高速公路智能機(jī)電設(shè)備運(yùn)維管理系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

鐘仕興

（廣東飛達(dá)交通工程有限公司，廣東廣州 510663）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)高速公路建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，高速公路的通車(chē)?yán)锍滩粩嘣黾?，總體規(guī)模已達(dá)16萬(wàn)km，其中大多數(shù)路段處于正常營(yíng)運(yùn)及管養(yǎng)階段。高速公路機(jī)電設(shè)備管養(yǎng)過(guò)程存在養(yǎng)護(hù)人員少、養(yǎng)護(hù)任務(wù)繁雜、維護(hù)效率低、設(shè)備分布廣等情況，造成設(shè)備故障解決不及時(shí)、設(shè)備狀態(tài)不清楚、養(yǎng)護(hù)人員疲于奔波、管理人員疲于統(tǒng)計(jì)等一系列問(wèn)題。因此，如何通過(guò)技術(shù)化手段實(shí)現(xiàn)預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，如何通過(guò)故障原因分析信息化、故障處理方法標(biāo)準(zhǔn)化、故障處理過(guò)程流程化等手段提升養(yǎng)護(hù)水平，成為高速公路機(jī)電設(shè)備運(yùn)維亟待解決的問(wèn)題。

1 研究背景

目前，高速公路機(jī)電設(shè)備規(guī)模與日俱增，機(jī)電設(shè)備管理任務(wù)越加繁重。高速公路營(yíng)運(yùn)路段在機(jī)電設(shè)備臺(tái)賬管理方面仍以人工方式利用Excel實(shí)現(xiàn)。通過(guò)故障及處置過(guò)程分析發(fā)現(xiàn)，80%以上的故障具有通用性，但缺乏一個(gè)統(tǒng)一的機(jī)電設(shè)備管理平臺(tái)，導(dǎo)致處理過(guò)程煩瑣、故障時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，出現(xiàn)大量重復(fù)勞動(dòng)。目前高速公路日常養(yǎng)護(hù)基本上都是被動(dòng)養(yǎng)護(hù)，當(dāng)出現(xiàn)故障后采取緊急措施進(jìn)行修復(fù)，導(dǎo)致在日常養(yǎng)護(hù)工作中安排組織困難，疲于處理突發(fā)事件，難以完成養(yǎng)護(hù)計(jì)劃。

高速公路機(jī)電設(shè)備運(yùn)維管理主要存在以下5個(gè)問(wèn)題：

（1）缺乏全生命周期管理工具，采購(gòu)—入庫(kù)—出庫(kù)—使用—維修—報(bào)廢全生命周期過(guò)度依賴人工管理方式，缺乏技術(shù)手段輔助，難以全面、及時(shí)、精準(zhǔn)掌握機(jī)電設(shè)備動(dòng)態(tài)信息。

（2）預(yù)防性養(yǎng)護(hù)手段不足，大部分路段在設(shè)備出現(xiàn)故障導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷后才進(jìn)行響應(yīng)式處理，嚴(yán)重影響日常營(yíng)運(yùn)。

（3）沒(méi)有統(tǒng)一的專業(yè)技術(shù)知識(shí)分享平臺(tái)，目前養(yǎng)護(hù)經(jīng)驗(yàn)的沉淀和傳承還是依靠以老帶新的方式，嚴(yán)重依賴個(gè)人積極性和個(gè)人水平。

（4）故障處理進(jìn)度跟蹤工具的科技含量不高，導(dǎo)致業(yè)主不能全面掌握故障處理的進(jìn)度。

（5）缺乏有效的量化手段和評(píng)判依據(jù)，無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估養(yǎng)護(hù)效率及投入成本的合理性。

高速公路機(jī)電運(yùn)維管理有4個(gè)層次，分別是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與評(píng)估、運(yùn)維決策。目前的矛盾主要是環(huán)境、電氣、性能、養(yǎng)護(hù)過(guò)程等數(shù)據(jù)采集不足，數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)能力有限，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與評(píng)估模型不夠成熟，導(dǎo)致運(yùn)維決策能力不足。

