基于智慧运维的高速公路机电设备研究与应用

郭津

摘要 为保证高速公路机电设备的高效运行，提升机电设备维护管理的及时性和可靠性，文章提出了一种基于信息化技术的智慧运维方案，通过介绍高速公路机电设备智慧运维过程中的信息采集系统组成，并从机电设备自动监测、Lora技术、专家系统技术、时序数据库技术等方面出发，分析了高速公路机电设备智慧运维关键技术，指出该智慧运维平台的基本架构与实现方式，从而为有关高速公路机电运维从业人员提供指导借鉴。

关键词 高速公路；机电设备；智慧运维

中图分类号 U418.7文献标识码 B文章编号 2096-8949（2023）10-0013-03

0 引言

随着信息化技术的不断发展，我国各行各业在机电设备管理方面陆续步入智能化[1-2]。高速公路运行过程中，通过对机电设备采取智慧化管理，可有效降低养护成本，在提高养护效果与机电设备使用寿命的同时，确保高速公路长期稳定运行[3]。在开展高速公路运维工作时，工作人员需要定期检测机电设备运行状态，获取设备运行参数，针对性分析设备需要采取的维护措施。相比传统机械性的运维管理模式，智能化的运维系统可快速定位机电设备运行存在的问题和故障[4]，并基于数据库技术为维护工作提供可靠的策略与建议，有效提高维护效率和质量，从而推动高速公路机电设备运维工作的智慧化转型。

1 信息采集系统的组成

为保证高速公路机电设备运维系统正常运行，信息采集系统能否有效运行十分关键。高速公路机电的信息采集系统主要由后端的中心平台和前端的采集服务器组成。其中，前端采集服务器负责收集并汇总机电设备运行时产生的各项数据，然后输送到接收模块。考虑处理的数据量和负荷相对较大，故实际运行中常会对前端采集服务器的数据整理后再传输到接收模块消息队列中，而后数据预处理模块获取数据信息，并针对设计要求对数据进一步处理，并将结果上传至专家系统和Elasticsearch数据库中。专家系统进一步分析数据并获取报告，再上传MySQL数据库中并发送至用户界面，供工作人员查看。

1.1 前端数据采集模块

前端数据采集模块主要用于收集高速公路机电设备运行数据并简单处理，即在高速公路不同路段节点设置数据采集节点，采集设备运行一段周期后可自動收集机电设备运行数据，并将数据传至接收模块中。采集过程中，数据采集设备需每隔2 min左右发送一次心跳信息到接收模块中，当接收模块超过3个周期没有接收信息时，则会调整该节点的运行状态为连接中断状态，直至能稳定接收到该节点发送的心跳信息为止[5]。采集节点需将数据采集和整理后发送至信息中心平台，如这一过程出现间断，则中心平台会修改采集节点为不可采集状态，并通过运行终端对工作人员示警。

前端数据采集模块的工作准则需在采集设备开始运行前进行后台设计，明确规范，并订阅消息队列的运行规则信息。运行开始之初将采集设备和中心平台配对连接，通过采集节点向采集中心发送信号，请求下载数据采集规则并储存，作为后期模块读取依据。如由于各种原因影响而需调整采集规则，则需确保配置信息模块能快速下载并读取新的规则内容。系统运行中如出现中心平台难以连接到前端采集节点，应将已采集的数据信息线下储存，并在连接恢复后再次传输。数据传输工作需按照时间顺序开展，即在信息传输过程中先上传时间最接近当前的数据，并在上传完成后销毁，这样的模式能确保信息传输安全。同时如果设备运行出现故障问题，也可以此为基础判断设备当前的运行状态。通常，前端采集系统存储数据时使用SQLite数据库，可在降低存储所需资源的同时提高数据兼容性，工作人员可通过不同机型电脑实现对数据的解读和分析。

1.2 采集接收服务模块

相较于作为前端的数据采集模块，数据采集接收模块属于采集系统的后端，运行时有较多的并发请求，可能会导致采集接收模块出现单点故障等问题。鉴于此，在系统架设时若仅设置一台采集接收服务器，则极易出现接收服务器和中心平台之间连接中断的问题。为提升采集接收模块处理量，通常会设置数台服务器集群，并确保不同服务器之间均摊负荷，继而提高数据处理量和接收效率，确保系统运行稳定性和安全性。设置该模块时，可采用Nginx-Tomcat负载均衡并以Nginx作为反向代理服务器实现平衡负载[6]。Tomcat是适应于多平台接入的Web应用服务器，其布局较为简易，能实现多个服务器之间平衡荷载，开源代码免费，目录结构如表1所示。

