高速公路機電養(yǎng)護管理信息系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

摘 要：該文主要探究高速公路機電養(yǎng)護管理信息系統(tǒng)的設(shè)計要點，以及基本功能的實現(xiàn)情況。該系統(tǒng)采用GIS和OA一體化技術(shù)，高速公路機電設(shè)備聯(lián)網(wǎng)后可以將位置信息、工況信息等上傳至系統(tǒng)，并且以圖、文、表等形式進行直觀呈現(xiàn)，從而實現(xiàn)對機電設(shè)備的實時監(jiān)控。根據(jù)監(jiān)控信息制定養(yǎng)護計劃，指導(dǎo)養(yǎng)護人員對機電設(shè)備進行檢查、養(yǎng)護，保證機電設(shè)備始終保持良好工況，切實提高高速公路的管理和服務(wù)水平。

關(guān)鍵詞：機電養(yǎng)護管理信息系統(tǒng)；SQL Server；數(shù)據(jù)庫；GIS平臺；系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號：U418 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）22-0116-04

Abstract： This paper mainly explores the design points of expressway mechatronic maintenance management information system， as well as the realization of basic functions. The system adopts the integrated technology of GIS and OA. After the highway electromechanic equipment is connected to the network， the location information and working condition information can be uploaded to the system and presented intuitively in the form of diagram， text， table and so on， so as to realize the real-time monitoring of electromechanic equipment. It is proposed to make the maintenance plan according to the monitoring information， guide the maintenance personnel to inspect and maintain the mechanical and electrical equipment， ensure that the mechanical and electrical equipment always maintain good working conditions， and effectively improve the management and service level of the highway.

Keywords： mechatronic maintenance management information system; SQL Server; database; GIS platform; system design

高速公路上的機電設(shè)備大體包括監(jiān)控類、收費類、通信類和照明類等，這些機電設(shè)備在提高通行效率、保障行車安全、優(yōu)化行車服務(wù)等方面發(fā)揮了重要作用。由于工作dIhu6DEDbnIEMshpJG3dB4gwWzaGj/GAYHHVLz7HsQs=環(huán)境、使用年限、產(chǎn)品質(zhì)量和維護周期等諸多因素的共同影響，使得高速公路機電設(shè)備容易發(fā)生故障；同時，機電設(shè)備分布廣泛，日常的養(yǎng)護、檢修效率不高，經(jīng)常會出現(xiàn)機電設(shè)備發(fā)生故障卻沒有得到及時維修的情況，增加了高速公路的行車安全隱患。機電養(yǎng)護管理信息系統(tǒng)融合了GIS、數(shù)據(jù)庫、大數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)安全等技術(shù)，可以實時獲取機電設(shè)備的各項信息并在電子地圖上直觀呈現(xiàn)，為養(yǎng)護管理工作的開展提供了參考，以較低成本、更高效率完成養(yǎng)護任務(wù)，確保了機電設(shè)備的可靠運行。

1 機電養(yǎng)護管理信息系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

本文設(shè)計的高速公路機電養(yǎng)護管理信息系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，集成了GIS和OA技術(shù)，為用戶提供圖文一體化的協(xié)同工作應(yīng)用環(huán)境。該系統(tǒng)由兩部分組成：其一是中心系統(tǒng)，負責(zé)對全省高速公路機電信息進行統(tǒng)籌管理；其二是管理處系統(tǒng)，負責(zé)對轄區(qū)內(nèi)機電信息進行實時管控。系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

中心系統(tǒng)管理的信息如下：本省高速公路上機電設(shè)備的分布情況；機電設(shè)備的運行工況與維護信息；計劃管理內(nèi)容，如日常養(yǎng)護計劃、項目進展情況等；統(tǒng)計分析內(nèi)容，如故障統(tǒng)計分析、庫存統(tǒng)計分析等；系統(tǒng)設(shè)置內(nèi)容，如人員設(shè)置、權(quán)限設(shè)置等。管理處系統(tǒng)管理以地理信息系統(tǒng)（GIS）為核心，實現(xiàn)轄區(qū)內(nèi)機電設(shè)備的實時定位和統(tǒng)一管理，并結(jié)合電子地圖讓機電設(shè)備的分布更加直觀。配合辦公自動化系統(tǒng)（OA），可以讓系統(tǒng)用戶實時了解機電設(shè)備的具體位置與運行情況，為制定養(yǎng)護計劃、開展故障維修提供了便利[1]。

