物聯網技術在高速公路機電系統建設中的應用

洪春媛

摘要 當前，在高速公路機電工程管理過程中，對高速公路機電設備及系統穩定性和可靠性提出了更高的要求，隨著物聯網技術的飛速發展和廣泛應用，越來越多的行業開始意識到在提高機電設備運行質量方面的巨大潛力。文章以高速公路機電設備為研究對象，分析物聯網技術在高速公路機電系統建設中的應用。通過物聯網技術，實現對機電設備的遠程實時監測和診斷，從而提高設備運行的穩定性和高效性，以期能為高速公路機電管理提供有益的參考。

關鍵詞 物聯網技術；機電設備及管理；實時監測與診斷系統；機電管理

中圖分類號 U495文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）03-0192-03

0 引言

高速公路作為交通運輸的重要組成部分，其機電設備的穩定運行對保障道路正常運營起著至關重要的作用。然而，由于設備的大規模分布和復雜性，傳統的人工監測和維護方式已經無法滿足高速公路機電設備的要求。因此，引入新的技術手段，如物聯網技術，成為提高設備運行質量的關鍵。

1 物聯網的相關概述

1.1 物聯網的組成

隨著現代信息科學技術的迅速發展和網絡技術的持續提升，物聯網技術日益廣泛應用于社會各個領域。這種技術賦予每個物品獨特的編碼，實現了人與物、物與物之間的信息交換和共享，為人們智能化生活提供了強大的推動力。按照其技術特點，物聯網技術可以分為感知層、信息網絡層和應用層三個層次（架構如圖1所示）。

感知層作為物聯網技術的基礎，主要包括無線通信技術、傳感器技術和二維碼等手段，主要作用是負責完成相關信息的感知。感知層不僅起到了初始數據采集的作用，還為后續的數據處理和交互提供了基礎。信息網絡層作為物聯網技術的應用平臺和技術支撐，通過以太網、無線通信網絡和移動網絡等傳輸相關信息數據。信息網絡層承擔著數據傳輸的關鍵角色，能夠確保信息的實時性和準確性，從而為應用層提供穩定可靠的數據來源。應用層則通過應用系統等信息交互平臺，實現對設備的智能化監測和管控，以實現人與物、物與物之間的智能化溝通。應用層將感知層和信息網絡層所收集的數據進行進一步處理和應用，為人們的生活和工作提供了智能化的解決方案。

物聯網技術通過三個層次，即感知層、信息網絡層和應用層的協同工作，實現了人與物、物與物之間的智能化連接和溝通，為社會各個領域提供了更為便捷、高效和智能化的服務[1]。

1.2 物聯網的關鍵技術

關鍵的物聯網技術包括RFID、傳感器技術、網絡節點技術和承載網技術。RFID技術是一種自動識別技術（EPC物聯網體系架構如圖2所示），通過無線通信方式實現設備與標簽之間的信息交互。RFID讀寫器將電能轉化為射頻信號發送給標簽，CPE標簽接收到射頻信號后將其轉化為電能來驅動標簽發送信息。物體EPC接收到標簽發送的載波信號后，將其上傳至系統服務器中，由服務器對接收到的載波信息進行分析和處理。傳感器技術作為物聯網這一虛擬技術與現實生活相互連接的重要紐帶，可以將人們在現實生活和工作中產生的信息轉化成一種電信號，并對電信號進行記錄、傳輸、處理、顯示以及控制等各個環節的操作。也可以說，傳感器技術是從物聯網技術演變而來的，對于物聯網技術的產生發揮著不容忽視的重要作用。

1.3 物聯網技術的優勢及特點

在高速公路機電系統的實時監測與診斷系統中，物聯網技術的應用可以大幅提升設備的安全性、可靠性和運營效率。具體來說，物聯網技術可以實現以下功能和優勢：

（1）設備狀態的實時監測。通過物聯網技術，可以實時監測設備的運行狀態、能耗情況、故障檢測等指標，幫助管理人員及時了解設備運行狀況。

（2）故障預警和維護。物聯網技術可以通過數據分析和算法預測設備的潛在故障，并提供相應的維護建議和計劃，及時解決設備問題，減少故障發生的風險。

（3）決策支持。物聯網技術收集和分析設備運行數據，為管理決策提供依據，幫助管理人員優化設備運行策略，提升運營效率。

（4）遠程監控和管理。通過物聯網技術，可以實現對設備的遠程監控和管理，無需人工實時巡檢，大幅節省人力成本，并能夠及時對設備進行響應和調控。

（5）服務質量和用戶體驗。物聯網技術可以通過實時監測設備的工作狀態和故障預警，提高服務質量和用戶體驗，減少用戶受阻和延誤的情況發生[2]。

2 物聯網技術在高速公路機電系統建設中的應用

2.1 無線信息數據傳輸回路設計

針對基于物聯網的機電設備實時監測與診斷系統的無線信息數據傳輸回路的設計，可以考慮使用ZigBee模塊SZ05進行傳輸。該模塊是一種嵌入式無線信息傳輸通信模塊，具有以下主要應用優勢：

