高速公路機(jī)電養(yǎng)護(hù)管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：該文主要探究高速公路機(jī)電養(yǎng)護(hù)管理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以及基本功能的實(shí)現(xiàn)情況。該系統(tǒng)采用GIS和OA一體化技術(shù)，高速公路機(jī)電設(shè)備聯(lián)網(wǎng)后可以將位置信息、工況信息等上傳至系統(tǒng)，并且以圖、文、表等形式進(jìn)行直觀呈現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)對機(jī)電設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控。根據(jù)監(jiān)控信息制定養(yǎng)護(hù)計(jì)劃，指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)人員對機(jī)電設(shè)備進(jìn)行檢查、養(yǎng)護(hù)，保證機(jī)電設(shè)備始終保持良好工況，切實(shí)提高高速公路的管理和服務(wù)水平。

關(guān)鍵詞：機(jī)電養(yǎng)護(hù)管理信息系統(tǒng)；SQL Server；數(shù)據(jù)庫；GIS平臺；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號：U418 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）22-0116-04

Abstract： This paper mainly explores the design points of expressway mechatronic maintenance management information system， as well as the realization of basic functions. The system adopts the integrated technology of GIS and OA. After the highway electromechanic equipment is connected to the network， the location information and working condition information can be uploaded to the system and presented intuitively in the form of diagram， text， table and so on， so as to realize the real-time monitoring of electromechanic equipment. It is proposed to make the maintenance plan according to the monitoring information， guide the maintenance personnel to inspect and maintain the mechanical and electrical equipment， ensure that the mechanical and electrical equipment always maintain good working conditions， and effectively improve the management and service level of the highway.

Keywords： mechatronic maintenance management information system; SQL Server; database; GIS platform; system design

高速公路上的機(jī)電設(shè)備大體包括監(jiān)控類、收費(fèi)類、通信類和照明類等，這些機(jī)電設(shè)備在提高通行效率、保障行車安全、優(yōu)化行車服務(wù)等方面發(fā)揮了重要作用。由于工作dIhu6DEDbnIEMshpJG3dB4gwWzaGj/GAYHHVLz7HsQs=環(huán)境、使用年限、產(chǎn)品質(zhì)量和維護(hù)周期等諸多因素的共同影響，使得高速公路機(jī)電設(shè)備容易發(fā)生故障；同時(shí)，機(jī)電設(shè)備分布廣泛，日常的養(yǎng)護(hù)、檢修效率不高，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)機(jī)電設(shè)備發(fā)生故障卻沒有得到及時(shí)維修的情況，增加了高速公路的行車安全隱患。機(jī)電養(yǎng)護(hù)管理信息系統(tǒng)融合了GIS、數(shù)據(jù)庫、大數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)安全等技術(shù)，可以實(shí)時(shí)獲取機(jī)電設(shè)備的各項(xiàng)信息并在電子地圖上直觀呈現(xiàn)，為養(yǎng)護(hù)管理工作的開展提供了參考，以較低成本、更高效率完成養(yǎng)護(hù)任務(wù)，確保了機(jī)電設(shè)備的可靠運(yùn)行。

1 機(jī)電養(yǎng)護(hù)管理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的高速公路機(jī)電養(yǎng)護(hù)管理信息系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，集成了GIS和OA技術(shù)，為用戶提供圖文一體化的協(xié)同工作應(yīng)用環(huán)境。該系統(tǒng)由兩部分組成：其一是中心系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對全省高速公路機(jī)電信息進(jìn)行統(tǒng)籌管理；其二是管理處系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對轄區(qū)內(nèi)機(jī)電信息進(jìn)行實(shí)時(shí)管控。系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

