高速公路机电设备监控及可视化管理策略研究

杨凯

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃兰州 730030）

0 引言

高速公路机电设备监控及可视化管理是网络信息时代背景下，高速公路建设发展的必然趋势，是进一步提升高速公路运维管理能力，保障高速公路运营安全性和稳定性的重要举措。在明确高速公路机电系统设备组成的基础上，研究高速公路机电设备监控系统的构建方法和高速公路机电设备监控及可视化管理的实现策略，对于我国高速公路的健康发展具有积极的作用和意义。

1 高速公路机电系统设备组成概述

1.1 收费系统的设备组成

收费系统主要由金额显示设备、车辆识别系统、收费站监控室计算机网络系统、IC 卡读写设备、对讲系统、报警系统、自动栏杆机、票据打印机等组成，是高速公路获取运营资金的主要途径。以往的收费系统主要为半自动收费模式，需要人工协助完成收费。随着物联网技术的发展，现阶段的收费系统多采用自动收费模式，即ETC 收费模式。

1.2 供配电系统的设备组成

高速公路供配电系统主要由发电机组、UPS 电源、高低压配电线路及配套电气设备构成，具备常规供电和应急供电两种供电模式。主要功能和作用包括：为高速公路中的各类电气设备进行持续性供电，在突发紧急情况时能提供一定时间的应急供电。由此可见，供配电系统是高速公路机电系统得以正常运转的重要保障，是高速公路正常运营的基础。

1.3 监控系统的设备组成

在管理层级方面，高速公路监控系统可划分成外场监控设备、监控站、监控分中心、监控中心四个层级。

根据所处物理环境，外场监控设备可细分为隧道内监控设备和常规路段监控设备两种类型。其中，隧道内监控设备包括交通控制系统、环境检测系统、火灾检测报警系统、隧道通风控制系统、有线广播系统等多个子系统。常规路段监控设备包括车辆检测器、气象检测器、信息发布屏、远程控制监控器等多种设备。

在其他三个层级的监控系统中，计算机控制系统、网络通信系统、视频监控系统及必要的辅助设备是必要组成部分。在进行系统构建时，需根据高速公路的建设规模和设计要求，对系统的组成和架构进行有针对性的设计与科学调整。

对于高速公路而言，监控系统的功能作用主要是实时监测高速公路的路面状况、车流量情况、基础设施工况及整体运行状态，引导公路管理部门及时处理公路上出现的突发情况，为高速公路运营及管理工作的开展和优化提供资料依据。

1.4 通信系统的设备组成

高速公路通信系统通常由通信电源系统、光电线缆、光纤传输网络、数字程控交换系统等构成，是高速公路机电系统中监控、收费等子系统各项业务需求紧密连接的“桥梁”，是各管理部门之间各类数据信息通畅传输、实时共享的重要基础。

1.5 照明系统的设备组成

照明系统是高速公路机电系统的重要组成部分，主要由场站照明子系统、主车道照明子系统、隧道照明子系统组成。其中，场站照明子系统主要保证收费站、管理站正常工作时的照明需求。主车道照明子系统主要为重要路段和事故多发路段提供主线照明，保证监控设备在夜间的监视效果的同时，还可以提高所在路段的行车安全性。隧道照明子系统主要对隧道内进行24h 的持续性照明，同时在隧道内发生意外事故时，可提供一段时间的应急照明[1]。

2 高速公路机电设备监控系统的构建

2.1 监控系统的结构组成

高速公路机电监控系统由底层硬件系统和上层软件系统两部分构成，包含监控数据采集、中继网关传输、云服务器、人机交互界面四个结构组成部分。具体工作原理为：在每个行车道上安装1 个监测器，利用该监测器对所在车道机电设备自带反馈信号、后装传感器反馈信号进行实时采集，所采集的数据信息作为判断机电设备是否处于正常运行状态的主要依据。监测器完成信息采集后，会基于ZigBee 技术将采集信息传输至中继网关，由中继网关对采集数据信息进行打包处理，并通过宽带通信网络将打包好的数据信息上传至云端服务器。此时，高速公路运维管理人员便可通过人机交互界面直接察看机电设备的监控信息，直观地了解监控设备的运行状况[2]。

