高速公路機(jī)電設(shè)備智慧運(yùn)維探索與實(shí)踐

楊輝

摘要：文章結(jié)合實(shí)踐，闡述了應(yīng)用自動監(jiān)測技術(shù)、Lora技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)、時序數(shù)據(jù)庫技術(shù)，開發(fā)高速公路機(jī)電設(shè)備智慧運(yùn)維系統(tǒng)所進(jìn)行的探索與實(shí)踐，并介紹了應(yīng)用系統(tǒng)后為運(yùn)營單位帶來的效果，可為高速公路運(yùn)營單位設(shè)備管理工作以及專業(yè)化的維護(hù)單位運(yùn)維工作提供參考。

關(guān)鍵詞：高速公路機(jī)電養(yǎng)護(hù);信息管理系統(tǒng);地理信息系統(tǒng);自動監(jiān)測;專家系統(tǒng)

Combining the practice，this article describes the exploration and practice on the development of expressway electromechanical equipment intelligent operation and maintenance system by using the automatic monitoring technology，Lora technology，expert system technology，and time series database technology，and introduces the effect brought to the operation units by the application of this system，which can provide reference for the equipment management work of expressway operating unit and for the operation and maintenance work of specialized maintenance unit.

Expressway electromechanical maintenance;Information management system;Geographic information system;Automatic monitoring;Expert system

0 引言

高速公路上使用的機(jī)電設(shè)備種類和數(shù)量眾多，位置分散，安裝位置檢修困難，機(jī)電設(shè)備的養(yǎng)護(hù)一直是維護(hù)人員的難題。傳統(tǒng)的機(jī)電運(yùn)維系統(tǒng)只具備信息管理功能，數(shù)據(jù)依靠人工錄入，必須同時配備完善的管理制度和具有強(qiáng)有力的執(zhí)行才能發(fā)揮作用，在實(shí)踐中效果不佳，效率提升不明顯。新時代的高速公路機(jī)電設(shè)備智慧運(yùn)維系統(tǒng)，必須轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的救火式運(yùn)維思維，用預(yù)防性維護(hù)方式，變被動維修為主動維護(hù)，提高機(jī)電設(shè)備的可用率，才能以最低成本發(fā)揮機(jī)電設(shè)備的最大效能。

新時代的高速公路機(jī)電設(shè)備智慧運(yùn)維系統(tǒng)，應(yīng)能通過實(shí)時監(jiān)測機(jī)電設(shè)備的狀態(tài)信息，將設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)直觀展示在GIS地圖上，采用“事件驅(qū)動”的機(jī)制，驅(qū)使維護(hù)人員提高響應(yīng)速度與維修速度，減少設(shè)備故障時間。在維修過程中，系統(tǒng)應(yīng)能通過專家系統(tǒng)對設(shè)備故障進(jìn)行診斷，并進(jìn)行智能派單，才能有效縮短機(jī)電設(shè)備的故障發(fā)現(xiàn)及修復(fù)時間，提高養(yǎng)護(hù)效率。系統(tǒng)還要對設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，預(yù)警設(shè)備可能發(fā)生的故障，提前養(yǎng)護(hù)，減少故障損失。并能通過分析與對比設(shè)備的養(yǎng)護(hù)成本和養(yǎng)護(hù)效率，綜合評價維護(hù)隊(duì)伍和設(shè)備供應(yīng)商的質(zhì)量，為機(jī)電系統(tǒng)建設(shè)提供決策依據(jù)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)功能

為實(shí)現(xiàn)主動運(yùn)維的目標(biāo)，高速公路機(jī)電運(yùn)維系統(tǒng)除了具備常規(guī)的信息管理、倉庫管理和工單流轉(zhuǎn)功能外，還應(yīng)具備以下功能：

（1）集計算資源、存儲資源、人力資源、機(jī)電設(shè)備資源、專家分析系統(tǒng)于一體，既具有機(jī)電設(shè)備的靜態(tài)信息（設(shè)備的類型、品牌、型號、數(shù)量、金額、采購時間等），又具有機(jī)電設(shè)備的動態(tài)信息（設(shè)備的安裝位置、維護(hù)時間、內(nèi)容、維護(hù)人員、巡檢、維護(hù)記錄、維護(hù)檔案及連接端口、拓?fù)鋱D等）。

