高速公路機(jī)電設(shè)備監(jiān)控及可視化管理策略研究

楊凱

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅蘭州 730030）

0 引言

高速公路機(jī)電設(shè)備監(jiān)控及可視化管理是網(wǎng)絡(luò)信息時(shí)代背景下，高速公路建設(shè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，是進(jìn)一步提升高速公路運(yùn)維管理能力，保障高速公路運(yùn)營(yíng)安全性和穩(wěn)定性的重要舉措。在明確高速公路機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備組成的基礎(chǔ)上，研究高速公路機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建方法和高速公路機(jī)電設(shè)備監(jiān)控及可視化管理的實(shí)現(xiàn)策略，對(duì)于我國高速公路的健康發(fā)展具有積極的作用和意義。

1 高速公路機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備組成概述

1.1 收費(fèi)系統(tǒng)的設(shè)備組成

收費(fèi)系統(tǒng)主要由金額顯示設(shè)備、車輛識(shí)別系統(tǒng)、收費(fèi)站監(jiān)控室計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、IC 卡讀寫設(shè)備、對(duì)講系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、自動(dòng)欄桿機(jī)、票據(jù)打印機(jī)等組成，是高速公路獲取運(yùn)營(yíng)資金的主要途徑。以往的收費(fèi)系統(tǒng)主要為半自動(dòng)收費(fèi)模式，需要人工協(xié)助完成收費(fèi)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)階段的收費(fèi)系統(tǒng)多采用自動(dòng)收費(fèi)模式，即ETC 收費(fèi)模式。

1.2 供配電系統(tǒng)的設(shè)備組成

高速公路供配電系統(tǒng)主要由發(fā)電機(jī)組、UPS 電源、高低壓配電線路及配套電氣設(shè)備構(gòu)成，具備常規(guī)供電和應(yīng)急供電兩種供電模式。主要功能和作用包括：為高速公路中的各類電氣設(shè)備進(jìn)行持續(xù)性供電，在突發(fā)緊急情況時(shí)能提供一定時(shí)間的應(yīng)急供電。由此可見，供配電系統(tǒng)是高速公路機(jī)電系統(tǒng)得以正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要保障，是高速公路正常運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)。

1.3 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備組成

在管理層級(jí)方面，高速公路監(jiān)控系統(tǒng)可劃分成外場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備、監(jiān)控站、監(jiān)控分中心、監(jiān)控中心四個(gè)層級(jí)。

根據(jù)所處物理環(huán)境，外場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備可細(xì)分為隧道內(nèi)監(jiān)控設(shè)備和常規(guī)路段監(jiān)控設(shè)備兩種類型。其中，隧道內(nèi)監(jiān)控設(shè)備包括交通控制系統(tǒng)、環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)、火災(zāi)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)、隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)、有線廣播系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)。常規(guī)路段監(jiān)控設(shè)備包括車輛檢測(cè)器、氣象檢測(cè)器、信息發(fā)布屏、遠(yuǎn)程控制監(jiān)控器等多種設(shè)備。

在其他三個(gè)層級(jí)的監(jiān)控系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)及必要的輔助設(shè)備是必要組成部分。在進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)，需根據(jù)高速公路的建設(shè)規(guī)模和設(shè)計(jì)要求，對(duì)系統(tǒng)的組成和架構(gòu)進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)與科學(xué)調(diào)整。

對(duì)于高速公路而言，監(jiān)控系統(tǒng)的功能作用主要是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高速公路的路面狀況、車流量情況、基礎(chǔ)設(shè)施工況及整體運(yùn)行狀態(tài)，引導(dǎo)公路管理部門及時(shí)處理公路上出現(xiàn)的突發(fā)情況，為高速公路運(yùn)營(yíng)及管理工作的開展和優(yōu)化提供資料依據(jù)。

1.4 通信系統(tǒng)的設(shè)備組成

高速公路通信系統(tǒng)通常由通信電源系統(tǒng)、光電線纜、光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字程控交換系統(tǒng)等構(gòu)成，是高速公路機(jī)電系統(tǒng)中監(jiān)控、收費(fèi)等子系統(tǒng)各項(xiàng)業(yè)務(wù)需求緊密連接的“橋梁”，是各管理部門之間各類數(shù)據(jù)信息通暢傳輸、實(shí)時(shí)共享的重要基礎(chǔ)。

