基于智慧運維的高速公路機電設備研究與應用

郭津

摘要 為保證高速公路機電設備的高效運行，提升機電設備維護管理的及時性和可靠性，文章提出了一種基于信息化技術的智慧運維方案，通過介紹高速公路機電設備智慧運維過程中的信息采集系統組成，并從機電設備自動監測、Lora技術、專家系統技術、時序數據庫技術等方面出發，分析了高速公路機電設備智慧運維關鍵技術，指出該智慧運維平臺的基本架構與實現方式，從而為有關高速公路機電運維從業人員提供指導借鑒。

關鍵詞 高速公路；機電設備；智慧運維

中圖分類號 U418.7文獻標識碼 B文章編號 2096-8949（2023）10-0013-03

0 引言

隨著信息化技術的不斷發展，我國各行各業在機電設備管理方面陸續步入智能化[1-2]。高速公路運行過程中，通過對機電設備采取智慧化管理，可有效降低養護成本，在提高養護效果與機電設備使用壽命的同時，確保高速公路長期穩定運行[3]。在開展高速公路運維工作時，工作人員需要定期檢測機電設備運行狀態，獲取設備運行參數，針對性分析設備需要采取的維護措施。相比傳統機械性的運維管理模式，智能化的運維系統可快速定位機電設備運行存在的問題和故障[4]，并基于數據庫技術為維護工作提供可靠的策略與建議，有效提高維護效率和質量，從而推動高速公路機電設備運維工作的智慧化轉型。

1 信息采集系統的組成

為保證高速公路機電設備運維系統正常運行，信息采集系統能否有效運行十分關鍵。高速公路機電的信息采集系統主要由后端的中心平臺和前端的采集服務器組成。其中，前端采集服務器負責收集并匯總機電設備運行時產生的各項數據，然后輸送到接收模塊?？紤]處理的數據量和負荷相對較大，故實際運行中常會對前端采集服務器的數據整理后再傳輸到接收模塊消息隊列中，而后數據預處理模塊獲取數據信息，并針對設計要求對數據進一步處理，并將結果上傳至專家系統和Elasticsearch數據庫中。專家系統進一步分析數據并獲取報告，再上傳MySQL數據庫中并發送至用戶界面，供工作人員查看。

1.1 前端數據采集模塊

前端數據采集模塊主要用于收集高速公路機電設備運行數據并簡單處理，即在高速公路不同路段節點設置數據采集節點，采集設備運行一段周期后可自動收集機電設備運行數據，并將數據傳至接收模塊中。采集過程中，數據采集設備需每隔2 min左右發送一次心跳信息到接收模塊中，當接收模塊超過3個周期沒有接收信息時，則會調整該節點的運行狀態為連接中斷狀態，直至能穩定接收到該節點發送的心跳信息為止[5]。采集節點需將數據采集和整理后發送至信息中心平臺，如這一過程出現間斷，則中心平臺會修改采集節點為不可采集狀態，并通過運行終端對工作人員示警。

前端數據采集模塊的工作準則需在采集設備開始運行前進行后臺設計，明確規范，并訂閱消息隊列的運行規則信息。運行開始之初將采集設備和中心平臺配對連接，通過采集節點向采集中心發送信號，請求下載數據采集規則并儲存，作為后期模塊讀取依據。如由于各種原因影響而需調整采集規則，則需確保配置信息模塊能快速下載并讀取新的規則內容。系統運行中如出現中心平臺難以連接到前端采集節點，應將已采集的數據信息線下儲存，并在連接恢復后再次傳輸。數據傳輸工作需按照時間順序開展，即在信息傳輸過程中先上傳時間最接近當前的數據，并在上傳完成后銷毀，這樣的模式能確保信息傳輸安全。同時如果設備運行出現故障問題，也可以此為基礎判斷設備當前的運行狀態。通常，前端采集系統存儲數據時使用SQLite數據庫，可在降低存儲所需資源的同時提高數據兼容性，工作人員可通過不同機型電腦實現對數據的解讀和分析。

