基于云平臺的高速公路機(jī)電設(shè)備管理系統(tǒng)的應(yīng)用

朱永輝

江蘇蘇通大橋有限責(zé)任公司，江蘇南通 226000

本文結(jié)合江蘇省蘇通大橋機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備日常管理實際情況，深入分析大橋機(jī)電系統(tǒng)相關(guān)的各個子系統(tǒng)。大橋子系統(tǒng)主要包括6大系統(tǒng)，即監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、收費系統(tǒng)、低壓供配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、橋梁設(shè)施監(jiān)測機(jī)電工程系統(tǒng)。在蘇通大橋的建設(shè)和發(fā)展過程中，監(jiān)控、收費、通信3大系統(tǒng)是同步進(jìn)行，協(xié)調(diào)發(fā)展的，機(jī)電設(shè)備對3大系統(tǒng)起到支撐性作用，因此，機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備的健康運行關(guān)系到整座橋梁的安危。通過二維碼、RFID技術(shù)以及專用云平臺建立基于云的機(jī)電設(shè)備管理系統(tǒng)，有利于蘇通大橋機(jī)電管理的信息化、標(biāo)準(zhǔn)化、可視化管理，做到設(shè)備運維數(shù)據(jù)在云端進(jìn)行精確分析和處理，保證機(jī)電設(shè)備健康運行，同時有效降低機(jī)電維護(hù)人員的工作強(qiáng)度，促進(jìn)蘇通大橋機(jī)電系統(tǒng)的信息化建設(shè)。

1 現(xiàn)狀分析

蘇通大橋位于江蘇省東部的南通市和蘇州市之間，西距江陰大橋82km，東距長江入海口108km，是國家高速公路沈海高速的過江樞紐，也是江蘇省公路骨架重要的過江節(jié)點。建成時是我國建橋史上工程規(guī)模最大、綜合建設(shè)條件最復(fù)雜的特大型橋梁工程。大橋全長32.4km，其中跨江部分長8146m。工程于2003年6月27日開工，于2008年6月30日建成通車。蘇通大橋北岸連鹽通高速公路、寧通高速公路、通啟高速公路，南岸連蘇嘉杭高速公路、沿江高速公路。目前，蘇通大橋日均車流量在7萬以上，節(jié)假日高峰期更是能達(dá)到日均車流量13萬以上，長期高壓車流量減少了大橋機(jī)電設(shè)備的壽命，也加快了設(shè)備老化速度。同時，在高負(fù)荷的運轉(zhuǎn)壓力下，很多機(jī)電設(shè)備的健康狀況日益堪憂，給大橋的運行帶來了諸多安全隱患[2]。對各機(jī)電設(shè)備的運維狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行有機(jī)地采集，并將這些運維數(shù)據(jù)匯集整合到智能化云平臺，在云平臺上對數(shù)據(jù)進(jìn)行精確分析，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的閾值自動篩選出異常數(shù)據(jù)，再結(jié)合GIS地圖進(jìn)行精確定位，快速找到相應(yīng)機(jī)電設(shè)備的受損部位，為大橋的安全運行提高可靠支撐。

當(dāng)前蘇通大橋機(jī)電設(shè)備遇到的問題是：

（1）機(jī)電設(shè)備存在高強(qiáng)度、高負(fù)荷運轉(zhuǎn)，加快了設(shè)備的老化。

（2）各個子系統(tǒng)的機(jī)電設(shè)備之間相互獨立，沒有形成一個統(tǒng)一的設(shè)備管理平臺，增加了設(shè)備管理成本。

（3）無法做到對大橋機(jī)電設(shè)備的運行健康狀況進(jìn)行實時跟蹤監(jiān)測，導(dǎo)致有些故障無法定位溯源。

（4）目前大橋機(jī)電設(shè)備管理人員對主要設(shè)備的運行狀況主要靠人工檢測結(jié)合電腦輔助完成，費時費力，而且數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確。

為了提高蘇通大橋機(jī)電設(shè)備管理的信息化、智能化水平，結(jié)合大橋?qū)嶋H情況，研制開發(fā)了基于云平臺高速公路機(jī)電設(shè)備管理系統(tǒng)，并通過安裝在機(jī)電設(shè)備上的RFID電子標(biāo)簽和貼在設(shè)備上的二維碼來實現(xiàn)設(shè)備運維的全過程動態(tài)監(jiān)測，通過云平臺上的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對RFID或二維碼采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行精確分析，發(fā)現(xiàn)問題數(shù)據(jù)及時報警，并根據(jù)GIS地圖精確定位受損設(shè)備具體位置，指導(dǎo)專業(yè)人員及時修理，防止發(fā)生事故[3]。蘇通大橋外景如圖1所示。

