高速公路机电设备智慧运维探索与实践

杨辉

摘要：文章结合实践，阐述了应用自动监测技术、Lora技术、专家系统技术、时序数据库技术，开发高速公路机电设备智慧运维系统所进行的探索与实践，并介绍了应用系统后为运营单位带来的效果，可为高速公路运营单位设备管理工作以及专业化的维护单位运维工作提供参考。

关键词：高速公路机电养护;信息管理系统;地理信息系统;自动监测;专家系统

Combining the practice，this article describes the exploration and practice on the development of expressway electromechanical equipment intelligent operation and maintenance system by using the automatic monitoring technology，Lora technology，expert system technology，and time series database technology，and introduces the effect brought to the operation units by the application of this system，which can provide reference for the equipment management work of expressway operating unit and for the operation and maintenance work of specialized maintenance unit.

Expressway electromechanical maintenance;Information management system;Geographic information system;Automatic monitoring;Expert system

0 引言

高速公路上使用的機电设备种类和数量众多，位置分散，安装位置检修困难，机电设备的养护一直是维护人员的难题。传统的机电运维系统只具备信息管理功能，数据依靠人工录入，必须同时配备完善的管理制度和具有强有力的执行才能发挥作用，在实践中效果不佳，效率提升不明显。新时代的高速公路机电设备智慧运维系统，必须转变传统的救火式运维思维，用预防性维护方式，变被动维修为主动维护，提高机电设备的可用率，才能以最低成本发挥机电设备的最大效能。

新时代的高速公路机电设备智慧运维系统，应能通过实时监测机电设备的状态信息，将设备的运行状态直观展示在GIS地图上，采用“事件驱动”的机制，驱使维护人员提高响应速度与维修速度，减少设备故障时间。在维修过程中，系统应能通过专家系统对设备故障进行诊断，并进行智能派单，才能有效缩短机电设备的故障发现及修复时间，提高养护效率。系统还要对设备状态数据进行分析，预警设备可能发生的故障，提前养护，减少故障损失。并能通过分析与对比设备的养护成本和养护效率，综合评价维护队伍和设备供应商的质量，为机电系统建设提供决策依据。

1 系统架构

1.1 系统功能

为实现主动运维的目标，高速公路机电运维系统除了具备常规的信息管理、仓库管理和工单流转功能外，还应具备以下功能：

（1）集计算资源、存储资源、人力资源、机电设备资源、专家分析系统于一体，既具有机电设备的静态信息（设备的类型、品牌、型号、数量、金额、采购时间等），又具有机电设备的动态信息（设备的安装位置、维护时间、内容、维护人员、巡检、维护记录、维护档案及连接端口、拓扑图等）。

（2）实时采集机电设备的状态信息（如设备的工作电压、电流、环境温度、湿度、接口状态、通信链路状态等），结合设备的地理位置信息，直观地将设备状态、维护工单状态显示在GIS地图上，并可通过互联网、移动端随时随地查看。

（3）根据故障现象分析故障原因，提供检修处置方法，并对采集回的设备状态数据进行整理、分析、挖掘，对整体和局部的设备运行情况作出研判和预警。

（4）支持灵活自定义报表，能快速提供决策所需的数据。

1.2 系统逻辑结构

系统采用B/S结构，用户交互页面使用HTML5开发，无论在电脑上还是手机终端上访问，看到的页面内容都相同，操作方式也一样。系统由前端采集系统、数据汇总系统、运维应用系统和数据库系统四部分组成，逻辑关系如图1所示。

前端采集系统部署在各收费站/隧道管理站，负责定期检测机电设备的工作状态，将获取的状态数据发送回数据汇总模块。

数据汇总系统负责接收各站点的采集数据，并进行数据清洗，再入库。数据汇总系统部署在中心机房，当采集点数量多的时候也可以分级部署。采集数据先按路段汇总到路段中心，再汇总到中心机房，最后入库，以减少中心节点的压力，避免在采集时瞬间涌入大量的数据流量和数据处理量，造成资源瓶颈。

运维应用系统部署在中心机房，负责数据展示、数据分析，响应用户的服务请求，流转工单等。

数据库系统部署在中心机房，用来保存应用数据和设备状态数据。

1.3 系统软件架构

系统结构分为表现层（面向客户）、应用层、接口层和数据层，如图2所示。

表现层直接面向用户，向用户展示设备状态、位置等信息，接收用户请求，向应用层请求服务。

接口层定时从机电设备采集信息，通过消息队列推送到应用层。

应用层响应用户各种请求，执行相应操作返回结果;接收接口层上报的设备状态数据，进行数据处理后保存到数据仓库中;定期对状态数据进行分析，将分析结果推送到用户前台。

数据层分为时序数据库和常规数据库，分别保存设备状态数据和其他应用数据。

2 关键技术

2.1 机电设备自动监测技术

高速公路使用的机电设备种类繁多，同种设备也有多个厂商的产品，实现机电设备的集中监控一直是机电维护的一大难题。这些机电设备一部分已经通过有线光电缆网络与高速公路专有有线网络连接（这部分设备简称直接联网设备）;一部分通过RS232、RS485等接口与联网设备连接，通过联网设备可以获取到设备状态信息（这部分设备简称间接联网设备）;一部分没有与专用网络连接，或者无法通过联网设备获取设备状态（这部分设备简称未联网设备）。

联网设备又可以进一步分为支持标准化协议类、私有协议类和日志类。标准化协议类可用标准协议访问设备，如大多数交换机和服务器都支持SNMP，数据库支持SQL，部分设备可以通过厂商的网管进行监控等，可按照厂商提供的MIB库文件或数据字典或设备日志文件查询设备状态。私有协议类需按照厂商提供的接口文档开发接口。日志类可通过HTTP、Telnet/SSH等方式访问设备后发送指令，接收设备的输出;或设备本身自有syslog输出，分析输出日志，获取设备状态。

