高速公路機電設備智慧運維平臺研究與應用

康 上

（山東高速股份有限公司，山東 濟南 250000）

0 引言

高速公路機電設備主要由監控、收費、供配電、通信等模塊構成，為高速公路的安全穩定運行提供了重要支撐。隨著信息技術在高速公路領域的創新應用，智慧高速建設逐漸成為我國交通新基建的熱點，在為社會公眾提供高質量出行服務的同時，也導致了機電設備的規模呈現不斷增長的趨勢。

設備種類繁雜、數量多、分布范圍廣、所處環境復雜等問題為高速公路機電設備的運維管理帶來了巨大的壓力，傳統的運維管理模式已不能滿足高標準養護的需要[1]。此外，各機電設備系統之間相互獨立，存在信息壁壘，無法充分挖掘出數據的價值。建設基于“人工智能+大數據”的高速公路機電設備智慧運維平臺，可有效提升運維管理效率，實現由被動維護轉換為主動預防，帶來顯著的經濟效益與社會效益。

1 研究現狀及需求分析

1.1 機電設備運維管理現狀

1.1.1 運維管理任務繁重

高速公路機電設備技術含量高、結構精細復雜、造價昂貴，其運維管理工作是一項繁雜且系統化的任務。隨著信息化技術在機電系統中的廣泛應用，機電設備的種類與數量與日俱增，再加上日、周、月、年固有的定期檢查與改造升級工程，使得機電管理任務較為繁重。各類新型軟硬件設施在高速公路沿線密集部署，對運維管理人員的專業化水平提出了更高的要求，在日常運維管理工作中，普遍存在運維成本高、故障定位難等問題[2]。

1.1.2 管理與維護模式較為落后

當前高速公路運營單位仍采用傳統的被動式管理模式，大多依靠人工巡檢的方式進行機電設備維護，容易造成效率低下、維修不及時等問題。在整個機電設備故障處理過程中，未能實現全程跟蹤，也缺乏相應的指標來對運維管理人員的工作量及工作質量進行考核管理[3]。同時，事后缺乏對故障問題的歸納總結，難以形成科學規范的機電養護體系。對于共性問題進行梳理，不僅可以提升類似問題的維修效率，還可以采取針對性措施起到預防性維護的效果。

1.1.3 機電設備標準不一致

高速公路機電設備繁多，設備的廠商、型號、技術參數也各不相同，導致設備間無統一的技術規范，兼容性較差，不利于運維管理人員進行統一維護。此外，目前高速公路機電設備按照系統進行劃分管理，相互之間較為獨立，缺乏統一的運維管理平臺，難以全面、準確、及時地掌握當前機電設備的整體運行情況。并且未能對采集到的數據進行多元融合分析，充分發揮數據的導向作用，實現運維管理的數字化、自動化與智慧化。

1.2 機電設備智慧運維平臺建設需求

高速公路機電設備智慧運維平臺建設應以管理的實際角度為出發點，充分應用物聯網、大數據、人工智能等新興互聯網技術，深度發揮技術應用的價值，數字化賦能管理，提升運維效率與質量，降低運維成本，保障高速公路機電設備的平穩有序運行[4]。

1.2.1 建設標準化規范

機電設備運維工作專業性較強，因此需結合行業規范并充分考慮運營單位工作實際明確崗位職責，完善工作制度，規范操作流程等細則，形成相關的規章制度與技術指南[5]。以全生命周期管理為理念，通過信息化技術建設統一的管理平臺執行運維管理標準，實現巡檢工作、養護工作、故障維修工作的全流程監督以及業務閉環處理。根據高速公路運營管理部門的精細化管理要求，在關鍵節點設置相應的考核指標對工作進行量化與監督，可以實現對運維人員的考核管理，避免由于人為因素導致的設備問題，提升運維人員的工作效率。

1.2.2 集約化管理要求

建設統一的管理架構，對機電設備軟硬件進行統籌管控，解決因類型、廠商、型號不一導致的信息混亂、相互獨立等問題。整合各業務系統，打破信息壁壘，實現內部數據流通，充分利用大數據平臺，對數據進行清洗、融合、分析，發揮數據的潛在價值，為制定運維管理工作的相關決策提供支撐。

