智能機(jī)箱在航道外場(chǎng)感知設(shè)施智能運(yùn)維中的應(yīng)用與分析

摘要：針對(duì)航道外場(chǎng)感知設(shè)施運(yùn)行環(huán)境惡劣、維護(hù)難度大等問題，提出利用智能機(jī)箱實(shí)現(xiàn)航道外場(chǎng)感知設(shè)施的供電、通信、運(yùn)行狀態(tài)等自動(dòng)監(jiān)測(cè)、告警分析的解決方法。在京杭運(yùn)河常州、無錫、蘇州段的應(yīng)用表明，智能機(jī)箱為航道外場(chǎng)感知設(shè)施的智能運(yùn)維提供了有力的支撐。

關(guān)鍵詞：智能機(jī)箱；航道外場(chǎng)感知設(shè)施；智能運(yùn)維

中圖分類號(hào)：U615? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）11-0068-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.11.018

0? ? 引言

水路運(yùn)輸是綜合交通運(yùn)輸體系的重要組成，具有成本低、污染小、安全經(jīng)濟(jì)等比較優(yōu)勢(shì)[1]。隨著水運(yùn)的日益繁忙，構(gòu)建全面立體、時(shí)效性強(qiáng)、準(zhǔn)確可靠的航道外場(chǎng)感知體系已經(jīng)成為對(duì)內(nèi)支撐精細(xì)化航道運(yùn)行監(jiān)測(cè)與管理、對(duì)外增強(qiáng)航道公共服務(wù)能力的迫切需要[2]。航道外場(chǎng)感知設(shè)施數(shù)量大且種類較多，包括攝像機(jī)、AIS基站、水位計(jì)、北斗地基增強(qiáng)基站、交通流量觀測(cè)設(shè)施、氣象儀、能見度儀、流速流向儀、無人機(jī)等。航道外場(chǎng)感知設(shè)施在日常運(yùn)行過程中容易受到水、雨、雪、霧、灰塵等惡劣環(huán)境的影響，時(shí)常發(fā)生故障，但由于航道呈帶狀，范圍廣且地理位置較偏，其運(yùn)行維護(hù)難度較大。因此，本文提出利用智能機(jī)箱實(shí)現(xiàn)航道外場(chǎng)感知設(shè)施的供電、通信、運(yùn)行狀態(tài)等自動(dòng)監(jiān)測(cè)、告警分析，提高航道外場(chǎng)感知設(shè)施運(yùn)維的便捷性和智能化水平，從而保障其穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

1? ? 通信傳輸和供電方式

通信傳輸和供電是航道外場(chǎng)感知設(shè)施正常運(yùn)行的重要支撐條件，也是航道外場(chǎng)感知設(shè)施中故障發(fā)生頻率較高的地方，因此在日常運(yùn)維過程中需要重點(diǎn)關(guān)注。

1.1? ? 通信傳輸方式

目前，航道外場(chǎng)感知設(shè)施的通信方式包括自建光纖、租用運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)、4G/5G傳輸?shù)?，綜合考慮通信傳輸成本、傳輸穩(wěn)定性、維護(hù)方便等因素，一般航道外場(chǎng)感知設(shè)施的通信傳輸采用租用運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的方式[3]。

根據(jù)航道外場(chǎng)感知設(shè)施布設(shè)位置的不同情況，其傳輸方式如圖1所示。

（1）布設(shè)在船閘或水上服務(wù)區(qū)附近的感知設(shè)施通過有線的方式接入船閘或水上服務(wù)區(qū)已有的網(wǎng)絡(luò)，然后由交通專網(wǎng)傳輸至存儲(chǔ)機(jī)房。

（2）布設(shè)在航道兩邊的感知設(shè)施利用有線方式接入附近的運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)，通過租用運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)直接傳輸至存儲(chǔ)機(jī)房。

1.2? ? 供電方式

為確保航道外場(chǎng)感知設(shè)施能連續(xù)不間斷地運(yùn)行，其供電方式一般以低壓線纜供電為主，利用線纜從布設(shè)點(diǎn)位附近的運(yùn)營(yíng)商通信鐵塔、工廠、居民區(qū)等獲取經(jīng)過穩(wěn)壓后的市電電源；布設(shè)點(diǎn)位在上述供電條件無法滿足的情況下，可以采用太陽能供電的方式。

太陽能供電系統(tǒng)應(yīng)確保在陰雨天氣下感知設(shè)施能連續(xù)正常運(yùn)行7天，并可承受惡劣環(huán)境條件下大風(fēng)和冰雹等的沖擊，其中太陽能電池板、電池板支架等應(yīng)盡可能安裝在航道外場(chǎng)感知設(shè)施的桿件上。

