物联网支持下的高速公路机电智能化管控系统应用

柯永雄

（新大陆数字技术股份有限公司，福建福州 350001）

0 引言

物联网技术迅猛发展，在多数行业均有着不容忽视的作用。具体至高速公路机电管控领域，存在管控对象多、复杂度高、管控难度大等特殊性，物联网技术在其中具有适用性，能够将机电设备碎片化信息汇总至一体，实现针对沿线全体机电设备的全方位管控。物联网技术视域下的机电设备管控系统建设存在诸多技术细节，值得工程技术人员围绕技术应用要点做深入的探讨。

1 管控系统的技术路线

考虑到高速公路机电设备管控高效、高质量、低成本等多方面的要求，将智能化作为管控系统的重点建设目标，为此采用物联网、云计算技术，按照“监测—分析—处理—复核”的流程运作，发挥出数据的参考价值，有效管控高速公路机电设备。

1.1 监测

依托物联网技术改造机电系统，建立指标模型，实行数字化监测方案，以多源、多维度的方式获取机电设备的运行数据，实现智能化的日常监测和分析，基于所得数据生成可反馈系统运行状态的报告，遇到指标超限的问题立即发出预警、尽快处理。

1.2 分析

经过监测后发现问题，后台技术人员结合监测信息做远程诊断，明确问题的类型、影响程度、诱发原因，生成解决方案。根据分析结果生成事件工单，有序推进处理、复核等后续的工作。

1.3 处理

以问题的实际特点为准，选择应用效果好、效率高和成本低的解决方法。

（1）需要现场解决的问题。后台技术团队为现场处理提供技术指导，由现场养护单位负责问题的处理。

（2）需要远程解决的问题。关键参与主体为后台技术团队，为保证问题得到有效的处理，需得到现场养护单位的配合。

（3）需要由厂家解决的问题。后台技术支持团队组织此类问题的处理工作，与故障机电设备对应的厂家取得联系，安排返厂处理，尽快恢复正常运行状态。

1.4 复核

发现问题、分析问题、解决问题后，后台技术支持团队应加强检验，确保无误。基于问题处理全过程中的各项信息生成知识库，作为后续机电设备管理的参考，持续提高工作水平。对于遗留问题，需要安排专项处理。

2 管控系统总体架构

以云原生中间件和大数据中间件技术为核心，建立数字监测与运行支撑平台，结合高速公路前端业务应用系统的需求进行功能的开发，提高可共享、可重用的业务服务能力，缩短前端交付时间，减少由于重复建设而引起的资源消耗量。系统总体技术架构包含3 个部分。

（1）展现层。有Web 端、移动应用、大屏展示多项功能，主要在于为用户展现前端数据。

（2）业务层。微服务架构，如：监测中心、数据分析中心、数据管理中心、运维支持中心等。

（3）中心支撑系统。具备接入功能，如对接路运一体化平台、路段数字监测平台、机电运维管理平台等，全方位汇总运维信息，以便深入发掘信息蕴含的价值。

3 管控系统的主要功能

运行监测、工单管理、远程技术支持、系统管理、大数据分析改进等是管控系统的主要功能。

3.1 运行监测

机电系统运行期间产生一系列的状态信息，由数据传输接口汇集此部分。构建并应用分析模型，提取关键指标，采取强化监测措施，若被测指标的实际值超出许可范围，或偏差未超限但存在异常波动，将及时展现告警信息，推送给终端用户，使工作人员掌握最新的机电系统运行状态信息。

机电智能化管控系统全面监测包含ETC 门架、收费站在内的各类设备的状态数据，匹配筛选功能，可根据时间、路段等条件筛选出特定的数据，也可点击查看收费车道/ETC 门架数据详情。平台带有指标监测预警规则，支持列表模式和GIS 模式的监控，联合采用倒切比雪夫法、经验法则，实现对监测对象的及时判断，若指标发生异常则立即预警。

基于指标监测数据的预测也是智能化管控系统的重要功能，此方面采用到ARMA/ARIMA 时间序列模型，着重预测潜在的性能恶化风险，以便在源头上采取预防性养护措施。通过AI算法的应用，自动监测非结构化的监控视频数据。联合采用卷积算法、差分算法，对比分析样本图像像素点和视频图像像素点，明确两者存在的差异，识别异常事件，提供自动监测预警功能。

3.2 工单管理

工单包含热线工单、专项工单、故障工单，以工单形式进行信息登记、全程闭环管理，对人工发现的故障进行登记处理，同时也可以实行智能化的工作模式，一键建单跟进。为明确工单管理的特点，以故障处理为例展开分析。

系统提供工单的闭环管理功能，重点环节在于“登记—受理—处理—复核—评价—更新知识库”，流程的运作具有秩序性。随着知识库的更新，闭环处理水平将持续提高。

（1）工单登记：考虑到故障汇报便捷性的要求，除热线电话外还联合应用到移动应用和互联网Web 技术，由故障报告人员根据实际需求做合理的选择。同时登记方式也具有丰富性，包含常见问题关键词联想、告警关联等。

