基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)應(yīng)用的高速公路機(jī)電系統(tǒng)數(shù)字監(jiān)測與運(yùn)維

陳志英

（北京瑞拓電子技術(shù)發(fā)展有限公司，北京 100043）

0 引言

隨著高速公路建設(shè)不斷發(fā)展，高速公路機(jī)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用技術(shù)發(fā)生較大變化，特別是取消高速公路省界收費(fèi)站以來，收費(fèi)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)闃I(yè)務(wù)高度耦合、實(shí)時(shí)在線的新一代機(jī)電系統(tǒng)，其復(fù)雜性大幅度提高。機(jī)電設(shè)施運(yùn)行的穩(wěn)定性、收費(fèi)數(shù)據(jù)上傳的及時(shí)性，直接影響到計(jì)費(fèi)與拆分賬的準(zhǔn)確性。同時(shí)，隨著社會(huì)公眾對出行環(huán)境的要求不斷提高，行業(yè)監(jiān)管機(jī)構(gòu)對機(jī)電系統(tǒng)及其日常運(yùn)營管理也提出更高要求，機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)維面臨較大壓力。

1 高速公路機(jī)電系統(tǒng)數(shù)字監(jiān)測與運(yùn)維概述

1.1 高速公路機(jī)電系統(tǒng)

高速公路機(jī)電系統(tǒng)是指為保障公路正常運(yùn)行而設(shè)置的各種設(shè)備、設(shè)施等組成的綜合性系統(tǒng)。其主要包括收費(fèi)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、隧道通風(fēng)照明控制系統(tǒng)、供配電及電力監(jiān)控系統(tǒng)、隧道消防報(bào)警系統(tǒng)以及交通安全設(shè)施等多個(gè)子系統(tǒng)。以上這些子系統(tǒng)共同構(gòu)成高速公路機(jī)電系統(tǒng)，它們協(xié)同工作，形成一個(gè)高效穩(wěn)定的交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，為人們提供便捷快速的出行服務(wù)[1]。

1.2 高速公路機(jī)電系統(tǒng)數(shù)字監(jiān)測與運(yùn)維內(nèi)容

高速公路機(jī)電設(shè)備是保障公路正常運(yùn)行、提高服務(wù)水平的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，因此，通過引入先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速公路機(jī)電設(shè)備數(shù)字化監(jiān)測與運(yùn)維具有非常重要的意義。高速公路機(jī)電系統(tǒng)數(shù)字監(jiān)測主要包括以下四個(gè)方面：

一是采集傳輸機(jī)電設(shè)備狀態(tài)信息，如溫度、濕度、電壓等。

二是分析處理機(jī)電設(shè)備狀態(tài)信息，提取有用特征參數(shù)，判斷設(shè)備是否存在異常情況或發(fā)生故障。

三是實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)，及時(shí)預(yù)警設(shè)備出現(xiàn)故障的可能性及其影響范圍，為后續(xù)維護(hù)提供參考意見。

四是建立機(jī)電設(shè)備健康檔案，記錄設(shè)備歷史運(yùn)行狀況以及當(dāng)前狀態(tài)，便于后期制定維護(hù)決策。

高速公路機(jī)電系統(tǒng)數(shù)字運(yùn)維則涵蓋了更廣泛的內(nèi)容，其核心在于利用現(xiàn)代化技術(shù)手段提升高速公路機(jī)電設(shè)施運(yùn)營效率和安全可靠性。具體而言，可從以下三個(gè)方面入手：

一是優(yōu)化機(jī)電設(shè)備調(diào)度策略，合理安排設(shè)備檢修計(jì)劃，避免過度維修造成資源浪費(fèi)。

二是采用智能化檢測方法，快速準(zhǔn)確地診斷出機(jī)電設(shè)備故障原因，減少因設(shè)備故障而引發(fā)交通事故的風(fēng)險(xiǎn)。

三是開發(fā)機(jī)電設(shè)備遠(yuǎn)程控制平臺(tái)，使操作人員能夠隨時(shí)隨地查看機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，降低人工巡檢成本，同時(shí)還可以提高設(shè)備使用率和完好率。

2 高速公路機(jī)電系統(tǒng)數(shù)字監(jiān)測與運(yùn)維關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