2? ? 智能機(jī)箱的應(yīng)用與分析

2.1? ? 智能機(jī)箱的組成

智能機(jī)箱由箱體和智能機(jī)箱控制系統(tǒng)軟件兩部分組成，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)航道外場(chǎng)感知設(shè)施的通信、電源、柜門、溫濕度等狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)箱柜門遠(yuǎn)程開啟、異常報(bào)警、外場(chǎng)感知設(shè)施點(diǎn)位實(shí)時(shí)定位等功能。

智能機(jī)箱內(nèi)部分為采集控制模塊區(qū)、電源控制模塊區(qū)、電源接入控制區(qū)和拓展模塊區(qū)，配有智能控制器、防雷配電維修插座、攝像頭、補(bǔ)光燈、網(wǎng)狀托架等設(shè)備，如圖2所示。同時(shí)箱體采用防曬、隔熱頂蓋，利用導(dǎo)流槽、膠墊等密封措施，其防護(hù)等級(jí)不低于IP65，整體安裝方式為背板法蘭掛桿安裝。

智能機(jī)箱控制系統(tǒng)軟件通過箱體監(jiān)控單元獲得數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)解析、查詢統(tǒng)計(jì)、分析，及時(shí)報(bào)告外場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)，判定外場(chǎng)設(shè)備環(huán)境故障類型，并可通過控制指令實(shí)現(xiàn)外場(chǎng)設(shè)備電源關(guān)閉、打開和重啟。

為實(shí)現(xiàn)智能機(jī)箱的數(shù)據(jù)傳輸，需為機(jī)箱所在位置提供一路輔助通信網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)能與附近航道外場(chǎng)感知設(shè)施通信的IP地址；同時(shí)智能機(jī)箱還自帶4G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可形成雙模冗余通信，確保智能機(jī)箱采集數(shù)據(jù)能夠及時(shí)上傳、遠(yuǎn)程控制指令能夠動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

2.2? ? 智能機(jī)箱的應(yīng)用

航道外場(chǎng)感知設(shè)施是京杭運(yùn)河江蘇段綠色現(xiàn)代航運(yùn)綜合整治工程（江南段）智慧運(yùn)河工程的重要組成部分，建設(shè)內(nèi)容包括視頻監(jiān)控、AIS、能見度儀、氣象儀、流速流向儀、交通量觀測(cè)設(shè)備、北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)、水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、無人機(jī)等感知設(shè)施以及配套的通信系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等，其中供電采用低壓電纜就近供電的方式，通信傳輸采用租用運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的方式。京杭運(yùn)河常州段長(zhǎng)49 km，設(shè)置了26套智能機(jī)箱；無錫段長(zhǎng)39.3 km，設(shè)置了25套智能機(jī)箱；蘇州段長(zhǎng)81.8 km，設(shè)置了43套智能機(jī)箱，現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖3所示。

利用智能機(jī)箱實(shí)現(xiàn)了以下功能：

（1）動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)：接收智能控制器上報(bào)的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括外場(chǎng)感知設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、電源狀態(tài)、繼電器狀態(tài)、機(jī)箱柜門狀態(tài)、溫度、濕度等。

（2）統(tǒng)計(jì)分析：實(shí)現(xiàn)智能控制器在線狀態(tài)統(tǒng)計(jì)、故障統(tǒng)計(jì)、斷電點(diǎn)滾動(dòng)列表、斷網(wǎng)點(diǎn)滾動(dòng)列表、恢復(fù)點(diǎn)滾動(dòng)列表、日期時(shí)鐘等。

（3）點(diǎn)位管理：按線路、行政區(qū)劃、點(diǎn)位名稱、IP地址段、工作狀態(tài)等條件對(duì)站點(diǎn)進(jìn)行查詢，可查看點(diǎn)位實(shí)時(shí)狀態(tài)信息、歷史信息和操作記錄。

（4）遠(yuǎn)程控制：實(shí)現(xiàn)對(duì)外場(chǎng)感知設(shè)施的電源打開、關(guān)閉、重啟操作，具有操作日志記錄功能。

（5）告警監(jiān)控：能獲取智能控制器的斷電、斷網(wǎng)、開門等告警信息，并以告警列表等形式展示。

（6）機(jī)箱柜門控制：實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)箱柜門的遠(yuǎn)程開啟，現(xiàn)場(chǎng)免鑰或掃碼開啟。

（7）點(diǎn)位狀態(tài)：分路顯示機(jī)箱內(nèi)各用電回路的電流、電壓、功率、功率因數(shù)以及機(jī)箱所監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備的總電量。

