基于物聯(lián)網(wǎng)的高速公路遠(yuǎn)程終端收費實時監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)探討

■陳金維

（福建省高速公路莆田管理分公司， 莆田 351100）

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展， 社會車輛日益增多，傳統(tǒng)的高速公路收費系統(tǒng)管理模式已滯后于高速公路快速發(fā)展的步伐。 由于高速公路收費系統(tǒng)專業(yè)性強，技術(shù)含量高，配置不當(dāng)將造成高速公路收費系統(tǒng)故障頻發(fā)。 為了使收費系統(tǒng)能夠更好地運轉(zhuǎn)，有必要通過物聯(lián)網(wǎng)使管理模塊更便捷、更高速、更高效的處理問題，實現(xiàn)管理上臺階。

1 概況

福建莆田高速管理分公司管轄高速公路總里程216 km (其中G1517 莆炎段79 km，G1523 甬莞線51 km，S55 秀永支線86 km)，設(shè)置17 個收費站，為了降低日常收費系統(tǒng)管理及維護所需的人力和物力， 建設(shè)基于物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程終端收費實時監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)匯總及實時信息接收，通過信息接收的模式，技術(shù)人員可以快速接收到故障信息， 并通過軟件可以精準(zhǔn)判斷設(shè)備的故障點并及時維護。 以G1517 莆炎段埭頭所站維護點為例，埭頭所站距離維護站點相對較遠(yuǎn)，來回車程約1 h。 按現(xiàn)有的配置和管理做法：一是通過監(jiān)控中心報來的信息判斷； 二是通過收費站人員反饋數(shù)據(jù)。 由于采集的數(shù)據(jù)有限，難以準(zhǔn)確判斷故障點信息，為此經(jīng)常判斷錯誤而影響修復(fù)，車道正常使用被延誤，為此系統(tǒng)升級引進物聯(lián)網(wǎng)勢在必行。

2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)工作基本原理

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)包括車道基礎(chǔ)設(shè)備、遠(yuǎn)程終端設(shè)備、車道二層交換機、機房三層交換機、監(jiān)控集中監(jiān)控交換機、遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件及服務(wù)器數(shù)據(jù)庫。

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)工作基本原理：（1）遠(yuǎn)程控制軟件通過服務(wù)器中數(shù)據(jù)庫上傳數(shù)據(jù)進行實時數(shù)據(jù)分析。 （2）遠(yuǎn)程控制軟件通過交換機VLAN 的端口配置對車道的遠(yuǎn)程終端設(shè)備進行實時監(jiān)控，并通過終端設(shè)備進行遠(yuǎn)程控制。 （3）遠(yuǎn)程終端可通過RS232/RS485 串口、 網(wǎng)口進行對車道設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)訪問并控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D見圖1。

圖1 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

3 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)功能

收費遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)庫和信息管理等技術(shù),實現(xiàn)以下幾方面功能,滿足了管理上的需求。

3.1 采集數(shù)據(jù)，實時顯示

3.2 遠(yuǎn)程控制，重啟作用

通過軟件遠(yuǎn)程控制電源開關(guān)，可以間接的起到遠(yuǎn)程重啟設(shè)備的作用。 如當(dāng)欄桿無法落桿時，技術(shù)人員或工作人員可首先關(guān)閉電源開關(guān)，讓設(shè)備零使用，之后重新啟動設(shè)備就可正常運轉(zhuǎn)。 遠(yuǎn)程控制電源就起到了關(guān)鍵性作用。

3.3 設(shè)備故障，及時傳報

實時上報設(shè)備故障狀態(tài)數(shù)據(jù)及故障點位置,并實時告警。軟件接收到告警數(shù)據(jù)后,立即分析告警來源, 并以短信的形式通知相關(guān)技術(shù)人員何處設(shè)備發(fā)出告警。

3.4 軟件數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析

多角度統(tǒng)計分析電壓功率、 車道的設(shè)備參數(shù)、UPS 設(shè)備的充放電時間及時間工作功率等數(shù)據(jù)。 結(jié)合其他數(shù)據(jù),進行有效的統(tǒng)計分析，可以更加直觀地獲取設(shè)備現(xiàn)有的狀態(tài)情況；特別是UPS 設(shè)備在正常模式下的參數(shù)（電壓、頻率功率因數(shù)、負(fù)荷）和充放電模式下的參數(shù) （放電電壓、 放電時頻率功率因數(shù)、負(fù)荷）都可以通過曲線圖顯示出來。

3.5 數(shù)據(jù)共享,報表生成

根據(jù)車道的實際數(shù)據(jù)及UPS 設(shè)備實際數(shù)據(jù)自動生成報表，實現(xiàn)各類報表生成、信息共享、統(tǒng)計曲線生成等功能。

3.6 存儲數(shù)據(jù)，提供服務(wù)

數(shù)據(jù)庫記錄存儲整個系統(tǒng)所有數(shù)據(jù), 為整個系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)。 使用人員具有不同權(quán)限分級使用數(shù)據(jù)庫,并達到數(shù)據(jù)完整性、一致性、較少數(shù)據(jù)冗余等要求。

