物聯(lián)網(wǎng)支持下的高速公路機電智能化管控系統(tǒng)應(yīng)用

柯永雄

（新大陸數(shù)字技術(shù)股份有限公司，福建福州 350001）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展，在多數(shù)行業(yè)均有著不容忽視的作用。具體至高速公路機電管控領(lǐng)域，存在管控對象多、復(fù)雜度高、管控難度大等特殊性，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在其中具有適用性，能夠?qū)C電設(shè)備碎片化信息匯總至一體，實現(xiàn)針對沿線全體機電設(shè)備的全方位管控。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)視域下的機電設(shè)備管控系統(tǒng)建設(shè)存在諸多技術(shù)細節(jié)，值得工程技術(shù)人員圍繞技術(shù)應(yīng)用要點做深入的探討。

1 管控系統(tǒng)的技術(shù)路線

考慮到高速公路機電設(shè)備管控高效、高質(zhì)量、低成本等多方面的要求，將智能化作為管控系統(tǒng)的重點建設(shè)目標(biāo)，為此采用物聯(lián)網(wǎng)、云計算技術(shù)，按照“監(jiān)測—分析—處理—復(fù)核”的流程運作，發(fā)揮出數(shù)據(jù)的參考價值，有效管控高速公路機電設(shè)備。

1.1 監(jiān)測

依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改造機電系統(tǒng)，建立指標(biāo)模型，實行數(shù)字化監(jiān)測方案，以多源、多維度的方式獲取機電設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)智能化的日常監(jiān)測和分析，基于所得數(shù)據(jù)生成可反饋系統(tǒng)運行狀態(tài)的報告，遇到指標(biāo)超限的問題立即發(fā)出預(yù)警、盡快處理。

1.2 分析

經(jīng)過監(jiān)測后發(fā)現(xiàn)問題，后臺技術(shù)人員結(jié)合監(jiān)測信息做遠程診斷，明確問題的類型、影響程度、誘發(fā)原因，生成解決方案。根據(jù)分析結(jié)果生成事件工單，有序推進處理、復(fù)核等后續(xù)的工作。

1.3 處理

以問題的實際特點為準，選擇應(yīng)用效果好、效率高和成本低的解決方法。

（1）需要現(xiàn)場解決的問題。后臺技術(shù)團隊為現(xiàn)場處理提供技術(shù)指導(dǎo)，由現(xiàn)場養(yǎng)護單位負責(zé)問題的處理。

（2）需要遠程解決的問題。關(guān)鍵參與主體為后臺技術(shù)團隊，為保證問題得到有效的處理，需得到現(xiàn)場養(yǎng)護單位的配合。

（3）需要由廠家解決的問題。后臺技術(shù)支持團隊組織此類問題的處理工作，與故障機電設(shè)備對應(yīng)的廠家取得聯(lián)系，安排返廠處理，盡快恢復(fù)正常運行狀態(tài)。

1.4 復(fù)核

發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題后，后臺技術(shù)支持團隊?wèi)?yīng)加強檢驗，確保無誤。基于問題處理全過程中的各項信息生成知識庫，作為后續(xù)機電設(shè)備管理的參考，持續(xù)提高工作水平。對于遺留問題，需要安排專項處理。

2 管控系統(tǒng)總體架構(gòu)

以云原生中間件和大數(shù)據(jù)中間件技術(shù)為核心，建立數(shù)字監(jiān)測與運行支撐平臺，結(jié)合高速公路前端業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的需求進行功能的開發(fā)，提高可共享、可重用的業(yè)務(wù)服務(wù)能力，縮短前端交付時間，減少由于重復(fù)建設(shè)而引起的資源消耗量。系統(tǒng)總體技術(shù)架構(gòu)包含3 個部分。

（1）展現(xiàn)層。有Web 端、移動應(yīng)用、大屏展示多項功能，主要在于為用戶展現(xiàn)前端數(shù)據(jù)。

（2）業(yè)務(wù)層。微服務(wù)架構(gòu)，如：監(jiān)測中心、數(shù)據(jù)分析中心、數(shù)據(jù)管理中心、運維支持中心等。

（3）中心支撐系統(tǒng)。具備接入功能，如對接路運一體化平臺、路段數(shù)字監(jiān)測平臺、機電運維管理平臺等，全方位匯總運維信息，以便深入發(fā)掘信息蘊含的價值。