1.5 照明系統(tǒng)的設(shè)備組成

照明系統(tǒng)是高速公路機(jī)電系統(tǒng)的重要組成部分，主要由場(chǎng)站照明子系統(tǒng)、主車道照明子系統(tǒng)、隧道照明子系統(tǒng)組成。其中，場(chǎng)站照明子系統(tǒng)主要保證收費(fèi)站、管理站正常工作時(shí)的照明需求。主車道照明子系統(tǒng)主要為重要路段和事故多發(fā)路段提供主線照明，保證監(jiān)控設(shè)備在夜間的監(jiān)視效果的同時(shí)，還可以提高所在路段的行車安全性。隧道照明子系統(tǒng)主要對(duì)隧道內(nèi)進(jìn)行24h 的持續(xù)性照明，同時(shí)在隧道內(nèi)發(fā)生意外事故時(shí)，可提供一段時(shí)間的應(yīng)急照明[1]。

2 高速公路機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

高速公路機(jī)電監(jiān)控系統(tǒng)由底層硬件系統(tǒng)和上層軟件系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，包含監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集、中繼網(wǎng)關(guān)傳輸、云服務(wù)器、人機(jī)交互界面四個(gè)結(jié)構(gòu)組成部分。具體工作原理為：在每個(gè)行車道上安裝1 個(gè)監(jiān)測(cè)器，利用該監(jiān)測(cè)器對(duì)所在車道機(jī)電設(shè)備自帶反饋信號(hào)、后裝傳感器反饋信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，所采集的數(shù)據(jù)信息作為判斷機(jī)電設(shè)備是否處于正常運(yùn)行狀態(tài)的主要依據(jù)。監(jiān)測(cè)器完成信息采集后，會(huì)基于ZigBee 技術(shù)將采集信息傳輸至中繼網(wǎng)關(guān)，由中繼網(wǎng)關(guān)對(duì)采集數(shù)據(jù)信息進(jìn)行打包處理，并通過寬帶通信網(wǎng)絡(luò)將打包好的數(shù)據(jù)信息上傳至云端服務(wù)器。此時(shí)，高速公路運(yùn)維管理人員便可通過人機(jī)交互界面直接察看機(jī)電設(shè)備的監(jiān)控信息，直觀地了解監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀況[2]。

2.2 機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建

高速公路機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建主要依托傳感器數(shù)據(jù)采集、無線網(wǎng)絡(luò)雙向通信、物聯(lián)網(wǎng)、云儲(chǔ)存四大技術(shù)。具體包含以下功能模塊的設(shè)計(jì)與構(gòu)建：

第一，采集系統(tǒng)監(jiān)測(cè)器設(shè)計(jì)。采集系統(tǒng)監(jiān)測(cè)器主要由供電電源、信號(hào)采集、無線傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)四個(gè)功能模塊組成，并具備數(shù)據(jù)采集、傳輸、儲(chǔ)存三項(xiàng)基本功能，在主控芯片和系統(tǒng)軟件的控制下協(xié)同運(yùn)行。采集系統(tǒng)監(jiān)測(cè)器應(yīng)采取模塊化設(shè)計(jì)，工作流程為：主程序?qū)Ω鹘涌谀K進(jìn)行初始化—等待設(shè)備對(duì)應(yīng)采集端配置處理—調(diào)用并進(jìn)入各個(gè)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)—將采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至外部Flash 中—通過ZigBee 將采集數(shù)據(jù)傳輸給中繼網(wǎng)關(guān)。

第二，通信網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)。通信網(wǎng)關(guān)主要由主控芯片、供電電路、基本電路、撥碼開關(guān)電路、ZigBee 模塊、4G 模塊、Wi-Fi 模塊構(gòu)成。在功能設(shè)計(jì)方面，應(yīng)保證通信網(wǎng)關(guān)具備4G 接收緩沖處理、4G 發(fā)送緩沖處理與確認(rèn)、ZigBee 接收緩沖處理、Wi-Fi 接收緩存處理、4G重連、“看門狗”等功能。

第三，云端程序設(shè)計(jì)，即利用計(jì)算機(jī)編程語言編寫UDP Server 程序，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳至云端，并根據(jù)實(shí)際需求在云端進(jìn)行處理和計(jì)算。在功能設(shè)計(jì)方面，應(yīng)保證云端程序能夠執(zhí)行“數(shù)據(jù)處理”和“故障診斷”兩項(xiàng)工作。

第四，數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)。在進(jìn)行高速公路機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)用戶需求、實(shí)際情況、機(jī)電系統(tǒng)規(guī)模等因素，科學(xué)編制數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)字典，合理構(gòu)建E-R 模型，以此保證數(shù)據(jù)庫的功能性與構(gòu)建合理性。