（2）實(shí)時采集機(jī)電設(shè)備的狀態(tài)信息（如設(shè)備的工作電壓、電流、環(huán)境溫度、濕度、接口狀態(tài)、通信鏈路狀態(tài)等），結(jié)合設(shè)備的地理位置信息，直觀地將設(shè)備狀態(tài)、維護(hù)工單狀態(tài)顯示在GIS地圖上，并可通過互聯(lián)網(wǎng)、移動端隨時隨地查看。

（3）根據(jù)故障現(xiàn)象分析故障原因，提供檢修處置方法，并對采集回的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析、挖掘，對整體和局部的設(shè)備運(yùn)行情況作出研判和預(yù)警。

（4）支持靈活自定義報表，能快速提供決策所需的數(shù)據(jù)。

1.2 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，用戶交互頁面使用HTML5開發(fā)，無論在電腦上還是手機(jī)終端上訪問，看到的頁面內(nèi)容都相同，操作方式也一樣。系統(tǒng)由前端采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)匯總系統(tǒng)、運(yùn)維應(yīng)用系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)四部分組成，邏輯關(guān)系如圖1所示。

前端采集系統(tǒng)部署在各收費(fèi)站/隧道管理站，負(fù)責(zé)定期檢測機(jī)電設(shè)備的工作狀態(tài)，將獲取的狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送回數(shù)據(jù)匯總模塊。

數(shù)據(jù)匯總系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收各站點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，再入庫。數(shù)據(jù)匯總系統(tǒng)部署在中心機(jī)房，當(dāng)采集點(diǎn)數(shù)量多的時候也可以分級部署。采集數(shù)據(jù)先按路段匯總到路段中心，再匯總到中心機(jī)房，最后入庫，以減少中心節(jié)點(diǎn)的壓力，避免在采集時瞬間涌入大量的數(shù)據(jù)流量和數(shù)據(jù)處理量，造成資源瓶頸。

運(yùn)維應(yīng)用系統(tǒng)部署在中心機(jī)房，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)分析，響應(yīng)用戶的服務(wù)請求，流轉(zhuǎn)工單等。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)部署在中心機(jī)房，用來保存應(yīng)用數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)。

1.3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為表現(xiàn)層（面向客戶）、應(yīng)用層、接口層和數(shù)據(jù)層，如圖2所示。

表現(xiàn)層直接面向用戶，向用戶展示設(shè)備狀態(tài)、位置等信息，接收用戶請求，向應(yīng)用層請求服務(wù)。

接口層定時從機(jī)電設(shè)備采集信息，通過消息隊(duì)列推送到應(yīng)用層。

應(yīng)用層響應(yīng)用戶各種請求，執(zhí)行相應(yīng)操作返回結(jié)果;接收接口層上報的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后保存到數(shù)據(jù)倉庫中;定期對狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將分析結(jié)果推送到用戶前臺。

數(shù)據(jù)層分為時序數(shù)據(jù)庫和常規(guī)數(shù)據(jù)庫，分別保存設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)和其他應(yīng)用數(shù)據(jù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 機(jī)電設(shè)備自動監(jiān)測技術(shù)

高速公路使用的機(jī)電設(shè)備種類繁多，同種設(shè)備也有多個廠商的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備的集中監(jiān)控一直是機(jī)電維護(hù)的一大難題。這些機(jī)電設(shè)備一部分已經(jīng)通過有線光電纜網(wǎng)絡(luò)與高速公路專有有線網(wǎng)絡(luò)連接（這部分設(shè)備簡稱直接聯(lián)網(wǎng)設(shè)備）;一部分通過RS232、RS485等接口與聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接，通過聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以獲取到設(shè)備狀態(tài)信息（這部分設(shè)備簡稱間接聯(lián)網(wǎng)設(shè)備）;一部分沒有與專用網(wǎng)絡(luò)連接，或者無法通過聯(lián)網(wǎng)設(shè)備獲取設(shè)備狀態(tài)（這部分設(shè)備簡稱未聯(lián)網(wǎng)設(shè)備）。

