基于智慧運維的高速公路機電設備研究與應用

郭津

摘要 為保證高速公路機電設備的高效運行，提升機電設備維護管理的及時性和可靠性，文章提出了一種基于信息化技術的智慧運維方案，通過介紹高速公路機電設備智慧運維過程中的信息采集系統(tǒng)組成，并從機電設備自動監(jiān)測、Lora技術、專家系統(tǒng)技術、時序數(shù)據(jù)庫技術等方面出發(fā)，分析了高速公路機電設備智慧運維關鍵技術，指出該智慧運維平臺的基本架構與實現(xiàn)方式，從而為有關高速公路機電運維從業(yè)人員提供指導借鑒。

關鍵詞 高速公路；機電設備；智慧運維

中圖分類號 U418.7文獻標識碼 B文章編號 2096-8949（2023）10-0013-03

0 引言

隨著信息化技術的不斷發(fā)展，我國各行各業(yè)在機電設備管理方面陸續(xù)步入智能化[1-2]。高速公路運行過程中，通過對機電設備采取智慧化管理，可有效降低養(yǎng)護成本，在提高養(yǎng)護效果與機電設備使用壽命的同時，確保高速公路長期穩(wěn)定運行[3]。在開展高速公路運維工作時，工作人員需要定期檢測機電設備運行狀態(tài)，獲取設備運行參數(shù)，針對性分析設備需要采取的維護措施。相比傳統(tǒng)機械性的運維管理模式，智能化的運維系統(tǒng)可快速定位機電設備運行存在的問題和故障[4]，并基于數(shù)據(jù)庫技術為維護工作提供可靠的策略與建議，有效提高維護效率和質量，從而推動高速公路機電設備運維工作的智慧化轉型。

1 信息采集系統(tǒng)的組成

為保證高速公路機電設備運維系統(tǒng)正常運行，信息采集系統(tǒng)能否有效運行十分關鍵。高速公路機電的信息采集系統(tǒng)主要由后端的中心平臺和前端的采集服務器組成。其中，前端采集服務器負責收集并匯總機電設備運行時產(chǎn)生的各項數(shù)據(jù)，然后輸送到接收模塊。考慮處理的數(shù)據(jù)量和負荷相對較大，故實際運行中常會對前端采集服務器的數(shù)據(jù)整理后再傳輸?shù)浇邮漳K消息隊列中，而后數(shù)據(jù)預處理模塊獲取數(shù)據(jù)信息，并針對設計要求對數(shù)據(jù)進一步處理，并將結果上傳至專家系統(tǒng)和Elasticsearch數(shù)據(jù)庫中。專家系統(tǒng)進一步分析數(shù)據(jù)并獲取報告，再上傳MySQL數(shù)據(jù)庫中并發(fā)送至用戶界面，供工作人員查看。

1.1 前端數(shù)據(jù)采集模塊

前端數(shù)據(jù)采集模塊主要用于收集高速公路機電設備運行數(shù)據(jù)并簡單處理，即在高速公路不同路段節(jié)點設置數(shù)據(jù)采集節(jié)點，采集設備運行一段周期后可自動收集機電設備運行數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳至接收模塊中。采集過程中，數(shù)據(jù)采集設備需每隔2 min左右發(fā)送一次心跳信息到接收模塊中，當接收模塊超過3個周期沒有接收信息時，則會調整該節(jié)點的運行狀態(tài)為連接中斷狀態(tài)，直至能穩(wěn)定接收到該節(jié)點發(fā)送的心跳信息為止[5]。采集節(jié)點需將數(shù)據(jù)采集和整理后發(fā)送至信息中心平臺，如這一過程出現(xiàn)間斷，則中心平臺會修改采集節(jié)點為不可采集狀態(tài)，并通過運行終端對工作人員示警。

前端數(shù)據(jù)采集模塊的工作準則需在采集設備開始運行前進行后臺設計，明確規(guī)范，并訂閱消息隊列的運行規(guī)則信息。運行開始之初將采集設備和中心平臺配對連接，通過采集節(jié)點向采集中心發(fā)送信號，請求下載數(shù)據(jù)采集規(guī)則并儲存，作為后期模塊讀取依據(jù)。如由于各種原因影響而需調整采集規(guī)則，則需確保配置信息模塊能快速下載并讀取新的規(guī)則內容。系統(tǒng)運行中如出現(xiàn)中心平臺難以連接到前端采集節(jié)點，應將已采集的數(shù)據(jù)信息線下儲存，并在連接恢復后再次傳輸。數(shù)據(jù)傳輸工作需按照時間順序開展，即在信息傳輸過程中先上傳時間最接近當前的數(shù)據(jù)，并在上傳完成后銷毀，這樣的模式能確保信息傳輸安全。同時如果設備運行出現(xiàn)故障問題，也可以此為基礎判斷設備當前的運行狀態(tài)。通常，前端采集系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)時使用SQLite數(shù)據(jù)庫，可在降低存儲所需資源的同時提高數(shù)據(jù)兼容性，工作人員可通過不同機型電腦實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的解讀和分析。

