高速公路機電養護管理信息系統設計與實現

摘 要：該文主要探究高速公路機電養護管理信息系統的設計要點，以及基本功能的實現情況。該系統采用GIS和OA一體化技術，高速公路機電設備聯網后可以將位置信息、工況信息等上傳至系統，并且以圖、文、表等形式進行直觀呈現，從而實現對機電設備的實時監控。根據監控信息制定養護計劃，指導養護人員對機電設備進行檢查、養護，保證機電設備始終保持良好工況，切實提高高速公路的管理和服務水平。

關鍵詞：機電養護管理信息系統；SQL Server；數據庫；GIS平臺；系統設計

中圖分類號：U418 文獻標志碼：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

高速公路上的機電設備大體包括監控類、收費類、通信類和照明類等，這些機電設備在提高通行效率、保障行車安全、優化行車服務等方面發揮了重要作用。由于工作dIhu6DEDbnIEMshpJG3dB4gwWzaGj/GAYHHVLz7HsQs=環境、使用年限、產品質量和維護周期等諸多因素的共同影響，使得高速公路機電設備容易發生故障；同時，機電設備分布廣泛，日常的養護、檢修效率不高，經常會出現機電設備發生故障卻沒有得到及時維修的情況，增加了高速公路的行車安全隱患。機電養護管理信息系統融合了GIS、數據庫、大數據和網絡安全等技術，可以實時獲取機電設備的各項信息并在電子地圖上直觀呈現，為養護管理工作的開展提供了參考，以較低成本、更高效率完成養護任務，確保了機電設備的可靠運行。

1 機電養護管理信息系統的設計

1.1 系統整體架構

本文設計的高速公路機電養護管理信息系統采用B/S架構，集成了GIS和OA技術，為用戶提供圖文一體化的協同工作應用環境。該系統由兩部分組成：其一是中心系統，負責對全省高速公路機電信息進行統籌管理；其二是管理處系統，負責對轄區內機電信息進行實時管控。系統的整體架構如圖1所示。

中心系統管理的信息如下：本省高速公路上機電設備的分布情況；機電設備的運行工況與維護信息；計劃管理內容，如日常養護計劃、項目進展情況等；統計分析內容，如故障統計分析、庫存統計分析等；系統設置內容，如人員設置、權限設置等。管理處系統管理以地理信息系統（GIS）為核心，實現轄區內機電設備的實時定位和統一管理，并結合電子地圖讓機電設備的分布更加直觀。配合辦公自動化系統（OA），可以讓系統用戶實時了解機電設備的具體位置與運行情況，為制定養護計劃、開展故障維修提供了便利[1]。

1.2 一體化軟件設計

本文設計的機電養護管理信息系統采用GIS和OA一體化技術，其中GIS模塊主要用于生成與機電設備空間位置相關的地圖，為設備的狀態跟蹤與養護維修等提供幫助；OA模塊主要用于文檔管理和信息顯示。同時，為了提高系統的自動化程度，還應用了自動化工作流（Workflow）技術，可以根據系統管理員的自定義，在多個對象之間按照特定的規則傳遞文檔、執行任務和信息交互，從而減輕人工操作壓力、提高業務辦理效率。為了減少業務自動進行中的錯誤，在一體化軟件設計中允許管理員設置啟動條件和終止條件，以及對任意一項活動添加描述。

基于GIS和OA一體化的機電養護管理信息系統軟件部分采用三層模型，分別是數據服務層、應用邏輯層和表現層，模型結構如圖2所示。

數據服務層的核心部分是數據庫服務器，對于存儲到數據庫中的每一條數據都能自動進行分類，并按照屬性數據、文檔數據、空間數據和發布數據4種基本類型實現分類存儲。

應用邏輯層包含了不同類型的應用組件，可以支持該系統各項功能的實現?？紤]到后期機電設備的種類會不斷增加，因此在軟件設計中預留了可擴展接口，后期可以根據系統功能的擴展需要添加新的應用組件，以降低成本完成系統軟件部分的更新[2]。

表現層通過計算機展示系統界面和機電設備的信息，以表格、圖片、文字等形式直觀地呈現高速公路機電設備的運行工況、維護記錄、檢查計劃和故障表現等信息，方便用戶直觀地掌握機電設備的各項信息。同時，通過表現層還可以編輯和發送指令，例如查看某個區域、某臺設備的信息等。