2.2 机电设备监控系统的构建

高速公路机电设备监控系统的构建主要依托传感器数据采集、无线网络双向通信、物联网、云储存四大技术。具体包含以下功能模块的设计与构建：

第一，采集系统监测器设计。采集系统监测器主要由供电电源、信号采集、无线传输、数据存储四个功能模块组成，并具备数据采集、传输、储存三项基本功能，在主控芯片和系统软件的控制下协同运行。采集系统监测器应采取模块化设计，工作流程为：主程序对各接口模块进行初始化—等待设备对应采集端配置处理—调用并进入各个数据采集子系统—将采集数据存储至外部Flash 中—通过ZigBee 将采集数据传输给中继网关。

第二，通信网关设计。通信网关主要由主控芯片、供电电路、基本电路、拨码开关电路、ZigBee 模块、4G 模块、Wi-Fi 模块构成。在功能设计方面，应保证通信网关具备4G 接收缓冲处理、4G 发送缓冲处理与确认、ZigBee 接收缓冲处理、Wi-Fi 接收缓存处理、4G重连、“看门狗”等功能。

第三，云端程序设计，即利用计算机编程语言编写UDP Server 程序，实现监控系统采集的数据自动上传至云端，并根据实际需求在云端进行处理和计算。在功能设计方面，应保证云端程序能够执行“数据处理”和“故障诊断”两项工作。

第四，数据库设计。在进行高速公路机电设备监控系统数据库设计时，应根据用户需求、实际情况、机电系统规模等因素，科学编制数据库的数据字典，合理构建E-R 模型，以此保证数据库的功能性与构建合理性。

第五，交互式网页设计。交互式网页设计是实现机电系统监控和可视化管理的重要手段。主要包含B/S 结构（浏览器/服务器结构）、MySQL 数据库、Apache 服务器软件、前端及后台程序的开发与设计。在功能设计方面，应保证交互式网页具备状态查阅、档案管理、实时监控、频次统计、用户管理、监测设备管理等功能[3]。

3 高速公路机电设备监控及可视化管理的策略分析

3.1 做好前期系统规划

做好前期的系统规划工作是实现高速公路机电设备监控及可视化管理的首要前提。期间，需要管理部门积极引入、灵活应用GIS、大数据分析、无线通信、物联网等信息技术。基于上述技术手段的整合应用，可将前端机电设备的运行状态，如实、直观地反馈到后方的监控中心，管理部门可通过监控中心终端设备实现机电系统及具体设备的监控和管理。在进行前期系统规划时，还应配置相应的服务器，利用服务器将系统中的传输信息转化为可视化的形式，使机电设备的运行状态更直观、更清晰、更具动态性地呈现在管理人员眼前，协助管理人员更好地开展机电设备运维管理工作。

3.2 绘制软件布局及分布图

为了能够准确、直观地展现高速公路上各机电设备的运行情况，切实实现机电设备的可视化管理，高速公路管理部门应按照统一的标准确定每个机电设备布设位置的坐标。将所有位置坐标录入电脑系统中，结合GIS、GPS 提供的数据信息，生成高速公路机电设备二维分布图，以此初步实现公路上所有机电设备布设位置的可视化呈现。为保证分布图绘制的精准性，工作人员应对所需数据进行实时采集和反复校对，对各路段的机电设备记录信息进行核对，按照图纸比例尺对分布图中的数据进行还原，并与实际情况对比、核实。机电设备分布图绘制完毕后，将其与监控系统相连接，将每个机电设备的前端监控数据信息与分布图中该设备的图标一一对应。此时，机电设备运维人员便可以通过在分布图点选图标的方式，直接察看对应机电设备的运行数据信息，从而实现机电设备的远程监控与可视化管理。例如高速公路机电设备一旦出现故障或功能异常须及时检修，而重点路段往往会布设较多的机电设备，传统技术手段下运维人员需要耗费较多的时间和精力才能找到故障点。利用分布图，运维人员可快速、直观地察看目标路段内所有机电设备的运行状态，快速完成故障点的定位，从而大幅度提升重点路段机电设备运维检修的效率[4]。

