基于云平臺的高速公路機電設備管理系統的應用

朱永輝

江蘇蘇通大橋有限責任公司，江蘇南通 226000

本文結合江蘇省蘇通大橋機電系統設備日常管理實際情況，深入分析大橋機電系統相關的各個子系統。大橋子系統主要包括6大系統，即監控系統、通信系統、收費系統、低壓供配電系統、照明系統、橋梁設施監測機電工程系統。在蘇通大橋的建設和發展過程中，監控、收費、通信3大系統是同步進行，協調發展的，機電設備對3大系統起到支撐性作用，因此，機電系統設備的健康運行關系到整座橋梁的安危。通過二維碼、RFID技術以及專用云平臺建立基于云的機電設備管理系統，有利于蘇通大橋機電管理的信息化、標準化、可視化管理，做到設備運維數據在云端進行精確分析和處理，保證機電設備健康運行，同時有效降低機電維護人員的工作強度，促進蘇通大橋機電系統的信息化建設。

1 現狀分析

蘇通大橋位于江蘇省東部的南通市和蘇州市之間，西距江陰大橋82km，東距長江入海口108km，是國家高速公路沈海高速的過江樞紐，也是江蘇省公路骨架重要的過江節點。建成時是我國建橋史上工程規模最大、綜合建設條件最復雜的特大型橋梁工程。大橋全長32.4km，其中跨江部分長8146m。工程于2003年6月27日開工，于2008年6月30日建成通車。蘇通大橋北岸連鹽通高速公路、寧通高速公路、通啟高速公路，南岸連蘇嘉杭高速公路、沿江高速公路。目前，蘇通大橋日均車流量在7萬以上，節假日高峰期更是能達到日均車流量13萬以上，長期高壓車流量減少了大橋機電設備的壽命，也加快了設備老化速度。同時，在高負荷的運轉壓力下，很多機電設備的健康狀況日益堪憂，給大橋的運行帶來了諸多安全隱患[2]。對各機電設備的運維狀態數據進行有機地采集，并將這些運維數據匯集整合到智能化云平臺，在云平臺上對數據進行精確分析，根據預先設置的閾值自動篩選出異常數據，再結合GIS地圖進行精確定位，快速找到相應機電設備的受損部位，為大橋的安全運行提高可靠支撐。

當前蘇通大橋機電設備遇到的問題是：

（1）機電設備存在高強度、高負荷運轉，加快了設備的老化。

（2）各個子系統的機電設備之間相互獨立，沒有形成一個統一的設備管理平臺，增加了設備管理成本。

（3）無法做到對大橋機電設備的運行健康狀況進行實時跟蹤監測，導致有些故障無法定位溯源。

（4）目前大橋機電設備管理人員對主要設備的運行狀況主要靠人工檢測結合電腦輔助完成，費時費力，而且數據不夠準確。

為了提高蘇通大橋機電設備管理的信息化、智能化水平，結合大橋實際情況，研制開發了基于云平臺高速公路機電設備管理系統，并通過安裝在機電設備上的RFID電子標簽和貼在設備上的二維碼來實現設備運維的全過程動態監測，通過云平臺上的數據分析系統對RFID或二維碼采集到的數據進行精確分析，發現問題數據及時報警，并根據GIS地圖精確定位受損設備具體位置，指導專業人員及時修理，防止發生事故[3]。蘇通大橋外景如圖1所示。

圖1 蘇通大橋外景圖片

2 系統解決方案

基于云平臺的高速公路機電設備管理系統主要包括：云平臺系統、設備運維數據采集系統、大數據分析系統、受損設備預警系統、GIS地圖定位查詢系統及動態展示系統。其中，云平臺系統為運維數據的主要承載子系統，運維數據采集系統主要通過安裝在機電設備上的RFID射頻標簽卡或者人工輔助掃描機電設備二維碼來采集數據；采集到的運維數據通過傳輸通道匯集到云端平臺，數據存儲于云端數據庫。大數據分析系統對云平臺上的數據進行實時監測和分析，一旦發現異常數據會將該數據對應的機電設備相關參數發送給受損設備預警系統，如果該參數觸動到預警閾值時就會結合GIS地圖定位查詢系統，然后精確查找到受損設備具體位置，并將該設備名字及位置信息動態展示到電腦系統界面，同時也會給設備管理人員手機端APP發送受損設備的詳細信息[4]。基于云平臺的高速公路機電設備管理系統如圖2所示。

圖2 基于云平臺的高速公路機電設備管理系統組圖

機電系統設備管理云平臺采用如圖3所示的四層式網絡架構：

第一層：基礎層。主要由所有與大橋有關的機電設備通過RFID組成物物聯動即物聯網的方式組成一個整體，RFID也會通過無線網絡方式將主要機電設備運維參數不間斷傳輸至云平臺。

第二層：設備數據的虛擬化層。該層主要功能是對數據進行虛擬化處理，涉及到服務器的虛擬化、對采集到的數據進行存儲虛擬化處理、對舊有系統之間網絡通信的虛擬化處理以及集群云化處理等業務。