1.3 安全保障模塊設計

基于安全需求設計了高速公路機電養護管理信息系統的安全保障模塊。該模塊采用“分域保護、分級防護”安全策略，把整個模塊劃分為3部分，分別是安全基礎設施、應用系統安全以及安全管理保障體系，采取檢測、防護、恢復等安全措施，保障了網絡安全、系統安全和實體安全。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上，本文設計的機電養護管理信息系統采用統一認證、集中管理、分級授權模式，對所用訪問系統的用戶實行登錄認證和權限認證的雙重安全管理。首先，所有系統用戶必須完成注冊，將注冊信息存儲在系統數據庫中，以便于進行登錄驗證；其次，對已經注冊的用戶，根據其現實身份進行分級，按照權限由大到小的順序分別是管理員、機電管理人員、機電維護人員3類。

遠程處理業務需要借助于Internet完成，為了避免在網絡傳輸中遭到第三方的破壞與竊取，本文在設計安全保障模塊時，在Web服務器和應用程序層之間啟用了SSL（安全套接層）協議，其原理如下：首先從客戶端向Web服務器發出開始信息，在兩者之間建立起會話；此時Web服務器會自動生成一個密鑰，并共享給客戶端。客戶端使用該密鑰對需要傳輸的信息進行加密處理，使明文變為密文，然后進行傳輸。Web服務器接收信息后，使用同樣的密鑰對信息進行解密處理，讓密文再次變成明文。信息在Internet傳播的整個過程中，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值的信息，從而保證了遠程傳輸信息的安全性[3]。

除此之外，安全保障模塊中還設計了入侵檢測、容錯容災以及數據安全交換、IP地址訪問控制等內容，對保障機電養護管理信息系統的運行安全有積極幫助。

1.4 信息交互模塊設計

由于高速公路的跨度大、機電設備的數量多，在設計機電養護管理信息系統時必須要保證通信效率，以便于讓每一臺機電設備的工況能夠實時反映在系統顯示器上，達到“所見即所得”的效果。本文設計的信息交互模塊采用兩級架構，即管理處級和收費站（服務區）級。高速公路管理處設備和收費站、服務區設備的位置信息以及日常運行信息等，采用TCP/IP網絡協議完成傳輸，將數據發送至對應的設備數據中心。利用高速公路路網和傳輸信息網將機電設備數據匯總后，存儲到數據庫中。信息交互流程如圖4所示。

1.5 數據庫設計

1.5.1 數據庫的結構

本文設計的機電養護管理信息系統采用關系型數據庫SQL Server，除了支持海量數據管理、多用戶并發控制等特點外，還能實現空間信息與屬性信息的一體化存儲，兼顧了數據存儲的安全性和調用的靈活性。同時，SQL Server數據庫與GIS應用項目具有較好的兼容性。該系統的數據庫包括兩大部分，其一是空間數據庫，用于存儲基礎地理數據、道路信息數據、用戶信息數據等；其二是屬性數據庫，用于存儲收費站設備信息數TN7JBE4H7bRB3s7CMcu1zA==據、電力電纜數據、設備維修數據等[4]。數據庫的結構組成如圖5所示。

1.5.2 數據庫的管理模式

考慮到高速公路機電設備在日常運行中會源源不斷地產生海量數據，數據庫的訪問頻繁，為了提高數據庫的響應能力和滿足數據即時存儲的要求，該系統的數據庫在管理模式上采用“集散式數據存儲”模式。管理處設備和收費站設備、服務區設備都有各自的數據庫，實現了數據的分類存儲，從而減輕了數據存儲壓力。然后再利用網絡將分布于各地的子數據庫的數據，傳輸至中心數據庫。中心數據庫和子數據庫獨立維護、冗余存儲，保證了機電設備數據的完整性與安全性[5]。在機電養護管理信息系統的日常運行中，各級系統在辦理業務時優先使用本地局域網數據，這樣就解決了跨網調用數據存在的效率不高、穩定性差等弊端；考慮到個別業務在辦理時必須要跨網調用數據，因此本文在數據庫設計中還加入了專用的數據服務模塊，保證了數據跨網交換的穩定性和安全性。

