高速公路智能運維監測管理系統設計

謝昊良

（山西省智慧交通研究院有限公司，山西太原 030032）

1 概述

近幾年，隨著大數據、人工智能、邊緣計算等技術迅猛發展，高速公路建設正朝著智慧化和數字化方向發展。高速公路機電設備作為實現智慧高速的硬件基礎，亟需提高機電設備運維監測能力，如需要在傳統機電設備要求的基礎上，通過各種裝置與技術對設備運行中產生的數據進行實時采集，并通過網絡將數據傳回進行管理、分析與監測，以此來實現設備在運行過程中的智能化運維檢測和運營管理。

隨著高速公路路網的不斷延伸，與之配套的機電設備也存在著數量多、分布廣的特點，且大部分的機電設備距離城市較遠，現有的機電設備運維仍然采用傳統的管理方式，如人工巡檢、手工記錄運行數據。人工巡檢存在諸多弊端，如無法巡視到位，往往只能查看設備外部，無法查看設備實際運行狀態變化；運維巡檢周期長，無法做到24 h 巡檢[1]，巡檢過程無法監管，缺乏對設備的長期監測統計與分析；高速公路機電設施點多面廣，運維人員工作強度大，效率低，成本高；故障不易定位，運維難度大，短時間內無法恢復正常，容易造成故障處理延誤，引發生命財產損失。

為了解決傳統高速公路機電設備存在的故障無法及時發現、故障原因不明、運維成本高、設備在線率難以達標等問題，同時響應國家“交通強國”的戰略要求，本文提出了一種高速公路智能運維監測管理系統技術方案，通過融合多源感知、物聯網、云邊協同等技術，對傳統機電設備進行數字化改造，實現機電設備的供電、網絡、硬件、環境等的實時監測、故障預警、故障定位、遠程監控等功能，及時發現故障隱患，提高運維效率，降低運維成本。

2 智能運維檢測管理系統設計方案

2.1 系統總體設計

本文提出的高速公路智能運維監測管理系統設計方案如圖1。

圖1 智能運維監測管理系統總體設計

智能運維監測管理系統是由數據采集模塊和運維管理平臺兩個部分組成。數據采集模塊主要通過對高速公路外場設備配電箱內增加多源傳感硬件，實現設備監測、智能配電、網絡監控、動環監測等運維監測功能。運維管理平臺主要實現外場設備運行狀態監測、故障定位、故障預警、統計分析等功能，通過將數據采集模塊中采集到的各類數據進行實時監測，一旦配電箱內發生故障，運維管理平臺能夠及時將故障類型、故障位置等信息進行告警，便于運維管理人員進行故障定位與處理。同時平臺可遠程對外場設備配電接口進行上下電、分合閘等遠程控制等功能，極大提高了運維效率，減少運維成本，使運維更加智能。

2.2 系統技術方案

2.2.1 硬件層

在原有外場設備配電箱的基礎上，通過引入配電監控與管理、網絡接入與監控、機箱環境監控、遠程控制等硬件和技術，實現供電監控、網絡監測、動環檢測、遠程控制、故障定位等功能，如圖2所示。

圖2 智能運維監測管理系統硬件層設計

2.2.1.1 供電監控

供電監控模塊包括了4 個功能：防雷保護、自動重合閘、市電監測、斷電續航。

a）防雷保護功能 可對防雷器的狀態進行監測，可上傳配電箱遭受雷擊次數；當防雷器失效時，會將告警信息上報。

b）自動重合閘功能 可對當前配電箱內各配電接口的電流與電壓進行監控，當發生過壓、欠壓、過流、漏電等情況時，可自動關閉電閘保護設備；同時通過遠程通訊功能可對電閘進行遠程控制，方便管理人員進行控制維護[2]。

c）市電監測功能 監測參數包括市電進線三相電源的相電壓、電流、頻率、功率因數、有功功率、無功功率等，對于重要的參數，可作曲線記錄。通過分析有關參數的歷史曲線，管理員能清楚地知道供電電源的質量是否可靠完好[3]。

d）斷電續航功能 在配電箱中設置電容，可在配電箱斷電時提供額外電力，斷電續航時長超過60 s，可供配電箱將斷電告警信息上報。

2.2.1.2 網絡監測

網絡監測模塊主要通過網絡通信功能，實現對各硬件單元在網情況進行狀態監控。配有完全物理隔離的雙網口板卡，網口1 通過監控網將采集到的數據上傳中心；網口2 通過交換機連接配電箱內網絡硬件設備，如攝像機、雷達等。數據采集模塊對網絡硬件設備通過協議或PING 的方式查看設備工作狀態，可通過IP信息實現對設備的在線狀態監測，并在設備離線時進行實時告警；在運維管理平臺處可通過各配電箱內數據采集模塊上傳的數據進行整合統計，并自動分析判斷網絡狀態，方便管理人員進行統一監控。