圖1 蘇通大橋外景圖片

2 系統(tǒng)解決方案

基于云平臺的高速公路機(jī)電設(shè)備管理系統(tǒng)主要包括：云平臺系統(tǒng)、設(shè)備運維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、受損設(shè)備預(yù)警系統(tǒng)、GIS地圖定位查詢系統(tǒng)及動態(tài)展示系統(tǒng)。其中，云平臺系統(tǒng)為運維數(shù)據(jù)的主要承載子系統(tǒng)，運維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要通過安裝在機(jī)電設(shè)備上的RFID射頻標(biāo)簽卡或者人工輔助掃描機(jī)電設(shè)備二維碼來采集數(shù)據(jù)；采集到的運維數(shù)據(jù)通過傳輸通道匯集到云端平臺，數(shù)據(jù)存儲于云端數(shù)據(jù)庫。大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對云平臺上的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)測和分析，一旦發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)會將該數(shù)據(jù)對應(yīng)的機(jī)電設(shè)備相關(guān)參數(shù)發(fā)送給受損設(shè)備預(yù)警系統(tǒng)，如果該參數(shù)觸動到預(yù)警閾值時就會結(jié)合GIS地圖定位查詢系統(tǒng)，然后精確查找到受損設(shè)備具體位置，并將該設(shè)備名字及位置信息動態(tài)展示到電腦系統(tǒng)界面，同時也會給設(shè)備管理人員手機(jī)端APP發(fā)送受損設(shè)備的詳細(xì)信息[4]。基于云平臺的高速公路機(jī)電設(shè)備管理系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 基于云平臺的高速公路機(jī)電設(shè)備管理系統(tǒng)組圖

機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備管理云平臺采用如圖3所示的四層式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：

第一層：基礎(chǔ)層。主要由所有與大橋有關(guān)的機(jī)電設(shè)備通過RFID組成物物聯(lián)動即物聯(lián)網(wǎng)的方式組成一個整體，RFID也會通過無線網(wǎng)絡(luò)方式將主要機(jī)電設(shè)備運維參數(shù)不間斷傳輸至云平臺。

第二層：設(shè)備數(shù)據(jù)的虛擬化層。該層主要功能是對數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬化處理，涉及到服務(wù)器的虛擬化、對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲虛擬化處理、對舊有系統(tǒng)之間網(wǎng)絡(luò)通信的虛擬化處理以及集群云化處理等業(yè)務(wù)。

第三層：核心層。主要業(yè)務(wù)為大數(shù)據(jù)處理模塊，對采集經(jīng)過虛擬化上云的機(jī)電設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷并篩選出存在異常的數(shù)據(jù)，將異常數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行對比，如果超出閾值則觸動報警模塊，報警模塊采用與GIS地圖精確定位聯(lián)動機(jī)制，GIS地圖可以精確到具體設(shè)備所在的機(jī)房位置。受損設(shè)備運維參數(shù)在云平臺上存放在專用受損設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)庫中，每次觸動閾值報警時會記錄下詳細(xì)的日志，保證數(shù)據(jù)的可溯源性[5]。

第四層：應(yīng)用層。主要包括運維參數(shù)及健康指數(shù)展示平臺，該部分一般包括：管理人員手持移動終端、大廳大屏顯示終端、管理計算機(jī)Web瀏覽展示平臺。采用B/S架構(gòu)web瀏覽器的方式，可以降低設(shè)備的投入量，減少開支。

圖3 高速公路設(shè)備管理云平臺架構(gòu)

3 系統(tǒng)功能

采用基于云平臺的高速公路機(jī)電設(shè)備管理系統(tǒng)軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：

（1）實現(xiàn)機(jī)電運維數(shù)據(jù)的可視化管理，對大橋機(jī)電設(shè)備的運行狀況進(jìn)行全程動態(tài)監(jiān)測；

（2）實現(xiàn)受損機(jī)電設(shè)備的及時報警功能，保證受損設(shè)備的及時恢復(fù)；

（3）利用RFID技術(shù)和GIS地圖精確定位技術(shù)，實時對發(fā)生故障的機(jī)電設(shè)備及時準(zhǔn)確定位；

（4）實現(xiàn)了機(jī)電設(shè)備從開始投入使用到報廢期限時段內(nèi)的動態(tài)跟蹤；

（5）實現(xiàn)了受損設(shè)備詳細(xì)信息及時送到管理人員手機(jī)終端的功能；

（6）降低設(shè)備管理人員對機(jī)電設(shè)備的維護(hù)工作量。

4 方案實施

本系統(tǒng)方案的實施主要包括數(shù)據(jù)采集裝置安裝、系統(tǒng)軟件設(shè)計與開發(fā)、實驗驗證與總結(jié)、系統(tǒng)試運行及推廣等。方案實施流程如圖4示。

圖4 實施方案

4.1 主要數(shù)據(jù)采集裝置安裝

射頻識別（RFID）是一種無線通信技術(shù)，可以通過無線電訊號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或者光學(xué)接觸。本項目采用RFID射頻識別標(biāo)簽作為高速公路云平臺機(jī)電設(shè)備管理的設(shè)備運維數(shù)據(jù)采集裝置[6]。同時在每個設(shè)備上張貼一張二維碼，方便人工巡檢。