第五，交互式網(wǎng)頁設(shè)計(jì)。交互式網(wǎng)頁設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)監(jiān)控和可視化管理的重要手段。主要包含B/S 結(jié)構(gòu)（瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu)）、MySQL 數(shù)據(jù)庫、Apache 服務(wù)器軟件、前端及后臺(tái)程序的開發(fā)與設(shè)計(jì)。在功能設(shè)計(jì)方面，應(yīng)保證交互式網(wǎng)頁具備狀態(tài)查閱、檔案管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控、頻次統(tǒng)計(jì)、用戶管理、監(jiān)測(cè)設(shè)備管理等功能[3]。

3 高速公路機(jī)電設(shè)備監(jiān)控及可視化管理的策略分析

3.1 做好前期系統(tǒng)規(guī)劃

做好前期的系統(tǒng)規(guī)劃工作是實(shí)現(xiàn)高速公路機(jī)電設(shè)備監(jiān)控及可視化管理的首要前提。期間，需要管理部門積極引入、靈活應(yīng)用GIS、大數(shù)據(jù)分析、無線通信、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)?；谏鲜黾夹g(shù)手段的整合應(yīng)用，可將前端機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如實(shí)、直觀地反饋到后方的監(jiān)控中心，管理部門可通過監(jiān)控中心終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)及具體設(shè)備的監(jiān)控和管理。在進(jìn)行前期系統(tǒng)規(guī)劃時(shí)，還應(yīng)配置相應(yīng)的服務(wù)器，利用服務(wù)器將系統(tǒng)中的傳輸信息轉(zhuǎn)化為可視化的形式，使機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)更直觀、更清晰、更具動(dòng)態(tài)性地呈現(xiàn)在管理人員眼前，協(xié)助管理人員更好地開展機(jī)電設(shè)備運(yùn)維管理工作。

3.2 繪制軟件布局及分布圖

為了能夠準(zhǔn)確、直觀地展現(xiàn)高速公路上各機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行情況，切實(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備的可視化管理，高速公路管理部門應(yīng)按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)確定每個(gè)機(jī)電設(shè)備布設(shè)位置的坐標(biāo)。將所有位置坐標(biāo)錄入電腦系統(tǒng)中，結(jié)合GIS、GPS 提供的數(shù)據(jù)信息，生成高速公路機(jī)電設(shè)備二維分布圖，以此初步實(shí)現(xiàn)公路上所有機(jī)電設(shè)備布設(shè)位置的可視化呈現(xiàn)。為保證分布圖繪制的精準(zhǔn)性，工作人員應(yīng)對(duì)所需數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和反復(fù)校對(duì)，對(duì)各路段的機(jī)電設(shè)備記錄信息進(jìn)行核對(duì)，按照?qǐng)D紙比例尺對(duì)分布圖中的數(shù)據(jù)進(jìn)行還原，并與實(shí)際情況對(duì)比、核實(shí)。機(jī)電設(shè)備分布圖繪制完畢后，將其與監(jiān)控系統(tǒng)相連接，將每個(gè)機(jī)電設(shè)備的前端監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信息與分布圖中該設(shè)備的圖標(biāo)一一對(duì)應(yīng)。此時(shí)，機(jī)電設(shè)備運(yùn)維人員便可以通過在分布圖點(diǎn)選圖標(biāo)的方式，直接察看對(duì)應(yīng)機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)信息，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控與可視化管理。例如高速公路機(jī)電設(shè)備一旦出現(xiàn)故障或功能異常須及時(shí)檢修，而重點(diǎn)路段往往會(huì)布設(shè)較多的機(jī)電設(shè)備，傳統(tǒng)技術(shù)手段下運(yùn)維人員需要耗費(fèi)較多的時(shí)間和精力才能找到故障點(diǎn)。利用分布圖，運(yùn)維人員可快速、直觀地察看目標(biāo)路段內(nèi)所有機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，快速完成故障點(diǎn)的定位，從而大幅度提升重點(diǎn)路段機(jī)電設(shè)備運(yùn)維檢修的效率[4]。

3.3 對(duì)圖標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)與處理

在分布圖中利用圖標(biāo)、符號(hào)進(jìn)行信息標(biāo)注是實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備可視化管理的重要手段。因大部分機(jī)電設(shè)備的外形較為復(fù)雜，并不適合實(shí)施簡(jiǎn)單標(biāo)注，管理部門應(yīng)在落實(shí)機(jī)電設(shè)備可視化管理工作的過程中，對(duì)機(jī)電設(shè)備對(duì)應(yīng)圖標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便在分布圖和可視化人工交互管理界面中更好地標(biāo)示、呈現(xiàn)機(jī)電設(shè)備，使運(yùn)維管理人員在排查和甄選機(jī)電設(shè)備時(shí)，能夠快速找到圖標(biāo)對(duì)應(yīng)的位置，提高工作效率。此外，在進(jìn)行圖標(biāo)優(yōu)化的過程中，可設(shè)計(jì)一些直觀易懂的動(dòng)畫，對(duì)機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)化呈現(xiàn)，進(jìn)一步提升可視化管理的直觀性。例如，當(dāng)機(jī)電設(shè)備處于正常工作狀態(tài)時(shí)，可用綠色、靜態(tài)的圖標(biāo)表示，當(dāng)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行異?；虺霈F(xiàn)故障時(shí)，可用紅色且循環(huán)擴(kuò)散光波的動(dòng)態(tài)化圖標(biāo)表示，以此快速吸引后臺(tái)監(jiān)控運(yùn)維人員的注意，提醒其立即對(duì)該機(jī)電設(shè)備進(jìn)行故障排查和檢修。