1.5.3 數據庫表的設計

系統數據庫中，根據存儲數據的不同分位若干種表，如用于存儲用戶信息的表、用于存儲設備故障信息的表，以及用于存儲設備位置信息的表等。這里以設備位置信息表為例，內容組成見表1。

1.6 電子地圖設計

本文使用組件式GIS設計了機電養護管理信息系統的電子地圖，利用動態數據交換（DDE）技術在GIS地圖和應用模型之間進行高效通信，保證了電子地圖信息的動態更新。本文設計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。這里以設備查詢為例，該功能的設計流程如下。

輸入數據：電子地圖，輸入鼠標事件。

輸出數據：地圖顯示，選擇對象列表。

處理過程：點擊“查詢”選項，在搜索欄輸入設備名稱或代碼，點擊“搜索”，檢索到的目標在電子地圖上進行高亮顯示，同時輸出該目標的屬性數據信息。

2 機電養護管理信息系統的功能實現

2.1 登錄認證功能的實現

運行機電養護管理信息系統后，進入系統登錄界面。依次填寫用戶名、密碼、驗證碼后點擊“登錄”選項，提交登錄信息并在系統后臺進行認證。系統首先判斷用戶輸入的用戶名、驗證碼是否正確，如果用戶名未在系統數據庫的用戶表中注冊登記，則拒絕登錄并在登錄界面出現“用戶未注冊”的彈窗提示；在用戶名已經注冊的前提下，系統進一步判斷用戶名與密碼是否配對。在配對成功后完成登錄，從登錄界面跳轉至系統的主界面。主界面左側以樹狀列表的形式展示系統的主要功能，包括設備臺賬、設備維護、設備地圖等；主界面右側為業務界面，包括通知信息、日常安排、工作計劃等。

2.2 設備維護功能的實現

從系統主界面上點擊“設備維護”選項，跳轉至設備維護功能界面，在該二級界面上可以進行故障申報、查看維護日志、制定維修計劃等。由于本系統對訪問用戶分配了不同的權限，因此不同權限的用戶在當前頁面獲取的信息也存在差異。維護人員只能查看維護日志、維護費用等信息，而管理人員則可以編輯維護計劃和外包計劃等。通過下拉菜單的方式選擇收費站名稱與收費站位置，系統以列表形式展示該收費站機電設備（如地磅、輪軸識別器、手動欄桿機、通行信號燈和費額顯示器等）的運行維護信息。

2.3 設備地理地圖功能的實現

從系統主界面上電機“設備地理地圖”選項，跳轉至設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、設備查詢和地圖編輯等；界面中間部分為地圖顯示區，可以顯示某個地區的電子地圖。在界面左側的樹狀列表中，勾選通訊設備（情報板、燈）、收費設備（收費亭、費額顯示器、欄桿機）等內容后，在右側的電子地圖上同步顯示勾選的內容，實現了機電設備信息的直觀顯示。

3 結束語

在全面推進智慧高速建設的背景下，將高速公路上的機電設備全部納入信息管理系統，依托機電養護管理信息系統實時獲取機電設備的工況信息、養護計劃、維修記錄和故障數據等，實現了對機電設備的動態監控和統籌管理。同時，借助于GIS地圖讓機電設備的各項信息得以直觀呈現，在此基礎上精準評估機電設備的運行情況，并制定合理的養護方案，指導一線養護人員完成養護、檢修等任務，確保機電設備始終處于良好狀態，提高了高速公路管理與服務水平，對高速公路的高效通行以及保障行車安全有積極作用。

參考文獻：

[1] 朱其義，韓秭婧.基于BIM技術的高速公路機電項目管理平臺設計[J].企業科技與發展，2023（8）：25-28.

[2] 郭軍梅.淺談高速公路機電工程施工質量對運營維護的影響及對策[J].中國設備工程，2022（7）：221-222.

[3] 吳春興，戴強，莫林璋.高速公路機電工程項目管理中GIS技術的應用[J].中國科技期刊數據庫工業A，2022（5）：78-79.

[4] 崔鵬飛.高速公路機電設備運行狀態評估和壽命預測[J].交通建設與管理，2022（3）：100-102.

[5] 郭津.基于智慧運維的高速公路機電設備研究與應用[J].交通科技與管理，2023（10）：13-15.

作者簡介：魏會峰（1988-），男，工程師。研究方向為路橋養護。