（1）符合ZigBee協議標準，SZ05模塊集成了射頻收發器和微處理器，可以實現與其他ZigBee設備的互聯和通信。

（2）較遠的通信距離，SZ05模塊具有較遠的通信距離，可以支持大范圍的設備監測和數據傳輸。

（3）靈活的組網結構，SZ05模塊支持靈活的組網結構，可以實現多個設備之間的連接和數據傳輸，方便系統的建設和擴展。

（4）可靠性能，SZ05模塊具有穩定可靠的性能，能夠穩定地傳輸數據并保證數據的完整性和準確性。

2.2 數據可靠性檢測

（1）傳感器選擇。根據需要檢測的機電系統的特性，選擇適當的傳感器，如溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器等，借助這些傳感器以獲取準確的機電系統數據，確定合適的采樣頻率，以確保能夠捕捉到機電系統的實時變化。將采集到的數據記錄在計算機或其他數據記錄設備中，以便后續分析和處理。

（2）數據整理。去除異常值、缺失值和重復數據，以確保數據的準確性和可靠性。將采集到的數據轉換為統一的數據格式，以便后續數據處理和分析。根據機電系統的特性和檢測要求，將數據分類為不同的類別或屬性，如正常、異常、故障等。

（3）數據處理與分析。使用圖表、圖形等可視化工具將數據呈現出來，以便更直觀地觀察和分析機電系統的狀態和變化趨勢。通過數據挖掘技術，如聚類分析、關聯規則挖掘等，從大量數據中提取有價值的信息和知識，以支持決策和預測。根據采集到的數據和機電系統的特性，構建預測模型或分類模型，以實現對機電系統的智能監測和預警[3]。

2.3 車輛跟蹤管理及智能停車誘導

GPS技術和GIS技術在物聯網中的應用，對于健全服務區高效運作體系和完善車輛跟蹤管理模塊發揮著重要作用。可以提高交通跟蹤技術，全方位監測車輛運行狀態，并準確定位車輛的具體位置。它們在物聯網中的應用包括以下幾個方面：

（1）GPS定位系統：實時監控和定位車輛的位置；可以進行交通情況的實時監控，幫助管理者更好地了解路況，做出合理的調度和決策；可以應用于車輛導航系統，幫助車輛選擇最優路徑。

（2）GIS技術：結合地理信息系統，可以建立高速公路服務區的地理信息數據庫，實現對車輛和設施的空間分布和關聯關系的分析；可以通過地理信息系統，對用戶的位置信息進行標注和跟蹤，為用戶提供定位和導航服務；可以將地理信息與其他數據進行關聯，例如交通狀況、天氣狀況等，為管理者提供全面的數據支持，便于決策和規劃。

（3）無線傳感器網絡：收集車輛在行駛過程中產生的各類信息數據，并進行分析和計算；將分析和計算后的結果通過指定的系統傳輸到客戶端，實現對車輛信息的實時控制[4]。

2.4 AI邊緣設備網關

AI智慧邊緣網關是針對高速公路上設備種類多、廠商多、標準不一等問題提出的解決方案。其核心設計是邊緣計算模塊，通過采用統一的硬件設計標準和中間件，實現各種設備的統一接入和數據的標準化采集。邊緣計算模塊具備多種設備的融合分析計算能力和部分非標準化的邊緣計算能力，能夠在邊緣端實時分析設備的狀態。該AI智慧邊緣網關適用于高速公路的各個路段和設施點，例如龍門架、隧道、邊坡、橋梁和服務站點。能夠滿足智能配電、智能傳輸、智能化數據采集和智能分析等需求。具體來說，該網關可以實現以下功能：

（1）統一接入和標準化采集：通過網關，各種不同類型的設備可以通過統一的接口和標準進行接入，并實現統一的數據采集和處理。

（2）邊緣計算能力：邊緣計算模塊具備融合分析計算能力，能夠對多種設備（如攝像機、雷達、氣象站和車檢器等）進行分析計算。除此之外，還能提供部分非標準化的邊緣計算能力。

（3）實時分析：網關將設備的數據在邊緣端進行實時分析，可以快速識別設備狀態異常或故障，并及時采取應對措施。

通過這種AI智慧邊緣網關，可以解決高速公路上設備多樣性和不一致性帶來的問題，實現設備的統一接入和數據的統一處理。邊緣計算能力的應用可以提供更多智能化的功能和應用場景，提高高速公路管理的效率和精度。

2.5 系統架構設計

（1）數據庫是使用SQL Server將數據存儲在服務器上，主要用于儲存各類信息，包括機電設備的采購、維修以及保修等信息。這些信息可以確保對機電設備全生命周期的數據進行妥善地存儲和管理。

