高速公路機(jī)電設(shè)備數(shù)字化管理關(guān)鍵技術(shù)研究

摘要 當(dāng)前高速管理機(jī)電設(shè)備管理還存在基礎(chǔ)信息不完善、管理效率低、未實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享等問題。為此，基于高速公路機(jī)電設(shè)備管理需求，文章研究高速公路機(jī)電設(shè)備數(shù)字化管理平臺，并在此基礎(chǔ)上，研究管理平臺的相應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)，旨在發(fā)揮平臺和關(guān)鍵技術(shù)的作用實現(xiàn)對高速公路機(jī)電設(shè)備全生命周期精細(xì)化管理，降低機(jī)電設(shè)備管理成本和難度，積極推動高速公路數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展。

關(guān)鍵詞 高速公路；機(jī)電設(shè)備；數(shù)字化；關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號 U418.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）07-0154-03

0 引言

現(xiàn)階段正是我國落實交通強(qiáng)國建設(shè)部署的關(guān)鍵時期，有關(guān)推動數(shù)字化和新基建的政策文件陸續(xù)出臺，在此背景下，我國高速公路業(yè)發(fā)展也從追求建設(shè)速度和規(guī)模轉(zhuǎn)變?yōu)楦幼⒅匾?guī)模效益，高速公路基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化、信息化和智慧化發(fā)展進(jìn)程不斷加快，智慧高速公路已經(jīng)成為推動我國交通強(qiáng)國建設(shè)的重要支撐[1]。智慧高速公路的建設(shè)，離不開大量信息化機(jī)電設(shè)備的應(yīng)用部署，也加快了高速公路信息采集、傳輸、監(jiān)控、管理等技術(shù)迅猛發(fā)展[2]，但同時也給高速公路運營管理單位在機(jī)電設(shè)備管理、維護(hù)、保養(yǎng)等方面帶來了巨大挑戰(zhàn)，實時掌握各類高速公路機(jī)電設(shè)備運行狀態(tài)、快速處理各類設(shè)備故障、做好設(shè)備預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工作，既是高速公路運營管理單位保障高速公路安全生產(chǎn)運營的需要，也是滿足社會發(fā)展、發(fā)揮高速公路經(jīng)濟(jì)和社會效益、不斷提高服務(wù)質(zhì)量、落實交通強(qiáng)國建設(shè)和的高速公路運營管理數(shù)字化轉(zhuǎn)型的必然要求[3]。

1 高速公路機(jī)電設(shè)備數(shù)字化管理挑戰(zhàn)

高速公路機(jī)電設(shè)備數(shù)字化管理是一項龐大、復(fù)雜且系統(tǒng)化的工作，目前我國大多數(shù)高速公路機(jī)電設(shè)備管理模式還停留在粗獷型管理模式[4]，普遍呈現(xiàn)紙質(zhì)化、片面化、救火時、斷面式等特征，這種管理模式往往需要大量的人力支持，且缺乏統(tǒng)一、高效的管理手段，雖然隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新一代信息技術(shù)不斷發(fā)展，國內(nèi)部分高速公路運營管理單位也開始陸續(xù)在部署高速公路機(jī)電設(shè)備管理系統(tǒng)，但多以電子臺賬、資產(chǎn)管理、工程項目管理為主，遠(yuǎn)未實現(xiàn)機(jī)電設(shè)備管理的數(shù)字化、數(shù)據(jù)化和智能化[5]，還存在著以下問題：

1.1 基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)不完善

現(xiàn)階段在高速公路運營管理方面，為了提升高速公路智慧化管理水平，各高速公路路段均使用了大量的機(jī)電設(shè)備，由于機(jī)電設(shè)備數(shù)字化管理起步較晚，設(shè)備基礎(chǔ)信息采集手段多以人工錄入為主，數(shù)據(jù)規(guī)模仍停留在小樣本數(shù)據(jù)階段，對設(shè)備基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)資源的掌握不全，缺乏統(tǒng)一的、精細(xì)化的高速公路機(jī)電設(shè)備基礎(chǔ)信息庫，高速公路機(jī)電設(shè)備管理人員對主要設(shè)備的管控，需要依靠人工巡檢結(jié)合電腦輔助完成，造成費時費力且數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確[6]。