1.2 采集接收服務模塊

相較于作為前端的數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集接收模塊屬于采集系統(tǒng)的后端，運行時有較多的并發(fā)請求，可能會導致采集接收模塊出現(xiàn)單點故障等問題。鑒于此，在系統(tǒng)架設時若僅設置一臺采集接收服務器，則極易出現(xiàn)接收服務器和中心平臺之間連接中斷的問題。為提升采集接收模塊處理量，通常會設置數(shù)臺服務器集群，并確保不同服務器之間均攤負荷，繼而提高數(shù)據(jù)處理量和接收效率，確保系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和安全性。設置該模塊時，可采用Nginx-Tomcat負載均衡并以Nginx作為反向代理服務器實現(xiàn)平衡負載[6]。Tomcat是適應于多平臺接入的Web應用服務器，其布局較為簡易，能實現(xiàn)多個服務器之間平衡荷載，開源代碼免費，目錄結構如表1所示。

2 機電智能設備運維關鍵技術

數(shù)據(jù)采集與接收模塊是高速公路機電設備采集系統(tǒng)的主要構成，也是后續(xù)搭建智慧運維結構的基礎。在高速公路機電設備智慧運維系統(tǒng)設置過程中，需在此基礎上綜合運用多種技術體系，如Lora、時序數(shù)據(jù)庫、專家系統(tǒng)等，具體種類如圖1所示。下面簡要闡述相應技術的應用。

2.1 機電設備自動監(jiān)測技術

當前，我國高速公路安裝的機電設備總數(shù)不斷增加，如何統(tǒng)一機電設備安裝型號、參數(shù)等，成為機電設備運行管理工作中的重點考慮內容。研究表明，我國采用的機電設備中，有一部分能通過有線光纜網(wǎng)絡直連至高速公路專用網(wǎng)絡中，稱為直接聯(lián)網(wǎng)設備；也有部分屬于間接聯(lián)網(wǎng)設備，即能通過RS485、RS232等接口直接連接到配套網(wǎng)絡電子設備中；還有部分為未聯(lián)網(wǎng)設備，既不能連接到聯(lián)網(wǎng)設備中，也不能直接連接到專用網(wǎng)絡中。

高速公路機電設備中，最常用的設備為直接聯(lián)網(wǎng)設備，即能直接連接到高速公路專用網(wǎng)絡中，或借助有線光纜連接到網(wǎng)絡中。該種設備具體可劃分為日志類設備、標準化協(xié)議類設備和私有協(xié)議類設備。其中，私有協(xié)議類設備的接口需結合生產(chǎn)商接口文檔針對性設置；訪問標準化協(xié)議類設備時需通過標準協(xié)議，當前多數(shù)交換機等標準化協(xié)議類設備都可通過SNMP訪問；訪問日志類設備時則需采用Telnet/SSH等方式，訪問設備后可輸入所需指令。同時若設備內部已設置Syslog，則也可通過輸出并分析日志來獲取設備運行的實時信息[7]。

對于間接聯(lián)網(wǎng)設備，工作人員可通過網(wǎng)絡訪問設備內存、端口及分析日志等途徑，判斷機電設備狀態(tài)。而為獲取未聯(lián)網(wǎng)設備的運行數(shù)據(jù)，則需在設備前端配置數(shù)據(jù)采集終端，通過無線形式來獲取數(shù)據(jù)信息，并將信息發(fā)送至相應的分析平臺。

2.2 Lora技術

作為超遠距離無線電技術，Lora的應用基礎為擴頻技術，但在擴頻技術上進一步增強了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，降低了能耗并拓寬了傳輸距離。該技術在接收信號過程中，能結合信噪比的強弱來靈活選取擴頻因子，進而實現(xiàn)遠距離傳輸效果。該技術相比其他技術具有更強的適應性，應用環(huán)境要求和技術成本相對更低，因而被廣泛應用于高速公路機電設備運維系統(tǒng)中[8]。

Lora技術可通過傳感器來獲取機電設備當前的運行狀態(tài)信息，并通過Lora終端將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關和遠端采集服務器中，從而完成對未聯(lián)網(wǎng)設備的在線監(jiān)控。Lora技術的主要不足在于其運轉過程需要持續(xù)供電，雖自身能耗較小，大多采取電池供電即可滿足要求，但一旦遭遇斷電，則將導致運轉失效。當前部分Lora設備已可通過應用太陽能電池的方式維持供電，提高電量供應穩(wěn)定性，確保設備能長時間保持正常運行狀態(tài)。Lora技術的基本運行模式如圖2所示。

