基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速公路機電設(shè)備用電異常自動監(jiān)測

廣西新恒通高速公路有限公司 吳贊長

1 引言

高速公路機電設(shè)備的正常運行對保障公路交通安全和通行效率至關(guān)重要。機電設(shè)備長期使用和復(fù)雜性，用電情況容易出現(xiàn)異常，這些異常情況可能會對設(shè)備的正常運行造成隱患，影響公路交通的安全和通行效率。傳統(tǒng)的人工巡檢方法存在著盲區(qū)和漏檢的問題，不能滿足實時監(jiān)測的需求。為了解決這一問題，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速公路機電設(shè)備用電異常自動監(jiān)測系統(tǒng)，旨在提高機電設(shè)備的用電監(jiān)測能力，保障高速公路的安全和穩(wěn)定運行。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)問題分析

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于高速公路機電設(shè)備用電監(jiān)測方面，存在著多種問題。首先，數(shù)據(jù)采集的實時性是關(guān)鍵因素。機電設(shè)備的用電情況是時刻變化的，需要實時采集數(shù)據(jù)[1]。采集到的數(shù)據(jù)需要滿足一定的準確性和精度，以確保分析和處理結(jié)果的可靠性。數(shù)據(jù)處理和分析的效率和精度也是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)。處理和分析海量的數(shù)據(jù)，需要高效的算法和計算能力。分析結(jié)果需要具有一定的預(yù)測和判斷能力，以實現(xiàn)對機電設(shè)備用電情況的自動監(jiān)測和異常檢測。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于高速公路機電設(shè)備用電監(jiān)測中，面臨著網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)保護等隱私問題。

3 高速公路機電設(shè)備用電異常原因

高速公路機電設(shè)備的用電異常原因大致可以分為系統(tǒng)原因、設(shè)備原因和人為原因三個方面。

3.1 系統(tǒng)原因

高速公路機電設(shè)備的用電情況受到供電系統(tǒng)和電網(wǎng)的影響。供電系統(tǒng)中的電壓波動、電壓失調(diào)、電流短路、接地和斷路等故障都可能導(dǎo)致機電設(shè)備用電異常。由于供電系統(tǒng)的長期使用，電網(wǎng)設(shè)備的老化和損壞等也可能導(dǎo)致機電設(shè)備用電異常。如變壓器繞組漏油、接觸不良、開關(guān)接觸不良等問題都會影響供電系統(tǒng)的正常運行，導(dǎo)致機電設(shè)備用電異常[2]。

3.2 設(shè)備原因

機電設(shè)備長期使用會引起各種老化問題，如電容器老化、電機磨損以及電氣絕緣損壞等，這些問題都會導(dǎo)致機電設(shè)備用電異常。機電設(shè)備的設(shè)計和制造質(zhì)量問題也可能引起機電設(shè)備用電異常。如設(shè)備內(nèi)部松動或損壞的電氣連接或設(shè)計中存在的電氣接地問題都會導(dǎo)致機電設(shè)備用電異常。此外，設(shè)備的安裝、使用和維護等方面也可能影響機電設(shè)備的用電情況，如設(shè)備安裝位置不當(dāng)、使用時超負荷、維護保養(yǎng)不及時等都可能導(dǎo)致機電設(shè)備用電異常。

3.3 人為原因

人為原因包括錯誤操作、不當(dāng)使用和疏忽等問題。如工作人員誤操作設(shè)備、過度使用設(shè)備和不及時維護和保養(yǎng)設(shè)備等，都會對機電設(shè)備用電情況造成影響，甚至引起用電異常[3]。一些人為因素，如惡意破壞和非法操作等也可能導(dǎo)致機電設(shè)備用電異常。

4 自動檢測系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計

該自動檢測系統(tǒng)是一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)，通過物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)機電設(shè)備的用電情況實時監(jiān)測和異常檢測。高速公路機電設(shè)備監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容詳見表1。