1.2 采集接收服務模塊

相較于作為前端的數據采集模塊，數據采集接收模塊屬于采集系統的后端，運行時有較多的并發請求，可能會導致采集接收模塊出現單點故障等問題。鑒于此，在系統架設時若僅設置一臺采集接收服務器，則極易出現接收服務器和中心平臺之間連接中斷的問題。為提升采集接收模塊處理量，通常會設置數臺服務器集群，并確保不同服務器之間均攤負荷，繼而提高數據處理量和接收效率，確保系統運行穩定性和安全性。設置該模塊時，可采用Nginx-Tomcat負載均衡并以Nginx作為反向代理服務器實現平衡負載[6]。Tomcat是適應于多平臺接入的Web應用服務器，其布局較為簡易，能實現多個服務器之間平衡荷載，開源代碼免費，目錄結構如表1所示。

2 機電智能設備運維關鍵技術

數據采集與接收模塊是高速公路機電設備采集系統的主要構成，也是后續搭建智慧運維結構的基礎。在高速公路機電設備智慧運維系統設置過程中，需在此基礎上綜合運用多種技術體系，如Lora、時序數據庫、專家系統等，具體種類如圖1所示。下面簡要闡述相應技術的應用。

2.1 機電設備自動監測技術

當前，我國高速公路安裝的機電設備總數不斷增加，如何統一機電設備安裝型號、參數等，成為機電設備運行管理工作中的重點考慮內容。研究表明，我國采用的機電設備中，有一部分能通過有線光纜網絡直連至高速公路專用網絡中，稱為直接聯網設備；也有部分屬于間接聯網設備，即能通過RS485、RS232等接口直接連接到配套網絡電子設備中；還有部分為未聯網設備，既不能連接到聯網設備中，也不能直接連接到專用網絡中。

高速公路機電設備中，最常用的設備為直接聯網設備，即能直接連接到高速公路專用網絡中，或借助有線光纜連接到網絡中。該種設備具體可劃分為日志類設備、標準化協議類設備和私有協議類設備。其中，私有協議類設備的接口需結合生產商接口文檔針對性設置；訪問標準化協議類設備時需通過標準協議，當前多數交換機等標準化協議類設備都可通過SNMP訪問；訪問日志類設備時則需采用Telnet/SSH等方式，訪問設備后可輸入所需指令。同時若設備內部已設置Syslog，則也可通過輸出并分析日志來獲取設備運行的實時信息[7]。

對于間接聯網設備，工作人員可通過網絡訪問設備內存、端口及分析日志等途徑，判斷機電設備狀態。而為獲取未聯網設備的運行數據，則需在設備前端配置數據采集終端，通過無線形式來獲取數據信息，并將信息發送至相應的分析平臺。

2.2 Lora技術

作為超遠距離無線電技術，Lora的應用基礎為擴頻技術，但在擴頻技術上進一步增強了數據傳輸的穩定性，降低了能耗并拓寬了傳輸距離。該技術在接收信號過程中，能結合信噪比的強弱來靈活選取擴頻因子，進而實現遠距離傳輸效果。該技術相比其他技術具有更強的適應性，應用環境要求和技術成本相對更低，因而被廣泛應用于高速公路機電設備運維系統中[8]。

Lora技術可通過傳感器來獲取機電設備當前的運行狀態信息，并通過Lora終端將數據發送到網關和遠端采集服務器中，從而完成對未聯網設備的在線監控。Lora技術的主要不足在于其運轉過程需要持續供電，雖自身能耗較小，大多采取電池供電即可滿足要求，但一旦遭遇斷電，則將導致運轉失效。當前部分Lora設備已可通過應用太陽能電池的方式維持供電，提高電量供應穩定性，確保設備能長時間保持正常運行狀態。Lora技術的基本運行模式如圖2所示。