2 解決方案

高速公路智能機(jī)電設(shè)備運(yùn)維管理平臺(tái)采用“監(jiān)、管、治”理念。監(jiān)：實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)電設(shè)備狀態(tài)；管：電子化、規(guī)范化管理機(jī)電設(shè)備以及養(yǎng)護(hù)流程；治：通過(guò)養(yǎng)護(hù)服務(wù)評(píng)價(jià)系統(tǒng)、趨勢(shì)分析報(bào)表提升智能化水平。即實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)電設(shè)備，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式運(yùn)維；電子化、規(guī)范化管理機(jī)電設(shè)備以及養(yǎng)護(hù)流程，實(shí)現(xiàn)考核有所依；通過(guò)養(yǎng)護(hù)服務(wù)評(píng)價(jià)系統(tǒng)、趨勢(shì)分析報(bào)表反映當(dāng)前存在的問(wèn)題，提升管理水平；通過(guò)“監(jiān)、管、治”三步形成機(jī)電設(shè)備管理閉環(huán)。“監(jiān)、管、治”方案概念圖如圖1所示。

為滿足上述需求，需實(shí)現(xiàn)以下7點(diǎn)：

（1）使用電子系統(tǒng)替代手工管理，規(guī)范化管理機(jī)電設(shè)備全生命周期，提高效率；設(shè)備信息方面，包括基本信息、位置信息、產(chǎn)權(quán)信息、供應(yīng)商信息等，并實(shí)施一物一碼；設(shè)備狀態(tài)評(píng)估方面，可以按照生命周期管理理論，輸入安裝信息，設(shè)置報(bào)廢年限，并與維修保養(yǎng)數(shù)據(jù)和備品備件更換數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

（2）多視圖管理模式，通過(guò)物理位置、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)展示在用設(shè)備，實(shí)現(xiàn)快速查找，提高運(yùn)維效率。

（3）通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)方式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在用機(jī)電設(shè)備狀態(tài)，在故障發(fā)生前發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，保證業(yè)務(wù)正常運(yùn)行，并可實(shí)現(xiàn)設(shè)備級(jí)、子系統(tǒng)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)性能事件、故障等級(jí)的設(shè)置與管理。

（4）通過(guò)智能工單管理模塊記錄、采集、歸納養(yǎng)護(hù)過(guò)程，定期進(jìn)行人工確認(rèn)形成標(biāo)準(zhǔn)步驟，再面臨類似問(wèn)題時(shí)可快速查詢。

（5）故障處理過(guò)程透明化，多方角色可共同查看故障處理步驟、處理進(jìn)度，并以此作為動(dòng)態(tài)評(píng)判、量化養(yǎng)護(hù)效率、服務(wù)質(zhì)量的重要考核指標(biāo)。

（6）通過(guò)報(bào)表進(jìn)行趨勢(shì)分析、決策支持，反饋當(dāng)前管理缺陷，提升管養(yǎng)效率，為專項(xiàng)工程的編制和養(yǎng)護(hù)預(yù)算編制提供支持。

（7）所有功能模塊皆支持移動(dòng)化安裝，方便養(yǎng)護(hù)人員在外隨時(shí)使用，提高運(yùn)維效率。

3 系統(tǒng)框架

按照數(shù)據(jù)采集及應(yīng)用模塊邏輯，高速公路智能機(jī)電設(shè)備管理平臺(tái)從下到上分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、應(yīng)用模塊層、展示層5個(gè)應(yīng)用模塊。所有網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備均需進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)安全管理。應(yīng)用模塊由多個(gè)子模塊/子系統(tǒng)構(gòu)成，其數(shù)據(jù)和管理業(yè)務(wù)互相交叉共享，形成一個(gè)集機(jī)電設(shè)備管理、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、工單管理、知識(shí)庫(kù)、報(bào)表展示于一體的平臺(tái)。

