高速公路机电系统的联网支撑设计

陈略

(贵州交通职业技术学院, 贵州交通技师学院， 贵州， 贵阳 550008)

0 引言

随着社会经济的快速发展，交通行业的规模越来越大。高速公路的建设也如火如荼地进行，并在经济建设方面取得了巨大的成就。高速公路的快速发展提升了省市区域内的公路网整体技术水平，高速公路的建设可以优化整体的交通运输结构[1]，可以有效地减少交通拥堵和交通事故出现的概率，对于舒缓交通繁杂的局面具有积极的意义。同时，在高速公路发展中，应努力提高服务质量，实现对整段路网设备的有效监控[2]。通过部署联网通信系统，按照不同路段和车辆通行状况，合理准确地进行设备管理。采用车型自动识别技术、联网防作弊技术实现对高速公路科学的管理[3]，提升通行能力，统筹调度管理，达到对经济、社会的综合效益。

1 高速公路建设规划

1.1 高速公路管理体制设计

高速公路机电系统的设计需要以高速公路路网的建设角度出发，并且也要同时综合业务需求、管理规则、投资成本等因素实现对高速公路机电系统的建设[4]。为了保证可以兼顾行政区域的划分与工作人员生活便利等条件，采取三层体系管理。所以，将机电系统的管理体制设计成“省中心——路网分中心——基层管理单元”三层管理体系，具体如图1所示。

图1 机电系统管理体制图

1.2 高速公路联网设计原则

为了贯彻交通运输部以及国家宏观的技术政策，联网设计原则应采纳“统一规划、分期实施”的策略。在原有基础设施的资源上，逐步进行升级改造，形成平滑过渡的设施建设。参考的设计原则应具备科学性、前瞻性和包容性[5]。科学性设计原则表明无论是总体性规划，还是局部的技术性规划都应科学地看待，结合系统的软硬件建设，依赖先进性与实用性的技术的实现。前瞻性原则是指应考虑到未来高速公路的建设方向，充分分析出交通可能出现的新情况和新常态[6]，保证在很长的一段时间内保持领先的建设特点，适当地进行超前建造，参照国际和国内的先进建造经验。包容性原则是高速公路在建设竣工后使用时间一般会长达30—50年左右[7]，建设过程中，机电系统也会产生更新的情况，所以当前建设的机电系统应保证兼容性。

2 整体架构与通信系统功能设计

2.1 整体架构

高速公路的机电系统应设计成具有管理性质的应用软件，采用B/S的模式架构，依据高速公路的特点，其机电系统的联网设计，主要包含用户界面、业务处理、数据访问以及异常处理等软件包。用户界面包完成与操作人员的主要交互，接收动作指令并在完成后反馈结果给人员，同时向业务层传输处理请求，向操作人员展示结果。业务处理包则是在完成接收操作人员指令后，实现各种业务处理，向数据层发送数据并反馈结果给界面。数据访问包作为数据的支撑操作，一般用来实现事务处理和数据库的访问连接。异常处理包的职责则是包含对异常数据的日志记录与管理，上传异常信息给用户界面。其整体设计图如图2所示。

图2 整体架构图

2.2 骨干网传输与路段内接入网系统

高速公路通信系统的建立需要适应高速公路的需求，通信系统的建立要服务于公路的运营效率和业务能力。从管理效率的角度分析，通信系统主要包括通信系统的三级管理机构和两层辅助系统，即骨干通信网和路段接入网[8]。通信系统的搭建应主要着眼于各个路段通信系统的互联互通、未来路段接入以及通信系统扩容的骨干网建设。以省市区域作为骨干网的主要传输系统，由它来链接城市骨干网和各个路段网的接入网平台，通信系统的重要功能就是成为通信系统和监控系统的实时承载通路，为数字图像提供信号传输通道以及音频信号的电话网中继传输通道，保留一定的新业务所需的数字空间，为后续的信息化交通构建提供预留环境。

网络节点采用自动交换光网络(ASON)设备[9]，网络中骨干通信节点使用10G设备。边缘节点依据网络的通信流量采用2.5 G或622 M的通信容量设备。对于传输业务量大于2.5 G时，可以实现粗波长级别的传输[10]，安装更大容量的光板和光缆线路。主要设备为ASON系列的STM-16或者STM-4等级分插复用器。