在高速公路機(jī)電系統(tǒng)中，通過傳感器、RFID 標(biāo)簽等設(shè)備將各個(gè)子系統(tǒng)連接在一起，這些子系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)信息，如何對其進(jìn)行高效的管理是一個(gè)重要問題，因此，需要采用一種可靠且穩(wěn)定的通信協(xié)議來實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的傳輸和處理。目前較為成熟的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議有ZigBee、LoRa、NB-IoT 等。其中，ZigBee 作為一種低功耗、長距離無線通信協(xié)議，具有廣泛的適用性和較高的安全性能，被廣泛應(yīng)用到各種智能家居、工業(yè)控制領(lǐng)域[2]。同時(shí)，該協(xié)議支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可滿足不同場景下的需求。ZigBee 協(xié)議不僅能夠滿足短距離傳輸?shù)囊螅€具備一定的擴(kuò)展能力，能夠適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境下的高速數(shù)據(jù)傳輸需求。在實(shí)際工程項(xiàng)目中，還需考慮網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時(shí)性和平滑性。

為此，本文引入負(fù)載均衡機(jī)制和緩存機(jī)制，有效避免因網(wǎng)絡(luò)擁塞或服務(wù)器宕機(jī)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或延遲增加的情況發(fā)生。具體而言，負(fù)載均衡機(jī)制利用多臺(tái)服務(wù)器共同承擔(dān)數(shù)據(jù)請求任務(wù)，使每個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力得到平衡；而緩存機(jī)制則會(huì)定期清理無用的數(shù)據(jù)，釋放內(nèi)存空間，提升系統(tǒng)響應(yīng)速度。

2.2 大數(shù)據(jù)技術(shù)

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，大數(shù)據(jù)分析已經(jīng)成為當(dāng)前的熱門話題。在高速公路機(jī)電系統(tǒng)中引入大數(shù)據(jù)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并預(yù)測故障發(fā)生情況，提高維護(hù)效率及準(zhǔn)確率。同時(shí)，通過分析歷史數(shù)據(jù)還能夠優(yōu)化管理決策，提升服務(wù)質(zhì)量。因此，本節(jié)將重點(diǎn)探討如何利用大數(shù)據(jù)技術(shù)構(gòu)建高效可靠的高速公路機(jī)電系統(tǒng)數(shù)字監(jiān)測與運(yùn)維平臺(tái)。

第一，數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)。為保證機(jī)電系統(tǒng)數(shù)字監(jiān)測與運(yùn)維平臺(tái)具有良好的擴(kuò)展性和適應(yīng)性，需要大量高質(zhì)量的數(shù)據(jù)作為支撐。針對這一問題，本文采用分布式架構(gòu)設(shè)計(jì)，通過多種傳感器獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)，包括溫度、濕度、電壓、電流、振動(dòng)等多個(gè)方面。這些數(shù)據(jù)需要經(jīng)過預(yù)處理后才能被納入數(shù)據(jù)庫進(jìn)行后續(xù)分析。具體而言，使用Sqoop 工具將從各類傳感器中采集到的原始數(shù)據(jù)傳輸至MySQL 數(shù)據(jù)庫中，然后通過Python 編程語言對數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、轉(zhuǎn)換、加載等操作，最終得到可供分析挖掘的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)集。

第二，數(shù)據(jù)處理與分析。在完成數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)之后，再對其進(jìn)行進(jìn)一步的處理和分析。由于機(jī)電系統(tǒng)涉及眾多參數(shù)和變量，傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法難以滿足實(shí)際需求，而機(jī)器學(xué)習(xí)算法則因其強(qiáng)大的自適應(yīng)能力和泛化性能逐漸受到關(guān)注[3]。

第三，智能診斷與預(yù)警。除了常規(guī)故障診斷外，本文還嘗試將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)電系統(tǒng)的健康評估和安全預(yù)警領(lǐng)域。具體而言，通過收集機(jī)電系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，如設(shè)備負(fù)載率、能源消耗量、環(huán)境溫濕度等，建立相應(yīng)的評價(jià)體系，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建BI 模型。該模型不僅可以對設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行綜合評估，還能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在風(fēng)險(xiǎn)并給出預(yù)警提示。

2.3 云計(jì)算技術(shù)

近年來，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，智慧化公路建設(shè)已成為當(dāng)前公路交通領(lǐng)域轉(zhuǎn)型升級(jí)的必然趨勢。在高速公路機(jī)電設(shè)備運(yùn)行過程中，需要對大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方式主要采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，但是這種方法存在著諸多問題：

首先，隨著機(jī)電設(shè)備數(shù)量不斷增加，其對應(yīng)的數(shù)據(jù)量也會(huì)隨之增大。

其次，由于不同類型的機(jī)電設(shè)備所需處理的數(shù)據(jù)格式及標(biāo)準(zhǔn)并不相同，因此需要針對每種類型的設(shè)備開發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫表格并維護(hù)管理，這樣不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力而且容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。