從底層到上層主要包括5個(gè)層級(jí)。數(shù)據(jù)采集層使用分布式、高可用、高并發(fā)IT基礎(chǔ)架構(gòu)監(jiān)控機(jī)電設(shè)備（車(chē)檢器、NVR、攝像機(jī)、情報(bào)板）、監(jiān)控主機(jī)（硬件、操作系統(tǒng)、中間件、應(yīng)用服務(wù)）、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（交換機(jī)、防火墻、堡壘機(jī)、漏洞掃描、日志審計(jì)）。數(shù)據(jù)傳輸層主要包括工業(yè)以太網(wǎng)、Wi-Fi、4G/5G、LoRa、串口等通信方式。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層采用MySql、MongoDB、Dynamo數(shù)據(jù)庫(kù)。應(yīng)用模塊層通過(guò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)電設(shè)備狀態(tài)，超過(guò)閾值報(bào)警并實(shí)時(shí)通知相關(guān)人員；通過(guò)機(jī)電設(shè)備管理模塊、工單管理模塊等實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備及養(yǎng)護(hù)流程電子化管理；通過(guò)趨勢(shì)分析、數(shù)據(jù)可視化模塊，提供輔助決策分析功能，實(shí)現(xiàn)提升管理水平的目的，完成“監(jiān)、管、治”管理閉環(huán)。展示層采用App、網(wǎng)頁(yè)、大屏等多種展示方式。高速公路智能機(jī)電設(shè)備管理平臺(tái)整體架構(gòu)如圖2所示。

4 主要功能

4.1 機(jī)電設(shè)備及倉(cāng)庫(kù)管理子系統(tǒng)

在設(shè)備上粘貼二維碼作為設(shè)備唯一識(shí)別碼，記錄所有設(shè)備出庫(kù)信息，跟蹤設(shè)備去向；明確設(shè)備所屬負(fù)責(zé)人；設(shè)置余量告警、報(bào)廢年限告警、設(shè)備保潔提醒；實(shí)現(xiàn)快速盤(pán)點(diǎn)。機(jī)電設(shè)備及倉(cāng)庫(kù)管理子系統(tǒng)界面如圖3所示。

4.2 設(shè)備監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

通過(guò)直接對(duì)接設(shè)備或其所屬系統(tǒng)，采集設(shè)備信息、運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)備類型為機(jī)電設(shè)備配置特定的指標(biāo)閾值并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，超過(guò)閾值則產(chǎn)生預(yù)警并通過(guò)多種方式通知相關(guān)人員。針對(duì)機(jī)電設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)覆蓋不足的問(wèn)題，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使用多種傳感技術(shù)并結(jié)合數(shù)據(jù)分析方法對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，通過(guò)在原有設(shè)備設(shè)施上增加智能傳感器，定時(shí)檢查設(shè)備的健康狀態(tài)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)傳輸數(shù)據(jù)，平臺(tái)系統(tǒng)實(shí)時(shí)告警通知，減少人工巡檢頻次和巡檢強(qiáng)度。例如，基于超低功耗智能傳感器技術(shù)、LoRa容錯(cuò)無(wú)線傳輸技術(shù)、消防二總線通信技術(shù)、智慧運(yùn)維平臺(tái)技術(shù)實(shí)施改造，加強(qiáng)隧道消防自動(dòng)監(jiān)測(cè)能力。在高低位水池、水泵、消防管道、閥門(mén)、消防栓和滅火器上增加傳感器和壓力表，通過(guò)網(wǎng)關(guān)與平臺(tái)相連，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和存儲(chǔ)消防系統(tǒng)水位及壓力變化，實(shí)現(xiàn)隧道消防實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)，能夠及時(shí)預(yù)測(cè)設(shè)備失效并迅速進(jìn)行故障報(bào)警，同時(shí)對(duì)故障原因、故障位置、故障點(diǎn)等進(jìn)行自動(dòng)診斷和分析定位。設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控模塊界面如圖4所示。

4.3 養(yǎng)護(hù)管理子系統(tǒng)

如圖5所示，工單服務(wù)流程根據(jù)設(shè)備報(bào)警內(nèi)容及系統(tǒng)綜合調(diào)度生成工單（根據(jù)養(yǎng)護(hù)人員所在地方、當(dāng)前工作任務(wù)等方面），并分配給對(duì)應(yīng)養(yǎng)護(hù)人員，養(yǎng)護(hù)人員完成故障修復(fù)后，在平臺(tái)上通過(guò)文字、附件形式記錄處理過(guò)程，交由領(lǐng)導(dǎo)審批，審批完成后結(jié)束工單。工單進(jìn)入養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)歸檔，為工單查詢、知識(shí)庫(kù)管理、養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)分析、養(yǎng)護(hù)服務(wù)評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

