高速公路智能機電設備運維管理系統的研究與應用

鐘仕興

（廣東飛達交通工程有限公司，廣東廣州 510663）

0 引言

近年來，隨著我國高速公路建設事業的快速發展，高速公路的通車里程不斷增加，總體規模已達16萬km，其中大多數路段處于正常營運及管養階段。高速公路機電設備管養過程存在養護人員少、養護任務繁雜、維護效率低、設備分布廣等情況，造成設備故障解決不及時、設備狀態不清楚、養護人員疲于奔波、管理人員疲于統計等一系列問題。因此，如何通過技術化手段實現預防性養護，如何通過故障原因分析信息化、故障處理方法標準化、故障處理過程流程化等手段提升養護水平，成為高速公路機電設備運維亟待解決的問題。

1 研究背景

目前，高速公路機電設備規模與日俱增，機電設備管理任務越加繁重。高速公路營運路段在機電設備臺賬管理方面仍以人工方式利用Excel實現。通過故障及處置過程分析發現，80%以上的故障具有通用性，但缺乏一個統一的機電設備管理平臺，導致處理過程煩瑣、故障時間過長，出現大量重復勞動。目前高速公路日常養護基本上都是被動養護，當出現故障后采取緊急措施進行修復，導致在日常養護工作中安排組織困難，疲于處理突發事件，難以完成養護計劃。

高速公路機電設備運維管理主要存在以下5個問題：

（1）缺乏全生命周期管理工具，采購—入庫—出庫—使用—維修—報廢全生命周期過度依賴人工管理方式，缺乏技術手段輔助，難以全面、及時、精準掌握機電設備動態信息。

（2）預防性養護手段不足，大部分路段在設備出現故障導致業務中斷后才進行響應式處理，嚴重影響日常營運。

（3）沒有統一的專業技術知識分享平臺，目前養護經驗的沉淀和傳承還是依靠以老帶新的方式，嚴重依賴個人積極性和個人水平。

（4）故障處理進度跟蹤工具的科技含量不高，導致業主不能全面掌握故障處理的進度。

（5）缺乏有效的量化手段和評判依據，無法準確評估養護效率及投入成本的合理性。

高速公路機電運維管理有4個層次，分別是數據采集、數據傳輸與存儲、數據統計與評估、運維決策。目前的矛盾主要是環境、電氣、性能、養護過程等數據采集不足，數據傳輸與存儲能力有限，數據統計與評估模型不夠成熟，導致運維決策能力不足。

2 解決方案

高速公路智能機電設備運維管理平臺采用“監、管、治”理念。監：實時監控機電設備狀態；管：電子化、規范化管理機電設備以及養護流程；治：通過養護服務評價系統、趨勢分析報表提升智能化水平。即實時監控機電設備，及時發現問題并解決，實現主動式運維；電子化、規范化管理機電設備以及養護流程，實現考核有所依；通過養護服務評價系統、趨勢分析報表反映當前存在的問題，提升管理水平；通過“監、管、治”三步形成機電設備管理閉環?！氨O、管、治”方案概念圖如圖1所示。

為滿足上述需求，需實現以下7點：

（1）使用電子系統替代手工管理，規范化管理機電設備全生命周期，提高效率；設備信息方面，包括基本信息、位置信息、產權信息、供應商信息等，并實施一物一碼；設備狀態評估方面，可以按照生命周期管理理論，輸入安裝信息，設置報廢年限，并與維修保養數據和備品備件更換數據進行關聯。

（2）多視圖管理模式，通過物理位置、網絡拓撲結構展示在用設備，實現快速查找，提高運維效率。

（3）通過物聯網方式實時監測在用機電設備狀態，在故障發生前發現并解決問題，實現預防性養護，保證業務正常運行，并可實現設備級、子系統級、系統級性能事件、故障等級的設置與管理。