1.2 設(shè)備管理效率低

高速公路機(jī)電設(shè)備管理理念仍停留于針對機(jī)電設(shè)備基礎(chǔ)管理，管理系統(tǒng)功能偏重于設(shè)備的出入庫、維修及損耗等方面，對機(jī)電設(shè)備數(shù)據(jù)分析應(yīng)用能力薄弱，總體的數(shù)字化水平不高，很難有效地提升現(xiàn)有高速公路機(jī)電設(shè)備管理效率[7]，需要實現(xiàn)從基礎(chǔ)管理向數(shù)字化管理轉(zhuǎn)變，從全生命周期維度實施高速公路機(jī)電設(shè)備的動態(tài)管理。

1.3 未實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享

高速公路機(jī)電設(shè)備管理信息化建設(shè)方面，高速公路運營管理單位都基于自身需求設(shè)計，未能做到資源共享，沒有形成全局及共享的意識，與已有收費系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等系統(tǒng)之間缺乏互聯(lián)互通，無法快捷地實現(xiàn)跨系統(tǒng)業(yè)務(wù)集成，難以體現(xiàn)已有機(jī)電設(shè)備數(shù)據(jù)價值。

2 高速公路機(jī)電設(shè)備數(shù)字化管理研究

2.1 管理需求

進(jìn)一步掌握高速公路機(jī)電設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，保障高速公路機(jī)電設(shè)備的穩(wěn)定運行，維護(hù)高速公路出行者的生命和財產(chǎn)安全，亟須在現(xiàn)有高速公路新建與改造過程中，研究高速公路機(jī)電設(shè)備數(shù)字化管理平臺，改變原有高速公路機(jī)電設(shè)備管理存在的“重建設(shè)、輕管養(yǎng)”問題，推動高速公路機(jī)電設(shè)備管理數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級，現(xiàn)階段高速公路機(jī)電設(shè)備數(shù)字化管理需求主要包括：

（1）建立高速公路機(jī)電設(shè)備數(shù)字化管理標(biāo)準(zhǔn)體系，為高速公路運營管理單位的機(jī)電設(shè)備管理工作提供一個客觀、嚴(yán)謹(jǐn)、可量化的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，以此有效指導(dǎo)高速公路機(jī)電設(shè)備管理、運營、維護(hù)工作，帶動高速公路機(jī)電設(shè)備管理工作從被動逐步走向主動，從依靠傳統(tǒng)經(jīng)驗管理走向數(shù)字化管理[8]。

（2）建立高速公路機(jī)電設(shè)備資產(chǎn)臺賬，通過對機(jī)電設(shè)備資產(chǎn)管理組織、資產(chǎn)分類、資產(chǎn)名稱等建立統(tǒng)一編碼、名稱標(biāo)準(zhǔn)，形成高速公路機(jī)電設(shè)備資產(chǎn)卡片信息，通過資產(chǎn)卡片全面記錄機(jī)電設(shè)備基本信息、使用及變動信息、權(quán)屬信息、權(quán)證信息、價值信息等，實現(xiàn)高速公路機(jī)電設(shè)備的統(tǒng)一化、精細(xì)化管理。

（3）健全高速公路機(jī)電設(shè)備信息共享機(jī)制，充分發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢，從高速公路長遠(yuǎn)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)入手，加強(qiáng)對設(shè)備運行情況的信息共享，支撐高速公路應(yīng)急指揮、運行監(jiān)測、通信保障等，為智慧高速建設(shè)提供數(shù)據(jù)保障。