（2）終端設備用來為機電設備配備傳感器，以便采集設備的相關數據信息，并將其傳輸到管理平臺。這些終端設備可以是具有瀏覽器功能的PC機，其管理人員可以通過登錄系統獲取設備的保修信息以及運行狀態信息。

（3）WEB管理系統是采用BS架構進行編制的程序，它支持通過安裝了瀏覽器的PC設備進行登錄操作。工作人員可以通過管理App掃描設備的條形碼來獲取相關的設備數據信息，并據此開展維護工作。

（4）通過應用GIS技術，可以迅速進行定位，當設備出現故障時，工作人員能將圖像或其他信息傳輸到App上，從而優化機電設備的管理。這樣的系統架構能夠實現對機電設備的數據采集、存儲和管理，并且可以提供實時的設備狀態和運行信息，方便管理工作者進行維護和修復。通過利用物聯網技術，可以提高機電設備管理的效率和質量，降低運營和維護成本，提升整體管理水平。

3 物聯網技術的應用效果分析

在使用物聯網管理平臺對公路機電設備進行管理時，可以實現以下方面的成本節約和服務質量提升：

3.1 資產管理成本降低

通過物聯網技術，設備資產數據可以實時上傳至管理平臺，實現設備數據的實時更新和詳細了解。這不僅有助于企業全面掌握設備的使用情況和狀態，還可以及時發現潛在問題，減少資產損失。基于物聯網平臺的數據分析，企業可以更加精準地制定維護計劃，有效提升設備維護的成本效益。在傳統模式下，設備維護通常依賴人工巡檢和維修，不僅效率低下，還可能因為人為因素導致維護不及時或維修不徹底。而物聯網平臺可以實時監測設備的運行狀態，提前預警潛在問題，實現精準維修，大大減少維修車輛的行駛里程和節省燃油成本。此外，物聯網平臺還可以實現設備的遠程監控和管理，降低設備管理成本，提高管理效率。總體來看，通過物聯網技術的應用，企業可以實現設備資產的全面掌控和有效維護，降低設備管理成本和維修成本，提高設備使用效率和資產價值，真正做到“降本增效”。

3.2 提升維修效率

物聯網管理平臺在機電設備的維修管理中發揮著重要的作用。通過實時收集和分析設備的數據，平臺可以提供全面、準確、及時的信息，幫助企業深入了解設備的性能狀態。這種智能化的管理方式不僅提高了維修的精準度，更降低了維修成本。通過對設備數據的實時監測和分析，可以快速定位故障的位置和原因，提前預警潛在的故障，避免設備在運行中出現問題，提高設備的穩定性和可靠性。物聯網管理平臺還可以提供全面的設備使用和維護記錄，方便企業進行設備管理和維護。這種智能化的維修方式不僅提高了維修效率，降低了維修成本，也延長了設備的使用壽命，為企業帶來了更多的收益。

3.3 提升管理服務質量

可以通過實時監測和分析機電設備的運行狀態，及時發現和修復問題，確保設備的正常運轉，提高設備的完整性和可靠性，從而保障收費站的正常運行。物聯網平臺的應用還可以提供更優質的服務，為駕駛員和用戶帶來更好的體驗。它可以通過智能化手段，提高服務效率和質量，為用戶提供更加便捷、高效、安全的通行體驗。例如，通過物聯網平臺，駕駛員可以實時了解收費站的交通情況、車流量等信息，選擇合適的通行路線，減少堵車和等待時間。物聯網平臺還可以為企業提供更準確、及時的數據分析和管理，幫助企業優化管理流程和決策制定。通過對設備數據和性能的分析，可以預測設備的使用壽命和維修需求，提前預警潛在問題，避免設備在運行中出現問題，提高設備的穩定性和可靠性。

4 結語

綜上所述，該文分析了物聯網技術在高速公路機電設備實時監測與診斷系統中的應用前景。通過物聯網技術，可以實現遠程實時監測和診斷，提高設備的穩定性和高效性，這對于高速公路機電管理具有重要的意義。盡管如此，仍需進一步研究和探索如何將物聯網技術與高速公路機電管理相結合，才能實現更好的效果和效益。

參考文獻

[1]任光遠. 基于物聯網的高速公路機電系統運維管理體系研究[J]. 工程建設與設計， 2021（20）： 108-110.

[2]張昊. 高速公路聯網機電系統運維管理體系研究與探討[J]. 數據通信， 2021（2）： 52-54.

[3]謝黎. 基于信息化的高速公路機電系統運維管理體系探析[J]. 中國交通信息化， 2020（5）： 26-28.

[4]李帥. 高速公路聯網機電系統運維管理體系探討[J]. 設備管理與維修， 2018（20）： 29-30.