（4）通過智能工單管理模塊記錄、采集、歸納養護過程，定期進行人工確認形成標準步驟，再面臨類似問題時可快速查詢。

（5）故障處理過程透明化，多方角色可共同查看故障處理步驟、處理進度，并以此作為動態評判、量化養護效率、服務質量的重要考核指標。

（6）通過報表進行趨勢分析、決策支持，反饋當前管理缺陷，提升管養效率，為專項工程的編制和養護預算編制提供支持。

（7）所有功能模塊皆支持移動化安裝，方便養護人員在外隨時使用，提高運維效率。

3 系統框架

按照數據采集及應用模塊邏輯，高速公路智能機電設備管理平臺從下到上分為數據采集層、數據傳輸層、數據存儲層、應用模塊層、展示層5個應用模塊。所有網絡和設備均需進行網絡安全管理。應用模塊由多個子模塊/子系統構成，其數據和管理業務互相交叉共享，形成一個集機電設備管理、設備狀態監測、工單管理、知識庫、報表展示于一體的平臺。

從底層到上層主要包括5個層級。數據采集層使用分布式、高可用、高并發IT基礎架構監控機電設備（車檢器、NVR、攝像機、情報板）、監控主機（硬件、操作系統、中間件、應用服務）、網絡設備（交換機、防火墻、堡壘機、漏洞掃描、日志審計）。數據傳輸層主要包括工業以太網、Wi-Fi、4G/5G、LoRa、串口等通信方式。數據存儲層采用MySql、MongoDB、Dynamo數據庫。應用模塊層通過狀態監測模塊實時監測機電設備狀態，超過閾值報警并實時通知相關人員；通過機電設備管理模塊、工單管理模塊等實現機電設備及養護流程電子化管理；通過趨勢分析、數據可視化模塊，提供輔助決策分析功能，實現提升管理水平的目的，完成“監、管、治”管理閉環。展示層采用App、網頁、大屏等多種展示方式。高速公路智能機電設備管理平臺整體架構如圖2所示。

4 主要功能

4.1 機電設備及倉庫管理子系統

在設備上粘貼二維碼作為設備唯一識別碼，記錄所有設備出庫信息，跟蹤設備去向；明確設備所屬負責人；設置余量告警、報廢年限告警、設備保潔提醒；實現快速盤點。機電設備及倉庫管理子系統界面如圖3所示。

4.2 設備監測子系統

通過直接對接設備或其所屬系統，采集設備信息、運行狀態、運行數據，根據設備類型為機電設備配置特定的指標閾值并實時監測，超過閾值則產生預警并通過多種方式通知相關人員。針對機電設備監測數據覆蓋不足的問題，基于物聯網技術，使用多種傳感技術并結合數據分析方法對設備狀態進行全面監測，通過在原有設備設施上增加智能傳感器，定時檢查設備的健康狀態，通過物聯網網關傳輸數據，平臺系統實時告警通知，減少人工巡檢頻次和巡檢強度。例如，基于超低功耗智能傳感器技術、LoRa容錯無線傳輸技術、消防二總線通信技術、智慧運維平臺技術實施改造，加強隧道消防自動監測能力。在高低位水池、水泵、消防管道、閥門、消防栓和滅火器上增加傳感器和壓力表，通過網關與平臺相連，實時監測和存儲消防系統水位及壓力變化，實現隧道消防實時健康監測，能夠及時預測設備失效并迅速進行故障報警，同時對故障原因、故障位置、故障點等進行自動診斷和分析定位。設備狀態監控模塊界面如圖4所示。

4.3 養護管理子系統

如圖5所示，工單服務流程根據設備報警內容及系統綜合調度生成工單（根據養護人員所在地方、當前工作任務等方面），并分配給對應養護人員，養護人員完成故障修復后，在平臺上通過文字、附件形式記錄處理過程，交由領導審批，審批完成后結束工單。工單進入養護數據庫歸檔，為工單查詢、知識庫管理、養護數據分析、養護服務評價提供基礎數據。

養護計劃管理用于設置和錄入巡檢計劃、檢測計劃、保潔計劃等，并與移動端配合進行實施打卡和完成情況審核，同時可以實時輸出和展示計劃完成情況。

養護人員結合故障關鍵詞記錄修復故障過程，生成經驗庫知識記錄；養護部門定期總結經驗，生成該類問題標準處理步驟文檔，形成專家庫知識記錄，養護人員再碰到類似問題可根據關鍵詞篩查。