養(yǎng)護(hù)計(jì)劃管理用于設(shè)置和錄入巡檢計(jì)劃、檢測(cè)計(jì)劃、保潔計(jì)劃等，并與移動(dòng)端配合進(jìn)行實(shí)施打卡和完成情況審核，同時(shí)可以實(shí)時(shí)輸出和展示計(jì)劃完成情況。

養(yǎng)護(hù)人員結(jié)合故障關(guān)鍵詞記錄修復(fù)故障過(guò)程，生成經(jīng)驗(yàn)庫(kù)知識(shí)記錄；養(yǎng)護(hù)部門(mén)定期總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，生成該類問(wèn)題標(biāo)準(zhǔn)處理步驟文檔，形成專家?guī)熘R(shí)記錄，養(yǎng)護(hù)人員再碰到類似問(wèn)題可根據(jù)關(guān)鍵詞篩查。

4.4 系統(tǒng)分析子系統(tǒng)

系統(tǒng)分析子系統(tǒng)基于其他子系統(tǒng)生成的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)狀態(tài)、故障原因、養(yǎng)護(hù)質(zhì)量、成本效益等進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)不同用戶角色提供定制化多維數(shù)據(jù)報(bào)表查詢，如品牌故障率、根據(jù)設(shè)施類型展示同類設(shè)施設(shè)備故障數(shù)量以及百分比、在用設(shè)備與庫(kù)存設(shè)備數(shù)量與百分比、根據(jù)故障關(guān)鍵詞統(tǒng)計(jì)平均處理時(shí)長(zhǎng)、養(yǎng)護(hù)服務(wù)評(píng)價(jià)得分等多類型、多維度統(tǒng)計(jì)圖，支撐養(yǎng)護(hù)方案的制定與決策。隧道設(shè)備故障統(tǒng)計(jì)示例如圖6所示。

4.5 多視圖展示

利用GIS地圖展示路面上設(shè)備地理位置以及所屬設(shè)施；通過(guò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)展示當(dāng)前機(jī)電系統(tǒng)狀況；提供設(shè)備設(shè)施詳情展示；室內(nèi)設(shè)備通過(guò)虛擬機(jī)柜、配電柜管理；將設(shè)備情況關(guān)聯(lián)養(yǎng)護(hù)管理數(shù)據(jù)庫(kù)，為營(yíng)運(yùn)管理人員和養(yǎng)護(hù)人員提供養(yǎng)護(hù)事件展示。

4.6 移動(dòng)、電腦端運(yùn)維

平臺(tái)可在移動(dòng)端設(shè)備或個(gè)人電腦上運(yùn)行，保證養(yǎng)護(hù)人員可以在外隨時(shí)使用現(xiàn)場(chǎng)故障上報(bào)、故障處理過(guò)程記錄、定位、工作打卡、工單實(shí)時(shí)填報(bào)、知識(shí)庫(kù)查詢、設(shè)備信息查詢等功能。例如，使用移動(dòng)端攝像頭掃描設(shè)備二維碼實(shí)現(xiàn)快速盤(pán)點(diǎn)；處理工單可通過(guò)移動(dòng)端拍攝視頻、圖片作為附件上傳到平臺(tái)，交由領(lǐng)導(dǎo)審批。移動(dòng)端運(yùn)維App如圖7所示。

5 系統(tǒng)實(shí)施與使用過(guò)程的注意事項(xiàng)

（1）實(shí)施階段要有切合實(shí)際的實(shí)施方案，要與使用方在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集錄入方面密切配合。臺(tái)賬分類與編碼標(biāo)準(zhǔn)要準(zhǔn)確，盡量不產(chǎn)生歧義；設(shè)備臺(tái)賬清理和設(shè)備標(biāo)記工作量大，但要保證質(zhì)量，否則會(huì)影響平臺(tái)的使用效率。

