大數(shù)據(jù)背景下的高速公路機電系統(tǒng)數(shù)字監(jiān)測與運維

付毅恒

摘 要： 為解決高速公路機電設(shè)備運行期間的數(shù)據(jù)整合、管理流程復(fù)雜問題，還需應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)，建立運維、監(jiān)測一體化的管理平臺，提升高速公路機電系統(tǒng)運維管理效率。因此，結(jié)合高速公路機電系統(tǒng)的特點，分析了高速公路機電系統(tǒng)數(shù)字監(jiān)測與運維的具體思路，借此促進(jìn)高速公路機電運維管理系統(tǒng)的升級，完善高速公路機電系統(tǒng)監(jiān)測管理機制，為智慧公路的建設(shè)打好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 大數(shù)據(jù) 高速公路 機電系統(tǒng) 數(shù)字監(jiān)測

中圖分類號： TP393文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 1679-3567（2024）01-0012-04

近年來，高速公路機電系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，設(shè)備數(shù)量、類型增多，傳統(tǒng)機電系統(tǒng)運維、監(jiān)測手段已經(jīng)無法滿足系統(tǒng)需求。因此，高速公路機電系統(tǒng)應(yīng)引進(jìn)大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)，促進(jìn)系統(tǒng)運維管理的智慧化、數(shù)字化發(fā)展，用更先進(jìn)的技術(shù)方案，有效監(jiān)測、管理高速公路機電系統(tǒng)，使其長期處于安全、穩(wěn)定運行狀態(tài)，保障高速公路運營的可靠性。

1 高速公路機電系統(tǒng)的特點

高速公路機電系統(tǒng)主要包括高速公路機電設(shè)備、機電設(shè)施，以及對應(yīng)機電設(shè)備設(shè)施相應(yīng)管養(yǎng)的軟件系統(tǒng)，具體特征如下。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化

大數(shù)據(jù)背景下，高速公路信息化、數(shù)字化水平提升，機電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)逐漸復(fù)雜，系統(tǒng)中的設(shè)備設(shè)施涉及的專業(yè)領(lǐng)域非常廣泛[1]。例如：高速公路機電系統(tǒng)包括通信、收費、監(jiān)控、配電、照明、隧道通風(fēng)等子系統(tǒng)，各個系統(tǒng)涉及的專業(yè)包括物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)、交通專業(yè)、機電專業(yè)、影音技術(shù)等。

1.2 機電設(shè)備運維專業(yè)性強

高速公路機電設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)、技術(shù)方案較為復(fù)雜，日常管理、維修對技術(shù)人員的要求高，需要掌握專業(yè)的維修技術(shù)，以處理機電系統(tǒng)中視頻監(jiān)控、通風(fēng)照明、自動化控制等設(shè)備的故障問題，定期保養(yǎng)設(shè)備，使設(shè)備處于最佳運行狀態(tài)。

因此，需要采用更智慧、更高效的機電系統(tǒng)監(jiān)測、運維手段，全方位地管控高速公路機電設(shè)備，保障機電系統(tǒng)運維管理質(zhì)量，提升高速公路機電設(shè)備養(yǎng)護(hù)、檢修效率。同時按照高速公路網(wǎng)絡(luò)中新建路段接入、運維管理新需求對傳統(tǒng)運維管理系統(tǒng)進(jìn)行一體化改造，使其技術(shù)框架、功能模塊、建設(shè)規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)計滿足新時期機電系統(tǒng)運維管理智慧化、自動化的基本要求。

2 機電系統(tǒng)數(shù)字監(jiān)測與運維思路

大數(shù)據(jù)背景下，高速公路機電系統(tǒng)的數(shù)字監(jiān)測與運維目標(biāo)是提升機電設(shè)備運維效率、實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測可視化、運維操作規(guī)范化、運維監(jiān)測數(shù)據(jù)共享等。相關(guān)人員可以大數(shù)據(jù)技術(shù)為核心，采用數(shù)字化監(jiān)測手段，建立可支持機電系統(tǒng)穩(wěn)定運行的運維管理平臺，平臺功能是以“機電系統(tǒng)監(jiān)測→設(shè)備故障分析→機電設(shè)備故障處理→故障、監(jiān)測信息復(fù)核”為基礎(chǔ)，形成標(biāo)準(zhǔn)化、閉環(huán)運維管理程序[2]。