1.2 一體化軟件設(shè)計

本文設(shè)計的機電養(yǎng)護管理信息系統(tǒng)采用GIS和OA一體化技術(shù)，其中GIS模塊主要用于生成與機電設(shè)備空間位置相關(guān)的地圖，為設(shè)備的狀態(tài)跟蹤與養(yǎng)護維修等提供幫助；OA模塊主要用于文檔管理和信息顯示。同時，為了提高系統(tǒng)的自動化程度，還應(yīng)用了自動化工作流（Workflow）技術(shù)，可以根據(jù)系統(tǒng)管理員的自定義，在多個對象之間按照特定的規(guī)則傳遞文檔、執(zhí)行任務(wù)和信息交互，從而減輕人工操作壓力、提高業(yè)務(wù)辦理效率。為了減少業(yè)務(wù)自動進行中的錯誤，在一體化軟件設(shè)計中允許管理員設(shè)置啟動條件和終止條件，以及對任意一項活動添加描述。

基于GIS和OA一體化的機電養(yǎng)護管理信息系統(tǒng)軟件部分采用三層模型，分別是數(shù)據(jù)服務(wù)層、應(yīng)用邏輯層和表現(xiàn)層，模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

數(shù)據(jù)服務(wù)層的核心部分是數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，對于存儲到數(shù)據(jù)庫中的每一條數(shù)據(jù)都能自動進行分類，并按照屬性數(shù)據(jù)、文檔數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)和發(fā)布數(shù)據(jù)4種基本類型實現(xiàn)分類存儲。

應(yīng)用邏輯層包含了不同類型的應(yīng)用組件，可以支持該系統(tǒng)各項功能的實現(xiàn)?？紤]到后期機電設(shè)備的種類會不斷增加，因此在軟件設(shè)計中預(yù)留了可擴展接口，后期可以根據(jù)系統(tǒng)功能的擴展需要添加新的應(yīng)用組件，以降低成本完成系統(tǒng)軟件部分的更新[2]。

表現(xiàn)層通過計算機展示系統(tǒng)界面和機電設(shè)備的信息，以表格、圖片、文字等形式直觀地呈現(xiàn)高速公路機電設(shè)備的運行工況、維護記錄、檢查計劃和故障表現(xiàn)等信息，方便用戶直觀地掌握機電設(shè)備的各項信息。同時，通過表現(xiàn)層還可以編輯和發(fā)送指令，例如查看某個區(qū)域、某臺設(shè)備的信息等。

1.3 安全保障模塊設(shè)計

基于安全需求設(shè)計了高速公路機電養(yǎng)護管理信息系統(tǒng)的安全保障模塊。該模塊采用“分域保護、分級防護”安全策略，把整個模塊劃分為3部分，分別是安全基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)用系統(tǒng)安全以及安全管理保障體系，采取檢測、防護、恢復(fù)等安全措施，保障了網(wǎng)絡(luò)安全、系統(tǒng)安全和實體安全。安全保障體系的基本框架如圖3所示。

在上述安全體系框架的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計的機電養(yǎng)護管理信息系統(tǒng)采用統(tǒng)一認證、集中管理、分級授權(quán)模式，對所用訪問系統(tǒng)的用戶實行登錄認證和權(quán)限認證的雙重安全管理。首先，所有系統(tǒng)用戶必須完成注冊，將注冊信息存儲在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，以便于進行登錄驗證；其次，對已經(jīng)注冊的用戶，根據(jù)其現(xiàn)實身份進行分級，按照權(quán)限由大到小的順序分別是管理員、機電管理人員、機電維護人員3類。

遠程處理業(yè)務(wù)需要借助于Internet完成，為了避免在網(wǎng)絡(luò)傳輸中遭到第三方的破壞與竊取，本文在設(shè)計安全保障模塊時，在Web服務(wù)器和應(yīng)用程序?qū)又g啟用了SSL（安全套接層）協(xié)議，其原理如下：首先從客戶端向Web服務(wù)器發(fā)出開始信息，在兩者之間建立起會話；此時Web服務(wù)器會自動生成一個密鑰，并共享給客戶端。客戶端使用該密鑰對需要傳輸?shù)男畔⑦M行加密處理，使明文變?yōu)槊芪模缓筮M行傳輸。Web服務(wù)器接收信息后，使用同樣的密鑰對信息進行解密處理，讓密文再次變成明文。信息在Internet傳播的整個過程中，即便是被第三方竊取，在沒有密鑰的情況下無法從密文中獲取有價值的信息，從而保證了遠程傳輸信息的安全性[3]。