最后，當(dāng)機(jī)電設(shè)備發(fā)生故障或升級(jí)改造后，原有的數(shù)據(jù)庫無法滿足新需求，需要重新設(shè)計(jì)并建立全新的數(shù)據(jù)庫。為了解決上述問題，本文提出一種基于云計(jì)算平臺(tái)的機(jī)電系統(tǒng)數(shù)字監(jiān)測與運(yùn)維方案。該方案通過構(gòu)建一個(gè)虛擬化的云計(jì)算環(huán)境，將分布在各處的物理服務(wù)器資源整合起來協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)對海量數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)、快速檢索以及安全可靠的數(shù)據(jù)分析等功能。具體而言，即利用開源云計(jì)算框架Apache Hadoop 來搭建一個(gè)分布式的云計(jì)算集群，其中包括多臺(tái)物理服務(wù)器和若干個(gè)虛擬機(jī)節(jié)點(diǎn)。這些服務(wù)器之間通過網(wǎng)絡(luò)連接形成一張龐大的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，從而使用戶能夠隨時(shí)隨地訪問和使用云端服務(wù)。同時(shí)，還可以借助MySQL 作為主要的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，以便對采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、查詢和統(tǒng)計(jì)分析。此外，為了確保機(jī)電系統(tǒng)數(shù)字監(jiān)測與運(yùn)維方案的穩(wěn)定性和可靠性，還引入多種安全機(jī)制和備份策略。例如，可以通過部署IPS 入侵防御系統(tǒng)和堡壘機(jī)等硬件設(shè)施，加強(qiáng)對整個(gè)系統(tǒng)的安全防護(hù)；同時(shí)，還可以采用定期自動(dòng)同步和異步復(fù)制兩種方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，以防止因意外事件導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或者損壞。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)應(yīng)用的高速公路機(jī)電系統(tǒng)數(shù)字監(jiān)測與運(yùn)維體系構(gòu)建

3.1 體系框架

為了實(shí)現(xiàn)對高速公路機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)、全面的監(jiān)控，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患，本文提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析方法的高速公路機(jī)電系統(tǒng)數(shù)字監(jiān)測與運(yùn)維體系。該體系包括：

第一，感知層。通過傳感器等裝置采集機(jī)電設(shè)備運(yùn)行相關(guān)參數(shù)信息，如溫度、濕度、電流、電壓等，將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或其他形式的信號(hào)輸入網(wǎng)絡(luò)傳輸層。

第二，網(wǎng)絡(luò)傳輸層。主要負(fù)責(zé)將感知層獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，提取有用信息并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。同時(shí)，也可將感知層發(fā)送來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給應(yīng)用展示層進(jìn)行進(jìn)一步處理。

第三，數(shù)據(jù)處理層。其是整個(gè)數(shù)字監(jiān)測與運(yùn)維體系的核心部分之一，它能夠?qū)Ω兄獙雍途W(wǎng)絡(luò)傳輸層上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、分類、統(tǒng)計(jì)、預(yù)測等操作，從而提供可靠的決策依據(jù)[4]。

第四，應(yīng)用展示層。面向用戶，提供各種功能模塊，如報(bào)警管理、維修管理、工單管理等，以滿足不同用戶的需求。同時(shí)，還可以通過手機(jī)APP 或者網(wǎng)頁端向用戶實(shí)時(shí)呈現(xiàn)機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行情況及預(yù)警信息等。總之，本文所設(shè)計(jì)的高速公路機(jī)電系統(tǒng)數(shù)字監(jiān)測與運(yùn)維體系具有較強(qiáng)的實(shí)用性和可行性，不僅提高機(jī)電設(shè)備的維護(hù)效率和準(zhǔn)確率，降低運(yùn)營成本，而且有助于提升高速公路整體服務(wù)水平，保障行車安全暢通。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在高速公路機(jī)電系統(tǒng)中，通過對各子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化改造，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)感知、故障自動(dòng)診斷及預(yù)測性維護(hù)等功能。為滿足不斷增長的業(yè)務(wù)需求以及信息化技術(shù)發(fā)展趨勢，本文提出一種基于云計(jì)算平臺(tái)的高速公路機(jī)電系統(tǒng)數(shù)字監(jiān)測與運(yùn)維體系結(jié)構(gòu)。該體系結(jié)構(gòu)主要由三個(gè)層次構(gòu)成：物理層、網(wǎng)絡(luò)層和平臺(tái)層。其中，物理層是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)支撐部分；網(wǎng)絡(luò)層提供高速可靠的通信支持；平臺(tái)層則集成各種先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析工具和算法模型，可為用戶提供高效便捷的服務(wù)。