具體來說，整合原有高速公路機電管理平臺，建立運維一體化的檢測、運維評語，在線監(jiān)測機電系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備、實時采集機電系統(tǒng)運維數(shù)據(jù)，同時提供智能分析服務(wù)。該數(shù)字監(jiān)測與運維平臺的總體架構(gòu)是以大數(shù)據(jù)技術(shù)為核心，融合物聯(lián)網(wǎng)、微服務(wù)器技術(shù)，按照高速公路機電系統(tǒng)業(yè)務(wù)場景分析系統(tǒng)運維、監(jiān)測需求，使系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計符合機電系統(tǒng)管理需求，平臺結(jié)構(gòu)包括業(yè)務(wù)服務(wù)層、顯示層、數(shù)據(jù)應(yīng)用層、中心支撐系統(tǒng)。

（1）顯示層是為機電系統(tǒng)管理人員提供信息、數(shù)據(jù)顯示服務(wù)，包括移動終端顯示、大屏顯示、Web終端顯示等。（2）業(yè)務(wù)服務(wù)層包括機電系統(tǒng)實時監(jiān)測、故障風(fēng)險預(yù)警、運維支持、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)管理中心等。（3）中心支撐系統(tǒng)包括大數(shù)據(jù)技術(shù)模型、數(shù)據(jù)接入終端，可實現(xiàn)各個功能模塊的有效對接，匯集高速公路機電系統(tǒng)運維管理時的信息數(shù)據(jù)，從技術(shù)層面支持機電系統(tǒng)的運維管理[3]。（4）數(shù)據(jù)應(yīng)用層包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)應(yīng)用等架構(gòu)，是高速公路機電系統(tǒng)中大數(shù)據(jù)技術(shù)的主要應(yīng)用場景。

3 機電系統(tǒng)數(shù)字監(jiān)測與運維平臺建設(shè)方案

3.1 技術(shù)框架

以大數(shù)據(jù)技術(shù)為支持的數(shù)據(jù)監(jiān)測與運維平臺是圍繞機電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行的目標(biāo)，將數(shù)據(jù)處理作為平臺的核心功能，應(yīng)用REID、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)自動化處理、數(shù)據(jù)庫等大數(shù)據(jù)技術(shù)，以及物聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，支持高速公路機電系統(tǒng)數(shù)字運維、數(shù)字監(jiān)測服務(wù)功能，維持平臺的運行與管理，如圖1所示。結(jié)合平臺框架結(jié)構(gòu)，該平臺具體包括數(shù)據(jù)采集、設(shè)備位置分析、機電設(shè)備數(shù)據(jù)預(yù)警、機電設(shè)備監(jiān)測信息處理、機電系統(tǒng)運維決策支持、設(shè)備供應(yīng)商管理、設(shè)備電子地圖監(jiān)控等服務(wù)。

3.2 平臺功能設(shè)計

3.2.1 數(shù)據(jù)采集

應(yīng)用REID技術(shù)、無線通訊設(shè)備識別高速公路機電系統(tǒng)的設(shè)備標(biāo)簽，設(shè)備上提前安裝REID射頻標(biāo)簽，使平臺能夠讀寫相關(guān)設(shè)備信息，采集相關(guān)數(shù)據(jù)。基于大數(shù)據(jù)技術(shù)，平臺可根據(jù)機電設(shè)備的統(tǒng)一編碼規(guī)則為設(shè)備制作“身份標(biāo)識”二維碼，用于后期的機電系統(tǒng)監(jiān)測、運維。除去采集設(shè)備型號、位置、供應(yīng)商、生產(chǎn)商、出廠日期等基礎(chǔ)信息外，還能夠采集設(shè)備入庫、報廢全過程的運行數(shù)據(jù)，及時向平臺反饋所需的信息資源[4]。

