公路養護機械設備遠程監控與操作系統設計與實現

查雪兵

（甘肅省張掖公路應急保障與路網監測中心，甘肅 張掖 734000）

0 引言

公路養護在維持交通運輸網絡順暢運行和保障道路安全方面發揮著至關重要的作用。隨著交通流量的不斷增長和交通網絡的日益復雜化，高效且安全的公路養護成為了當務之急[1]。在這一背景下，遠程監控和操作系統的引入，為公路養護提供了一種創新的管理方式。這類系統能夠實時監控公路狀況和養護設備的運行，同時遠程操作功能減少了現場作業人員的風險，特別是在惡劣天氣或危險環境下[2]。通過實時數據收集和分析，這些系統還能夠優化養護計劃和資源配置，提高公路養護的整體效率。因此，本文設計和實現一套高效的遠程監控與操作系統，不僅能夠顯著提升公路養護的工作效率和響應速度，還能極大地增強作業的安全性。這一系統的開發和應用，不僅可以減少因道路狀況不佳或養護設備故障引起的交通事故，還可以通過減少現場作業人員的需求，降低人力成本和潛在的安全風險[3]。此外，該系統還有助于提高公路養護的預測性和主動性，從而更有效地應對復雜多變的公路環境。總而言之，本研究的目標是通過設計和實施一個高效的遠程監控與操作系統，為公路養護領域提供了一種新的技術解決方案，對于提升公路養護作業的智能化水平具有重要意義。

1 系統的總體設計

1.1 系統需求分析

系統設計聚焦于構建一個集成化的監控框架，該框架能夠實現對公路養護機械設備的實時數據監控和遠程操作控制[4]。設計內容包括遠程數據采集系統，用于搜集設備運行狀態的關鍵數據；實時數據傳輸系統，確保采集的數據及時傳送到監控中心；數據處理與分析系統，應用大數據算法對數據進行處理，以識別潛在的設備故障或操作異常。

在本系統設計中，設定了三個核心目標：實時數據監控、遠程操作控制和系統穩定性與安全性。實時數據監控的核心在于確保快速準確地收集和傳輸設備運行數據，其實時性算式為：

實時性算式的原理基于實時系統的響應時間，其中響應時間是指系統對輸入進行處理并產生輸出所需的時間總和。在（1）式中，F代表數據的采集頻率，這是決定系統能多快捕捉到設備狀態變化的因素之一。D表示數據從源頭到目的地的傳輸延遲，這個延遲包括了網絡傳輸和信號傳遞的時間。Tp是數據處理時間，涉及數據在達到系統后進行分析和處理所需的時間。整體而言，算式旨在通過優化這3 個參數來減少整體的響應時間，從而提高系統的實時監控能力，確保公路養護機械設備的運行狀態能夠被實時準確地監控和評估。

遠程操作控制允許操作人員在安全的遠程位置控制機械設備，降低作業風險并提高作業效率。系統穩定性和安全性則通過平均無故障時間（MTBF）評估，其算式為：

其中，T是總運行時間，N是故障次數。

該指標反映了系統的可靠性和長期穩定運行的能力，確保了數據和操作的安全。這些目標共同構成了一個高效、可靠且安全的系統，旨在提升公路養護效率并保障操作人員安全。

1.2 系統的整體框架

本系統的架構設計致力于實現公路養護機械設備的高效遠程監控與操作。核心組成包括監控中心、數據傳輸網絡、遠程監控模塊、遠程操作模塊、機械設備和用戶界面。監控中心是系統的大腦，負責數據的集中處理和分析，包括數據分析單元、中央處理器和存儲器等。數據傳輸網絡則作為信息流動的動脈，確保從機械設備到監控中心的數據實時傳輸。遠程監控模塊和遠程操作模塊是系統的關鍵組成部分，前者負責實時采集和監測設備狀態，如視頻監控和數據采集，后者則使操作人員能夠遠程發送控制指令并接收設備反饋。機械設備作為執行單位，包括各類公路養護機械，通過高效的通訊連接到系統。用戶界面則提供了一個直觀的平臺，供操作人員監控設備狀態和執行遠程操作。整個系統的設計旨在通過這些相互協作的模塊，提高公路養護的效率和安全性，實現對養護作業的精確控制和管理。系統整體框架如圖1 所示。

