高速公路智能運(yùn)維監(jiān)測管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝昊良

（山西省智慧交通研究院有限公司，山西太原 030032）

1 概述

近幾年，隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、邊緣計(jì)算等技術(shù)迅猛發(fā)展，高速公路建設(shè)正朝著智慧化和數(shù)字化方向發(fā)展。高速公路機(jī)電設(shè)備作為實(shí)現(xiàn)智慧高速的硬件基礎(chǔ)，亟需提高機(jī)電設(shè)備運(yùn)維監(jiān)測能力，如需要在傳統(tǒng)機(jī)電設(shè)備要求的基礎(chǔ)上，通過各種裝置與技術(shù)對設(shè)備運(yùn)行中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳回進(jìn)行管理、分析與監(jiān)測，以此來實(shí)現(xiàn)設(shè)備在運(yùn)行過程中的智能化運(yùn)維檢測和運(yùn)營管理。

隨著高速公路路網(wǎng)的不斷延伸，與之配套的機(jī)電設(shè)備也存在著數(shù)量多、分布廣的特點(diǎn)，且大部分的機(jī)電設(shè)備距離城市較遠(yuǎn)，現(xiàn)有的機(jī)電設(shè)備運(yùn)維仍然采用傳統(tǒng)的管理方式，如人工巡檢、手工記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)。人工巡檢存在諸多弊端，如無法巡視到位，往往只能查看設(shè)備外部，無法查看設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)變化；運(yùn)維巡檢周期長，無法做到24 h 巡檢[1]，巡檢過程無法監(jiān)管，缺乏對設(shè)備的長期監(jiān)測統(tǒng)計(jì)與分析；高速公路機(jī)電設(shè)施點(diǎn)多面廣，運(yùn)維人員工作強(qiáng)度大，效率低，成本高；故障不易定位，運(yùn)維難度大，短時(shí)間內(nèi)無法恢復(fù)正常，容易造成故障處理延誤，引發(fā)生命財(cái)產(chǎn)損失。

為了解決傳統(tǒng)高速公路機(jī)電設(shè)備存在的故障無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)、故障原因不明、運(yùn)維成本高、設(shè)備在線率難以達(dá)標(biāo)等問題，同時(shí)響應(yīng)國家“交通強(qiáng)國”的戰(zhàn)略要求，本文提出了一種高速公路智能運(yùn)維監(jiān)測管理系統(tǒng)技術(shù)方案，通過融合多源感知、物聯(lián)網(wǎng)、云邊協(xié)同等技術(shù)，對傳統(tǒng)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化改造，實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備的供電、網(wǎng)絡(luò)、硬件、環(huán)境等的實(shí)時(shí)監(jiān)測、故障預(yù)警、故障定位、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患，提高運(yùn)維效率，降低運(yùn)維成本。

2 智能運(yùn)維檢測管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文提出的高速公路智能運(yùn)維監(jiān)測管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1。

圖1 智能運(yùn)維監(jiān)測管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能運(yùn)維監(jiān)測管理系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)采集模塊和運(yùn)維管理平臺兩個(gè)部分組成。數(shù)據(jù)采集模塊主要通過對高速公路外場設(shè)備配電箱內(nèi)增加多源傳感硬件，實(shí)現(xiàn)設(shè)備監(jiān)測、智能配電、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、動環(huán)監(jiān)測等運(yùn)維監(jiān)測功能。運(yùn)維管理平臺主要實(shí)現(xiàn)外場設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、故障定位、故障預(yù)警、統(tǒng)計(jì)分析等功能，通過將數(shù)據(jù)采集模塊中采集到的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，一旦配電箱內(nèi)發(fā)生故障，運(yùn)維管理平臺能夠及時(shí)將故障類型、故障位置等信息進(jìn)行告警，便于運(yùn)維管理人員進(jìn)行故障定位與處理。同時(shí)平臺可遠(yuǎn)程對外場設(shè)備配電接口進(jìn)行上下電、分合閘等遠(yuǎn)程控制等功能，極大提高了運(yùn)維效率，減少運(yùn)維成本，使運(yùn)維更加智能。

2.2 系統(tǒng)技術(shù)方案

2.2.1 硬件層

在原有外場設(shè)備配電箱的基礎(chǔ)上，通過引入配電監(jiān)控與管理、網(wǎng)絡(luò)接入與監(jiān)控、機(jī)箱環(huán)境監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制等硬件和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)供電監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測、動環(huán)檢測、遠(yuǎn)程控制、故障定位等功能，如圖2所示。

圖2 智能運(yùn)維監(jiān)測管理系統(tǒng)硬件層設(shè)計(jì)