2.2 高速公路機(jī)電設(shè)備數(shù)字化管理平臺

以全面化、精細(xì)化的高速公路機(jī)電設(shè)備管理模式為基礎(chǔ)，采用全壽命周期管理理念，綜合利用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)構(gòu)建統(tǒng)一的高速公路營運管理單位、政府監(jiān)管部門和設(shè)備維護(hù)企業(yè)等多方協(xié)同的高速公路機(jī)電設(shè)備數(shù)字化管理平臺，集機(jī)電前端智能感知設(shè)備，實現(xiàn)高速公路機(jī)電設(shè)備數(shù)據(jù)的智能采集，通過融合廠商數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對設(shè)備故障的自動檢測、及時報警和快速處置，進(jìn)而實現(xiàn)設(shè)備資產(chǎn)的全生命周期精細(xì)化、透明化管理。同時利用人工智能分析和大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，對積累的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘分析，形成多維度分析結(jié)果，實現(xiàn)對系統(tǒng)健康狀態(tài)、設(shè)備運行狀態(tài)、運維服務(wù)質(zhì)量、維護(hù)效率等的評價，并根據(jù)運維業(yè)務(wù)沉淀下來的知識經(jīng)驗，形成運維知識庫，指導(dǎo)運維工作的指揮與部署，進(jìn)行精細(xì)化的人員派工、備品備件管理等，解決高速公路機(jī)電系統(tǒng)“重建設(shè)、輕管養(yǎng)”的問題，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)護(hù)流與調(diào)度流的全面集成，達(dá)到以信息化支撐機(jī)電全業(yè)務(wù)，增強(qiáng)部門協(xié)同、增強(qiáng)業(yè)主單位與維護(hù)單位的協(xié)同，以數(shù)字匯聚、聯(lián)合分析，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資產(chǎn)化，推動業(yè)務(wù)數(shù)字化的發(fā)展，同時以數(shù)字驅(qū)動，預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的邁進(jìn)，強(qiáng)調(diào)實時控制、強(qiáng)化精細(xì)、精益管理和提高敏捷生產(chǎn)和高速反應(yīng)的機(jī)電養(yǎng)護(hù)作戰(zhàn)部隊能力建設(shè)[9]。根據(jù)高速公路機(jī)電設(shè)備管理需要，平臺總體架構(gòu)如圖1所示。

展示層：該層是平臺的最上層，也是平臺與用戶的交互層，通過可視化的用戶界面，實現(xiàn)高速公路機(jī)電設(shè)備管理信息瀏覽、與用戶的交互以及組織用戶請求，同時，該層還負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的輸入與數(shù)據(jù)表達(dá)等功能。

應(yīng)用層：該層是連接用戶展示層與其他底層的橋梁。它響應(yīng)來自用戶層的用戶請求，并將請求功能進(jìn)行分類，不同的功能被分配到不同的連接中，實現(xiàn)應(yīng)用程序?qū)Σ煌瑪?shù)據(jù)構(gòu)件的調(diào)用，同時給用戶服務(wù)層返回執(zhí)行結(jié)果。

支撐層：該層主要是為平臺功能實現(xiàn)提供支撐，并縮短開發(fā)工期，包括：工作流引擎、搜索引擎、日志管理、配置管理與中間件等。

數(shù)據(jù)層：該層是平臺的核心層，為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)支撐，同時，通過構(gòu)建數(shù)據(jù)交換共享平臺，可以讓平臺數(shù)據(jù)與外部系統(tǒng)之間互聯(lián)互通，支撐高速公路應(yīng)急指揮、運行監(jiān)測、通信保障等。

基礎(chǔ)層：該層主要包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、硬件設(shè)備、存儲設(shè)備、安全設(shè)備以及服務(wù)器等，通過該層實現(xiàn)平臺集約化部署建設(shè)。

3 高速公路機(jī)電設(shè)備數(shù)字化管理關(guān)鍵技術(shù)

3.1 智慧化協(xié)同管理技術(shù)

在高速公路機(jī)電設(shè)備營運管理中，通過數(shù)字化管理平臺，實現(xiàn)對機(jī)電設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測與控制，保障機(jī)電設(shè)備的正常運行，降低設(shè)備故障發(fā)生率，從而全面提升高速公路機(jī)電設(shè)備的運行質(zhì)量，避免因高速公路機(jī)電設(shè)備故障對道路交通造成影響[10]。所以，在高速公路機(jī)電設(shè)備數(shù)字化管理過程中，需要應(yīng)用智慧化協(xié)同管理技術(shù)，綜合利用智能傳感器、RFID電子標(biāo)簽、紅外感應(yīng)器、定位系統(tǒng)、激光掃描器等，實時采集設(shè)備運行監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)中心，進(jìn)而實現(xiàn)對高速公路機(jī)電設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障情況信息的統(tǒng)一智能感知，支撐高速公路機(jī)電設(shè)備全生命周期管理，逐步實現(xiàn)養(yǎng)護(hù)工作的統(tǒng)一管理標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、透明化、專業(yè)化和精細(xì)化，提升運維作業(yè)效率，提高運維管理水平，降低運維綜合成本。高速公路機(jī)電設(shè)備智能化協(xié)同管理流程如圖2所示。

