基于物联网的高速公路机电设备智慧管养系统

论文

作者：李捷（福建省高速公路集团有限公司漳州管理分公司）

摘要：随着高速公路通车里程的增加和信息化技术的飞速发展，机电设备的种类和数量也在不断增长。机电设备的运行情况直接影响高速公路的日常运营，如何利用信息化手段提高机电设备的维护管理水平，是当前机电运维部门值得探索的课题。福建高速漳州管理分公司先行先试，依托物联网技术开发了机电设备智慧管养系统，取得了良好效益，全面提升了高速公路智能化管养水平。

随着高速公路通车里程的不断增加，机电设备数量呈跳跃式增长，在管理上给机电维护部门带来很大的压力。传统的机电设备管理主要依托现场巡检、故障报修、事后维护等方式，存在着如下弊端：一是日常巡检手段多停留在原始阶段，需要填写大量纸制巡检表，既造成资源浪费，又存在流于形式、数据不准确、难以做到真实监管的问题；二是设备纷繁复杂，分布面广，日常巡检历史数据难以作为日后的参考依据，缺乏对设备运行状况进行综合性评估（统计、分析、预警、预估等）的能力。以上因素导致“管、养、修”三者分离，管理效率不高，对高速公路日常运营造成了一定影响。如何应用科技手段对机电设备进行集中统一管理，提高故障响应时间和故障维护水平，成为当前机电部门面临的一大难题。

一

系统架构

高速公路机电设备管养系统是依托物联网建立的智能化、集成化、一体化系统，该系统由后台服务器、前端NFC识别系统和应用软件等部分构成，可根据实际管理及业务的需要，设置多个层次的架构关系。

系统整体实现示意如图1所示。

图1 系统整体实现示意图

（一）后台服务器

本系统服务器采用镜像双机热备方案，2台高性能机架式服务器各配备8块3TB容量的SAS硬盘。磁盘阵列采用RAID10，操作系统采用Linux，数据库采用Oracle。服务器接入现有办公外网，其主要功能如下。

1、系统服务器为终端提供业务流程、数据处理、安全控制等服务调用，同时转发各种接入系统服务，提高了终端的处理速度和运行稳定，进而可以带来最终用户的使用体验。

2、系统服务器作为终端与行方系统对接中的中间层，可以过滤和屏蔽从不同入口接入的终端所带来的各种潜在风险，可以使行方的系统只有一个或几个接入点，让防火墙上的安全策略配置变得简单，但行方的网络安全却增强了。

3、系统服务器作为终端各种数据的存储源，可以使敏感的数据得到更安全的保护，也可以为各种数据分析、统计报表提供来源。

4、系统提供的监控服务，可以实时监测终端的运行情况，可以总体统计、监测系统系统健康状态，也可以单独指定调查某个终端的运行状态或工作情况，便于集中、安全、高效管理。

系统提供的日志报表服务，可以将各终端的操作、运行、耗材使用等日志信息分类、收集并统计，最后形成报表，为优化管理、降低消耗、提高效率提供了数据分析参考。

后台服务器网络拓扑结构如图2所示。

图2 后台服务器网络拓扑结构

（二）NFC识别系统

射频识别（RFID，Radio Frequency Identification）的原理是阅读器与标签之间进行非接触式的数据通信，达到识别目标的目的。

本系统App端采用此技术，在每一个机电设备站点（如收费站、无人值守通信站、ETC门架等）安装电子标签，并与对应机电设备进行关联。RFID芯片位于电子标签内部，标签外部用激光标刻着其唯一的物理ID号，此ID号用于和巡检站点绑定，安装巡检App软件后，使用带NFC功能的手机扫描即可自动识别出该站点信息及需要巡检的内容。利用电子标签的唯一性及网络的实时性，可以第一时间从后台管理系统获知机电设备的整体运行状态。若提前录入各机电设备之间的相互关系信息，还可以通过系统模拟，以图表的方式展示整个维护站的机电设备实时状态，实现物物相连。

RFID电子标签实物如图3所示。

图3 RFID电子标签实物

（三）客户端软件

本系统的服务端与客户端采用单一的B/S架构，分为参数、用户、巡检、报表、日志五大功能模块，各业务模块可以根据需要进行适当的增加、修改或开发。

1、PC客户端

2、手机和平板手持机App

本系统App基于Android系统开发，负责实现日常巡检无纸化的功能，其兼容原纸质阶段巡检的设备环境条件、运转状态及维护保养等内容的记录功能，同时在此基础上增加了一些图片展示、数据统计、消息广播、近况提醒、记录查询、个人信息维护等功能。鉴于NFC功能仅部分安卓手机才具备的功能，为满足所有技术人员的使用需求，订制了工业级的平板手持设备，内置NFC功能，其App软件与手机端类似。