另外，高速公路機電系統(tǒng)數(shù)字監(jiān)測、運維所需的數(shù)據(jù)還包括設(shè)備設(shè)施數(shù)據(jù)、養(yǎng)護(hù)維修數(shù)據(jù)、設(shè)備運行數(shù)據(jù)、管理組織數(shù)據(jù)、構(gòu)筑物數(shù)據(jù)等。（1）平臺功能模塊會自動監(jiān)測交通運輸行業(yè)的數(shù)據(jù)資源，采集構(gòu)筑物數(shù)據(jù)，由系統(tǒng)自動錄入、管理人員手動錄入數(shù)據(jù)庫內(nèi)。（2）設(shè)備設(shè)施數(shù)據(jù)是在機電系統(tǒng)建設(shè)時，根據(jù)項目資料匯總設(shè)備安裝、設(shè)施建設(shè)數(shù)據(jù)，便于后期生成機電系統(tǒng)專題地圖。（3）平臺可按照設(shè)備電子信號、身份標(biāo)識采集設(shè)備運行數(shù)據(jù)。（4）管理組織數(shù)據(jù)則是在系統(tǒng)運維過程中由專業(yè)管理人員錄入。（5）養(yǎng)護(hù)維修數(shù)據(jù)需要在機電系統(tǒng)運維管理后實時更新，包括人工錄入、設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)，實現(xiàn)機電設(shè)備全壽命周期管理。

3.2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集后，平臺應(yīng)用Linux、Docker、KVM、MySQL等大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)處理技術(shù)，整合數(shù)據(jù)資源，分類處理高速公路機電系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)歸類、交換時可依據(jù)交通運輸數(shù)據(jù)規(guī)范建立目錄體系，目錄生成后分別將數(shù)據(jù)存儲在設(shè)備運維數(shù)據(jù)庫、設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、養(yǎng)護(hù)維修數(shù)據(jù)庫內(nèi)，為平臺分析各項基礎(chǔ)數(shù)據(jù)打好基礎(chǔ)。

3.2.3 大數(shù)據(jù)分析

大數(shù)據(jù)分析是高速公路機電系統(tǒng)數(shù)字監(jiān)測、運維平臺的核心功能。平臺會采用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，建立機電系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型，分析機電設(shè)備設(shè)施數(shù)據(jù)，使機電系統(tǒng)管理人員更全面地分析系統(tǒng)運維需求，制訂更可靠的運維管理決策方案[5]。例如：在改造高速公路機電設(shè)備時，大數(shù)據(jù)模型可對比不同方案，模擬方案實施后的設(shè)備運維需求、設(shè)備運行成本、改造成本、使用壽命，篩選出最佳的改造方案，協(xié)助管理人員進(jìn)行決策。此外，平臺可憑借大數(shù)據(jù)分析技術(shù)監(jiān)測設(shè)備設(shè)施，使高速公路機電系統(tǒng)運維實現(xiàn)信息化、智慧化、標(biāo)準(zhǔn)化、可視化管理，確保機電設(shè)備設(shè)施安全運行。

3.2.4 數(shù)據(jù)應(yīng)用

數(shù)據(jù)應(yīng)用模塊是應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)，轉(zhuǎn)換采集到的電子信號、分類存儲高速公路機電系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)資源，數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)建模后識別系統(tǒng)運行的潛在風(fēng)險，預(yù)測設(shè)備故障、分析最佳設(shè)備運行參數(shù)，為系統(tǒng)運維管理人員提供決策支持服務(wù)。