RFID射頻標(biāo)簽具備以下功能：

（1）快速掃描。RFID辨識器可同時辨識讀取數(shù)個RFID標(biāo)簽。

（2）體積小型化、形狀多樣化。

（3）抗污染能力和耐久性。

（4）可重復(fù)使用。

（5）穿透性和無屏障閱讀。

（6）數(shù)據(jù)的記憶容量大。

（7）安全性。由于RFID承載的是電子式信息，其數(shù)據(jù)內(nèi)容可經(jīng)由密碼保護(hù)，使其內(nèi)容不易被偽造及變造。

（8）RFID因其所具備的遠(yuǎn)距離讀取、高儲存量等特性。

4.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

軟件系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)是建立對基于云平臺的高速公路機(jī)電設(shè)備管理系統(tǒng)需求再分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，分別包含機(jī)電設(shè)備運維參數(shù)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)虛擬化處理、云平臺模塊、大數(shù)據(jù)分析、受損設(shè)備預(yù)警、GIS精確定位模塊、前端運維信息展示等系統(tǒng)模塊[7]。軟件系統(tǒng)均采用迭代式開發(fā)進(jìn)行軟件開發(fā)，不僅降低了開發(fā)風(fēng)險，而且能夠盡早地應(yīng)用于前期系統(tǒng)測試與集成，同時及時根據(jù)需求的變化進(jìn)行軟件變更，提高了代碼的復(fù)用性[8]。

4.3 實驗驗證與總結(jié)

系統(tǒng)實施應(yīng)用過程中應(yīng)保證設(shè)備的正確安裝及系統(tǒng)的正常運行，確定各個通信鏈路的互聯(lián)互通，保證數(shù)據(jù)的正常傳輸。因此，在基于云平臺的高速公路機(jī)電設(shè)備管理系統(tǒng)項目實施過程進(jìn)行的實驗主要對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、可靠性及系統(tǒng)的整體完整性進(jìn)行驗證。其中，數(shù)據(jù)采集頻率-網(wǎng)絡(luò)時延關(guān)系驗證結(jié)果如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集頻率-網(wǎng)絡(luò)時延關(guān)系圖

實驗通過采用專用網(wǎng)絡(luò)時延測試工具對數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行測試，從圖5可以看出，網(wǎng)絡(luò)時延隨著數(shù)據(jù)采集頻率的增大而增加，經(jīng)分析可知，單個節(jié)點的數(shù)據(jù)采集頻率增加時會造成數(shù)據(jù)量的增大，當(dāng)節(jié)點數(shù)目足夠大的時候，會造成網(wǎng)絡(luò)擁塞甚至癱瘓；若數(shù)據(jù)采集頻率過低，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)量過低，同時會對高速公路機(jī)電設(shè)備運維數(shù)據(jù)采集的實時性造成影響。結(jié)合實驗效果可知，當(dāng)數(shù)據(jù)采集頻率在0.1～0.5Hz時，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性處于較為理想的狀態(tài)，同時，各個子系統(tǒng)能夠較好地協(xié)同工作，使得系統(tǒng)的完整性得到保證[9]。

5 結(jié)語

針對現(xiàn)有江蘇省蘇通大橋機(jī)電設(shè)備日常運維中存在的人力巡檢工作強(qiáng)度大、對設(shè)備日益老化的監(jiān)測不及時、受損設(shè)備問題排查時間久、機(jī)電設(shè)備管理不夠精細(xì)等問題。首先，提出在采用RFID射頻標(biāo)簽和二維碼輔助采集機(jī)電設(shè)備運維參數(shù)，同時對采集的運維數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬化處理，通過集群式虛擬化方法將數(shù)據(jù)匯聚至云平臺，在云平臺上通過大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對運維數(shù)據(jù)進(jìn)行的分析再處理，計算并判斷出異常數(shù)據(jù)，然后根據(jù)預(yù)先設(shè)置的閾值范圍對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行自動評價，對超出范圍的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行報警提醒處理[10]；其次，再通過云平臺上的GIS精確定位技術(shù)，對異常數(shù)據(jù)對應(yīng)的機(jī)電設(shè)備進(jìn)行精確定位，然后將受損設(shè)備定位信息和具體參數(shù)發(fā)送給值班管理人員，最終實現(xiàn)蘇通大橋機(jī)電設(shè)備運維數(shù)據(jù)的全過程動態(tài)監(jiān)測。整個系統(tǒng)具有成本低廉、安全性高、穩(wěn)定性好的特點。同時提高了蘇通大橋機(jī)電系統(tǒng)的信息化程度，實現(xiàn)了大橋管理人員對機(jī)電設(shè)備的科學(xué)管理。