聯(lián)網(wǎng)設(shè)備又可以進(jìn)一步分為支持標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議類、私有協(xié)議類和日志類。標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議類可用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議訪問設(shè)備，如大多數(shù)交換機(jī)和服務(wù)器都支持SNMP，數(shù)據(jù)庫支持SQL，部分設(shè)備可以通過廠商的網(wǎng)管進(jìn)行監(jiān)控等，可按照廠商提供的MIB庫文件或數(shù)據(jù)字典或設(shè)備日志文件查詢設(shè)備狀態(tài)。私有協(xié)議類需按照廠商提供的接口文檔開發(fā)接口。日志類可通過HTTP、Telnet/SSH等方式訪問設(shè)備后發(fā)送指令，接收設(shè)備的輸出;或設(shè)備本身自有syslog輸出，分析輸出日志，獲取設(shè)備狀態(tài)。

間接聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（如連接車道工控機(jī)的欄桿機(jī)、稱重稱、連接PLC的風(fēng)機(jī)、光強(qiáng)檢測、CO/VI等）可以通過訪問直接聯(lián)網(wǎng)設(shè)備端口、內(nèi)存，或分析日志等方法，獲取設(shè)備狀態(tài)。對于未聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，需要在設(shè)備前端配置一個采集終端，通過無線的方式將數(shù)據(jù)回傳采集應(yīng)用。

2.2 Lora技術(shù)

Lora（Long Range Radio遠(yuǎn)距離無線電）技術(shù)是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的遠(yuǎn)距離無線傳輸技術(shù)，具有低帶寬、遠(yuǎn)距離、低功耗、安全性高等特點(diǎn)。Lora終端會根據(jù)接收信號的信噪比強(qiáng)弱，選擇擴(kuò)頻因子，以降低速率的代價實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。高速公路外場機(jī)電設(shè)備分布分散，但發(fā)送測量設(shè)備的物理參量所需的帶寬很少，特別適合使用Lora技術(shù)傳輸。使用傳感器測量設(shè)備物理參量（如電流、電壓、溫度、濕度等），把數(shù)據(jù)通過Lora終端發(fā)送到Lora網(wǎng)關(guān)，再通過網(wǎng)關(guān)連接的有線網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)發(fā)送回遠(yuǎn)端采集服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對未聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控。由于Lora終端功耗很低，只用電池供電也可以工作，當(dāng)設(shè)備停電也能正常工作一段時間，對監(jiān)控使用太陽能電池供電的外場設(shè)備有重要意義?，F(xiàn)場實(shí)際環(huán)境測試中，在1 kps的速率時，在空曠地帶傳輸距離達(dá)4 km，在隧道內(nèi)傳輸距離達(dá)1 km。終端整機(jī)工作耗能<500 mw，配置2 200 mah的18 650鋰電池不間斷使用8 h以上，基本能在大多數(shù)現(xiàn)場環(huán)境下使用。

2.3 專家系統(tǒng)技術(shù)

專家系統(tǒng)可以依據(jù)已有知識庫對故障進(jìn)行智能診斷，提示用戶處置方法，自動檢索出類似歷史情況信息，供維護(hù)人員參考。運(yùn)維人員處理完故障后，將故障現(xiàn)象、診斷方法、處置方法更新到系統(tǒng)中，形成新的知識條目。剛開始時運(yùn)維知識庫還不夠豐富，但隨著系統(tǒng)運(yùn)行時間越長，處理的故障越多，知識庫就會越豐富，最終形成運(yùn)維云數(shù)據(jù)。專家系統(tǒng)同時應(yīng)用了語義分析技術(shù)，對用戶輸入的故障關(guān)鍵字進(jìn)行模糊匹配，對相近故障也能檢索出原因，且能提供處置建議。