2.3 專家系統(tǒng)技術

在機電設備出現(xiàn)問題時，專家系統(tǒng)技術的應用能幫助工作人員快速獲取設備檢修策略，結合前期設備運行過程中曾產(chǎn)生的問題及處理措施，快速精準確定設備問題出現(xiàn)的原因和位置，并通過智能診斷幫助工作人員獲取有效的解答策略，確保設備盡快回歸正常運行狀態(tài)。與此同時，專家系統(tǒng)每次解決問題時，也會同步將獲取的設備運行信息、設備運行故障原因和位置，以及采取的解答方案上傳至數(shù)據(jù)庫加以儲存，為后續(xù)相關維護工作的高效開展奠定基礎。專家系統(tǒng)在初期階段應用時，可能會由于數(shù)據(jù)庫存儲的知識種類不多、內容較少等原因，導致對故障分析的速度較慢、精準度不高。而該系統(tǒng)運行一段時間后，數(shù)據(jù)庫中儲存的故障原因、解決措施等都將得到積累與完善，應用性能逐漸提高，最終會形成設備運維工作的云數(shù)據(jù)庫。以此為基礎，系統(tǒng)可進一步通過語義分析技術來模糊匹配工作人員上傳的關鍵字內容，并快速定位相似故障問題發(fā)生的位置及原因。同時，專家系統(tǒng)還能實時分析設備運行實際情況并記錄設備狀態(tài)，一旦設備發(fā)生故障，則能直接定位設備出現(xiàn)問題的位置，并列出故障原因，為工作人員決策提供分析依據(jù)。除此之外，專家系統(tǒng)也能通過分析設備實時運行狀態(tài)，以推測的方式判斷設備繼續(xù)運行時可能會產(chǎn)生的故障，并通過終端預警的方式提示工作人員。

2.4 時序數(shù)據(jù)庫技術

在高速公路機電設備運維過程中，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫技術對成本、檢修水平提出了很高要求，需消耗大量的人工成本和經(jīng)濟成本才能確保技術的有效應用。同時，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫技術還存在十分顯著的時間屬性，即在集中頻繁寫入操作下，數(shù)據(jù)庫無法及時得到刷新。相較于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，時序數(shù)據(jù)庫的設計是基于時間維度索引展開的，因而結構較為簡潔，便于增加節(jié)點，且相應的檢修工作也較為簡單。在時序數(shù)據(jù)庫條件下，高速公路機電設備運行管理過程中采用的儲存數(shù)據(jù)庫通常為三節(jié)點Elasticsearch數(shù)據(jù)庫，應用數(shù)據(jù)的儲存形式為MySQL，通過該種方式能在18 s內實現(xiàn)50條以上的狀態(tài)信息寫入，具有較高的數(shù)據(jù)吞吐量。

3 平臺構建

3.1 平臺架構

結合前述技術設置智慧運維系統(tǒng)的管理平臺，其中主要包含6層。

（1）數(shù)據(jù)采集層。對機電設備進行基本管理，能獲取接入設備的狀態(tài)參數(shù)，確保后續(xù)運維管理有效性。

（2）基礎層。為平臺運行提供軟件運行環(huán)境。

（3）數(shù)據(jù)層。儲存機電設備運行生成的數(shù)據(jù)信息，包含運行數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)。

（4）業(yè)務支持層。整合管理應用組件。

（5）業(yè)務應用層。主要包含對維修效果的評價、日常養(yǎng)護計劃的制定、維修流程動態(tài)以及故障實時監(jiān)測。

（6）Web服務層。作為操作平臺，為工作人員提供信息查詢服務。

3.2 平臺實現(xiàn)

結合上述智慧運維系統(tǒng)架構，將平臺劃分為設備狀態(tài)監(jiān)控模塊、動態(tài)展示模塊、三維監(jiān)控巡檢模塊和設備運維管理模塊。設備狀態(tài)監(jiān)控模塊能結合設備運行參數(shù)信息，精準分析當前設備運行狀態(tài)，判斷是否發(fā)生故障并警告。動態(tài)展示模塊能通過道路網(wǎng)展示設備的位置、狀態(tài)等信息，幫助工作人員快速鎖定故障設備所在位置。三維監(jiān)控巡檢模塊依托設備接口，在線監(jiān)測關鍵設備狀態(tài)并采集心跳數(shù)據(jù)上報。設備運維管理模塊能記錄設備正常運行和故障信息的各項狀態(tài)數(shù)據(jù)，在設備故障后結合存儲數(shù)據(jù)，生成維護工單，輔助決策。

4 結語

該文分析了高速公路機電設備智慧運維系統(tǒng)的基本原理與關鍵應用技術，探究了機電設備智慧運維系統(tǒng)條件下的信息采集系統(tǒng)組成和架構。通過分析可知，智慧運維系統(tǒng)能通過時序數(shù)據(jù)庫技術、自動監(jiān)測技術、專家系統(tǒng)技術及Lora技術等的針對性應用，實現(xiàn)對機電設備故障的快速定位及維修策略建議，有效提高故障排查效率和運維工作水平。

當前時代背景下，我國高速公路建設總里程仍在快速增加，機電設備配置的復雜性和應用要求不斷提高，相應對機電設備運維的管理要求也隨之提高。為此，需要相關工作人員和研究人員抓住信息化發(fā)展的轉型趨勢，在理論研究和工作實踐中做好數(shù)字化創(chuàng)新工作，推動高速公路機電設備智慧運維的深入發(fā)展。

參考文獻

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