1.2.3 構建學習型平臺

隨著智慧高速建設進程的不斷推進，對機電設備運維人員的技術要求也越來越高，建設可持續學習型平臺的需求迫在眉睫。借助數字化管理平臺自動對設備基本參數、日常遇到的問題及維修流程進行歸納總結，形成專屬知識庫，構建多元化、立體化、個性化的人才培養體系，從工作中學習，在學習中提高，豐富運維人員的知識結構，才能滿足當前機電設備不斷迭代更新的趨勢。

1.2.4 運維管理智慧化

智慧運維貫穿于機電設備全生命周期過程中，主要包括預防性維護、故障自動上報、智能診斷、業務閉環等內容。應實現對設備的全時段監測，主動評估設備狀態從而及時干預可能出現問題的設備，將問題解決于萌芽狀態，減少設備故障帶來的影響與損失。在發生故障時應能自動預警與定位，利用人工智能算法進行診斷分析，為運維人員提供參考依據，以數字化手段提升運維工作的效率。

1.2.5 平臺功能定制化

管理平臺具有功能豐富、用戶面廣泛的特點，不同崗位的工作人員對平臺的功能需求是不同的。因此，為提高平臺的使用效率，需針對工作人員的崗位職責進行功能及數據權限的精細劃分，根據工作實際進行功能的定制化展示，達到千人千面的目的，為工作人員提供便捷、高效、友好的交互模式。

2 系統架構

高速公路機電設備智慧運維平臺建設是在吸取總結以往運維經驗的基礎上，利用物聯網、大數據、人工智能等數字化手段，以用戶為中心，以結果為導向，立足于高速公路機電運維部門的職能管理需求，打造的功能完善的機電設備運維管理系統，有利于實現規范化、制度化、智能化的目標，提升工作效率，使事前預警、事中定位、事后分析成為運維工作的常態。

高速公路機電設備智慧運維平臺整體架構如圖1所示，分為物理設備層、數據管理層、應用服務層、業務系統層、用戶層。

圖1 系統架構圖

（1）物理設備層。利用物聯網、Agent代理、消息中間層等技術方法接入高清攝像頭、門架、情報板、收費設施、通信系統、照明設施等各類高速公路機電設備，實時獲取運行狀態數據。（2）數據管理層。構建大數據平臺，設立機電設備基礎數據管理規范，對設備信息進行統一維護。將采集到的設備數據進行清洗、存儲、挖掘，為上層應用數據提供支撐，實現數據互通共享。（3）應用服務層。以大數據平臺為底座，統籌系統整體業務邏輯，向前端應用提供接口。通過物聯網、數據挖掘、模式識別、邊緣計算、人工智能等技術手段，提供個性化、智慧化的功能。（4）業務系統層。根據機電設備運維部門的實際需求和業務場景，提供基礎信息管理、設備運行監測、運維流程管理、備品備件管理等對外應用服務，滿足多樣化的需求；自動生成各類運營指標及分析報表。（5）用戶層。以便捷、靈活、高效為操作目標，通過App、小程序、PC端等方式向管理人員、運維人員提供人機交互界面。

3 主要業務功能

3.1 基礎信息管理

依據行業規范與技術指南，結合高速公路運營單位工作實際，梳理監控、收費、供配電、通信等所有主要機電設備的ID、名稱、類型、廠商等基本信息及關鍵參數，通過NFC或二維碼等方式為每個機電設備建立唯一的身份標識，實現設備統一編碼管理；對設備的采購、使用、維修、報廢等情況進行記錄，登記保存設備的出庫信息，跟蹤設備的去向，明確設備的所屬負責人，實現全生命周期管理。運維人員也可根據設備使用情況對壽命進行評估以及準備相應備件。

基礎數據由大數據平臺進行分類、存儲、管理，機電運維管理人員可通過PC端平臺搜索查閱該設備的所有信息，一線作業人員也可使用手機掃描二維碼查閱設備詳情，為運維管理提供依據。此外，平臺對機電設備從類型、品牌、分布、總覽等角度進行多維度的統計分析，可使管理人員對當前機電設備資產有全面的把握。

3.2 設備運行監測及預警

在業務系統網絡內部署具備實時監測功能的邊緣計算服務器，通過接口協議或安裝智能采集器的方式實時采集局域網內的攝像頭、門架、機房、收費車道等硬件設施運行狀態數據，通過大數據平臺進行清洗、治理、存儲與挖掘。此外，管理平臺與各業務系統實現內部數據互通，獲取設備的運行日志，分析判斷有無報錯信息，作為輔助手段對設備運行狀態進行監測，幫助管理人員實時掌握機電設備的整體運行情況。