3.4 優(yōu)化完善監(jiān)控系統(tǒng)

按照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求，各高速公路均會(huì)配備監(jiān)控系統(tǒng)。從實(shí)際情況來看，現(xiàn)階段設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)，其主要功能為記錄所在路段的路況信息，而各路段間的聯(lián)系較少，通常僅通過上級(jí)管理中心進(jìn)行聯(lián)系協(xié)調(diào)。這種情況并不利于高速公路機(jī)電設(shè)備監(jiān)控及可視化管理的實(shí)現(xiàn)，高速公路管理部門應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化和完善當(dāng)前的監(jiān)控系統(tǒng)，全面提升各路段之間監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的共享。例如，在擁有較多分支且里程數(shù)較大的高速公路中，會(huì)存在車輛分流的現(xiàn)象。此時(shí)，若各路段之間的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)共享，管理部門便可對(duì)公路全程的路況情況進(jìn)行精準(zhǔn)把握，以便在出現(xiàn)緊急情況時(shí)能夠更科學(xué)、及時(shí)地對(duì)該路段進(jìn)行整體性管控，最大限度地保證路面車輛的行駛安全。

3.5 構(gòu)建集成化管理系統(tǒng)

受多種因素的影響，很多高速公路機(jī)電設(shè)備研發(fā)企業(yè)在進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)時(shí)，未重視設(shè)備兼容性及與其他機(jī)電設(shè)備互聯(lián)互通性的開發(fā)，不同類型的研發(fā)企業(yè)之間缺乏深入的技術(shù)交流與合作，導(dǎo)致很多機(jī)電設(shè)備在投入使用后難以有效連接、充分配合，從而嚴(yán)重影響了高速公路機(jī)電設(shè)備的運(yùn)維管理，阻礙了機(jī)電設(shè)備監(jiān)控與可視化管理的實(shí)現(xiàn)。例如，國內(nèi)很多機(jī)電設(shè)備研發(fā)企業(yè)在研發(fā)產(chǎn)品的過程中，僅從機(jī)電設(shè)備對(duì)立運(yùn)行的角度進(jìn)行研發(fā)，以此最大限度地保證自身產(chǎn)品的質(zhì)量性與實(shí)用性，該研發(fā)模式并不能保證設(shè)備的兼容性。在實(shí)際工作中，大部分機(jī)電設(shè)備都不是獨(dú)立運(yùn)行的，普遍會(huì)與其他機(jī)電設(shè)備聯(lián)系和配合，因此，上述研發(fā)模式下生產(chǎn)的機(jī)電設(shè)備雖然個(gè)體質(zhì)量沒有問題，但很難與其他機(jī)電設(shè)備良好配合組成為一個(gè)運(yùn)行高效、穩(wěn)定的機(jī)電系統(tǒng)。針對(duì)上述問題，管理部門在構(gòu)建高速公路機(jī)電系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇兼容性、連接性好的機(jī)電設(shè)備，以此構(gòu)建出一套配合緊密、整體性強(qiáng)的機(jī)電系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)代信息技術(shù)手段構(gòu)建一個(gè)能夠統(tǒng)籌管理該機(jī)電系統(tǒng)中各機(jī)電設(shè)備的集成化管理系統(tǒng)，從而為高速公路機(jī)電設(shè)備監(jiān)控與可視化管理的實(shí)現(xiàn)提供良好的載體[5]。

4 結(jié)語

綜上所述，高速公路機(jī)電系統(tǒng)由供配電、監(jiān)控、收費(fèi)、通信、照明等多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，包含眾多的機(jī)電設(shè)備，這些機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)高速公路的運(yùn)行安全性具有決定性的影響。在新時(shí)期背景下，為進(jìn)一步提高高速公路的運(yùn)維管理水平，更好地保障高速公路的運(yùn)行安全性，高速公路管理部門應(yīng)積極進(jìn)行現(xiàn)代化機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建，并通過該研究策略實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備的監(jiān)控及可視化管理。