（1）數(shù)據(jù)監(jiān)測運維管理平臺的數(shù)據(jù)應(yīng)用功能具有設(shè)備故障預(yù)警的作用，可在定期提醒技術(shù)人員維修、養(yǎng)護(hù)機電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，排查設(shè)備異常運行數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)異常后自動報警。高速公路機電系統(tǒng)的監(jiān)測、運維較為復(fù)雜，維護(hù)工作包括機電設(shè)備的定期巡檢、故障清除、系統(tǒng)升級、專項維護(hù)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測等內(nèi)容。該平臺可根據(jù)已采集的數(shù)據(jù)信息，制訂差異化的設(shè)備維護(hù)方案，到期自動提醒，匯總當(dāng)前設(shè)備運行數(shù)據(jù)，超出閾值后報警提示。

機電維護(hù)管理過程中，平臺可自動記錄故障發(fā)生時間、故障類型、故障響應(yīng)人員、平臺響應(yīng)時間、故障修復(fù)時間、故障信息、故障維修效果等。故障排除、處理后更新設(shè)備完好率統(tǒng)計數(shù)據(jù)，整理設(shè)備運維數(shù)據(jù)，隨后根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果分析故障率較高的設(shè)備、位置，為管理人員執(zhí)行機電系統(tǒng)運維管理決策提供參考，數(shù)據(jù)展示方式采用數(shù)圖表結(jié)合的方式。

（2）平臺的數(shù)據(jù)應(yīng)用功能具有生成設(shè)備GIS地圖的作用，管理人員可快速定位設(shè)備，并根據(jù)大屏、手機終端顯示的設(shè)備信息，運維管理設(shè)備。該地圖是以高速公路機電系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫為核心，提供設(shè)備定位查詢、設(shè)備狀態(tài)展示服務(wù)，能夠確保機電系統(tǒng)監(jiān)測、運維數(shù)據(jù)的完整性。GIS地圖具有數(shù)據(jù)疊加功能，可按照設(shè)備屬性、關(guān)鍵信息、運行過程信息進(jìn)行數(shù)據(jù)場景疊加，便于管理人員快速掌握關(guān)鍵信息，集中管理設(shè)備，靈活對接平臺各個功能模塊。例如：與運行監(jiān)測系統(tǒng)對接后，掌握設(shè)備工作狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)、顯示設(shè)備運行參數(shù)，管理人員可借此快速分析設(shè)備運維需求，調(diào)整管理方案。

（3）平臺會按照不同管理用戶的層級、職責(zé)錄入角色名稱，為其提供個性化的功能權(quán)限、數(shù)據(jù)權(quán)限、流程權(quán)限、控制權(quán)限和各級賬號。用戶登錄后可按照自身權(quán)限查閱、瀏覽相關(guān)數(shù)據(jù)，錄入相關(guān)數(shù)據(jù)后由平臺統(tǒng)一管理，確保機電系統(tǒng)運維管理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。從而建立高效集約的機電運維管理模式，保障機電系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)完整的基礎(chǔ)上，維護(hù)數(shù)據(jù)安全，減少整體運維投入，科學(xué)調(diào)用用戶資源。

4 機電系統(tǒng)數(shù)字監(jiān)測與運維平臺的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

高速公路機電系統(tǒng)運行期間，物聯(lián)網(wǎng)可實現(xiàn)機電設(shè)備的互通互聯(lián)，并借助無線通信網(wǎng)絡(luò)在線傳輸設(shè)備運行數(shù)據(jù)，使管理人員實時監(jiān)測機電系統(tǒng)，突破傳統(tǒng)人工巡檢的局限性，擴大機電系統(tǒng)監(jiān)測范圍。傳感器網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵，是實現(xiàn)機電系統(tǒng)數(shù)字監(jiān)測的重要內(nèi)容。為建立起有效的傳感器網(wǎng)絡(luò)，相關(guān)人員還應(yīng)結(jié)合高速公路機電系統(tǒng)的整體設(shè)計，在關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵區(qū)域安裝傳感器，包括設(shè)備壓力傳感器、溫度傳感器等，傳感器內(nèi)采集的數(shù)據(jù)是平臺獲取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。平臺在掌握傳感器提供的數(shù)據(jù)信息后，可及時分析、監(jiān)測機電設(shè)備，分析其健康狀況，制訂運維管理方案。基于大數(shù)據(jù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)不僅能夠監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)，還能夠?qū)訑?shù)據(jù)分析模塊，識別設(shè)備潛在風(fēng)險。例如：設(shè)備溫度、振動數(shù)據(jù)異常后，可快速預(yù)測設(shè)備是否存在故障、磨損情況，識別后向平臺管理人員提供設(shè)備異常信息，使其及時處理，減少故障損失。