3 管控系統(tǒng)的主要功能

運行監(jiān)測、工單管理、遠程技術(shù)支持、系統(tǒng)管理、大數(shù)據(jù)分析改進等是管控系統(tǒng)的主要功能。

3.1 運行監(jiān)測

機電系統(tǒng)運行期間產(chǎn)生一系列的狀態(tài)信息，由數(shù)據(jù)傳輸接口匯集此部分。構(gòu)建并應(yīng)用分析模型，提取關(guān)鍵指標(biāo)，采取強化監(jiān)測措施，若被測指標(biāo)的實際值超出許可范圍，或偏差未超限但存在異常波動，將及時展現(xiàn)告警信息，推送給終端用戶，使工作人員掌握最新的機電系統(tǒng)運行狀態(tài)信息。

機電智能化管控系統(tǒng)全面監(jiān)測包含ETC 門架、收費站在內(nèi)的各類設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，匹配篩選功能，可根據(jù)時間、路段等條件篩選出特定的數(shù)據(jù)，也可點擊查看收費車道/ETC 門架數(shù)據(jù)詳情。平臺帶有指標(biāo)監(jiān)測預(yù)警規(guī)則，支持列表模式和GIS 模式的監(jiān)控，聯(lián)合采用倒切比雪夫法、經(jīng)驗法則，實現(xiàn)對監(jiān)測對象的及時判斷，若指標(biāo)發(fā)生異常則立即預(yù)警。

基于指標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)測也是智能化管控系統(tǒng)的重要功能，此方面采用到ARMA/ARIMA 時間序列模型，著重預(yù)測潛在的性能惡化風(fēng)險，以便在源頭上采取預(yù)防性養(yǎng)護措施。通過AI算法的應(yīng)用，自動監(jiān)測非結(jié)構(gòu)化的監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)。聯(lián)合采用卷積算法、差分算法，對比分析樣本圖像像素點和視頻圖像像素點，明確兩者存在的差異，識別異常事件，提供自動監(jiān)測預(yù)警功能。

3.2 工單管理

工單包含熱線工單、專項工單、故障工單，以工單形式進行信息登記、全程閉環(huán)管理，對人工發(fā)現(xiàn)的故障進行登記處理，同時也可以實行智能化的工作模式，一鍵建單跟進。為明確工單管理的特點，以故障處理為例展開分析。

系統(tǒng)提供工單的閉環(huán)管理功能，重點環(huán)節(jié)在于“登記—受理—處理—復(fù)核—評價—更新知識庫”，流程的運作具有秩序性。隨著知識庫的更新，閉環(huán)處理水平將持續(xù)提高。

（1）工單登記：考慮到故障匯報便捷性的要求，除熱線電話外還聯(lián)合應(yīng)用到移動應(yīng)用和互聯(lián)網(wǎng)Web 技術(shù)，由故障報告人員根據(jù)實際需求做合理的選擇。同時登記方式也具有豐富性，包含常見問題關(guān)鍵詞聯(lián)想、告警關(guān)聯(lián)等。

（2）問題處理：關(guān)鍵功能在于遠程調(diào)取日志、AI 智能診斷與定位、視頻資料輔助分析等；提供問題管理功能，以便針對遺留的問題采取強化處理措施；確定問題解決的時間，力爭在短時間內(nèi)妥善處理問題。

3.3 遠程技術(shù)支持

遠程巡檢、軟件版本管理、知識庫管理等均屬于遠程技術(shù)支持的功能范疇。

（1）遠程巡檢。以物聯(lián)網(wǎng)支持下的智能化方向進行遠程巡檢功能的開發(fā)，包含無人機、視頻巡邏車等多種方法，基于檢查數(shù)據(jù)生成巡檢報告，便于及時發(fā)現(xiàn)問題以及處理問題。

（2）軟件版本管理。制訂軟件開發(fā)計劃，滿足開發(fā)需求，做好版本發(fā)布登記及自動下發(fā)升級兩項工作，軟件版本更新迭代，提高運行水平。

（3）知識庫管理。采集故障數(shù)據(jù)，生成故障特征數(shù)，確定存在的故障類型、特征及相配套的解決方案。向故障工單中提取特征詞，匹配問題特征和故障特征，確定最具可行性的問題解決方案。以P（A/B）為例，反映的是故障工單存在特征詞集B 時A 方案可行的概率，具有“P（A/B）=P（B/A）P（A）/P（B）”的關(guān)系。

3.4 大數(shù)據(jù)評估與改進

專題數(shù)據(jù)分析及展示主要涉及系統(tǒng)性能、養(yǎng)護成效、軟硬件運行狀態(tài)等方面。通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的應(yīng)用，生成多維度分析報告，從設(shè)備質(zhì)量、維護效率等多個方面做系統(tǒng)性的評估。