基于大數據平臺對設備基礎信息、運行狀態、運行環境等海量數據進行多源融合處理，并通過數據挖掘、人工智能等技術，為每個設備生成健康監測模型，在管理平臺的設備監測可視化模塊對運行情況進行集中統一展示。運行過程中出現異常參數時及時預警，便于運維人員進行預防性維護，降低故障發生的概率。全天候、全范圍的監測可有效提高巡檢效率，避免僅靠人為巡檢出現錯漏問題。在設備出現故障時管理平臺快速定位設備位置及異常參數，根據事故類型、人員空閑狀態等因素綜合判定，自動向管理人員、運維人員進行告警及派發工單，實現軟硬件設備發生故障后的自動發現、自動告警、快速處理，最大程度減少因故障造成的影響。待故障解決之后，自動進行問題的歸納整理，形成故障解決的標準步驟，實現維護規范化，縮短解決同類問題的響應時間。

3.3 運維業務全流程管理

結合工作實際，細化機電設備故障維修的業務流程，形成故障上報、生成工單、人員到達、維修處理、備件使用、結束維修、結果評價等流程的業務閉環，多方角色可以查看流程進行監督，通過信息化平臺夯實相關管理規范；并依據管理規定在每個節點設置時間統計，對維修及時率進行量化。

針對機電設備的運行狀態、養護質量、處理時長、成本效益、故障原因等內容進行數據分析，根據管理人員、運維人員等角色的不同定制化分析指標，既可為制定養護方案提供數據支撐，也有助于針對運維人員的工作質量進行查缺補漏、專項提升，從制度上提升員工工作積極性，避免由于人為疏忽出現維修不及時的情況。

3.4 知識庫管理

建設高速公路機電設備運維管理動態知識庫，包含設備詳情、設備使用方法、設備保養方法、技術指南、養護指南等內容。運維人員處理故障問題時，可以通過知識庫查詢同類問題的解決方式，為維修工作提供便利。機電運維部門可根據實際需求動態調整知識庫內容，以期符合當前運維管理工作的實際情況；相關人員可利用碎片化時間通過圖文、視頻等方式學習，通過題目進行練習，提升自身工作素養。知識庫有利于提高相關人員的專業技能，打造過硬的人才隊伍。

3.5 備品備件管理

對備品備件采購、入庫、出庫、使用、報廢的全生命流程進行跟蹤管理，實現備品備件管理的規范化。通過分析機電設備品牌故障率、類型故障率、已使用設備與庫存的百分比等指標針對性地對備品備件的采購、庫存及領用進行調整，達到備品備件精細化管理的目標。

3.6 可視化展示

結合GIS地圖進行機電設備分布情況的可視化展示，并以顏色區分設備運行狀態，如綠色圖標表示正常，黃色圖標表示參數異常，紅色圖標表示故障，管理人員、運維人員可快速掌握機電設備運行態勢。地圖內容可按監控系統、收費系統、供配電系統、通信系統等大類進行圖層切換，便于相關人員針對個人需重點關注的板塊進行監管。點擊某一設備，可查看身份標識編碼、品牌、型號、位置、維修情況等信息。

3.7 平臺管理

平臺管理功能用于統籌智慧運維平臺的全局業務邏輯，實現對系統的管理，主要包括角色管理、權限設置、用戶管理、個人信息等功能。系統管理員可以根據用戶職責的不同對數據權限和功能權限進行劃分，提升系統的易用性。

4 結束語

當前，隨著高速公路數字化、智慧化建設進程的不斷推進，機電設備的種類、數量也呈現出增長的趨勢，給運維管理工作帶來了巨大的挑戰。本文針對當前存在的運維成本高、處置效率低、故障定位難等問題，基于“人工智能+大數據”技術設計了高速公路機電設備智慧運維管理平臺，實現了機電設備的全生命周期管理、運維流程的規范化監督、業務系統的集約化管控、設備運行狀態的自動化預警與智慧化分析，該平臺將有效提升運維管理工作的效率，保障高速公路的暢通，帶來顯著的經濟效益與社會效益。