2.2.1.3 動環監測

動環監測主要是針對配電箱內的環境參數進行監測。

a）溫濕度傳感器 實現對配電箱內溫度與濕度采集。

b）水位監測傳感器 實現配電箱內漏水檢測及告警功能。

c）煙霧傳感器 實現煙霧的探測及告警功能。

d）開關門監測 實現對箱門的開關狀態監測，并可在箱門打開時遠程告警。

2.2.1.4 遠程控制

遠程控制可對各配電線路進行遠程的控制及負載監測，并可在斷電后通過光端機遠程控制重啟。

2.2.1.5 故障定位

故障定位可分別對市電故障、設備故障、電源故障、通訊線纜故障進行定位[4]。

a）市電故障定位 對輸入市電和工作市電異常情況進行定位并在線回傳告警數據。

b）設備故障定位 實現對攝像機、交流電源、直流電源、通信設備、箱內環境的故障定位并在線回傳故障數據。

c）電源故障定位 可對交、直流電源故障定位并回傳故障數據，以區分設備故障。

d）通訊線纜故障定位 可定位具體某個設備的通訊故障并回傳數據。

2.2.2 服務層

服務層支持B∕S（瀏覽器∕服務器）模式，將各種不同功能監控子系統（動力、環境、安防、重要設備）無縫融合到一個統一運維管理平臺下，直接登錄瀏覽器即可操控，方便用戶使用和管理，顯著提高運維管理效率。服務層涵蓋基礎服務、采集服務、告警服務、健康管理服務、數據存儲服務和系統服務，其中基礎服務是各服務依賴的基礎包，如圖3所示。

圖3 智能運維監測管理系統服務層設計

2.2.2.1 采集服務

采集服務包含數據采集和數據處理兩部分，數據采集設備實時運行數據與告警數據，對采集的數據進行去重、加工等處理操作，并將告警和實時數據交由告警服務和數據存儲服務處理。

2.2.2.2 告警服務

告警服務主要用于監測外場設備運行狀態是否正確，并向用戶提示告警信息，既要求告警的實時性，又要保證告警的準確性。告警服務提供自定義的統一事件庫，每個告警事件又可設定多個告警組，每個告警組都可設定一種告警方式及一組管理人員，當有事件發生時，運維管理平臺根據用戶設定的告警流程，把告警信息及時反饋給監控人員。告警事件包括告警方式設定、事件等級分類、告警事件分組、事件目錄定義、事件確認處理及事件日志管理等。

2.2.2.3 健康管理服務

健康管理服務主要用于對數據采集模塊和運維管理平臺等相關服務當前運行狀態是否健康的自我監控，如監測數據采集模塊當前運行狀態、各監測模塊、傳感器、通信網絡工作是否正常等。當外場機電設備與數據采集模塊發生通訊中斷時，系統將自動通過聲光告警方式通知在場的值班人員，并且可以通過電話通知或者手機短信通知系統管理員[5]。

2.2.2.4 數據存儲服務

數據存儲服務包括日終報表任務、月終報表任務、告警存儲服務。

a）日終報表任務 對硬件設備進行統計分析并生成相關日報表。

b）月終報表任務 對硬件設備進行統計分析并生成相關月報表。

c）告警存儲服務 將告警相關數據存儲到數據庫。

2.2.2.5 系統服務

系統服務負責整個系統的基礎數據管理維護，包括：人員管理、區域管理、點位管理、組態、系統配置、自檢管理和服務管理等。

2.2.2.6 日志管理

日志管理用于追蹤用戶操作記錄和系統運行情況，使系統有跡可循，包括：操作記錄、控制記錄和運行日志等。

2.2.3 展示層

展示層主要通過合理的布局、功能劃分和較高的識別度方便使用人員快速使用系統和可視化展示，提供統一的大屏、設備實時數據、報表、圖表、告警通知和手機App 等功能交互，如圖4所示。

圖4 智能運維監測管理系統展示層設計

大屏頁能夠在首頁對設備總體狀態及箱體在線情況以場景圖方式展示，并對故障實現快速告警，同時對故障信息分類統計，支持按點位、告警級別、告警事件等不同維度以圖表方式展示統計結果。

用戶端支持電話、短信、屏幕彈窗、App 推送等多種告警方式，及時告知運維人員獲取故障信息，并可以根據故障類型定位，精準運維，提高運維效率。同時可在故障發生的時候，對攝像機、光端機等外場設備進行初步的排障操作，通過遠程重啟，修復大多數故障問題。

3 工程應用案例

本文設計的系統已在黎霍高速公路機電工程項目中應用，通過對該項目外場的各類配電箱（圖5）和控制箱引入運維技術和硬件，可實現設備運行狀態監測、智能配電、網絡監控、動環監測等功能，并通過網絡將采集到的數據上傳到機電設備運行智能監測系統，實現對攝像機、雷達、情報板等外場機電設備運行狀態進行實時的監測，能夠解決傳統配電箱運維響應不及時的問題，便于運維人員及時處理故障，有效地保證了外場機電設備的穩定運行。

圖5 智能運維監測管理系統配電箱展示

4 結語

隨著高速公路智能化速度不斷加快，機電設備智慧運維需求日趨旺盛，本文依托大數據、人工智能、邊緣計算等技術，提出了基于云邊協同的高速公路智能運維監測管理系統技術方案，通過對外場機電設備進行數字化改造，實現對機電設備的供電、網絡、硬件、環境等的實時監測、故障預警、故障定位、遠程監控等功能，并且構建了基于B∕S 機電設備運行智能監測系統軟件，提高了運維人員工作效率、降低了運維成本。