二

功能模块

（一）App软件功能

在手机或平板手持机安装机电设备智慧管养系统App或通过浏览器访问即可使用终端的相关功能。手机App包含信息展示、日常巡检、历史查询和个人信息等功能模块。首页是显示轮播宣传图片、当前用户年度巡检统计、消息通知和近期任务提醒等；巡检功能包括NFC扫描标签、手动输入标签ID号、巡检任务修改和巡检信息录入。该模块为App主要功能模块，原始的纸质化巡检信息填写全部在这里完成；历史查询主要用于当前用户的巡检任务信息、详情查询及补录巡检内容，用户可根据时间来检索之前的巡检任务，对于未完成的可以补录，已完成的可以进行查看。个人信息模块主要用于用户信息的维护、密码修改及登录信息查询。

（二）后台管理功能

后台管理系统运行于PC端，包含人员管理、任务管理、消息管理、参数管理、表格管理、用户日志、系统设置和心跳服务等功能模块，用于管理机电设备、统计巡检信息、故障汇总、定制巡检表格、发布消息通知、监控机电设备状态及在线人员工作进度，为管理端实现信息化提供支持，让无纸化巡检管理形成闭环。系统主要功能参数如表1所示。

表1 系统主要功能参数

（三）拓展功能

该系统具备丰富的拓展功能，通过开发软件接口实现同外设的联动功能。在通信机房部署智能摄像机，该摄像机基于AI识别芯片研发，带红外夜视功能，在30m范围内能够准确锁定目标。该功能可对进入机房的人员进行识别，防止非法闯入，确保机房设备安全和网络安全。此外，机房的环境也是日常巡检的一项重要内容，直接影响设备运行情况。利用环境监测器自动采集机房的温度、湿度等参数，通过软件接口将数据上传至平台软件，打破了传统需要人工到现场查看参数的模式，管理人员登录平台即可实时监测每个机房的环境参数，可在软件上设置报警阈值，当机房环境异常时在首页显示报警信息，方便远程管理维护，确保设备处于最优的环境下运行。

非法闯入监控流程如图4所示。

图4 非法闯入监控流程

三

应用成效

（一）经济效益

1、日常巡检无纸化，节约办公成本

将现有的机电设备巡检记录融合于系统中，技术人员到现场开展日常巡检时只需用手机扫描设备上的NFC标签，即可自动弹出相关设备的巡检记录。技术员将巡检结果录入App软件，提交后系统会保存至后台服务器，并自动生成GPS地理位置、巡检人员等信息，实现日常巡检无纸化，确保巡检记录的真实性。后台服务器接入办公外网，巡检记录可通过PC端随时查询、统计、导出，方便后续整理归档。据测算，日常巡检记录实行无纸化后每年可节约综合办公经费约1.2万元。

2、方便大数据分析，降低机电运营成本

技术人员巡检维护时可拍摄相关图片一并上传。技术人员和管理人员可随时随地查看设备的历史状态数据、维修记录等信息，有利于积累维修经验。通过对机电设备运行状态数据的采集，针对不同设备的历史状态数据、维修记录进行大数据分析，形成具有指导意见的使用周期预测，为后续机电设备的更新改造提供有力的数据支撑，避免以往因设备使用年限、性能状况模糊不清而盲目改造的现象，真正做到降本增效。

重要信息数据统计界面如图5所示。

图5 重要信息数据统计界面

（二）管理效益

高速公路机电设备智慧管养系统在实用性、契合性等方面取得了良好效果，显著提高了日常生产工作效率，具备较高的推广价值和应用前景,受到了其他路段公司及同行的一致好评。该系统投入使用5个月以来，效果显著，各项技术管理指标对比情况如表2所示。

表2 各项技术管理指标对比情况

四

结束语

高速公路机电设备智慧管养系统的成功实施给高速公路智慧化运维工作提供了目标导向，大大降低了平均故障响应时间和平均故障修复时间，机电设备完好率和故障主动发现率得到了有效提高。通过该系统软件接口，能够将更多的机电设备纳入管养范围，进一步提高系统的契合度和实用性。下阶段，福建高速漳州管理分公司将持续攻关，充分利用现有机电系统资源，进一步完善系统的各个功能模块，全面提升高速公路运营管理水平。

（原文刊载于2021年第10期《中国交通信息化》）

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微信编辑 | 户利华

责任编辑 | 崔雪薇

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