2 机电智能设备运维关键技术

数据采集与接收模块是高速公路机电设备采集系统的主要构成，也是后续搭建智慧运维结构的基础。在高速公路机电设备智慧运维系统设置过程中，需在此基础上综合运用多种技术体系，如Lora、时序数据库、专家系统等，具体种类如图1所示。下面简要阐述相应技术的应用。

2.1 机电设备自动监测技术

当前，我国高速公路安装的机电设备总数不断增加，如何统一机电设备安装型号、参数等，成为机电设备运行管理工作中的重点考虑内容。研究表明，我国采用的机电设备中，有一部分能通过有线光缆网络直连至高速公路专用网络中，称为直接联网设备；也有部分属于间接联网设备，即能通过RS485、RS232等接口直接连接到配套网络电子设备中；还有部分为未联网设备，既不能连接到联网设备中，也不能直接连接到专用网络中。

高速公路机电设备中，最常用的设备为直接联网设备，即能直接连接到高速公路专用网络中，或借助有线光缆连接到网络中。该种设备具体可划分为日志类设备、标准化协议类设备和私有协议类设备。其中，私有协议类设备的接口需结合生产商接口文档针对性设置；访问标准化协议类设备时需通过标准协议，当前多数交换机等标准化协议类设备都可通过SNMP访问；访问日志类设备时则需采用Telnet/SSH等方式，访问设备后可输入所需指令。同时若设备内部已设置Syslog，则也可通过输出并分析日志来获取设备运行的实时信息[7]。

对于间接联网设备，工作人员可通过网络访问设备内存、端口及分析日志等途径，判断机电设备状态。而为获取未联网设备的运行数据，则需在设备前端配置数据采集终端，通过无线形式来获取数据信息，并将信息发送至相应的分析平台。

2.2 Lora技术

作为超远距离无线电技术，Lora的应用基础为扩频技术，但在扩频技术上进一步增强了数据传输的稳定性，降低了能耗并拓宽了传输距离。该技术在接收信号过程中，能结合信噪比的强弱来灵活选取扩频因子，进而实现远距离传输效果。该技术相比其他技术具有更强的适应性，应用环境要求和技术成本相对更低，因而被广泛应用于高速公路机电设备运维系统中[8]。

Lora技术可通过传感器来获取机电设备当前的运行状态信息，并通过Lora终端将数据发送到网关和远端采集服务器中，从而完成对未联网设备的在线监控。Lora技术的主要不足在于其运转过程需要持续供电，虽自身能耗较小，大多采取电池供电即可满足要求，但一旦遭遇断电，则将导致运转失效。当前部分Lora设备已可通过应用太阳能电池的方式维持供电，提高电量供应稳定性，确保设备能长时间保持正常运行状态。Lora技术的基本运行模式如图2所示。

2.3 专家系统技术

在机电设备出现问题时，专家系统技术的应用能帮助工作人员快速获取设备检修策略，结合前期设备运行过程中曾产生的问题及处理措施，快速精准确定设备问题出现的原因和位置，并通过智能诊断帮助工作人员获取有效的解答策略，确保设备尽快回归正常运行状态。与此同时，专家系统每次解决问题时，也会同步将获取的设备运行信息、设备运行故障原因和位置，以及采取的解答方案上传至数据库加以储存，为后续相关维护工作的高效开展奠定基础。专家系统在初期阶段应用时，可能会由于数据库存储的知识种类不多、内容较少等原因，导致对故障分析的速度较慢、精准度不高。而该系统运行一段时间后，数据库中储存的故障原因、解决措施等都将得到积累与完善，应用性能逐渐提高，最终会形成设备运维工作的云数据库。以此为基础，系统可进一步通过语义分析技术来模糊匹配工作人员上传的关键字内容，并快速定位相似故障问题发生的位置及原因。同时，专家系统还能实时分析设备运行实际情况并记录设备状态，一旦设备发生故障，则能直接定位设备出现问题的位置，并列出故障原因，为工作人员决策提供分析依据。除此之外，专家系统也能通过分析设备实时运行状态，以推测的方式判断设备继续运行时可能会产生的故障，并通过终端预警的方式提示工作人员。