3.3 对图标进行设计与处理

在分布图中利用图标、符号进行信息标注是实现机电设备可视化管理的重要手段。因大部分机电设备的外形较为复杂，并不适合实施简单标注，管理部门应在落实机电设备可视化管理工作的过程中，对机电设备对应图标进行优化设计，以便在分布图和可视化人工交互管理界面中更好地标示、呈现机电设备，使运维管理人员在排查和甄选机电设备时，能够快速找到图标对应的位置，提高工作效率。此外，在进行图标优化的过程中，可设计一些直观易懂的动画，对机电设备的运行情况进行动态化呈现，进一步提升可视化管理的直观性。例如，当机电设备处于正常工作状态时，可用绿色、静态的图标表示，当机电设备运行异常或出现故障时，可用红色且循环扩散光波的动态化图标表示，以此快速吸引后台监控运维人员的注意，提醒其立即对该机电设备进行故障排查和检修。

3.4 优化完善监控系统

按照相关规范标准的要求，各高速公路均会配备监控系统。从实际情况来看，现阶段设计的监控系统，其主要功能为记录所在路段的路况信息，而各路段间的联系较少，通常仅通过上级管理中心进行联系协调。这种情况并不利于高速公路机电设备监控及可视化管理的实现，高速公路管理部门应进一步优化和完善当前的监控系统，全面提升各路段之间监控数据的共享。例如，在拥有较多分支且里程数较大的高速公路中，会存在车辆分流的现象。此时，若各路段之间的监控数据能够实时共享，管理部门便可对公路全程的路况情况进行精准把握，以便在出现紧急情况时能够更科学、及时地对该路段进行整体性管控，最大限度地保证路面车辆的行驶安全。

3.5 构建集成化管理系统

受多种因素的影响，很多高速公路机电设备研发企业在进行产品研发时，未重视设备兼容性及与其他机电设备互联互通性的开发，不同类型的研发企业之间缺乏深入的技术交流与合作，导致很多机电设备在投入使用后难以有效连接、充分配合，从而严重影响了高速公路机电设备的运维管理，阻碍了机电设备监控与可视化管理的实现。例如，国内很多机电设备研发企业在研发产品的过程中，仅从机电设备对立运行的角度进行研发，以此最大限度地保证自身产品的质量性与实用性，该研发模式并不能保证设备的兼容性。在实际工作中，大部分机电设备都不是独立运行的，普遍会与其他机电设备联系和配合，因此，上述研发模式下生产的机电设备虽然个体质量没有问题，但很难与其他机电设备良好配合组成为一个运行高效、稳定的机电系统。针对上述问题，管理部门在构建高速公路机电系统时，应优先选择兼容性、连接性好的机电设备，以此构建出一套配合紧密、整体性强的机电系统。在此基础上，利用现代信息技术手段构建一个能够统筹管理该机电系统中各机电设备的集成化管理系统，从而为高速公路机电设备监控与可视化管理的实现提供良好的载体[5]。

4 结语

综上所述，高速公路机电系统由供配电、监控、收费、通信、照明等多个子系统构成，包含众多的机电设备，这些机电设备的运行状态对高速公路的运行安全性具有决定性的影响。在新时期背景下，为进一步提高高速公路的运维管理水平，更好地保障高速公路的运行安全性，高速公路管理部门应积极进行现代化机电设备监控系统的构建，并通过该研究策略实现机电设备的监控及可视化管理。