（8）開關(guān)控制：各用電回路可獨(dú)立進(jìn)行閉合、斷開等操作。

（9）日志記錄：以文本文件形式對(duì)智能控制器上報(bào)的原始信息進(jìn)行記錄和保存，便于后期進(jìn)行校核查驗(yàn)。

2.3? ? 基于智能機(jī)箱的運(yùn)維功能分析

航道外場(chǎng)感知設(shè)施運(yùn)維中存在設(shè)備數(shù)量大、種類多、分布廣、維護(hù)人員少、交通不便、維護(hù)效率低等難題，為了實(shí)現(xiàn)航道外場(chǎng)感知設(shè)施的主動(dòng)式運(yùn)維、及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并維修，提升運(yùn)維的可視化和智能化水平，可以基于智能機(jī)箱獲得設(shè)施供電、通信、運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備身份信息、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、工單下發(fā)等運(yùn)維功能的拓展，保障外場(chǎng)感知設(shè)施的正常運(yùn)行。

基于智能機(jī)箱的航道外場(chǎng)感知設(shè)施智能運(yùn)維是利用電子航道圖，對(duì)外場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行可視化的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)管理，無須運(yùn)維工作人員現(xiàn)場(chǎng)巡視，即可及時(shí)掌握外場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行情況，其主要功能內(nèi)容包括設(shè)備信息管理、設(shè)備身份碼管理、設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、監(jiān)測(cè)閾值配置、設(shè)備在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、報(bào)表報(bào)告管理、異常報(bào)警等，如圖4所示。

（1）設(shè)備信息管理：對(duì)航道外場(chǎng)感知設(shè)施的設(shè)備型號(hào)、基本參數(shù)、功能、附屬件構(gòu)成等基礎(chǔ)信息，以及供應(yīng)商、服務(wù)提供商、安裝部署的地理位置和空間位置等信息，所屬單位、負(fù)責(zé)人、負(fù)責(zé)人聯(lián)系方式等所有權(quán)信息，設(shè)備制造廠商及其聯(lián)系方式、售后服務(wù)提供商及其聯(lián)系方式等信息進(jìn)行維護(hù)和信息化管理，提供增加、編輯、刪除等功能，提供設(shè)備相關(guān)附件（維護(hù)操作規(guī)程、工藝說明書、安全條例等）的上傳、查看、下載功能，采用樹形結(jié)構(gòu)體現(xiàn)主要設(shè)備及其附件的從屬關(guān)系。

（2）設(shè)備身份碼管理：根據(jù)航道外場(chǎng)感知設(shè)施的設(shè)備基礎(chǔ)信息，支持生成設(shè)備的專屬二維碼身份證，支持用戶通過掃描二維碼完成設(shè)備基礎(chǔ)信息的獲取。

（3）設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：基于智能機(jī)箱已有的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（4）監(jiān)測(cè)閾值配置：基于智能機(jī)箱已有的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，支持設(shè)置設(shè)備運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)閾值的動(dòng)態(tài)配置，如連續(xù)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、運(yùn)行溫度等。

（5）設(shè)備在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理：支持對(duì)接航道外場(chǎng)感知設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并能對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看、導(dǎo)出。

（6）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析：支持對(duì)接外場(chǎng)感知設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

（7）報(bào)表報(bào)告管理：支持按照用戶需求，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的設(shè)備臺(tái)賬導(dǎo)出。

（8）異常報(bào)警：基于智能機(jī)箱已有的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以設(shè)置的監(jiān)測(cè)閾值為比對(duì)基準(zhǔn)值，當(dāng)實(shí)測(cè)值接近或超過監(jiān)測(cè)閾值時(shí)，發(fā)出異常告警并提示維護(hù)人員。

3? ? 結(jié)語

在構(gòu)建綜合交通運(yùn)輸體系、數(shù)字交通、智慧航道等發(fā)展背景下，航道外場(chǎng)感知設(shè)施的建設(shè)也會(huì)越來越多。航道外場(chǎng)感知設(shè)施的智能高效運(yùn)維是確保發(fā)揮其效益的重要方式，智能機(jī)箱能實(shí)現(xiàn)航道外場(chǎng)感知設(shè)施的供電、通信、運(yùn)行狀態(tài)等自動(dòng)監(jiān)測(cè)和告警分析，為設(shè)施運(yùn)維提供重要支撐。同時(shí)，為了充分利用智能機(jī)箱采集的數(shù)據(jù)資源，可基于電子航道圖實(shí)現(xiàn)設(shè)備身份信息、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、工單下發(fā)等運(yùn)維功能的拓展，進(jìn)一步提升外場(chǎng)感知設(shè)施的可視化、智能化運(yùn)維水平。

[參考文獻(xiàn)]

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[3] 何樂.長(zhǎng)江航道要素感知設(shè)備布設(shè)[J].水運(yùn)工程，2016（1）：48-51.

收稿日期：2023-01-06

作者簡(jiǎn)介：石磊（1989—），男，湖南人，工程師，從事智慧水運(yùn)設(shè)計(jì)與研究工作。