2.2.1.1 供電監(jiān)控

供電監(jiān)控模塊包括了4 個(gè)功能：防雷保護(hù)、自動重合閘、市電監(jiān)測、斷電續(xù)航。

a）防雷保護(hù)功能 可對防雷器的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，可上傳配電箱遭受雷擊次數(shù)；當(dāng)防雷器失效時(shí)，會將告警信息上報(bào)。

b）自動重合閘功能 可對當(dāng)前配電箱內(nèi)各配電接口的電流與電壓進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)發(fā)生過壓、欠壓、過流、漏電等情況時(shí)，可自動關(guān)閉電閘保護(hù)設(shè)備；同時(shí)通過遠(yuǎn)程通訊功能可對電閘進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，方便管理人員進(jìn)行控制維護(hù)[2]。

c）市電監(jiān)測功能 監(jiān)測參數(shù)包括市電進(jìn)線三相電源的相電壓、電流、頻率、功率因數(shù)、有功功率、無功功率等，對于重要的參數(shù)，可作曲線記錄。通過分析有關(guān)參數(shù)的歷史曲線，管理員能清楚地知道供電電源的質(zhì)量是否可靠完好[3]。

d）斷電續(xù)航功能 在配電箱中設(shè)置電容，可在配電箱斷電時(shí)提供額外電力，斷電續(xù)航時(shí)長超過60 s，可供配電箱將斷電告警信息上報(bào)。

2.2.1.2 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測

網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測模塊主要通過網(wǎng)絡(luò)通信功能，實(shí)現(xiàn)對各硬件單元在網(wǎng)情況進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控。配有完全物理隔離的雙網(wǎng)口板卡，網(wǎng)口1 通過監(jiān)控網(wǎng)將采集到的數(shù)據(jù)上傳中心；網(wǎng)口2 通過交換機(jī)連接配電箱內(nèi)網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備，如攝像機(jī)、雷達(dá)等。數(shù)據(jù)采集模塊對網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備通過協(xié)議或PING 的方式查看設(shè)備工作狀態(tài)，可通過IP信息實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的在線狀態(tài)監(jiān)測，并在設(shè)備離線時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)告警；在運(yùn)維管理平臺處可通過各配電箱內(nèi)數(shù)據(jù)采集模塊上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合統(tǒng)計(jì)，并自動分析判斷網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，方便管理人員進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控。

2.2.1.3 動環(huán)監(jiān)測

動環(huán)監(jiān)測主要是針對配電箱內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。

a）溫濕度傳感器 實(shí)現(xiàn)對配電箱內(nèi)溫度與濕度采集。

b）水位監(jiān)測傳感器 實(shí)現(xiàn)配電箱內(nèi)漏水檢測及告警功能。

c）煙霧傳感器 實(shí)現(xiàn)煙霧的探測及告警功能。

d）開關(guān)門監(jiān)測 實(shí)現(xiàn)對箱門的開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測，并可在箱門打開時(shí)遠(yuǎn)程告警。

2.2.1.4 遠(yuǎn)程控制

遠(yuǎn)程控制可對各配電線路進(jìn)行遠(yuǎn)程的控制及負(fù)載監(jiān)測，并可在斷電后通過光端機(jī)遠(yuǎn)程控制重啟。

2.2.1.5 故障定位

故障定位可分別對市電故障、設(shè)備故障、電源故障、通訊線纜故障進(jìn)行定位[4]。

a）市電故障定位 對輸入市電和工作市電異常情況進(jìn)行定位并在線回傳告警數(shù)據(jù)。

b）設(shè)備故障定位 實(shí)現(xiàn)對攝像機(jī)、交流電源、直流電源、通信設(shè)備、箱內(nèi)環(huán)境的故障定位并在線回傳故障數(shù)據(jù)。

c）電源故障定位 可對交、直流電源故障定位并回傳故障數(shù)據(jù)，以區(qū)分設(shè)備故障。

d）通訊線纜故障定位 可定位具體某個(gè)設(shè)備的通訊故障并回傳數(shù)據(jù)。

2.2.2 服務(wù)層

服務(wù)層支持B∕S（瀏覽器∕服務(wù)器）模式，將各種不同功能監(jiān)控子系統(tǒng)（動力、環(huán)境、安防、重要設(shè)備）無縫融合到一個(gè)統(tǒng)一運(yùn)維管理平臺下，直接登錄瀏覽器即可操控，方便用戶使用和管理，顯著提高運(yùn)維管理效率。服務(wù)層涵蓋基礎(chǔ)服務(wù)、采集服務(wù)、告警服務(wù)、健康管理服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲服務(wù)和系統(tǒng)服務(wù)，其中基礎(chǔ)服務(wù)是各服務(wù)依賴的基礎(chǔ)包，如圖3所示。

圖3 智能運(yùn)維監(jiān)測管理系統(tǒng)服務(wù)層設(shè)計(jì)

2.2.2.1 采集服務(wù)

采集服務(wù)包含數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩部分，數(shù)據(jù)采集設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)與告警數(shù)據(jù)，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行去重、加工等處理操作，并將告警和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交由告警服務(wù)和數(shù)據(jù)存儲服務(wù)處理。

2.2.2.2 告警服務(wù)