4.1 傳感器采集層

傳感器采集層包括電能傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、振動傳感器等多種傳感器。這些傳感器可以對機電設(shè)備的用電情況和環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集，以滿足機電設(shè)備的實時監(jiān)測需求。電能傳感器可以實時采集機電設(shè)備的電流、電壓、功率等用電情況數(shù)據(jù)，溫度傳感器可以采集機電設(shè)備的溫度數(shù)據(jù)，濕度傳感器可以采集機電設(shè)備周圍的濕度數(shù)據(jù)，振動傳感器可以實時監(jiān)測機電設(shè)備的振動情況，從而判斷機電設(shè)備是否存在問題。

4.2 通信傳輸層

通信傳輸層主要用于將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸至云平臺。在傳輸層中，采用無線通信技術(shù)LoRa確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，并且支持數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪K，可以對傳輸數(shù)據(jù)進行壓縮、加密等處理，以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎桶踩浴?/p>

4.3 數(shù)據(jù)存儲和處理層

數(shù)據(jù)存儲和處理層主要功能是存儲和處理采集到的數(shù)據(jù)。在該層中，采用云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)，以便對采集到的數(shù)據(jù)進行實時分析和處理，以實現(xiàn)機電設(shè)備用電情況的自動監(jiān)測和異常檢測。在該層中，還可以利用機器學(xué)習(xí)等技術(shù)對數(shù)據(jù)進行建模和預(yù)測，實現(xiàn)機電設(shè)備用電情況的預(yù)測和故障檢測[4]。

4.4 應(yīng)用服務(wù)層

應(yīng)用服務(wù)層是自動監(jiān)測系統(tǒng)提供應(yīng)用服務(wù)和監(jiān)測報告。在該層中，可以通過Web 界面或移動應(yīng)用程序等方式，實時查看機電設(shè)備用電情況和監(jiān)測報告，同時還可以通過短信、郵件等方式實現(xiàn)告警和預(yù)警功能，及時通知管理人員進行處理。該層還包括故障診斷和維修服務(wù)等應(yīng)用服務(wù)，可以根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，快速診斷故障，提供相應(yīng)的維修服務(wù)，保障機電設(shè)備的正常運行。

5 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計

5.1 傳感器采集層

傳感器有電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器。采用模塊化設(shè)計，將傳感器模塊與控制模塊分開，各模塊之間通過線纜或者通信協(xié)議進行連接。這些傳感器可以實現(xiàn)對機電設(shè)備的實時數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測，提高監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性和準確性，保障公路交通的安全和順暢。如在實際運行過程中，通過夾形電流傳感器ECS1030-L72實現(xiàn)電流的高精度采集，可以保證在電流值發(fā)生異常時能夠及時預(yù)警和處理可能存在的故障和安全隱患。選用220V 電壓傳感器VT2010和Pt100型熱敏電阻傳感器，分別實現(xiàn)對電壓和溫度的高精度采集，可以對機電設(shè)備周圍的環(huán)境進行全面的監(jiān)測。采用HS1101型電容式濕度傳感器，可以實現(xiàn)對機電設(shè)備周圍的濕度數(shù)據(jù)的高精度采集，進一步保證機電設(shè)備的正常運行。在高速公路機電設(shè)備用電異常自動監(jiān)測系統(tǒng)中，傳感器的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)都將被傳輸至監(jiān)測中心，由系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析和異常檢測，從而實現(xiàn)對機電設(shè)備的全面監(jiān)測和保障[5]。

在實際運行中，假設(shè)某臺機電設(shè)備的電壓為220V，電流為10A，溫度為25℃，濕度為60%RH，監(jiān)測系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)可能為：電壓傳感器采集到的電壓值為220V；電流傳感器采集到的電流值為10A；溫度傳感器采集到的溫度值為25℃；濕度傳感器采集到的濕度值為60%RH。