專家系統(tǒng)還能定時對設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動分析，研判設(shè)備可能發(fā)生的故障原因，提示用戶提前檢修，減少設(shè)備突然停機(jī)的損失。專家系統(tǒng)還能將自動分析的結(jié)果主動推送到用戶的手機(jī)上，提醒用戶注意。

2.4 時序數(shù)據(jù)庫技術(shù)

設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)都有很強(qiáng)的時間屬性，短時間持續(xù)高并發(fā)寫入，不會有更新操作，寫多讀少，用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫保存狀態(tài)數(shù)據(jù)，存儲成本高，維護(hù)成本高，查詢性能低，寫入吞吐量低。時序數(shù)據(jù)庫是專門針對儲存以時間維度索引的數(shù)據(jù)設(shè)計的數(shù)據(jù)庫，和傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫不同，時序數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)分片存儲（常用標(biāo)簽+時間分片），寫入速度快，多維度分組聚合查詢速度也很快，僅有一個時間索引，存儲成本低，結(jié)構(gòu)簡單，很容易增加節(jié)點(diǎn)，維護(hù)也很簡單?；跁r序數(shù)據(jù)庫的上述優(yōu)點(diǎn)，我們選用了Elasticsearch數(shù)據(jù)庫保存狀態(tài)數(shù)據(jù)，用Mysql數(shù)據(jù)庫保存其他應(yīng)用數(shù)據(jù)。在實(shí)際環(huán)境中，建立了3節(jié)點(diǎn)的Elasticsearch數(shù)據(jù)庫，18 s可以完成50萬多條狀態(tài)數(shù)據(jù)寫入（雙至強(qiáng)4 110，64 G內(nèi)存），從50多萬條數(shù)據(jù)中查詢某設(shè)備2 h內(nèi)的數(shù)據(jù)（15 min采集一次，共8條），在1 s內(nèi)返回，充分體現(xiàn)了時序數(shù)據(jù)庫高吞吐量的優(yōu)點(diǎn)。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

2018年，筆者所在單位負(fù)責(zé)廣西某高速公路路段缺陷責(zé)任期維護(hù)，經(jīng)過運(yùn)營單位的同意，筆者將智慧運(yùn)維系統(tǒng)應(yīng)用到了在該路段的維護(hù)中。系統(tǒng)經(jīng)過3個多月的試運(yùn)行，有效提高了運(yùn)維工作效率。在某次干線光纜線路故障維修中，系統(tǒng)及時監(jiān)測到線路故障并通知維護(hù)人員，維護(hù)人員通過查詢系統(tǒng)中的業(yè)務(wù)鏈信息，了解干線傳輸路由，再根據(jù)監(jiān)測到的其他設(shè)備信息，迅速定位斷點(diǎn)的大致范圍，隨后用OTDR測試，成功找到斷點(diǎn)，縮短了故障處置時間。另外在監(jiān)測過程中，發(fā)現(xiàn)某車牌識別儀的網(wǎng)絡(luò)存在時通時斷的問題，經(jīng)過現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)是設(shè)備自身原因，并通知廠商進(jìn)行修復(fù)，及時排除了故障隱患。

4 結(jié)語

本文針對傳統(tǒng)高速公路機(jī)電運(yùn)維手段效率低、自動化程度低、維護(hù)成本高等問題，闡述筆者在高速公路機(jī)電智慧運(yùn)維方面所進(jìn)行的探索與實(shí)踐。通過研究應(yīng)用自動監(jiān)測、Lora技術(shù)、專家系統(tǒng)、時序數(shù)據(jù)庫等關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)智慧運(yùn)維系統(tǒng)，并在實(shí)踐應(yīng)用中縮短故障處置時間，發(fā)現(xiàn)存在的隱患并及時修復(fù)，提高運(yùn)維效率，從而為高速公路機(jī)電設(shè)備的運(yùn)營安全提供有效保障。因此，本系統(tǒng)隨著高速公路機(jī)電設(shè)備的不斷增多，維護(hù)工作量的不斷增長，將具備越來越好的應(yīng)用前景。

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