圖1 系統整體框架

1.3 遠程監控與操作系統主程序設計

現場終端數據采集單元嵌入式程序采用STM32CubeMX+Keil MDK 工具聯合開發，選擇STLINK V2 作為嵌入式應用程序的下載工具，程序采用模塊化設計，使得程序可讀性強，方便了軟件的調試和后期的升級維護。根據嵌入式軟件設計的需求，將程序劃分為初始化模塊、數據采集模塊、數據處理模塊、通信模塊、數據存儲模塊等五個模塊。主程序通過對各個模塊的子程序的調用來完成整個嵌入式系統的功能設計。數據采集單元在上電后首先完成系統的初始化，接著進入循環，判斷是否接收到數據采集命令或采集時間間隔是否滿足，若是，則進行數據采集、數據處理并進行上傳，上傳成功后存儲至本地SD 卡中，結束流程，見流程圖2。

圖2 主程序工作流程

2 遠程監控模塊設計

2.1 數據采集

數據采集在遠程監控模塊中占據核心地位，負責實時收集機械設備的關鍵運行參數。這包括溫度T，速度v，以及位置坐標（x，y，z）。這些參數的實時監測依賴于一系列傳感器，熱電偶傳感器安裝于發熱部件附近，通過測量由溫度變化引起的電壓差來實時監測溫度。速度傳感器固定在移動部件上，捕捉設備的位移并計算速度。GPS 模塊則固定在設備的外部，實時提供地理坐標信息。所有傳感器的數據輸出需要經過A/D 轉換器轉化為數字信號，并通過無線網絡實時傳輸至中心監控系統，后端系統根據Nyquist 定理設定合適的采樣頻率，以確保信號的準確重建。通過這樣的方案，系統能夠實現對公路養護機械設備的實時、準確監控。

溫度數據通過熱電偶傳感器來傳遞，其算式為：T=aV +b，其中，V為電壓，a和b為校準常數。

速度通過速度傳感器進行數據傳遞，其算式為：

其中，△s為位移變化，△t為時間變化。

位置則通過GPS 系統提供。數據采集遵循Nyquist 采樣定理，確保信號無失真地重建，即采樣頻率fs應滿足：

其中，fmax是信號中的最高頻率。此外，采集的數據通過適當的濾波算法進行優化，以提高數據的質量和準確性。

2.2 監控界面

監控界面是用戶與系統交互的重要部分，設計上注重直觀性和實用性。界面展示實時數據和歷史數據分析，如溫度時間序列圖T（t）和位置熱圖。歷史數據分析通過統計方法平均值和標準偏差，其算式為：

通過該算式可以揭示長期趨勢和潛在問題。

此外，用戶界面響應時間Tr是性能的關鍵指標，其計算式為：

其中，Tproc是數據處理時間，Ttrans是數據傳輸時間。界面設計遵循人機工程學原則，最大化易用性和減少操作疲勞。

遠程監控模塊的設計通過這些高度技術化和學術化的方法，確保了數據的準確采集、高效傳輸和直觀展示，為公路養護機械設備的遠程監控提供了堅實的技術基礎。

3 系統測試與分析

為了全面評估開發的遠程監控和操作系統的性能及可靠性，進行了一系列詳細的測試。這些測試旨在驗證系統的關鍵功能，包括數據采集的準確性、控制命令的傳輸效率，以及整體系統的穩定性。表1 詳細記錄了這些測試的具體結果，包括單元測試、集成測試和系統測試的數據，以提供對系統性能的全面了解。

表1 系統測試結果

這些結果不僅證明了系統在技術層面的成熟，也為其在公路養護領域的實際應用提供了堅實的基礎。

4 結語

公路養護機械設備的遠程監控與操作系統，經過一系列細致的測試，在關鍵性能指標上均表現優異，包括傳感器的高準確性、數據處理的高效率、控制命令的低延遲、通信的高穩定性以及整體系統的卓越穩定性和響應速度。特別值得注意的是，系統在高負載下依然保持了穩定的性能，顯示出其強大的實際應用能力。這些測試結果不僅驗證了系統的技術可行性，也為其在公路養護領域的應用奠定了堅實基礎，預示著系統能夠在提升公路養護效率和安全性方面發揮重要作用。總體而言，本研究為公路養護領域的現代化和智能化提供了有效的技術解決方案，展現了廣泛的應用前景。