3.7 監(jiān)控平臺，直觀了解

監(jiān)控平臺可查詢安裝設(shè)備的地理位置信息，并且自動生成圖標(biāo)。 各所站點地圖定位顯示，直觀了解設(shè)備分布情況。

3.8 用戶設(shè)定，支持登錄

用戶登錄設(shè)定， 軟件可支持多個用戶同時登錄， 其中管理員用戶可為其他用戶分配不同的權(quán)限。 多用戶可在自己的權(quán)限內(nèi)對數(shù)據(jù)主機、數(shù)據(jù)查詢等同時進行控制，實現(xiàn)了多個操作員可在不同位置同一時間段進行控制，大大提高了操作控制的便利性。 軟件還可以設(shè)置不同的用戶，定義不同的允許操作、限制操作，實現(xiàn)對不同部門、不同級別的操作人員權(quán)限的技術(shù)層面的限制管理，實現(xiàn)了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全性。

3.9 權(quán)限設(shè)定，分配多戶

權(quán)限管理設(shè)定， 系統(tǒng)可根據(jù)需求分配多用戶。根據(jù)用戶的級別進行不同用戶的權(quán)限管理：（1）操作權(quán)限的高低之分；（2）訪問數(shù)據(jù)庫權(quán)限高低之分；（3）使用程序權(quán)限高低之分；（4）查詢數(shù)據(jù)信息的權(quán)利之分。 權(quán)限劃分是根據(jù)用戶職能的不同進行劃分的，權(quán)限對設(shè)備訪問及操作范圍可根據(jù)實際用戶情況優(yōu)先控制權(quán)限進行分配。 這種分配指的是對訪問相同設(shè)備的不同用戶可以制定不同的優(yōu)先控制權(quán)，例如：不同的技術(shù)人員、指揮領(lǐng)導(dǎo)設(shè)置多級權(quán)限，可根據(jù)不同分配的權(quán)限做相應(yīng)的操縱流程。 其中擁有最高管理權(quán)限的領(lǐng)導(dǎo)席位或總指揮席位，通過權(quán)限管理界面設(shè)定，將所有的操控權(quán)限進行回收，由領(lǐng)導(dǎo)或總指揮進行統(tǒng)一操作、部署，確保在統(tǒng)一的管理指揮下能夠最大的滿足用戶需求，從而提高業(yè)務(wù)管理機制，發(fā)揮整體業(yè)務(wù)水平。

4 遠(yuǎn)程終端（硬件）設(shè)計

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展，使得自動化技術(shù)得到了質(zhì)的飛躍，電子設(shè)備與計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的應(yīng)用技術(shù)，產(chǎn)生可通信智能化模塊，它具有變換、保護和控制等功能，也可以和計算機實現(xiàn)通信，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化通信模式。

同理，讀取邊坡的實測數(shù)據(jù)，分別計算各個實測數(shù)據(jù)屬于各個穩(wěn)定性等級的確定度，并乘以相應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重得到其隸屬度。將上述各隸屬度分別相加，得到各評價指標(biāo)在某一穩(wěn)定性等級的隸屬度之和。根據(jù)最大隸屬度原則，各指標(biāo)隸屬度之和最大值所在的級別即可判定為該邊坡的穩(wěn)定性等級。

為了實現(xiàn)計算機和遠(yuǎn)程終端設(shè)備之間的通信。一是將車道設(shè)備（如車道控制器）通過信號線通信接口（RS232/RS485），接入遠(yuǎn)程終端設(shè)備中；二是通過轉(zhuǎn)換模式把通信接口（RS232/RS485）轉(zhuǎn)換成網(wǎng)口通信模式（TCP/ip 協(xié)議）；三是遠(yuǎn)程設(shè)備終端通過網(wǎng)絡(luò)IP 地址的設(shè)定與票亭內(nèi)的二層交換機的IP 設(shè)定進行通信。 最終通過光纖傳輸?shù)姆绞竭M入本站的通信機房進行全方位的控制。

本通信過程中起到最為關(guān)鍵的兩大要素是：一是通信協(xié)議轉(zhuǎn)換模式的改變； 二是通信距離可達1000 m。 這樣就可輕松實現(xiàn)車道設(shè)備于電腦互動，并通過電腦對數(shù)據(jù)進行存儲、對比、分析和處理等功能。

遠(yuǎn)程終端設(shè)備有兩大功能特征：（1）數(shù)據(jù)采集及分析。（2）輔助遠(yuǎn)程控制。首先遠(yuǎn)程終端通過數(shù)據(jù)采集器（多功能I/O 設(shè)備）對車道現(xiàn)有的設(shè)備進行設(shè)備聯(lián)動，對設(shè)備實時現(xiàn)狀進行數(shù)據(jù)獲取，并通過現(xiàn)有的數(shù)據(jù)信息對其進行分析處理，從而能更加準(zhǔn)確地獲取數(shù)據(jù)信息。 其次遠(yuǎn)程終端通過采集器內(nèi)部控制器對設(shè)備進行實時控制，內(nèi)部控制器通過和設(shè)備之間的有效撥碼及控制頻率等方式進行遠(yuǎn)程輔助控制（圖2）。