路段内接入网的制式选择是属于骨干网下的一段基层网络，其灵活、业务场景的特点主要用于支持基层管理部门的语音、图像业务的传输[11]。根据路段内的传输业务特点不同，一般分为2部分：一部分以SDH/MSTP的接入网为主；另一部分则以IP网络为主传输小数据业务。MSTP综合业务接入网设置在路段分中心的终端设备上[12]，通过OLT和ONU设备对每一个站点进行连接，形成自愈性组网，构成环带链或者各种双环结构[13]。

3 设备管理与维护功能设计

3.1 设备管理功能模块

为了管理高速公路上机电系统中的各类机电设备的日常管理和维护，实现对机电设备的合理规范管理、科学养护，建立合理的养护计划，高效率地调度高速公路的养护队伍，特在建立起通信系统后，专门设计设备管理模块、设备维护模块以及公路专项工程管理，达到高速公路的机电系统全面联网管理。首先是设备管理功能的设计，包含对现场设备管理、备品备件管理以及资产管理。设备管理功能的设计示意图如图3所示。

图3 设备管理功能的设计示意图

现场设备管理功能的设计是对高速公路机电设备的合理管理，设备信息一般包含资产编号、所属公司、设备名称、型号、供应商、采购人、生产商、建档日期等信息，由于高速公路的各个路段内，存在大量正在使用的设备，需要将各个路段的设备信息导入到管理系统中，并且管理功能应具备对设备信息的查询、新增、修改、删除等基本操作，支持对于设备的信息模糊查询，其业务逻辑功能如表1所示。设备管理与设备信息查询，可以按照路段和收费站的名称进行查询，也可以对模糊信息进行查询，获取联网设备信息，该功能界面如图4所示。

表1 设备管理业务逻辑功能表

图4 设备信息查询界面

3.2 设备维护功能模块

设备维护功能模块主要用于设备故障的维修管理和常规维护，故障维修模块一般是用于对设备故障的上报功能和故障受理登记等功能，维护功能主要是构建机电系统中设备的常规维护计划和维护登记等。设备维护管理的流程如图5所示。从系统收到故障上报开始，依次经过受理系统故障、故障审批的监控流程，形成对联网中的高速公路机电系统设备的实时监督，用于提高工作效率。上报主要是报修人员将设备信息、故障情况和故障原因等信息录入到系统中。故障上报后，由故障接收单位对维修原因、故障处理情况、修复时间等进行处理。经过逐级审批，明确各个流程中的工作责任，最后统计维修记录和报修统计查询，对于故障进行分级管理，主要包含一般、紧急、重大3种级别，确定故障的处理时效程度。设备维护的业务逻辑界面如图6所示。常规的设备维护功能主要是依照合同约定对设备形成周期性的检查，利用删除、查询、修改等操作对养护的设备进行跟踪管理，并且完善相应的养护填写记录，对于养护的情况经核实后对维修人员进行考核和业务考察，作为设备管理的主要功能。

图5 故障维修流程图

图6 故障维护登记图

3.3 专项工程功能模块

在机电系统的专项工程功能模块中，专项工程主要指通过各种软硬件的升级完成对现有机电系统的改造功能，需要跟踪整个项目的立项、审批、实施过程，直至最终的验收。所以，该功能模块应具有以下的功能，分别为立项申请、立项审批、施工管理以及工程验收阶段。立项申请功能包括立项的基本信息、预算金额等等。立项审批功能是负责人填写审批意见、并将审批意见给到相关部门。施工管理功能相对复杂，应由方案确定和招标管理两部分组成。方案确定是明确设计单位、设计成本与方案等等，而招标管理则是由施工计划、设备计划、支付计划、进度检查等信息组成。最终的验收功能包含工程进度各个环节的考核与落实情况。立项界面图、立项审批图以及施工管理界面图分别如图7～图9所示。

图7 专项工程立项图

图8 专项工程审批图

图9 施工管理图

4 总结

本文针对高速公路的联网机电系统作为分析对象，采用软件工程的思想对机电系统进行设计。首先，分析了国内外机电系统的现状，对高速公路的规划建设进行阐述；然后，针对机电系统中的架构和通信环境展开研究。依照划分的三级管理结构，按照统一联网的需求，对机电系统的设备管理、维修养护、专项工程建设等各个环节进行功能设计与实现。解决了高速公路设备管理不严格、维护队伍工作效率低的痛点，有利于提升服务质量。在今后的研究中，可以采用更多物联网的手段实现更加全面的设备监控和通信质量，并不断更新规划管理理念，以更好地适应高速公路的发展。