（2）合理選擇設(shè)備狀態(tài)參數(shù)和指標(biāo)。設(shè)備狀態(tài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、養(yǎng)護(hù)過(guò)程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集后，關(guān)聯(lián)提取相關(guān)信息，通過(guò)設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)模型形成設(shè)備畫(huà)像。模型主要有參數(shù)和指標(biāo)兩個(gè)層次，參數(shù)是指需要的數(shù)據(jù)類別；指標(biāo)是指該數(shù)據(jù)類別人為設(shè)定的有效閾值、性能閾值和告警閾值，有效閾值以內(nèi)代表設(shè)備運(yùn)行完好，性能閾值以內(nèi)代表設(shè)備狀態(tài)下降但可接受，告警閾值范圍代表設(shè)備運(yùn)行結(jié)果已不可接受和使用。

（3）應(yīng)利用設(shè)備全周期壽命理論，合理選擇設(shè)備狀態(tài)預(yù)測(cè)參數(shù)和指標(biāo)。選擇依據(jù)包括故障率/時(shí)間函數(shù)，設(shè)備殘值、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用和設(shè)備總費(fèi)用的關(guān)系，折舊年限標(biāo)準(zhǔn)，廠家設(shè)備產(chǎn)品生命周期信息（包括停止銷售日、停止全面支持日、停止服務(wù)日）等。

（4）使用過(guò)程中，應(yīng)轉(zhuǎn)變管理者和養(yǎng)護(hù)人員的思維習(xí)慣和流程習(xí)慣，遵守?cái)?shù)據(jù)及時(shí)更新的工作要求。

（5）平臺(tái)的建設(shè)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，不是在實(shí)施階段就結(jié)束，應(yīng)從管理制度和平臺(tái)優(yōu)化角度，對(duì)監(jiān)測(cè)的覆蓋范圍及準(zhǔn)確度、系統(tǒng)互通等方面進(jìn)行定期檢查和優(yōu)化。

6 結(jié)語(yǔ)

高速公路智能機(jī)電設(shè)備運(yùn)維管理平臺(tái)仍有待優(yōu)化改進(jìn)和深入發(fā)展：目前有些設(shè)備因?yàn)闊o(wú)傳感器，無(wú)法正常監(jiān)測(cè)其狀態(tài)；隨著科技發(fā)展，需采取更多元的方式采集數(shù)據(jù)；大部分設(shè)備以單一指標(biāo)閾值產(chǎn)生性能和告警事件，在使用過(guò)程中存在一定的誤告警，需參考指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)；已有數(shù)據(jù)中抽取出的關(guān)鍵數(shù)據(jù)過(guò)少，數(shù)據(jù)挖掘分析模塊無(wú)法有效提供輔助決策分析，有待優(yōu)化；由于高速公路機(jī)電設(shè)備種類繁多、技術(shù)更新快，設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)模型的設(shè)計(jì)和改進(jìn)工作量很大，設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)模型的優(yōu)化也需要更多理論支撐與借鑒。此外，通信、電力、安防、國(guó)防等其他行業(yè)的理論也值得借鑒，例如通信行業(yè)的設(shè)備告警與性能監(jiān)測(cè)理論以及軍事裝備保障領(lǐng)域的五性管理理論（可靠性、維修性、保障性、測(cè)試性、安全性）。

隨著高速公路機(jī)電設(shè)施技術(shù)狀況評(píng)定的普遍實(shí)施，機(jī)電設(shè)施智能化水平不斷提高，高速公路機(jī)電設(shè)備運(yùn)維管理系統(tǒng)建設(shè)日益重要，復(fù)雜被動(dòng)的定期人工評(píng)定正在轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝У脑u(píng)定指標(biāo)實(shí)時(shí)采集、即時(shí)分析。結(jié)合“監(jiān)、管、治”理念，構(gòu)建高速公路智能機(jī)電設(shè)備管理服務(wù)體系，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)和主動(dòng)式運(yùn)維，從根本上提高設(shè)備養(yǎng)護(hù)效率，提升設(shè)備管理水平。