中心系統(tǒng)管理的信息如下：本省高速公路上機(jī)電設(shè)備的分布情況；機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行工況與維護(hù)信息；計(jì)劃管理內(nèi)容，如日常養(yǎng)護(hù)計(jì)劃、項(xiàng)目進(jìn)展情況等；統(tǒng)計(jì)分析內(nèi)容，如故障統(tǒng)計(jì)分析、庫存統(tǒng)計(jì)分析等；系統(tǒng)設(shè)置內(nèi)容，如人員設(shè)置、權(quán)限設(shè)置等。管理處系統(tǒng)管理以地理信息系統(tǒng)（GIS）為核心，實(shí)現(xiàn)轄區(qū)內(nèi)機(jī)電設(shè)備的實(shí)時(shí)定位和統(tǒng)一管理，并結(jié)合電子地圖讓機(jī)電設(shè)備的分布更加直觀。配合辦公自動(dòng)化系統(tǒng)（OA），可以讓系統(tǒng)用戶實(shí)時(shí)了解機(jī)電設(shè)備的具體位置與運(yùn)行情況，為制定養(yǎng)護(hù)計(jì)劃、開展故障維修提供了便利[1]。

1.2 一體化軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的機(jī)電養(yǎng)護(hù)管理信息系統(tǒng)采用GIS和OA一體化技術(shù)，其中GIS模塊主要用于生成與機(jī)電設(shè)備空間位置相關(guān)的地圖，為設(shè)備的狀態(tài)跟蹤與養(yǎng)護(hù)維修等提供幫助；OA模塊主要用于文檔管理和信息顯示。同時(shí)，為了提高系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，還應(yīng)用了自動(dòng)化工作流（Workflow）技術(shù)，可以根據(jù)系統(tǒng)管理員的自定義，在多個(gè)對象之間按照特定的規(guī)則傳遞文檔、執(zhí)行任務(wù)和信息交互，從而減輕人工操作壓力、提高業(yè)務(wù)辦理效率。為了減少業(yè)務(wù)自動(dòng)進(jìn)行中的錯(cuò)誤，在一體化軟件設(shè)計(jì)中允許管理員設(shè)置啟動(dòng)條件和終止條件，以及對任意一項(xiàng)活動(dòng)添加描述。

基于GIS和OA一體化的機(jī)電養(yǎng)護(hù)管理信息系統(tǒng)軟件部分采用三層模型，分別是數(shù)據(jù)服務(wù)層、應(yīng)用邏輯層和表現(xiàn)層，模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

數(shù)據(jù)服務(wù)層的核心部分是數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，對于存儲到數(shù)據(jù)庫中的每一條數(shù)據(jù)都能自動(dòng)進(jìn)行分類，并按照屬性數(shù)據(jù)、文檔數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)和發(fā)布數(shù)據(jù)4種基本類型實(shí)現(xiàn)分類存儲。

應(yīng)用邏輯層包含了不同類型的應(yīng)用組件，可以支持該系統(tǒng)各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)。考慮到后期機(jī)電設(shè)備的種類會(huì)不斷增加，因此在軟件設(shè)計(jì)中預(yù)留了可擴(kuò)展接口，后期可以根據(jù)系統(tǒng)功能的擴(kuò)展需要添加新的應(yīng)用組件，以降低成本完成系統(tǒng)軟件部分的更新[2]。

表現(xiàn)層通過計(jì)算機(jī)展示系統(tǒng)界面和機(jī)電設(shè)備的信息，以表格、圖片、文字等形式直觀地呈現(xiàn)高速公路機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行工況、維護(hù)記錄、檢查計(jì)劃和故障表現(xiàn)等信息，方便用戶直觀地掌握機(jī)電設(shè)備的各項(xiàng)信息。同時(shí)，通過表現(xiàn)層還可以編輯和發(fā)送指令，例如查看某個(gè)區(qū)域、某臺設(shè)備的信息等。

1.3 安全保障模塊設(shè)計(jì)

基于安全需求設(shè)計(jì)了高速公路機(jī)電養(yǎng)護(hù)管理信息系統(tǒng)的安全保障模塊。該模塊采用“分域保護(hù)、分級防護(hù)”安全策略，把整個(gè)模塊劃分為3部分，分別是安全基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)用系統(tǒng)安全以及安全管理保障體系，采取檢測、防護(hù)、恢復(fù)等安全措施，保障了網(wǎng)絡(luò)安全、系統(tǒng)安全和實(shí)體安全。安全保障體系的基本框架如圖3所示。