除此之外，安全保障模塊中還設(shè)計了入侵檢測、容錯容災(zāi)以及數(shù)據(jù)安全交換、IP地址訪問控制等內(nèi)容，對保障機電養(yǎng)護管理信息系統(tǒng)的運行安全有積極幫助。

1.4 信息交互模塊設(shè)計

由于高速公路的跨度大、機電設(shè)備的數(shù)量多，在設(shè)計機電養(yǎng)護管理信息系統(tǒng)時必須要保證通信效率，以便于讓每一臺機電設(shè)備的工況能夠?qū)崟r反映在系統(tǒng)顯示器上，達到“所見即所得”的效果。本文設(shè)計的信息交互模塊采用兩級架構(gòu)，即管理處級和收費站（服務(wù)區(qū)）級。高速公路管理處設(shè)備和收費站、服務(wù)區(qū)設(shè)備的位置信息以及日常運行信息等，采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議完成傳輸，將數(shù)據(jù)發(fā)送至對應(yīng)的設(shè)備數(shù)據(jù)中心。利用高速公路路網(wǎng)和傳輸信息網(wǎng)將機電設(shè)備數(shù)據(jù)匯總后，存儲到數(shù)據(jù)庫中。信息交互流程如圖4所示。

1.5 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

1.5.1 數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的機電養(yǎng)護管理信息系統(tǒng)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫SQL Server，除了支持海量數(shù)據(jù)管理、多用戶并發(fā)控制等特點外，還能實現(xiàn)空間信息與屬性信息的一體化存儲，兼顧了數(shù)據(jù)存儲的安全性和調(diào)用的靈活性。同時，SQL Server數(shù)據(jù)庫與GIS應(yīng)用項目具有較好的兼容性。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫包括兩大部分，其一是空間數(shù)據(jù)庫，用于存儲基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、道路信息數(shù)據(jù)、用戶信息數(shù)據(jù)等；其二是屬性數(shù)據(jù)庫，用于存儲收費站設(shè)備信息數(shù)TN7JBE4H7bRB3s7CMcu1zA==據(jù)、電力電纜數(shù)據(jù)、設(shè)備維修數(shù)據(jù)等[4]。數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)組成如圖5所示。

1.5.2 數(shù)據(jù)庫的管理模式

考慮到高速公路機電設(shè)備在日常運行中會源源不斷地產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫的訪問頻繁，為了提高數(shù)據(jù)庫的響應(yīng)能力和滿足數(shù)據(jù)即時存儲的要求，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫在管理模式上采用“集散式數(shù)據(jù)存儲”模式。管理處設(shè)備和收費站設(shè)備、服務(wù)區(qū)設(shè)備都有各自的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的分類存儲，從而減輕了數(shù)據(jù)存儲壓力。然后再利用網(wǎng)絡(luò)將分布于各地的子數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，傳輸至中心數(shù)據(jù)庫。中心數(shù)據(jù)庫和子數(shù)據(jù)庫獨立維護、冗余存儲，保證了機電設(shè)備數(shù)據(jù)的完整性與安全性[5]。在機電養(yǎng)護管理信息系統(tǒng)的日常運行中，各級系統(tǒng)在辦理業(yè)務(wù)時優(yōu)先使用本地局域網(wǎng)數(shù)據(jù)，這樣就解決了跨網(wǎng)調(diào)用數(shù)據(jù)存在的效率不高、穩(wěn)定性差等弊端；考慮到個別業(yè)務(wù)在辦理時必須要跨網(wǎng)調(diào)用數(shù)據(jù)，因此本文在數(shù)據(jù)庫設(shè)計中還加入了專用的數(shù)據(jù)服務(wù)模塊，保證了數(shù)據(jù)跨網(wǎng)交換的穩(wěn)定性和安全性。

1.5.3 數(shù)據(jù)庫表的設(shè)計

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)存儲數(shù)據(jù)的不同分位若干種表，如用于存儲用戶信息的表、用于存儲設(shè)備故障信息的表，以及用于存儲設(shè)備位置信息的表等。這里以設(shè)備位置信息表為例，內(nèi)容組成見表1。

