高速公路智能运维监测管理系统设计

谢昊良

（山西省智慧交通研究院有限公司，山西太原 030032）

1 概述

近几年，随着大数据、人工智能、边缘计算等技术迅猛发展，高速公路建设正朝着智慧化和数字化方向发展。高速公路机电设备作为实现智慧高速的硬件基础，亟需提高机电设备运维监测能力，如需要在传统机电设备要求的基础上，通过各种装置与技术对设备运行中产生的数据进行实时采集，并通过网络将数据传回进行管理、分析与监测，以此来实现设备在运行过程中的智能化运维检测和运营管理。

随着高速公路路网的不断延伸，与之配套的机电设备也存在着数量多、分布广的特点，且大部分的机电设备距离城市较远，现有的机电设备运维仍然采用传统的管理方式，如人工巡检、手工记录运行数据。人工巡检存在诸多弊端，如无法巡视到位，往往只能查看设备外部，无法查看设备实际运行状态变化；运维巡检周期长，无法做到24 h 巡检[1]，巡检过程无法监管，缺乏对设备的长期监测统计与分析；高速公路机电设施点多面广，运维人员工作强度大，效率低，成本高；故障不易定位，运维难度大，短时间内无法恢复正常，容易造成故障处理延误，引发生命财产损失。

为了解决传统高速公路机电设备存在的故障无法及时发现、故障原因不明、运维成本高、设备在线率难以达标等问题，同时响应国家“交通强国”的战略要求，本文提出了一种高速公路智能运维监测管理系统技术方案，通过融合多源感知、物联网、云边协同等技术，对传统机电设备进行数字化改造，实现机电设备的供电、网络、硬件、环境等的实时监测、故障预警、故障定位、远程监控等功能，及时发现故障隐患，提高运维效率，降低运维成本。

2 智能运维检测管理系统设计方案

2.1 系统总体设计

本文提出的高速公路智能运维监测管理系统设计方案如图1。

图1 智能运维监测管理系统总体设计

智能运维监测管理系统是由数据采集模块和运维管理平台两个部分组成。数据采集模块主要通过对高速公路外场设备配电箱内增加多源传感硬件，实现设备监测、智能配电、网络监控、动环监测等运维监测功能。运维管理平台主要实现外场设备运行状态监测、故障定位、故障预警、统计分析等功能，通过将数据采集模块中采集到的各类数据进行实时监测，一旦配电箱内发生故障，运维管理平台能够及时将故障类型、故障位置等信息进行告警，便于运维管理人员进行故障定位与处理。同时平台可远程对外场设备配电接口进行上下电、分合闸等远程控制等功能，极大提高了运维效率，减少运维成本，使运维更加智能。

2.2 系统技术方案

2.2.1 硬件层

在原有外场设备配电箱的基础上，通过引入配电监控与管理、网络接入与监控、机箱环境监控、远程控制等硬件和技术，实现供电监控、网络监测、动环检测、远程控制、故障定位等功能，如图2所示。

图2 智能运维监测管理系统硬件层设计

2.2.1.1 供电监控

供电监控模块包括了4 个功能：防雷保护、自动重合闸、市电监测、断电续航。

a）防雷保护功能 可对防雷器的状态进行监测，可上传配电箱遭受雷击次数；当防雷器失效时，会将告警信息上报。

b）自动重合闸功能 可对当前配电箱内各配电接口的电流与电压进行监控，当发生过压、欠压、过流、漏电等情况时，可自动关闭电闸保护设备；同时通过远程通讯功能可对电闸进行远程控制，方便管理人员进行控制维护[2]。

c）市电监测功能 监测参数包括市电进线三相电源的相电压、电流、频率、功率因数、有功功率、无功功率等，对于重要的参数，可作曲线记录。通过分析有关参数的历史曲线，管理员能清楚地知道供电电源的质量是否可靠完好[3]。

d）断电续航功能 在配电箱中设置电容，可在配电箱断电时提供额外电力，断电续航时长超过60 s，可供配电箱将断电告警信息上报。

2.2.1.2 网络监测

网络监测模块主要通过网络通信功能，实现对各硬件单元在网情况进行状态监控。配有完全物理隔离的双网口板卡，网口1 通过监控网将采集到的数据上传中心；网口2 通过交换机连接配电箱内网络硬件设备，如摄像机、雷达等。数据采集模块对网络硬件设备通过协议或PING 的方式查看设备工作状态，可通过IP信息实现对设备的在线状态监测，并在设备离线时进行实时告警；在运维管理平台处可通过各配电箱内数据采集模块上传的数据进行整合统计，并自动分析判断网络状态，方便管理人员进行统一监控。