5.2 通信傳輸層

選用LoRa 技術(shù)作為通信傳輸層的技術(shù)方案。LoRa 技術(shù)是一種基于低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）的通信技術(shù)，具有傳輸距離遠、功耗低、抗干擾能力強等特點，適合機電設(shè)備的監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸。使用LoRa 技術(shù)可以搭建分布式無線網(wǎng)絡(luò)，由一臺或多臺基站負責(zé)收集分布在不同位置的傳感器數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測中心。傳感器和基站之間的通信距離可以達到數(shù)千米，并且LoRa 技術(shù)能夠穿透障礙物，能夠滿足在高速公路機電設(shè)備用電監(jiān)測中的傳輸需求。使用LoRa 技術(shù)還有一個重要的優(yōu)點，就是其功耗低，可以實現(xiàn)長時間的數(shù)據(jù)采集和傳輸。這對于機電設(shè)備用電異常自動監(jiān)測系統(tǒng)來說非常重要，因為這種系統(tǒng)需要長時間地對機電設(shè)備進行監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，以及將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心進行處理和分析。

5.3 數(shù)據(jù)存儲和處理層

采集到的數(shù)據(jù)采用云存儲，該模塊可以根據(jù)需要設(shè)置存儲容量和數(shù)據(jù)加密等參數(shù)，同時支持異地備份和共享，提高數(shù)據(jù)的安全性和可靠性。采用云存儲技術(shù)還可以根據(jù)實際需求快速擴容或縮減存儲容量。數(shù)據(jù)處理模塊可以采用基于云計算平臺的分布式計算技術(shù)，如Hadoop 或Spark 等。采用大數(shù)據(jù)分析算法可以對采集到的數(shù)據(jù)進行實時分析和處理，如電壓波動的檢測、電流變化的分析、功率因數(shù)的計算等。對于異常情況，如電流超過安全范圍、電壓過低或過高等，可以通過短信、郵件或其他形式進行預(yù)警和通知，提醒工作人員及時處理。

5.4 應(yīng)用服務(wù)層

應(yīng)用服務(wù)層是整個系統(tǒng)中最上層的部分，提供了用戶交互和數(shù)據(jù)展示的功能。在該層中，可以開發(fā)多種應(yīng)用程序和服務(wù)，如Web 應(yīng)用、移動應(yīng)用、可視化界面等，以便用戶實時監(jiān)測機電設(shè)備用電情況和異常情況。具備的功能包括：

一是實時數(shù)據(jù)展示。將實時采集到的數(shù)據(jù)以可視化的方式展示給用戶，如電流、電壓、功率等數(shù)據(jù)。

二是歷史數(shù)據(jù)查詢。提供歷史數(shù)據(jù)查詢功能，方便用戶對機電設(shè)備用電情況進行分析和比較，如按天、按月、按季度等不同時間維度進行數(shù)據(jù)查詢。

三是異常報警和處理。及時發(fā)現(xiàn)機電設(shè)備用電異常情況，并進行報警和通知，同時提供異常處理功能，如對異常機電設(shè)備進行停機維修、更換設(shè)備等操作。

四是用戶權(quán)限管理。管理用戶的權(quán)限，如設(shè)置不同的用戶權(quán)限等級，對不同的用戶進行數(shù)據(jù)訪問控制，保護數(shù)據(jù)的安全性和隱私性。應(yīng)用服務(wù)層可以通過Web 應(yīng)用、移動應(yīng)用等多種形式進行展示，方便用戶在任何時間和地點對機電設(shè)備用電情況進行監(jiān)測和管理。應(yīng)用服務(wù)層需要與數(shù)據(jù)存儲和處理層、通信傳輸層、傳感器采集層等部分相互配合，共同構(gòu)建出高效、可靠、安全的機電設(shè)備用電異常自動監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)運行流程如圖1所示。

6 結(jié)語

本文介紹了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速公路機電設(shè)備用電異常自動監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由傳感器采集層、通信傳輸層、數(shù)據(jù)存儲和處理層、應(yīng)用服務(wù)層等多個模塊構(gòu)成，實現(xiàn)了對機電設(shè)備用電情況的自動監(jiān)測和異常檢測。在未來的應(yīng)用中，該系統(tǒng)可以進一步優(yōu)化和升級，以更好地適應(yīng)高速公路機電設(shè)備的實際使用情況，為交通運輸行業(yè)的發(fā)展作出貢獻。