高速公路機電設備智慧運維探索與實踐

楊輝

摘要：文章結合實踐，闡述了應用自動監測技術、Lora技術、專家系統技術、時序數據庫技術，開發高速公路機電設備智慧運維系統所進行的探索與實踐，并介紹了應用系統后為運營單位帶來的效果，可為高速公路運營單位設備管理工作以及專業化的維護單位運維工作提供參考。

關鍵詞：高速公路機電養護;信息管理系統;地理信息系統;自動監測;專家系統

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電設備種類和數量眾多，位置分散，安裝位置檢修困難，機電設備的養護一直是維護人員的難題。傳統的機電運維系統只具備信息管理功能，數據依靠人工錄入，必須同時配備完善的管理制度和具有強有力的執行才能發揮作用，在實踐中效果不佳，效率提升不明顯。新時代的高速公路機電設備智慧運維系統，必須轉變傳統的救火式運維思維，用預防性維護方式，變被動維修為主動維護，提高機電設備的可用率，才能以最低成本發揮機電設備的最大效能。

新時代的高速公路機電設備智慧運維系統，應能通過實時監測機電設備的狀態信息，將設備的運行狀態直觀展示在GIS地圖上，采用“事件驅動”的機制，驅使維護人員提高響應速度與維修速度，減少設備故障時間。在維修過程中，系統應能通過專家系統對設備故障進行診斷，并進行智能派單，才能有效縮短機電設備的故障發現及修復時間，提高養護效率。系統還要對設備狀態數據進行分析，預警設備可能發生的故障，提前養護，減少故障損失。并能通過分析與對比設備的養護成本和養護效率，綜合評價維護隊伍和設備供應商的質量，為機電系統建設提供決策依據。

1 系統架構

1.1 系統功能

為實現主動運維的目標，高速公路機電運維系統除了具備常規的信息管理、倉庫管理和工單流轉功能外，還應具備以下功能：

（1）集計算資源、存儲資源、人力資源、機電設備資源、專家分析系統于一體，既具有機電設備的靜態信息（設備的類型、品牌、型號、數量、金額、采購時間等），又具有機電設備的動態信息（設備的安裝位置、維護時間、內容、維護人員、巡檢、維護記錄、維護檔案及連接端口、拓撲圖等）。

（2）實時采集機電設備的狀態信息（如設備的工作電壓、電流、環境溫度、濕度、接口狀態、通信鏈路狀態等），結合設備的地理位置信息，直觀地將設備狀態、維護工單狀態顯示在GIS地圖上，并可通過互聯網、移動端隨時隨地查看。

（3）根據故障現象分析故障原因，提供檢修處置方法，并對采集回的設備狀態數據進行整理、分析、挖掘，對整體和局部的設備運行情況作出研判和預警。

（4）支持靈活自定義報表，能快速提供決策所需的數據。

1.2 系統邏輯結構

系統采用B/S結構，用戶交互頁面使用HTML5開發，無論在電腦上還是手機終端上訪問，看到的頁面內容都相同，操作方式也一樣。系統由前端采集系統、數據匯總系統、運維應用系統和數據庫系統四部分組成，邏輯關系如圖1所示。

前端采集系統部署在各收費站/隧道管理站，負責定期檢測機電設備的工作狀態，將獲取的狀態數據發送回數據匯總模塊。

數據匯總系統負責接收各站點的采集數據，并進行數據清洗，再入庫。數據匯總系統部署在中心機房，當采集點數量多的時候也可以分級部署。采集數據先按路段匯總到路段中心，再匯總到中心機房，最后入庫，以減少中心節點的壓力，避免在采集時瞬間涌入大量的數據流量和數據處理量，造成資源瓶頸。

運維應用系統部署在中心機房，負責數據展示、數據分析，響應用戶的服務請求，流轉工單等。

數據庫系統部署在中心機房，用來保存應用數據和設備狀態數據。

1.3 系統軟件架構

系統結構分為表現層（面向客戶）、應用層、接口層和數據層，如圖2所示。

表現層直接面向用戶，向用戶展示設備狀態、位置等信息，接收用戶請求，向應用層請求服務。

接口層定時從機電設備采集信息，通過消息隊列推送到應用層。

應用層響應用戶各種請求，執行相應操作返回結果;接收接口層上報的設備狀態數據，進行數據處理后保存到數據倉庫中;定期對狀態數據進行分析，將分析結果推送到用戶前臺。

數據層分為時序數據庫和常規數據庫，分別保存設備狀態數據和其他應用數據。

2 關鍵技術

2.1 機電設備自動監測技術

高速公路使用的機電設備種類繁多，同種設備也有多個廠商的產品，實現機電設備的集中監控一直是機電維護的一大難題。這些機電設備一部分已經通過有線光電纜網絡與高速公路專有有線網絡連接（這部分設備簡稱直接聯網設備）;一部分通過RS232、RS485等接口與聯網設備連接，通過聯網設備可以獲取到設備狀態信息（這部分設備簡稱間接聯網設備）;一部分沒有與專用網絡連接，或者無法通過聯網設備獲取設備狀態（這部分設備簡稱未聯網設備）。