3.4.1 系統(tǒng)運行狀態(tài)評估

統(tǒng)計軟件正常率、硬件設(shè)備正常率、兜底費率正常率等關(guān)鍵指標(biāo)，對比分析各項指標(biāo)與設(shè)定值的差異，縱向分析同一指標(biāo)在不同時間段的變化，明確指標(biāo)異常的路段，針對此路段存在的問題進行處理。從機電子系統(tǒng)的特性出發(fā)，基于層次分析法建立綜合評價模型，更快速、更精準地鎖定不達標(biāo)的子系統(tǒng)。

3.4.2 硬件性能評估

統(tǒng)計關(guān)鍵設(shè)備的性能指標(biāo)、故障率、各品牌硬件設(shè)備的穩(wěn)定性等，綜合多項信息，對硬件的整體性能做客觀評估。通過假設(shè)檢驗算法的應(yīng)用，判斷設(shè)備的指標(biāo)、路段系統(tǒng)工作狀態(tài)、系統(tǒng)優(yōu)化效果等方面是否達到預(yù)期，著重判斷存在的問題，以便更具有效性地開展系統(tǒng)優(yōu)化、設(shè)備采購等后續(xù)的工作。

3.4.3 設(shè)備使用年限與故障率分析

依據(jù)相關(guān)系數(shù)評估設(shè)備的耐久性，并重點判斷設(shè)備的使用年限；對比分析各類型設(shè)備的故障率相關(guān)關(guān)系。在掌握設(shè)備運行的基本特性后，在設(shè)備使用一段時間后評估故障率，根據(jù)評估結(jié)果妥善安排設(shè)備的選型、換新，確保投入使用的設(shè)備均有效。

4 管控系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

高速公路機電智能化管控系統(tǒng)在試運行過程中表現(xiàn)良好，能夠主動監(jiān)測機電系統(tǒng)問題，并針對存在的問題及時向特定的用戶群體推送告警。試運行期間，機電系統(tǒng)的疑難問題在專項研判后得到妥善的處理，故障產(chǎn)生的不良影響得到抑制，高速公路保持安全可靠的運營狀態(tài)。

（1）運維效率高、成本低。隨著高速公路收費模式的轉(zhuǎn)變，對收費管理人員的要求逐步提高，人才匱乏的問題較為棘手，同時為各路段配備專業(yè)技術(shù)人員將存在成本投入高的問題。在建立高速公路機電智能化管控系統(tǒng)后，充分發(fā)揮出物聯(lián)網(wǎng)及其他前沿技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，建立集約化的運維模式，實現(xiàn)人才復(fù)用，以較低的人力資源投入和成本投入來推動機電設(shè)備管理工作的開展，機電系統(tǒng)可穩(wěn)定運行，具有提質(zhì)增效的效果。

（2）增強體驗感。車道系統(tǒng)運行狀況可利用系統(tǒng)綜合評價模型進行全面的評價，精準鎖定機電系統(tǒng)不合格的指標(biāo)以及對應(yīng)的部位，針對現(xiàn)狀提出優(yōu)化建議，經(jīng)過工作人員的優(yōu)化后，有效恢復(fù)車道的性能。得益于高速公路機電智能化管控系統(tǒng)的應(yīng)用，性能優(yōu)良的ETC 車道比例持續(xù)提高。

（3）發(fā)展智慧交通。在高速公路機電智能化管控系統(tǒng)的應(yīng)用中，聯(lián)合采用物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、AI 等前沿技術(shù)，集多項技術(shù)的優(yōu)勢于一體，圍繞高速公路機電系統(tǒng)做全方位的數(shù)字化監(jiān)測，及時掌握系統(tǒng)運行狀況。對于各類高速公路機電系統(tǒng)的復(fù)雜化問題，也可及時發(fā)現(xiàn)、精準處理。在構(gòu)建分析模型后，能夠綜合評價機電系統(tǒng)軟硬件的性能，判斷在各時間段的具體表現(xiàn)，根據(jù)評價結(jié)果鎖定問題，進行預(yù)警、養(yǎng)護等后續(xù)的工作，提升機電系統(tǒng)的性能，為社會經(jīng)濟的發(fā)展和交通強國戰(zhàn)略的落實提供支持。

5 結(jié)束語

在高速公路車流量增加、道路交通負荷加重的環(huán)境下，促進高速公路機電管控系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級具有必要性，需要依托物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)以及各類硬件設(shè)施提高系統(tǒng)的智能化水平。加強日常監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷機電設(shè)備的運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)問題后及時處理，從源頭上保障機電設(shè)備的穩(wěn)定運行。實踐表明，在加強高速公路機電管控系統(tǒng)的建設(shè)后，將起到保障交通出行安全、增加經(jīng)濟效益多項效果，有利于社會經(jīng)濟的發(fā)展和交通強國戰(zhàn)略的落實。