1.6 電子地圖設(shè)計

本文使用組件式GIS設(shè)計了機電養(yǎng)護管理信息系統(tǒng)的電子地圖，利用動態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE）技術(shù)在GIS地圖和應(yīng)用模型之間進行高效通信，保證了電子地圖信息的動態(tài)更新。本文設(shè)計的電子地圖主要包含地圖操作和地圖查詢兩部分功能，地圖操作功能包括地圖的放大、縮小、平移等；地圖查詢功能包括圖例查詢、地圖選擇查詢等。這里以設(shè)備查詢?yōu)槔摴δ艿脑O(shè)計流程如下。

輸入數(shù)據(jù)：電子地圖，輸入鼠標事件。

輸出數(shù)據(jù)：地圖顯示，選擇對象列表。

處理過程：點擊“查詢”選項，在搜索欄輸入設(shè)備名稱或代碼，點擊“搜索”，檢索到的目標在電子地圖上進行高亮顯示，同時輸出該目標的屬性數(shù)據(jù)信息。

2 機電養(yǎng)護管理信息系統(tǒng)的功能實現(xiàn)

2.1 登錄認證功能的實現(xiàn)

運行機電養(yǎng)護管理信息系統(tǒng)后，進入系統(tǒng)登錄界面。依次填寫用戶名、密碼、驗證碼后點擊“登錄”選項，提交登錄信息并在系統(tǒng)后臺進行認證。系統(tǒng)首先判斷用戶輸入的用戶名、驗證碼是否正確，如果用戶名未在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的用戶表中注冊登記，則拒絕登錄并在登錄界面出現(xiàn)“用戶未注冊”的彈窗提示；在用戶名已經(jīng)注冊的前提下，系統(tǒng)進一步判斷用戶名與密碼是否配對。在配對成功后完成登錄，從登錄界面跳轉(zhuǎn)至系統(tǒng)的主界面。主界面左側(cè)以樹狀列表的形式展示系統(tǒng)的主要功能，包括設(shè)備臺賬、設(shè)備維護、設(shè)備地圖等；主界面右側(cè)為業(yè)務(wù)界面，包括通知信息、日常安排、工作計劃等。

2.2 設(shè)備維護功能的實現(xiàn)

從系統(tǒng)主界面上點擊“設(shè)備維護”選項，跳轉(zhuǎn)至設(shè)備維護功能界面，在該二級界面上可以進行故障申報、查看維護日志、制定維修計劃等。由于本系統(tǒng)對訪問用戶分配了不同的權(quán)限，因此不同權(quán)限的用戶在當(dāng)前頁面獲取的信息也存在差異。維護人員只能查看維護日志、維護費用等信息，而管理人員則可以編輯維護計劃和外包計劃等。通過下拉菜單的方式選擇收費站名稱與收費站位置，系統(tǒng)以列表形式展示該收費站機電設(shè)備（如地磅、輪軸識別器、手動欄桿機、通行信號燈和費額顯示器等）的運行維護信息。

2.3 設(shè)備地理地圖功能的實現(xiàn)

從系統(tǒng)主界面上電機“設(shè)備地理地圖”選項，跳轉(zhuǎn)至設(shè)備地理地圖功能界面，界面頂部為工具欄，提供多種地圖操作工具，包括放大、縮小、漫游、設(shè)備查詢和地圖編輯等；界面中間部分為地圖顯示區(qū)，可以顯示某個地區(qū)的電子地圖。在界面左側(cè)的樹狀列表中，勾選通訊設(shè)備（情報板、燈）、收費設(shè)備（收費亭、費額顯示器、欄桿機）等內(nèi)容后，在右側(cè)的電子地圖上同步顯示勾選的內(nèi)容，實現(xiàn)了機電設(shè)備信息的直觀顯示。

3 結(jié)束語

在全面推進智慧高速建設(shè)的背景下，將高速公路上的機電設(shè)備全部納入信息管理系統(tǒng)，依托機電養(yǎng)護管理信息系統(tǒng)實時獲取機電設(shè)備的工況信息、養(yǎng)護計劃、維修記錄和故障數(shù)據(jù)等，實現(xiàn)了對機電設(shè)備的動態(tài)監(jiān)控和統(tǒng)籌管理。同時，借助于GIS地圖讓機電設(shè)備的各項信息得以直觀呈現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上精準評估機電設(shè)備的運行情況，并制定合理的養(yǎng)護方案，指導(dǎo)一線養(yǎng)護人員完成養(yǎng)護、檢修等任務(wù)，確保機電設(shè)備始終處于良好狀態(tài)，提高了高速公路管理與服務(wù)水平，對高速公路的高效通行以及保障行車安全有積極作用。

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作者簡介：魏會峰（1988-），男，工程師。研究方向為路橋養(yǎng)護。