原先的“被動運(yùn)維”轉(zhuǎn)換為“主動管控”，解決了人工巡查不能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障的問題。

智慧運(yùn)維技術(shù)縮短了ETC門架設(shè)備運(yùn)維時間，降低了人工和管理成本，提升了設(shè)備的使用壽命和維護(hù)效率，提高了整個ETC收費(fèi)系統(tǒng)的可靠性。本文的成果已在湖南省開展應(yīng)用，目前已穩(wěn)定運(yùn)行0.5 a，為全省ETC系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供了有力支撐。