第一，物理層。物理層包括傳感器、智能終端、視頻監(jiān)控設(shè)備、車輛識(shí)別裝置等多種類型的硬件設(shè)施，這些設(shè)備采集高速公路機(jī)電系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息并上傳至網(wǎng)絡(luò)層。同時(shí)，它們將自身產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡脚_(tái)層進(jìn)行存儲(chǔ)和處理分析。

第二，網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層作為整個(gè)系統(tǒng)的核心組成部分之一，其作用在于構(gòu)建一個(gè)高速穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，以便各類數(shù)據(jù)能夠及時(shí)地傳遞和共享。具體而言，網(wǎng)絡(luò)層采用分布式架構(gòu)，可以有效降低單點(diǎn)故障風(fēng)險(xiǎn)，提高系統(tǒng)整體性能。

第三，平臺(tái)層。平臺(tái)層是整個(gè)系統(tǒng)的最高端部分，也是最具創(chuàng)新性的一部分。它不僅集成了各種先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析工具和算法模型，還具有高度的可視化展示能力，方便用戶直觀地查看系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)的變化情況。同時(shí)，平臺(tái)層還是一個(gè)開放式的生態(tài)圈，可以與其他行業(yè)領(lǐng)域相結(jié)合，共同打造更加完善的智慧交通解決方案。

3.3 結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的高速公路機(jī)電系統(tǒng)數(shù)字監(jiān)測與運(yùn)維體系結(jié)構(gòu)主要包括感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)處理層以及應(yīng)用層四個(gè)層次。其中，感知層通過各種傳感器設(shè)備采集高速公路各類機(jī)電設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)信息；網(wǎng)絡(luò)傳輸層采用無線或有線通信方式將感知層獲取到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)處理層進(jìn)行處理和存儲(chǔ)；數(shù)據(jù)處理層對感知層上傳的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和分析，提取有用信息并生成相應(yīng)報(bào)表和預(yù)測模型；應(yīng)用層則提供用戶友好界面，為管理者提供決策支持服務(wù)。具體而言，感知層是整個(gè)系統(tǒng)的輸入端，其核心在于各種類型的傳感器設(shè)備。這些設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)采集高速公路各路段機(jī)電設(shè)施的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，如溫度、濕度、電流等，并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出給網(wǎng)絡(luò)傳輸層。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)傳輸層作為整個(gè)系統(tǒng)的中間件，起著承上啟下的作用。它一方面接收來自感知層的原始數(shù)據(jù)，另一方面又將其轉(zhuǎn)發(fā)至上一層進(jìn)行進(jìn)一步處理和存儲(chǔ)。目前常用的網(wǎng)絡(luò)傳輸層協(xié)議有Zig-Bee、Wi-Fi、LoRa 等，不同協(xié)議具有不同的特點(diǎn)和適用場景。數(shù)據(jù)處理層是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，其功能涵蓋數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)建模、趨勢預(yù)測等多個(gè)方面。具體而言，數(shù)據(jù)處理層首先需要對感知層上傳的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和平滑處理，然后再利用聚類、關(guān)聯(lián)規(guī)則等挖掘算法從中發(fā)現(xiàn)有用信息。接著，數(shù)據(jù)處理層可結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前環(huán)境因素，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)等手段建立預(yù)測模型，用于未來一段時(shí)間內(nèi)機(jī)電設(shè)施的故障診斷和事故預(yù)警。最后，數(shù)據(jù)處理層可將結(jié)果以可視化圖表或者報(bào)警郵件等形式呈現(xiàn)給用戶，方便用戶及時(shí)采取措施應(yīng)對突發(fā)事件。

4 結(jié)語

綜上所述，本文通過對高速公路機(jī)電設(shè)備進(jìn)行研究，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的高速公路機(jī)電系統(tǒng)數(shù)字監(jiān)測方法。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并及時(shí)預(yù)警，提高機(jī)電設(shè)備維護(hù)效率，降低了維護(hù)成本，同時(shí)在實(shí)際工程中驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性?？傊?，本文所采用的物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)處理技術(shù)為機(jī)電設(shè)備管理提供新思路和新途徑。未來可進(jìn)一步探索將這些新興技術(shù)應(yīng)用到其他領(lǐng)域的機(jī)電設(shè)備管理中，以提升整個(gè)交通行業(yè)的運(yùn)營水平和服務(wù)質(zhì)量。