2.2.1.3 动环监测

动环监测主要是针对配电箱内的环境参数进行监测。

a）温湿度传感器 实现对配电箱内温度与湿度采集。

b）水位监测传感器 实现配电箱内漏水检测及告警功能。

c）烟雾传感器 实现烟雾的探测及告警功能。

d）开关门监测 实现对箱门的开关状态监测，并可在箱门打开时远程告警。

2.2.1.4 远程控制

远程控制可对各配电线路进行远程的控制及负载监测，并可在断电后通过光端机远程控制重启。

2.2.1.5 故障定位

故障定位可分别对市电故障、设备故障、电源故障、通讯线缆故障进行定位[4]。

a）市电故障定位 对输入市电和工作市电异常情况进行定位并在线回传告警数据。

b）设备故障定位 实现对摄像机、交流电源、直流电源、通信设备、箱内环境的故障定位并在线回传故障数据。

c）电源故障定位 可对交、直流电源故障定位并回传故障数据，以区分设备故障。

d）通讯线缆故障定位 可定位具体某个设备的通讯故障并回传数据。

2.2.2 服务层

服务层支持B∕S（浏览器∕服务器）模式，将各种不同功能监控子系统（动力、环境、安防、重要设备）无缝融合到一个统一运维管理平台下，直接登录浏览器即可操控，方便用户使用和管理，显著提高运维管理效率。服务层涵盖基础服务、采集服务、告警服务、健康管理服务、数据存储服务和系统服务，其中基础服务是各服务依赖的基础包，如图3所示。

图3 智能运维监测管理系统服务层设计

2.2.2.1 采集服务

采集服务包含数据采集和数据处理两部分，数据采集设备实时运行数据与告警数据，对采集的数据进行去重、加工等处理操作，并将告警和实时数据交由告警服务和数据存储服务处理。

2.2.2.2 告警服务

告警服务主要用于监测外场设备运行状态是否正确，并向用户提示告警信息，既要求告警的实时性，又要保证告警的准确性。告警服务提供自定义的统一事件库，每个告警事件又可设定多个告警组，每个告警组都可设定一种告警方式及一组管理人员，当有事件发生时，运维管理平台根据用户设定的告警流程，把告警信息及时反馈给监控人员。告警事件包括告警方式设定、事件等级分类、告警事件分组、事件目录定义、事件确认处理及事件日志管理等。

2.2.2.3 健康管理服务

健康管理服务主要用于对数据采集模块和运维管理平台等相关服务当前运行状态是否健康的自我监控，如监测数据采集模块当前运行状态、各监测模块、传感器、通信网络工作是否正常等。当外场机电设备与数据采集模块发生通讯中断时，系统将自动通过声光告警方式通知在场的值班人员，并且可以通过电话通知或者手机短信通知系统管理员[5]。

2.2.2.4 数据存储服务

数据存储服务包括日终报表任务、月终报表任务、告警存储服务。

a）日终报表任务 对硬件设备进行统计分析并生成相关日报表。

b）月终报表任务 对硬件设备进行统计分析并生成相关月报表。

c）告警存储服务 将告警相关数据存储到数据库。

2.2.2.5 系统服务

系统服务负责整个系统的基础数据管理维护，包括：人员管理、区域管理、点位管理、组态、系统配置、自检管理和服务管理等。

2.2.2.6 日志管理

日志管理用于追踪用户操作记录和系统运行情况，使系统有迹可循，包括：操作记录、控制记录和运行日志等。

2.2.3 展示层

展示层主要通过合理的布局、功能划分和较高的识别度方便使用人员快速使用系统和可视化展示，提供统一的大屏、设备实时数据、报表、图表、告警通知和手机App 等功能交互，如图4所示。

图4 智能运维监测管理系统展示层设计

大屏页能够在首页对设备总体状态及箱体在线情况以场景图方式展示，并对故障实现快速告警，同时对故障信息分类统计，支持按点位、告警级别、告警事件等不同维度以图表方式展示统计结果。

用户端支持电话、短信、屏幕弹窗、App 推送等多种告警方式，及时告知运维人员获取故障信息，并可以根据故障类型定位，精准运维，提高运维效率。同时可在故障发生的时候，对摄像机、光端机等外场设备进行初步的排障操作，通过远程重启，修复大多数故障问题。

3 工程应用案例

本文设计的系统已在黎霍高速公路机电工程项目中应用，通过对该项目外场的各类配电箱（图5）和控制箱引入运维技术和硬件，可实现设备运行状态监测、智能配电、网络监控、动环监测等功能，并通过网络将采集到的数据上传到机电设备运行智能监测系统，实现对摄像机、雷达、情报板等外场机电设备运行状态进行实时的监测，能够解决传统配电箱运维响应不及时的问题，便于运维人员及时处理故障，有效地保证了外场机电设备的稳定运行。

图5 智能运维监测管理系统配电箱展示

4 结语

随着高速公路智能化速度不断加快，机电设备智慧运维需求日趋旺盛，本文依托大数据、人工智能、边缘计算等技术，提出了基于云边协同的高速公路智能运维监测管理系统技术方案，通过对外场机电设备进行数字化改造，实现对机电设备的供电、网络、硬件、环境等的实时监测、故障预警、故障定位、远程监控等功能，并且构建了基于B∕S 机电设备运行智能监测系统软件，提高了运维人员工作效率、降低了运维成本。