告警服務(wù)主要用于監(jiān)測外場設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)是否正確，并向用戶提示告警信息，既要求告警的實(shí)時(shí)性，又要保證告警的準(zhǔn)確性。告警服務(wù)提供自定義的統(tǒng)一事件庫，每個(gè)告警事件又可設(shè)定多個(gè)告警組，每個(gè)告警組都可設(shè)定一種告警方式及一組管理人員，當(dāng)有事件發(fā)生時(shí)，運(yùn)維管理平臺根據(jù)用戶設(shè)定的告警流程，把告警信息及時(shí)反饋給監(jiān)控人員。告警事件包括告警方式設(shè)定、事件等級分類、告警事件分組、事件目錄定義、事件確認(rèn)處理及事件日志管理等。

2.2.2.3 健康管理服務(wù)

健康管理服務(wù)主要用于對數(shù)據(jù)采集模塊和運(yùn)維管理平臺等相關(guān)服務(wù)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)是否健康的自我監(jiān)控，如監(jiān)測數(shù)據(jù)采集模塊當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)、各監(jiān)測模塊、傳感器、通信網(wǎng)絡(luò)工作是否正常等。當(dāng)外場機(jī)電設(shè)備與數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)生通訊中斷時(shí)，系統(tǒng)將自動通過聲光告警方式通知在場的值班人員，并且可以通過電話通知或者手機(jī)短信通知系統(tǒng)管理員[5]。

2.2.2.4 數(shù)據(jù)存儲服務(wù)

數(shù)據(jù)存儲服務(wù)包括日終報(bào)表任務(wù)、月終報(bào)表任務(wù)、告警存儲服務(wù)。

a）日終報(bào)表任務(wù) 對硬件設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并生成相關(guān)日報(bào)表。

b）月終報(bào)表任務(wù) 對硬件設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并生成相關(guān)月報(bào)表。

c）告警存儲服務(wù) 將告警相關(guān)數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫。

2.2.2.5 系統(tǒng)服務(wù)

系統(tǒng)服務(wù)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理維護(hù)，包括：人員管理、區(qū)域管理、點(diǎn)位管理、組態(tài)、系統(tǒng)配置、自檢管理和服務(wù)管理等。

2.2.2.6 日志管理

日志管理用于追蹤用戶操作記錄和系統(tǒng)運(yùn)行情況，使系統(tǒng)有跡可循，包括：操作記錄、控制記錄和運(yùn)行日志等。

2.2.3 展示層

展示層主要通過合理的布局、功能劃分和較高的識別度方便使用人員快速使用系統(tǒng)和可視化展示，提供統(tǒng)一的大屏、設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、報(bào)表、圖表、告警通知和手機(jī)App 等功能交互，如圖4所示。

圖4 智能運(yùn)維監(jiān)測管理系統(tǒng)展示層設(shè)計(jì)

大屏頁能夠在首頁對設(shè)備總體狀態(tài)及箱體在線情況以場景圖方式展示，并對故障實(shí)現(xiàn)快速告警，同時(shí)對故障信息分類統(tǒng)計(jì)，支持按點(diǎn)位、告警級別、告警事件等不同維度以圖表方式展示統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

用戶端支持電話、短信、屏幕彈窗、App 推送等多種告警方式，及時(shí)告知運(yùn)維人員獲取故障信息，并可以根據(jù)故障類型定位，精準(zhǔn)運(yùn)維，提高運(yùn)維效率。同時(shí)可在故障發(fā)生的時(shí)候，對攝像機(jī)、光端機(jī)等外場設(shè)備進(jìn)行初步的排障操作，通過遠(yuǎn)程重啟，修復(fù)大多數(shù)故障問題。

3 工程應(yīng)用案例

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)已在黎霍高速公路機(jī)電工程項(xiàng)目中應(yīng)用，通過對該項(xiàng)目外場的各類配電箱（圖5）和控制箱引入運(yùn)維技術(shù)和硬件，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、智能配電、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、動環(huán)監(jiān)測等功能，并通過網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)上傳到機(jī)電設(shè)備運(yùn)行智能監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對攝像機(jī)、雷達(dá)、情報(bào)板等外場機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測，能夠解決傳統(tǒng)配電箱運(yùn)維響應(yīng)不及時(shí)的問題，便于運(yùn)維人員及時(shí)處理故障，有效地保證了外場機(jī)電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖5 智能運(yùn)維監(jiān)測管理系統(tǒng)配電箱展示

4 結(jié)語

隨著高速公路智能化速度不斷加快，機(jī)電設(shè)備智慧運(yùn)維需求日趨旺盛，本文依托大數(shù)據(jù)、人工智能、邊緣計(jì)算等技術(shù)，提出了基于云邊協(xié)同的高速公路智能運(yùn)維監(jiān)測管理系統(tǒng)技術(shù)方案，通過對外場機(jī)電設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化改造，實(shí)現(xiàn)對機(jī)電設(shè)備的供電、網(wǎng)絡(luò)、硬件、環(huán)境等的實(shí)時(shí)監(jiān)測、故障預(yù)警、故障定位、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，并且構(gòu)建了基于B∕S 機(jī)電設(shè)備運(yùn)行智能監(jiān)測系統(tǒng)軟件，提高了運(yùn)維人員工作效率、降低了運(yùn)維成本。