4.4 系統分析子系統

系統分析子系統基于其他子系統生成的基礎數據，對機電設備系統狀態、故障原因、養護質量、成本效益等進行數據分析，根據不同用戶角色提供定制化多維數據報表查詢，如品牌故障率、根據設施類型展示同類設施設備故障數量以及百分比、在用設備與庫存設備數量與百分比、根據故障關鍵詞統計平均處理時長、養護服務評價得分等多類型、多維度統計圖，支撐養護方案的制定與決策。隧道設備故障統計示例如圖6所示。

4.5 多視圖展示

利用GIS地圖展示路面上設備地理位置以及所屬設施；通過拓撲結構展示當前機電系統狀況；提供設備設施詳情展示；室內設備通過虛擬機柜、配電柜管理；將設備情況關聯養護管理數據庫，為營運管理人員和養護人員提供養護事件展示。

4.6 移動、電腦端運維

平臺可在移動端設備或個人電腦上運行，保證養護人員可以在外隨時使用現場故障上報、故障處理過程記錄、定位、工作打卡、工單實時填報、知識庫查詢、設備信息查詢等功能。例如，使用移動端攝像頭掃描設備二維碼實現快速盤點；處理工單可通過移動端拍攝視頻、圖片作為附件上傳到平臺，交由領導審批。移動端運維App如圖7所示。

5 系統實施與使用過程的注意事項

（1）實施階段要有切合實際的實施方案，要與使用方在基礎數據采集錄入方面密切配合。臺賬分類與編碼標準要準確，盡量不產生歧義；設備臺賬清理和設備標記工作量大，但要保證質量，否則會影響平臺的使用效率。

（2）合理選擇設備狀態參數和指標。設備狀態基礎數據、養護過程基礎數據收集后，關聯提取相關信息，通過設備狀態評價模型形成設備畫像。模型主要有參數和指標兩個層次，參數是指需要的數據類別；指標是指該數據類別人為設定的有效閾值、性能閾值和告警閾值，有效閾值以內代表設備運行完好，性能閾值以內代表設備狀態下降但可接受，告警閾值范圍代表設備運行結果已不可接受和使用。

（3）應利用設備全周期壽命理論，合理選擇設備狀態預測參數和指標。選擇依據包括故障率/時間函數，設備殘值、運行維護費用和設備總費用的關系，折舊年限標準，廠家設備產品生命周期信息（包括停止銷售日、停止全面支持日、停止服務日）等。

（4）使用過程中，應轉變管理者和養護人員的思維習慣和流程習慣，遵守數據及時更新的工作要求。

（5）平臺的建設是一個動態的過程，不是在實施階段就結束，應從管理制度和平臺優化角度，對監測的覆蓋范圍及準確度、系統互通等方面進行定期檢查和優化。

6 結語

高速公路智能機電設備運維管理平臺仍有待優化改進和深入發展：目前有些設備因為無傳感器，無法正常監測其狀態；隨著科技發展，需采取更多元的方式采集數據；大部分設備以單一指標閾值產生性能和告警事件，在使用過程中存在一定的誤告警，需參考指標之間的關聯；已有數據中抽取出的關鍵數據過少，數據挖掘分析模塊無法有效提供輔助決策分析，有待優化；由于高速公路機電設備種類繁多、技術更新快，設備狀態評價模型的設計和改進工作量很大，設備狀態評價模型的優化也需要更多理論支撐與借鑒。此外，通信、電力、安防、國防等其他行業的理論也值得借鑒，例如通信行業的設備告警與性能監測理論以及軍事裝備保障領域的五性管理理論（可靠性、維修性、保障性、測試性、安全性）。

隨著高速公路機電設施技術狀況評定的普遍實施，機電設施智能化水平不斷提高，高速公路機電設備運維管理系統建設日益重要，復雜被動的定期人工評定正在轉變為高效的評定指標實時采集、即時分析。結合“監、管、治”理念，構建高速公路智能機電設備管理服務體系，可以實現預防性維護和主動式運維，從根本上提高設備養護效率，提升設備管理水平。