间接联网设备（如连接车道工控机的栏杆机、称重称、连接PLC的风机、光强检测、CO/VI等）可以通过访问直接联网设备端口、内存，或分析日志等方法，获取设备状态。对于未联网设备，需要在设备前端配置一个采集终端，通过无线的方式将数据回传采集应用。

2.2 Lora技术

Lora（Long Range Radio远距离无线电）技术是一种基于扩频技术的远距离无线传输技术，具有低带宽、远距离、低功耗、安全性高等特点。Lora终端会根据接收信号的信噪比强弱，选择扩频因子，以降低速率的代价实现远距离传输。高速公路外场机电设备分布分散，但发送测量设备的物理参量所需的带宽很少，特别适合使用Lora技术传输。使用传感器测量设备物理参量（如电流、电压、温度、湿度等），把数据通过Lora终端发送到Lora网关，再通过网关连接的有线网络，将数据发送回远端采集服务器，实现对未联网设备的状态监控。由于Lora终端功耗很低，只用电池供电也可以工作，当设备停电也能正常工作一段时间，对监控使用太阳能电池供电的外场设备有重要意义。现场实际环境测试中，在1 kps的速率时，在空旷地带传输距离达4 km，在隧道内传输距离达1 km。终端整机工作耗能<500 mw，配置2 200 mah的18 650锂电池不间断使用8 h以上，基本能在大多数现场环境下使用。

2.3 专家系统技术

专家系统可以依据已有知识库对故障进行智能诊断，提示用户处置方法，自动检索出类似历史情况信息，供维护人员参考。运维人员处理完故障后，将故障现象、诊断方法、处置方法更新到系统中，形成新的知识条目。刚开始时运维知识库还不够丰富，但随着系统运行时间越长，处理的故障越多，知识库就会越丰富，最终形成运维云数据。专家系统同时应用了语义分析技术，对用户输入的故障关键字进行模糊匹配，对相近故障也能检索出原因，且能提供处置建议。

专家系统还能定时对设备的状态数据进行自动分析，研判设备可能发生的故障原因，提示用户提前检修，减少设备突然停机的损失。专家系统还能将自动分析的结果主动推送到用户的手机上，提醒用户注意。

2.4 时序数据库技术

设备状态数据都有很强的时间属性，短时间持续高并发写入，不会有更新操作，写多读少，用传统的数据库保存状态数据，存储成本高，维护成本高，查询性能低，写入吞吐量低。时序数据库是专门针对储存以时间维度索引的数据设计的数据库，和传统关系型数据库不同，时序数据库的数据分片存储（常用标签+时间分片），写入速度快，多维度分组聚合查询速度也很快，仅有一个时间索引，存储成本低，结构简单，很容易增加节点，维护也很简单。基于时序数据库的上述优点，我们选用了Elasticsearch数据库保存状态数据，用Mysql数据库保存其他应用数据。在实际环境中，建立了3节点的Elasticsearch数据库，18 s可以完成50万多条状态数据写入（双至强4 110，64 G内存），从50多万条数据中查询某设备2 h内的数据（15 min采集一次，共8条），在1 s内返回，充分体现了时序数据库高吞吐量的优点。

3 系统应用

2018年，笔者所在单位负责广西某高速公路路段缺陷责任期维护，经过运营单位的同意，笔者将智慧运维系统应用到了在该路段的维护中。系统经过3个多月的试运行，有效提高了运维工作效率。在某次干线光缆线路故障维修中，系统及时监测到线路故障并通知维护人员，维护人员通过查询系统中的业务链信息，了解干线传输路由，再根据监测到的其他设备信息，迅速定位断点的大致范围，随后用OTDR测试，成功找到断点，缩短了故障处置时间。另外在监测过程中，发现某车牌识别仪的网络存在时通时断的问题，经过现场检查，发现是设备自身原因，并通知厂商进行修复，及時排除了故障隐患。

4 结语

本文针对传统高速公路机电运维手段效率低、自动化程度低、维护成本高等问题，阐述笔者在高速公路机电智慧运维方面所进行的探索与实践。通过研究应用自动监测、Lora技术、专家系统、时序数据库等关键技术，研发智慧运维系统，并在实践应用中缩短故障处置时间，发现存在的隐患并及时修复，提高运维效率，从而为高速公路机电设备的运营安全提供有效保障。因此，本系统随着高速公路机电设备的不断增多，维护工作量的不断增长，将具备越来越好的应用前景。

参考文献：

[1]张林妮.基于物联网技术的高速公路机电养护信息管理系统[J].中国交通信息化，2018（8）：113-115.

[2]王 莉.高速公路机电设备预防性养护管理[J].交通世界，2018（17）：172-173.

[3]邢 磊.高速公路机电养护信息化管理系统应用探析[J].科学创新导报，2017（6）：126-127.

[4]韩 旭.蚂蚁金服消息队列运维平台的设计与实现[D].南京：南京大学，2018.

[5]荣雪琴，刘 勇，刘 昊，等.基于时序数据库的电力运维系统关键技术研究[J].电测与仪表，2018，55（9）：48-51，83.

[6]陈光年.2014年MIS/S&A学术交流会议论文集：基于运维服务的专家知识库系统建设探索[C].呼和浩特：中国造船工程学会，2014.

[7]An Zhi-yuan，Sheng Lei，Luo Zhen.2018第三届计算机科学与电子技术国际学会会议论文集：A Design of Wireless Environment Monitoring System based on Lora Spread Spectrum[C].济南：计算机科学与电子技术国际学会，2018.