在上述安全體系框架的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)的機(jī)電養(yǎng)護(hù)管理信息系統(tǒng)采用統(tǒng)一認(rèn)證、集中管理、分級授權(quán)模式，對所用訪問系統(tǒng)的用戶實(shí)行登錄認(rèn)證和權(quán)限認(rèn)證的雙重安全管理。首先，所有系統(tǒng)用戶必須完成注冊，將注冊信息存儲在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，以便于進(jìn)行登錄驗(yàn)證；其次，對已經(jīng)注冊的用戶，根據(jù)其現(xiàn)實(shí)身份進(jìn)行分級，按照權(quán)限由大到小的順序分別是管理員、機(jī)電管理人員、機(jī)電維護(hù)人員3類。

遠(yuǎn)程處理業(yè)務(wù)需要借助于Internet完成，為了避免在網(wǎng)絡(luò)傳輸中遭到第三方的破壞與竊取，本文在設(shè)計(jì)安全保障模塊時(shí)，在Web服務(wù)器和應(yīng)用程序?qū)又g啟用了SSL（安全套接層）協(xié)議，其原理如下：首先從客戶端向Web服務(wù)器發(fā)出開始信息，在兩者之間建立起會(huì)話；此時(shí)Web服務(wù)器會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)密鑰，并共享給客戶端。客戶端使用該密鑰對需要傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行加密處理，使明文變?yōu)槊芪模缓筮M(jìn)行傳輸。Web服務(wù)器接收信息后，使用同樣的密鑰對信息進(jìn)行解密處理，讓密文再次變成明文。信息在Internet傳播的整個(gè)過程中，即便是被第三方竊取，在沒有密鑰的情況下無法從密文中獲取有價(jià)值的信息，從而保證了遠(yuǎn)程傳輸信息的安全性[3]。

除此之外，安全保障模塊中還設(shè)計(jì)了入侵檢測、容錯(cuò)容災(zāi)以及數(shù)據(jù)安全交換、IP地址訪問控制等內(nèi)容，對保障機(jī)電養(yǎng)護(hù)管理信息系統(tǒng)的運(yùn)行安全有積極幫助。

1.4 信息交互模塊設(shè)計(jì)

由于高速公路的跨度大、機(jī)電設(shè)備的數(shù)量多，在設(shè)計(jì)機(jī)電養(yǎng)護(hù)管理信息系統(tǒng)時(shí)必須要保證通信效率，以便于讓每一臺機(jī)電設(shè)備的工況能夠?qū)崟r(shí)反映在系統(tǒng)顯示器上，達(dá)到“所見即所得”的效果。本文設(shè)計(jì)的信息交互模塊采用兩級架構(gòu)，即管理處級和收費(fèi)站（服務(wù)區(qū)）級。高速公路管理處設(shè)備和收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)設(shè)備的位置信息以及日常運(yùn)行信息等，采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議完成傳輸，將數(shù)據(jù)發(fā)送至對應(yīng)的設(shè)備數(shù)據(jù)中心。利用高速公路路網(wǎng)和傳輸信息網(wǎng)將機(jī)電設(shè)備數(shù)據(jù)匯總后，存儲到數(shù)據(jù)庫中。信息交互流程如圖4所示。

1.5 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

1.5.1 數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的機(jī)電養(yǎng)護(hù)管理信息系統(tǒng)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫SQL Server，除了支持海量數(shù)據(jù)管理、多用戶并發(fā)控制等特點(diǎn)外，還能實(shí)現(xiàn)空間信息與屬性信息的一體化存儲，兼顧了數(shù)據(jù)存儲的安全性和調(diào)用的靈活性。同時(shí)，SQL Server數(shù)據(jù)庫與GIS應(yīng)用項(xiàng)目具有較好的兼容性。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫包括兩大部分，其一是空間數(shù)據(jù)庫，用于存儲基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、道路信息數(shù)據(jù)、用戶信息數(shù)據(jù)等；其二是屬性數(shù)據(jù)庫，用于存儲收費(fèi)站設(shè)備信息數(shù)TN7JBE4H7bRB3s7CMcu1zA==據(jù)、電力電纜數(shù)據(jù)、設(shè)備維修數(shù)據(jù)等[4]。數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)組成如圖5所示。