2.3 專家系統技術

在機電設備出現問題時，專家系統技術的應用能幫助工作人員快速獲取設備檢修策略，結合前期設備運行過程中曾產生的問題及處理措施，快速精準確定設備問題出現的原因和位置，并通過智能診斷幫助工作人員獲取有效的解答策略，確保設備盡快回歸正常運行狀態。與此同時，專家系統每次解決問題時，也會同步將獲取的設備運行信息、設備運行故障原因和位置，以及采取的解答方案上傳至數據庫加以儲存，為后續相關維護工作的高效開展奠定基礎。專家系統在初期階段應用時，可能會由于數據庫存儲的知識種類不多、內容較少等原因，導致對故障分析的速度較慢、精準度不高。而該系統運行一段時間后，數據庫中儲存的故障原因、解決措施等都將得到積累與完善，應用性能逐漸提高，最終會形成設備運維工作的云數據庫。以此為基礎，系統可進一步通過語義分析技術來模糊匹配工作人員上傳的關鍵字內容，并快速定位相似故障問題發生的位置及原因。同時，專家系統還能實時分析設備運行實際情況并記錄設備狀態，一旦設備發生故障，則能直接定位設備出現問題的位置，并列出故障原因，為工作人員決策提供分析依據。除此之外，專家系統也能通過分析設備實時運行狀態，以推測的方式判斷設備繼續運行時可能會產生的故障，并通過終端預警的方式提示工作人員。

2.4 時序數據庫技術

在高速公路機電設備運維過程中，傳統的數據庫技術對成本、檢修水平提出了很高要求，需消耗大量的人工成本和經濟成本才能確保技術的有效應用。同時，傳統數據庫技術還存在十分顯著的時間屬性，即在集中頻繁寫入操作下，數據庫無法及時得到刷新。相較于傳統數據庫，時序數據庫的設計是基于時間維度索引展開的，因而結構較為簡潔，便于增加節點，且相應的檢修工作也較為簡單。在時序數據庫條件下，高速公路機電設備運行管理過程中采用的儲存數據庫通常為三節點Elasticsearch數據庫，應用數據的儲存形式為MySQL，通過該種方式能在18 s內實現50條以上的狀態信息寫入，具有較高的數據吞吐量。

3 平臺構建

3.1 平臺架構

結合前述技術設置智慧運維系統的管理平臺，其中主要包含6層。

（1）數據采集層。對機電設備進行基本管理，能獲取接入設備的狀態參數，確保后續運維管理有效性。

（2）基礎層。為平臺運行提供軟件運行環境。

（3）數據層。儲存機電設備運行生成的數據信息，包含運行數據和故障數據。

（4）業務支持層。整合管理應用組件。

（5）業務應用層。主要包含對維修效果的評價、日常養護計劃的制定、維修流程動態以及故障實時監測。

（6）Web服務層。作為操作平臺，為工作人員提供信息查詢服務。

3.2 平臺實現

結合上述智慧運維系統架構，將平臺劃分為設備狀態監控模塊、動態展示模塊、三維監控巡檢模塊和設備運維管理模塊。設備狀態監控模塊能結合設備運行參數信息，精準分析當前設備運行狀態，判斷是否發生故障并警告。動態展示模塊能通過道路網展示設備的位置、狀態等信息，幫助工作人員快速鎖定故障設備所在位置。三維監控巡檢模塊依托設備接口，在線監測關鍵設備狀態并采集心跳數據上報。設備運維管理模塊能記錄設備正常運行和故障信息的各項狀態數據，在設備故障后結合存儲數據，生成維護工單，輔助決策。

4 結語

該文分析了高速公路機電設備智慧運維系統的基本原理與關鍵應用技術，探究了機電設備智慧運維系統條件下的信息采集系統組成和架構。通過分析可知，智慧運維系統能通過時序數據庫技術、自動監測技術、專家系統技術及Lora技術等的針對性應用，實現對機電設備故障的快速定位及維修策略建議，有效提高故障排查效率和運維工作水平。

當前時代背景下，我國高速公路建設總里程仍在快速增加，機電設備配置的復雜性和應用要求不斷提高，相應對機電設備運維的管理要求也隨之提高。為此，需要相關工作人員和研究人員抓住信息化發展的轉型趨勢，在理論研究和工作實踐中做好數字化創新工作，推動高速公路機電設備智慧運維的深入發展。

參考文獻

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