（2）问题处理：关键功能在于远程调取日志、AI 智能诊断与定位、视频资料辅助分析等；提供问题管理功能，以便针对遗留的问题采取强化处理措施；确定问题解决的时间，力争在短时间内妥善处理问题。

3.3 远程技术支持

远程巡检、软件版本管理、知识库管理等均属于远程技术支持的功能范畴。

（1）远程巡检。以物联网支持下的智能化方向进行远程巡检功能的开发，包含无人机、视频巡逻车等多种方法，基于检查数据生成巡检报告，便于及时发现问题以及处理问题。

（2）软件版本管理。制订软件开发计划，满足开发需求，做好版本发布登记及自动下发升级两项工作，软件版本更新迭代，提高运行水平。

（3）知识库管理。采集故障数据，生成故障特征数，确定存在的故障类型、特征及相配套的解决方案。向故障工单中提取特征词，匹配问题特征和故障特征，确定最具可行性的问题解决方案。以P（A/B）为例，反映的是故障工单存在特征词集B 时A 方案可行的概率，具有“P（A/B）=P（B/A）P（A）/P（B）”的关系。

3.4 大数据评估与改进

专题数据分析及展示主要涉及系统性能、养护成效、软硬件运行状态等方面。通过大数据分析技术的应用，生成多维度分析报告，从设备质量、维护效率等多个方面做系统性的评估。

3.4.1 系统运行状态评估

统计软件正常率、硬件设备正常率、兜底费率正常率等关键指标，对比分析各项指标与设定值的差异，纵向分析同一指标在不同时间段的变化，明确指标异常的路段，针对此路段存在的问题进行处理。从机电子系统的特性出发，基于层次分析法建立综合评价模型，更快速、更精准地锁定不达标的子系统。

3.4.2 硬件性能评估

统计关键设备的性能指标、故障率、各品牌硬件设备的稳定性等，综合多项信息，对硬件的整体性能做客观评估。通过假设检验算法的应用，判断设备的指标、路段系统工作状态、系统优化效果等方面是否达到预期，着重判断存在的问题，以便更具有效性地开展系统优化、设备采购等后续的工作。

3.4.3 设备使用年限与故障率分析

依据相关系数评估设备的耐久性，并重点判断设备的使用年限；对比分析各类型设备的故障率相关关系。在掌握设备运行的基本特性后，在设备使用一段时间后评估故障率，根据评估结果妥善安排设备的选型、换新，确保投入使用的设备均有效。

4 管控系统应用效果分析

高速公路机电智能化管控系统在试运行过程中表现良好，能够主动监测机电系统问题，并针对存在的问题及时向特定的用户群体推送告警。试运行期间，机电系统的疑难问题在专项研判后得到妥善的处理，故障产生的不良影响得到抑制，高速公路保持安全可靠的运营状态。

（1）运维效率高、成本低。随着高速公路收费模式的转变，对收费管理人员的要求逐步提高，人才匮乏的问题较为棘手，同时为各路段配备专业技术人员将存在成本投入高的问题。在建立高速公路机电智能化管控系统后，充分发挥出物联网及其他前沿技术的应用优势，建立集约化的运维模式，实现人才复用，以较低的人力资源投入和成本投入来推动机电设备管理工作的开展，机电系统可稳定运行，具有提质增效的效果。

（2）增强体验感。车道系统运行状况可利用系统综合评价模型进行全面的评价，精准锁定机电系统不合格的指标以及对应的部位，针对现状提出优化建议，经过工作人员的优化后，有效恢复车道的性能。得益于高速公路机电智能化管控系统的应用，性能优良的ETC 车道比例持续提高。

（3）发展智慧交通。在高速公路机电智能化管控系统的应用中，联合采用物联网、互联网、AI 等前沿技术，集多项技术的优势于一体，围绕高速公路机电系统做全方位的数字化监测，及时掌握系统运行状况。对于各类高速公路机电系统的复杂化问题，也可及时发现、精准处理。在构建分析模型后，能够综合评价机电系统软硬件的性能，判断在各时间段的具体表现，根据评价结果锁定问题，进行预警、养护等后续的工作，提升机电系统的性能，为社会经济的发展和交通强国战略的落实提供支持。

5 结束语

在高速公路车流量增加、道路交通负荷加重的环境下，促进高速公路机电管控系统转型升级具有必要性，需要依托物联网、大数据、人工智能等技术以及各类硬件设施提高系统的智能化水平。加强日常监测，根据监测数据判断机电设备的运行状态，发现问题后及时处理，从源头上保障机电设备的稳定运行。实践表明，在加强高速公路机电管控系统的建设后，将起到保障交通出行安全、增加经济效益多项效果，有利于社会经济的发展和交通强国战略的落实。