聯網設備又可以進一步分為支持標準化協議類、私有協議類和日志類。標準化協議類可用標準協議訪問設備，如大多數交換機和服務器都支持SNMP，數據庫支持SQL，部分設備可以通過廠商的網管進行監控等，可按照廠商提供的MIB庫文件或數據字典或設備日志文件查詢設備狀態。私有協議類需按照廠商提供的接口文檔開發接口。日志類可通過HTTP、Telnet/SSH等方式訪問設備后發送指令，接收設備的輸出;或設備本身自有syslog輸出，分析輸出日志，獲取設備狀態。

間接聯網設備（如連接車道工控機的欄桿機、稱重稱、連接PLC的風機、光強檢測、CO/VI等）可以通過訪問直接聯網設備端口、內存，或分析日志等方法，獲取設備狀態。對于未聯網設備，需要在設備前端配置一個采集終端，通過無線的方式將數據回傳采集應用。

2.2 Lora技術

Lora（Long Range Radio遠距離無線電）技術是一種基于擴頻技術的遠距離無線傳輸技術，具有低帶寬、遠距離、低功耗、安全性高等特點。Lora終端會根據接收信號的信噪比強弱，選擇擴頻因子，以降低速率的代價實現遠距離傳輸。高速公路外場機電設備分布分散，但發送測量設備的物理參量所需的帶寬很少，特別適合使用Lora技術傳輸。使用傳感器測量設備物理參量（如電流、電壓、溫度、濕度等），把數據通過Lora終端發送到Lora網關，再通過網關連接的有線網絡，將數據發送回遠端采集服務器，實現對未聯網設備的狀態監控。由于Lora終端功耗很低，只用電池供電也可以工作，當設備停電也能正常工作一段時間，對監控使用太陽能電池供電的外場設備有重要意義。現場實際環境測試中，在1 kps的速率時，在空曠地帶傳輸距離達4 km，在隧道內傳輸距離達1 km。終端整機工作耗能<500 mw，配置2 200 mah的18 650鋰電池不間斷使用8 h以上，基本能在大多數現場環境下使用。

2.3 專家系統技術

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

專家系統還能定時對設備的狀態數據進行自動分析，研判設備可能發生的故障原因，提示用戶提前檢修，減少設備突然停機的損失。專家系統還能將自動分析的結果主動推送到用戶的手機上，提醒用戶注意。

2.4 時序數據庫技術

設備狀態數據都有很強的時間屬性，短時間持續高并發寫入，不會有更新操作，寫多讀少，用傳統的數據庫保存狀態數據，存儲成本高，維護成本高，查詢性能低，寫入吞吐量低。時序數據庫是專門針對儲存以時間維度索引的數據設計的數據庫，和傳統關系型數據庫不同，時序數據庫的數據分片存儲（常用標簽+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，結構簡單，很容易增加節點，維護也很簡單。基于時序數據庫的上述優點，我們選用了Elasticsearch數據庫保存狀態數據，用Mysql數據庫保存其他應用數據。在實際環境中，建立了3節點的Elasticsearch數據庫，18 s可以完成50萬多條狀態數據寫入（雙至強4 110，64 G內存），從50多萬條數據中查詢某設備2 h內的數據（15 min采集一次，共8條），在1 s內返回，充分體現了時序數據庫高吞吐量的優點。

3 系統應用

2018年，筆者所在單位負責廣西某高速公路路段缺陷責任期維護，經過運營單位的同意，筆者將智慧運維系統應用到了在該路段的維護中。系統經過3個多月的試運行，有效提高了運維工作效率。在某次干線光纜線路故障維修中，系統及時監測到線路故障并通知維護人員，維護人員通過查詢系統中的業務鏈信息，了解干線傳輸路由，再根據監測到的其他設備信息，迅速定位斷點的大致范圍，隨后用OTDR測試，成功找到斷點，縮短了故障處置時間。另外在監測過程中，發現某車牌識別儀的網絡存在時通時斷的問題，經過現場檢查，發現是設備自身原因，并通知廠商進行修復，及時排除了故障隱患。

4 結語

本文針對傳統高速公路機電運維手段效率低、自動化程度低、維護成本高等問題，闡述筆者在高速公路機電智慧運維方面所進行的探索與實踐。通過研究應用自動監測、Lora技術、專家系統、時序數據庫等關鍵技術，研發智慧運維系統，并在實踐應用中縮短故障處置時間，發現存在的隱患并及時修復，提高運維效率，從而為高速公路機電設備的運營安全提供有效保障。因此，本系統隨著高速公路機電設備的不斷增多，維護工作量的不斷增長，將具備越來越好的應用前景。

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