3.2 大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)

為滿足高速公路機(jī)電設(shè)備智能化管理需求，需要平臺具備相應(yīng)數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)分析能力，為此，需融合數(shù)據(jù)中臺架構(gòu)思維，借助數(shù)據(jù)中臺強(qiáng)大的數(shù)據(jù)模型構(gòu)建能力，實現(xiàn)高速公路機(jī)電設(shè)備采集數(shù)據(jù)匯聚和模型化存儲，借助人工智能算法模型分析能力實現(xiàn)數(shù)據(jù)的深度挖掘分析，通過場景應(yīng)用接口的開發(fā)為機(jī)電設(shè)備運行監(jiān)測、養(yǎng)護(hù)巡檢等應(yīng)用工具提供數(shù)據(jù)支撐，實現(xiàn)高速公路機(jī)電設(shè)備的統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集管理、統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心管理、統(tǒng)一開放框架管理、數(shù)據(jù)治理、運維管理和可視化應(yīng)用展示，同時為機(jī)電運維業(yè)務(wù)的核心要素提供決策輔助，進(jìn)一步提升高速公路機(jī)電養(yǎng)護(hù)業(yè)務(wù)運營和管理決策效率，避免了因維護(hù)過程拖拉，工期延長所造成的經(jīng)營費用的損失，從而大大降低高速公路業(yè)主的營運成本，最終以達(dá)到以信息化支撐機(jī)電全業(yè)務(wù)，增強(qiáng)部門協(xié)同、增強(qiáng)業(yè)主單位與維護(hù)單位的協(xié)同，以數(shù)字匯聚、聯(lián)合分析，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資產(chǎn)化，推動業(yè)務(wù)數(shù)字化的發(fā)展。

3.3 機(jī)電設(shè)備故障診斷技術(shù)

由于公路機(jī)電設(shè)備規(guī)模大，每臺裝備設(shè)置的監(jiān)測點多，監(jiān)測參數(shù)采樣頻率高，設(shè)備在役時間長，形成了海量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的基于特征提取的故障診斷技術(shù)難以應(yīng)對海量數(shù)據(jù)的處理，無法滿足機(jī)電設(shè)備故障診斷與預(yù)測的需求。因此，依托龐大的設(shè)備資料數(shù)據(jù)庫、設(shè)備的常見故障記錄、使用年限和使用限制約束等實際應(yīng)用情況，通過建構(gòu)智能機(jī)電設(shè)備故障診斷模型，結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法，對于機(jī)電設(shè)備故障模型進(jìn)行訓(xùn)練，進(jìn)一步提高模型精度，提升機(jī)電設(shè)備故障設(shè)備準(zhǔn)確性，及時掌握高速公路機(jī)電設(shè)備的運行狀況，當(dāng)機(jī)電設(shè)備發(fā)生故障或疑似故障時能第一時間發(fā)出預(yù)警信息，通過平臺告知維護(hù)人員快速處理，極大地保障了高速工機(jī)電設(shè)備運行穩(wěn)定、安全、可靠，有效規(guī)避了傳統(tǒng)模式下設(shè)備發(fā)生事故后采取應(yīng)急措施的被動局面[11]；同時，基于海量設(shè)備故障信息數(shù)據(jù)，還可以幫助交通管理部門在設(shè)備選型以及為設(shè)備生產(chǎn)商進(jìn)行設(shè)備改良提供數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)語

當(dāng)前我國高速公路建設(shè)正進(jìn)入“數(shù)字化轉(zhuǎn)型”發(fā)展的關(guān)鍵時期。高速公路機(jī)電設(shè)備管理是高速公路數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展的重點也是難點。后高速時代，高速公路機(jī)電設(shè)備信息化管理平臺的建設(shè)必不可少。該文針對當(dāng)前高速公路機(jī)電設(shè)備管理需求，研究高速公路數(shù)字化管理平臺，分析了該平臺總體架構(gòu)情況，再開展了該平臺的關(guān)鍵技術(shù)研究，該平臺的提出將有助于實現(xiàn)對機(jī)電設(shè)備全生命周期精細(xì)化管理，降低機(jī)電設(shè)備管理成本和難度，滿足了高速公路運營管理單位對機(jī)電設(shè)備的科學(xué)管理需求。

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