4.2 大數(shù)據(jù)技術(shù)

高速公路機電系統(tǒng)數(shù)字監(jiān)測、運維期間，大數(shù)據(jù)技術(shù)的主要功能是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)分析。平臺在無線傳感網(wǎng)絡(luò)的支持下，應(yīng)用無線通訊技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)傳輸傳感器數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸覆蓋整個機電系統(tǒng)分布區(qū)域。近年來，高速公路機電系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)量增加，大數(shù)據(jù)技術(shù)的數(shù)據(jù)分析功能是平臺提供監(jiān)測、維護(hù)服務(wù)的核心，可通過建立數(shù)據(jù)模型的方式發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)規(guī)律，分析數(shù)據(jù)變化趨勢，針對性地進(jìn)行設(shè)備故障預(yù)測、設(shè)備監(jiān)測管理、設(shè)備保養(yǎng)。機電系統(tǒng)管理人員可根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)快速制定設(shè)備運維決策，定位數(shù)據(jù)位置，例如：依據(jù)大數(shù)據(jù)運行數(shù)據(jù)，平臺可篩選出高負(fù)荷狀態(tài)、故障狀態(tài)、故障風(fēng)險較大的設(shè)備，自動建立數(shù)據(jù)模型后制訂合理的維護(hù)、檢修計劃，節(jié)約系統(tǒng)運維成本，提升高速公路機電系統(tǒng)運維管理效率。

4.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)

遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)是高速公路機電系統(tǒng)實時監(jiān)測的關(guān)鍵，可解決傳統(tǒng)巡檢成本高、巡檢效率低等問題。傳統(tǒng)巡檢無法實時了解高速公路機電覆蓋區(qū)域的設(shè)備狀態(tài)，而在遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的支持下，平臺可實時監(jiān)控設(shè)備，采集設(shè)備信息，使管理人員快速掌握機電系統(tǒng)運行情況，及時發(fā)現(xiàn)異常情況，快速響應(yīng)后處理機電系統(tǒng)運行問題，預(yù)防突發(fā)事件引起的風(fēng)險。但在應(yīng)用遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)數(shù)字監(jiān)測機電系統(tǒng)時，平臺還應(yīng)當(dāng)滿足以下條件：（1）數(shù)據(jù)高效采集、傳輸，數(shù)據(jù)傳輸過程中無干擾；（2）遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備的安全性、靈活性；（3）監(jiān)控數(shù)據(jù)展示時的可視化。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著高速公路運維網(wǎng)絡(luò)的成熟，公路機電系統(tǒng)的運維、監(jiān)測需求逐漸增加。相關(guān)人員應(yīng)利用大數(shù)據(jù)等新技術(shù)，建立數(shù)字化、智慧化高速公路機電系統(tǒng)運維管理平臺，優(yōu)化機電系統(tǒng)的監(jiān)測服務(wù)結(jié)構(gòu)，將系統(tǒng)運維滲透在高速公路機電設(shè)備的整個生命周期內(nèi)，維護(hù)機電設(shè)備運行安全，加大設(shè)備數(shù)字監(jiān)測、管理力度，滿足機電系統(tǒng)一體化運維管理需求，為高速公路智慧化建設(shè)創(chuàng)造有利條件，助力我國現(xiàn)代交通事業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。

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