第三層：核心層。主要業務為大數據處理模塊，對采集經過虛擬化上云的機電設備參數數據進行分析，判斷并篩選出存在異常的數據，將異常數據與預先設定的閾值進行對比，如果超出閾值則觸動報警模塊，報警模塊采用與GIS地圖精確定位聯動機制，GIS地圖可以精確到具體設備所在的機房位置。受損設備運維參數在云平臺上存放在專用受損設備參數數據庫中，每次觸動閾值報警時會記錄下詳細的日志，保證數據的可溯源性[5]。

第四層：應用層。主要包括運維參數及健康指數展示平臺，該部分一般包括：管理人員手持移動終端、大廳大屏顯示終端、管理計算機Web瀏覽展示平臺。采用B/S架構web瀏覽器的方式，可以降低設備的投入量，減少開支。

圖3 高速公路設備管理云平臺架構

3 系統功能

采用基于云平臺的高速公路機電設備管理系統軟件，能夠實現以下功能：

（1）實現機電運維數據的可視化管理，對大橋機電設備的運行狀況進行全程動態監測；

（2）實現受損機電設備的及時報警功能，保證受損設備的及時恢復；

（3）利用RFID技術和GIS地圖精確定位技術，實時對發生故障的機電設備及時準確定位；

（4）實現了機電設備從開始投入使用到報廢期限時段內的動態跟蹤；

（5）實現了受損設備詳細信息及時送到管理人員手機終端的功能；

（6）降低設備管理人員對機電設備的維護工作量。

4 方案實施

本系統方案的實施主要包括數據采集裝置安裝、系統軟件設計與開發、實驗驗證與總結、系統試運行及推廣等。方案實施流程如圖4示。

圖4 實施方案

4.1 主要數據采集裝置安裝

射頻識別（RFID）是一種無線通信技術，可以通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數據，而無需識別系統與特定目標之間建立機械或者光學接觸。本項目采用RFID射頻識別標簽作為高速公路云平臺機電設備管理的設備運維數據采集裝置[6]。同時在每個設備上張貼一張二維碼，方便人工巡檢。

RFID射頻標簽具備以下功能：

（1）快速掃描。RFID辨識器可同時辨識讀取數個RFID標簽。

（2）體積小型化、形狀多樣化。

（3）抗污染能力和耐久性。

（4）可重復使用。

（5）穿透性和無屏障閱讀。

（6）數據的記憶容量大。

（7）安全性。由于RFID承載的是電子式信息，其數據內容可經由密碼保護，使其內容不易被偽造及變造。

（8）RFID因其所具備的遠距離讀取、高儲存量等特性。

4.2 軟件系統設計與開發

軟件系統設計與開發是建立對基于云平臺的高速公路機電設備管理系統需求再分析的基礎上進行的，分別包含機電設備運維參數數據采集、數據虛擬化處理、云平臺模塊、大數據分析、受損設備預警、GIS精確定位模塊、前端運維信息展示等系統模塊[7]。軟件系統均采用迭代式開發進行軟件開發，不僅降低了開發風險，而且能夠盡早地應用于前期系統測試與集成，同時及時根據需求的變化進行軟件變更，提高了代碼的復用性[8]。

4.3 實驗驗證與總結

系統實施應用過程中應保證設備的正確安裝及系統的正常運行，確定各個通信鏈路的互聯互通，保證數據的正常傳輸。因此，在基于云平臺的高速公路機電設備管理系統項目實施過程進行的實驗主要對數據傳輸的實時性、可靠性及系統的整體完整性進行驗證。其中，數據采集頻率-網絡時延關系驗證結果如圖5所示。

圖5 數據采集頻率-網絡時延關系圖

實驗通過采用專用網絡時延測試工具對數據傳輸進行測試，從圖5可以看出，網絡時延隨著數據采集頻率的增大而增加，經分析可知，單個節點的數據采集頻率增加時會造成數據量的增大，當節點數目足夠大的時候，會造成網絡擁塞甚至癱瘓；若數據采集頻率過低，會導致數據量過低，同時會對高速公路機電設備運維數據采集的實時性造成影響。結合實驗效果可知，當數據采集頻率在0.1～0.5Hz時，數據傳輸的實時性和可靠性處于較為理想的狀態，同時，各個子系統能夠較好地協同工作，使得系統的完整性得到保證[9]。

5 結語

針對現有江蘇省蘇通大橋機電設備日常運維中存在的人力巡檢工作強度大、對設備日益老化的監測不及時、受損設備問題排查時間久、機電設備管理不夠精細等問題。首先，提出在采用RFID射頻標簽和二維碼輔助采集機電設備運維參數，同時對采集的運維數據進行虛擬化處理，通過集群式虛擬化方法將數據匯聚至云平臺，在云平臺上通過大數據分析系統對運維數據進行的分析再處理，計算并判斷出異常數據，然后根據預先設置的閾值范圍對異常數據進行自動評價，對超出范圍的異常數據進行報警提醒處理[10]；其次，再通過云平臺上的GIS精確定位技術，對異常數據對應的機電設備進行精確定位，然后將受損設備定位信息和具體參數發送給值班管理人員，最終實現蘇通大橋機電設備運維數據的全過程動態監測。整個系統具有成本低廉、安全性高、穩定性好的特點。同時提高了蘇通大橋機電系統的信息化程度，實現了大橋管理人員對機電設備的科學管理。