2.4 时序数据库技术

在高速公路机电设备运维过程中，传统的数据库技术对成本、检修水平提出了很高要求，需消耗大量的人工成本和经济成本才能确保技术的有效应用。同时，传统数据库技术还存在十分显著的时间属性，即在集中频繁写入操作下，数据库无法及时得到刷新。相较于传统数据库，时序数据库的设计是基于时间维度索引展开的，因而结构较为简洁，便于增加节点，且相应的检修工作也较为简单。在时序数据库条件下，高速公路机电设备运行管理过程中采用的储存数据库通常为三节点Elasticsearch数据库，应用数据的储存形式为MySQL，通过该种方式能在18 s内实现50条以上的状态信息写入，具有较高的数据吞吐量。

3 平台构建

3.1 平台架构

结合前述技术设置智慧运维系统的管理平台，其中主要包含6层。

（1）数据采集层。对机电设备进行基本管理，能获取接入设备的状态参数，确保后续运维管理有效性。

（2）基础层。为平台运行提供软件运行环境。

（3）数据层。储存机电设备运行生成的數据信息，包含运行数据和故障数据。

（4）业务支持层。整合管理应用组件。

（5）业务应用层。主要包含对维修效果的评价、日常养护计划的制定、维修流程动态以及故障实时监测。

（6）Web服务层。作为操作平台，为工作人员提供信息查询服务。

3.2 平台实现

结合上述智慧运维系统架构，将平台划分为设备状态监控模块、动态展示模块、三维监控巡检模块和设备运维管理模块。设备状态监控模块能结合设备运行参数信息，精准分析当前设备运行状态，判断是否发生故障并警告。动态展示模块能通过道路网展示设备的位置、状态等信息，帮助工作人员快速锁定故障设备所在位置。三维监控巡检模块依托设备接口，在线监测关键设备状态并采集心跳数据上报。设备运维管理模块能记录设备正常运行和故障信息的各项状态数据，在设备故障后结合存储数据，生成维护工单，辅助决策。

4 结语

该文分析了高速公路机电设备智慧运维系统的基本原理与关键应用技术，探究了机电设备智慧运维系统条件下的信息采集系统组成和架构。通过分析可知，智慧运维系统能通过时序数据库技术、自动监测技术、专家系统技术及Lora技术等的针对性应用，实现对机电设备故障的快速定位及维修策略建议，有效提高故障排查效率和运维工作水平。

当前时代背景下，我国高速公路建设总里程仍在快速增加，机电设备配置的复杂性和应用要求不断提高，相应对机电设备运维的管理要求也随之提高。为此，需要相关工作人员和研究人员抓住信息化发展的转型趋势，在理论研究和工作实践中做好数字化创新工作，推动高速公路机电设备智慧运维的深入发展。

参考文献

[1]罗志高. 基于数据质量监测的主动式ETC门架机电设备智慧运维系统[J]. 中国交通信息化， 2023（3）： 142-145.

[2]陈婧， 方皓. 高速公路机电系统的智慧运维模式应用[J]. 集成电路应用， 2019（3）： 44-45.

[3]沈阳， 朱立， 丁雪. 高速公路收费站智能运维监测系统的设计与实现[J]. 中国交通信息化， 2022（3）： 112-114+123.

[4]崔晓亮. 智慧运维在高速公路机电系统管理中的应用[J]. 今日自动化， 2022（9）： 186-189.

[5]徐娟娟. 基于智慧运维背景下的高速公路机电设备分析[J]. 科学与信息化， 2022（8）： 172-174.

[6]戴芳盛. 高速公路智慧运维解决方案及应用[J]. 运输经理世界， 2022（12）： 49-51.

[7]刘昊. 高速公路机电设备智慧运维探索与实践[J]. 建筑技术开发， 2021（6）： 113-114.

[8]梁玎. 高速公路智慧运维解决方案及应用[J]. 工程建设与设计， 2019（19）： 278-280.