1.5.2 數(shù)據(jù)庫的管理模式

考慮到高速公路機(jī)電設(shè)備在日常運(yùn)行中會(huì)源源不斷地產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫的訪問頻繁，為了提高數(shù)據(jù)庫的響應(yīng)能力和滿足數(shù)據(jù)即時(shí)存儲的要求，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫在管理模式上采用“集散式數(shù)據(jù)存儲”模式。管理處設(shè)備和收費(fèi)站設(shè)備、服務(wù)區(qū)設(shè)備都有各自的數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的分類存儲，從而減輕了數(shù)據(jù)存儲壓力。然后再利用網(wǎng)絡(luò)將分布于各地的子數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，傳輸至中心數(shù)據(jù)庫。中心數(shù)據(jù)庫和子數(shù)據(jù)庫獨(dú)立維護(hù)、冗余存儲，保證了機(jī)電設(shè)備數(shù)據(jù)的完整性與安全性[5]。在機(jī)電養(yǎng)護(hù)管理信息系統(tǒng)的日常運(yùn)行中，各級系統(tǒng)在辦理業(yè)務(wù)時(shí)優(yōu)先使用本地局域網(wǎng)數(shù)據(jù)，這樣就解決了跨網(wǎng)調(diào)用數(shù)據(jù)存在的效率不高、穩(wěn)定性差等弊端；考慮到個(gè)別業(yè)務(wù)在辦理時(shí)必須要跨網(wǎng)調(diào)用數(shù)據(jù)，因此本文在數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)中還加入了專用的數(shù)據(jù)服務(wù)模塊，保證了數(shù)據(jù)跨網(wǎng)交換的穩(wěn)定性和安全性。

1.5.3 數(shù)據(jù)庫表的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)存儲數(shù)據(jù)的不同分位若干種表，如用于存儲用戶信息的表、用于存儲設(shè)備故障信息的表，以及用于存儲設(shè)備位置信息的表等。這里以設(shè)備位置信息表為例，內(nèi)容組成見表1。

1.6 電子地圖設(shè)計(jì)

本文使用組件式GIS設(shè)計(jì)了機(jī)電養(yǎng)護(hù)管理信息系統(tǒng)的電子地圖，利用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE）技術(shù)在GIS地圖和應(yīng)用模型之間進(jìn)行高效通信，保證了電子地圖信息的動(dòng)態(tài)更新。本文設(shè)計(jì)的電子地圖主要包含地圖操作和地圖查詢兩部分功能，地圖操作功能包括地圖的放大、縮小、平移等；地圖查詢功能包括圖例查詢、地圖選擇查詢等。這里以設(shè)備查詢?yōu)槔摴δ艿脑O(shè)計(jì)流程如下。

輸入數(shù)據(jù)：電子地圖，輸入鼠標(biāo)事件。

輸出數(shù)據(jù)：地圖顯示，選擇對象列表。

處理過程：點(diǎn)擊“查詢”選項(xiàng)，在搜索欄輸入設(shè)備名稱或代碼，點(diǎn)擊“搜索”，檢索到的目標(biāo)在電子地圖上進(jìn)行高亮顯示，同時(shí)輸出該目標(biāo)的屬性數(shù)據(jù)信息。

2 機(jī)電養(yǎng)護(hù)管理信息系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

2.1 登錄認(rèn)證功能的實(shí)現(xiàn)