圖2 遠(yuǎn)程終端（硬件）設(shè)計示意圖

5 監(jiān)控軟件的設(shè)計

監(jiān)控軟件系統(tǒng)是軟件和硬件的集成。 兩者相輔相成，缺一不可。 一個好的軟件，首先是界面簡潔明朗，再者是方便使用，這是一個好軟件的基本體現(xiàn)。監(jiān)控軟件從功能上主要可分為六個模塊：（1）數(shù)據(jù)采集模塊；（2）數(shù)據(jù)通信模塊；（3）數(shù)據(jù)處理模塊；（4）數(shù)據(jù)分析和顯示模塊；（5）數(shù)據(jù)庫模塊；（6）數(shù)據(jù)管理模塊。

監(jiān)控軟件功能流程說明： 當(dāng)發(fā)生故障事件時，故障信號從采集器發(fā)出經(jīng)采集器后以二進制數(shù)據(jù)形式通過特定的網(wǎng)絡(luò)端口處理后送到服務(wù)器數(shù)據(jù)中。 計算主機軟件程序通過對服務(wù)器的訪問獲取數(shù)據(jù)并進行分析識別，進而根據(jù)程序設(shè)定啟動的報警程序（不同的事件有不同的處理方式），并在日志表中記錄該事件的時間、名稱、處理動作及人員名單等，以備查用。

6 設(shè)備安裝及系統(tǒng)需求

以實用、高效、安全及節(jié)約為原則，合理設(shè)計了一套既安全又高效的安裝方案。 為了確保在安裝遠(yuǎn)程終端設(shè)備的同時，車道的設(shè)備電力供應(yīng)不間斷及車道無需關(guān)閉的前提下，采用兩路低壓輪換供電和汽油機供電等模式，確保車道設(shè)備穩(wěn)定運行及人員安全。

該軟件應(yīng)用在Windows 操作系統(tǒng)平臺之上并以MySQL 數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)存儲機制。 具體原因如下：（1）友好的用戶界面。 Windows 用戶界面和開發(fā)環(huán)境都是面向大眾化的；（2）Windows 可以實現(xiàn)多個任務(wù)操作界面；（3）購買新設(shè)備時，不必考慮某個特定的應(yīng)用軟件是否支持該設(shè)備，只要Windows 支持就夠了；（4）Windows 中可以完成DOS 操作系統(tǒng)所有命令的功能，而且更容易、更方便、更安全；（5）同時訪問數(shù)據(jù)庫用戶不受限制；（6） 目前市面上運行數(shù)據(jù)庫最快的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)；（7）可保存上萬條數(shù)據(jù)庫記錄。

7 系統(tǒng)設(shè)備的雷電防護

考慮到莆田地處于環(huán)山地段,屬于雷電高發(fā)區(qū)，特別是在6-8 月這3 個月雷電高發(fā)期。 根據(jù)以往的經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)被損壞的多數(shù)是Tcp/ip 協(xié)議芯片和微控制器芯片,還有少數(shù)232/ 485 轉(zhuǎn)換串口被損壞導(dǎo)致通信信號中斷。

7.1 雷擊因素

根據(jù)上述終端的損壞情況,現(xiàn)狀仔細(xì)分析,得出以下幾點結(jié)論：（1）設(shè)備安裝未嚴(yán)格按照省公司技術(shù)規(guī)范接地標(biāo)準(zhǔn)進行安裝。 （2）設(shè)備安裝完后未能及時有效地對設(shè)備接地進行接地測試。 （3）接地測試數(shù)據(jù)應(yīng)該按照省公司技術(shù)規(guī)范要求數(shù)值進行測試。 （4）設(shè)備端口未安裝有效的防雷器。

7.2 預(yù)防雷擊措施

雷擊預(yù)防措施有：（1）在進行安裝設(shè)備的同時接地線要接到指定的接地線排上，并對該接線排進行接地電阻測試。 （2）在進行電阻測試時候必須要分兩種形式進行測試：①聯(lián)合接地。 在進行聯(lián)合接地時接地電阻必須按照省公司技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進行測試，其數(shù)值必須在4Ω 以下。②設(shè)備接地。 在進行設(shè)備接地時接地電阻必須按照省公司技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進行測試，其數(shù)值必須在1Ω 以下。 （3）設(shè)備上的串口和網(wǎng)口必須安裝串口防雷器和網(wǎng)口防雷器。 這樣可有效預(yù)防雷電高發(fā)區(qū)中不必要的損壞。

8 結(jié)語

在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，信息發(fā)展日趨數(shù)據(jù)化、便捷化、移動化、現(xiàn)代化。 遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)已在高速公路管理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 結(jié)合案例的日常管理經(jīng)驗，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件平臺，可節(jié)省人力、物力、財力，能夠有效降低運營成本，對強化收費系統(tǒng)智能化管理起到了積極的作用。 利用遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件平臺，將機電設(shè)備數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，提高了故障處理效率， 強化了高速收費的運營安全管理， 為高速公路的發(fā)展提供了強有力的安全保障平臺。