運(yùn)行機(jī)電養(yǎng)護(hù)管理信息系統(tǒng)后，進(jìn)入系統(tǒng)登錄界面。依次填寫用戶名、密碼、驗(yàn)證碼后點(diǎn)擊“登錄”選項(xiàng)，提交登錄信息并在系統(tǒng)后臺進(jìn)行認(rèn)證。系統(tǒng)首先判斷用戶輸入的用戶名、驗(yàn)證碼是否正確，如果用戶名未在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的用戶表中注冊登記，則拒絕登錄并在登錄界面出現(xiàn)“用戶未注冊”的彈窗提示；在用戶名已經(jīng)注冊的前提下，系統(tǒng)進(jìn)一步判斷用戶名與密碼是否配對。在配對成功后完成登錄，從登錄界面跳轉(zhuǎn)至系統(tǒng)的主界面。主界面左側(cè)以樹狀列表的形式展示系統(tǒng)的主要功能，包括設(shè)備臺賬、設(shè)備維護(hù)、設(shè)備地圖等；主界面右側(cè)為業(yè)務(wù)界面，包括通知信息、日常安排、工作計(jì)劃等。

2.2 設(shè)備維護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)

從系統(tǒng)主界面上點(diǎn)擊“設(shè)備維護(hù)”選項(xiàng)，跳轉(zhuǎn)至設(shè)備維護(hù)功能界面，在該二級界面上可以進(jìn)行故障申報(bào)、查看維護(hù)日志、制定維修計(jì)劃等。由于本系統(tǒng)對訪問用戶分配了不同的權(quán)限，因此不同權(quán)限的用戶在當(dāng)前頁面獲取的信息也存在差異。維護(hù)人員只能查看維護(hù)日志、維護(hù)費(fèi)用等信息，而管理人員則可以編輯維護(hù)計(jì)劃和外包計(jì)劃等。通過下拉菜單的方式選擇收費(fèi)站名稱與收費(fèi)站位置，系統(tǒng)以列表形式展示該收費(fèi)站機(jī)電設(shè)備（如地磅、輪軸識別器、手動(dòng)欄桿機(jī)、通行信號燈和費(fèi)額顯示器等）的運(yùn)行維護(hù)信息。

2.3 設(shè)備地理地圖功能的實(shí)現(xiàn)

從系統(tǒng)主界面上電機(jī)“設(shè)備地理地圖”選項(xiàng)，跳轉(zhuǎn)至設(shè)備地理地圖功能界面，界面頂部為工具欄，提供多種地圖操作工具，包括放大、縮小、漫游、設(shè)備查詢和地圖編輯等；界面中間部分為地圖顯示區(qū)，可以顯示某個(gè)地區(qū)的電子地圖。在界面左側(cè)的樹狀列表中，勾選通訊設(shè)備（情報(bào)板、燈）、收費(fèi)設(shè)備（收費(fèi)亭、費(fèi)額顯示器、欄桿機(jī)）等內(nèi)容后，在右側(cè)的電子地圖上同步顯示勾選的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了機(jī)電設(shè)備信息的直觀顯示。

3 結(jié)束語

在全面推進(jìn)智慧高速建設(shè)的背景下，將高速公路上的機(jī)電設(shè)備全部納入信息管理系統(tǒng)，依托機(jī)電養(yǎng)護(hù)管理信息系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取機(jī)電設(shè)備的工況信息、養(yǎng)護(hù)計(jì)劃、維修記錄和故障數(shù)據(jù)等，實(shí)現(xiàn)了對機(jī)電設(shè)備的動(dòng)態(tài)監(jiān)控和統(tǒng)籌管理。同時(shí)，借助于GIS地圖讓機(jī)電設(shè)備的各項(xiàng)信息得以直觀呈現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上精準(zhǔn)評估機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行情況，并制定合理的養(yǎng)護(hù)方案，指導(dǎo)一線養(yǎng)護(hù)人員完成養(yǎng)護(hù)、檢修等任務(wù)，確保機(jī)電設(shè)備始終處于良好狀態(tài)，提高了高速公路管理與服務(wù)水平，對高速公路的高效通行以及保障行車安全有積極作用。

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作者簡介：魏會(huì)峰（1988-），男，工程師。研究方向?yàn)槁窐蝠B(yǎng)護(hù)。