高速公路機(jī)電系統(tǒng)的智慧運(yùn)維研究

【關(guān)鍵詞】高速公路；機(jī)電系統(tǒng)；智慧運(yùn)維；物聯(lián)網(wǎng)；大數(shù)據(jù)

引言

高速公路機(jī)電系統(tǒng)是保障道路運(yùn)行安全、提升通行服務(wù)水平的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，涵蓋通信、監(jiān)控、收費(fèi)、供配電、隧道、通風(fēng)、照明等諸多子系統(tǒng)，具有規(guī)模大、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)多、線路長(zhǎng)、覆蓋面廣、專業(yè)領(lǐng)域多等特點(diǎn)。隨著高速公路網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，機(jī)電系統(tǒng)愈加復(fù)雜龐大，運(yùn)維管理難度與日俱增，傳統(tǒng)的事后被動(dòng)式、人工經(jīng)驗(yàn)式的運(yùn)維模式已難以適應(yīng)新時(shí)期的需求，運(yùn)維效率低、資源浪費(fèi)嚴(yán)重、故障診斷滯后等問(wèn)題日益凸顯。為突破發(fā)展瓶頸，必須立足新一代信息技術(shù)，探索全生命周期的精細(xì)化、智能化運(yùn)維新模式。智慧運(yùn)維作為交通強(qiáng)國(guó)、數(shù)字中國(guó)戰(zhàn)略在高速公路運(yùn)維領(lǐng)域的具體實(shí)踐，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的集成應(yīng)用，推動(dòng)管、控、營(yíng)一體化，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程可視、全狀態(tài)在控，全要素協(xié)同的目標(biāo)，成為新時(shí)代高速公路高質(zhì)量發(fā)展的必由之路[1]。

一、高速公路機(jī)電系統(tǒng)智慧運(yùn)維的內(nèi)涵

智慧運(yùn)維是以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)為支撐，通過(guò)海量異構(gòu)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲(chǔ)、挖掘、分析，形成設(shè)備全生命周期管理的新模式。它以提高運(yùn)維效率、優(yōu)化資源配置、降低運(yùn)營(yíng)成本、保障安全生產(chǎn)為目標(biāo)，通過(guò)智能感知、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、趨勢(shì)預(yù)警、輔助決策等手段，革新傳統(tǒng)的事后被動(dòng)式運(yùn)維，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)全息化、管理過(guò)程精細(xì)化、故障診斷智能化，推動(dòng)管、控、營(yíng)一體化運(yùn)維。高速公路機(jī)電系統(tǒng)智慧運(yùn)維是智慧交通、智慧公路的重要組成部分，通過(guò)先進(jìn)的感知、通信、分析、控制技術(shù)，打通設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維、管理等各階段的數(shù)據(jù)壁壘，構(gòu)建“橫向到邊、縱向到底”的一體化協(xié)同運(yùn)維體系。一方面，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，布設(shè)各類智能傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)、環(huán)境因素的全面感知和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，對(duì)海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、清洗、存儲(chǔ)、計(jì)算、分析，刻畫設(shè)備健康特征，掌握設(shè)備劣化規(guī)律。另一方面，利用云計(jì)算、邊緣計(jì)算平臺(tái)，綜合分析設(shè)備工況，展開故障診斷、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、壽命預(yù)測(cè)等，形成設(shè)備狀態(tài)評(píng)估與維修決策；利用數(shù)字孿生、可視化等技術(shù)，構(gòu)建機(jī)電系統(tǒng)的虛擬鏡像，實(shí)現(xiàn)設(shè)備全生命周期的可視化管理。

二、高速公路機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)維管理中存在的問(wèn)題

（一）運(yùn)維模式粗放，精細(xì)化水平不高

受制于傳統(tǒng)的管理思路和技術(shù)手段，高速公路機(jī)電系統(tǒng)長(zhǎng)期采用以故障報(bào)修為主的被動(dòng)式運(yùn)維模式，重事后處置、輕事前預(yù)防，對(duì)設(shè)備缺乏系統(tǒng)的全生命周期管理，很多運(yùn)維單位仍處于“頭疼醫(yī)頭、腳疼醫(yī)腳”的初級(jí)階段，缺乏對(duì)設(shè)施狀態(tài)的整體認(rèn)知和長(zhǎng)期追蹤。在日常巡檢中，往往依賴人工經(jīng)驗(yàn)判斷，導(dǎo)致對(duì)隱性缺陷、潛在風(fēng)險(xiǎn)把控不足。在檢修養(yǎng)護(hù)中，大多根據(jù)固定周期開展，未能有針對(duì)性地制定差異化的檢修計(jì)劃，造成資源錯(cuò)配和浪費(fèi)。在備品備件管理中，沒(méi)有結(jié)合設(shè)備健康狀況，合理制定采購(gòu)、儲(chǔ)備、調(diào)配策略，導(dǎo)致備件積壓或短缺。運(yùn)維過(guò)程缺乏量化分析和動(dòng)態(tài)優(yōu)化，難以適應(yīng)精細(xì)化管理要求，造成設(shè)備完好率不高，故障時(shí)有發(fā)生。

（二）設(shè)備故障診斷滯后，處置效率低

高速公路機(jī)電設(shè)備具有種類多、數(shù)量大、技術(shù)復(fù)雜等特點(diǎn)，一旦發(fā)生故障，定位診斷十分困難。傳統(tǒng)的“事后診斷”主要依賴人工經(jīng)驗(yàn)，在面對(duì)突發(fā)、非典型故障時(shí)常常捉襟見(jiàn)肘。一方面，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備缺乏必要的監(jiān)測(cè)手段，無(wú)法實(shí)時(shí)、連續(xù)地采集設(shè)備的環(huán)境因素、工況參數(shù)等，難以掌握設(shè)備健康狀態(tài)，預(yù)判潛在風(fēng)險(xiǎn)。故障發(fā)生后，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員難以快速獲取導(dǎo)致故障的深層次原因，只能就表象盲目處理。另一方面，不同專業(yè)的設(shè)備協(xié)同關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，在面臨跨專業(yè)、非單一故障原因的復(fù)雜故障時(shí)，難以進(jìn)行綜合性判定。

知識(shí)積累和共享不足也是制約診斷水平的重要因素，高速公路機(jī)電設(shè)備具有鮮明的個(gè)體差異，不同路段、不同型號(hào)設(shè)備的故障機(jī)理和處置方法不盡相同。但在實(shí)踐中，這些經(jīng)驗(yàn)知識(shí)沒(méi)有得到良好的沉淀與提煉，同時(shí)缺乏跨路段、跨系統(tǒng)的共享交流，共同制約了精準(zhǔn)診斷和快速處置能力，影響系統(tǒng)運(yùn)行安全。

（三）運(yùn)維數(shù)據(jù)割裂，“信息孤島”問(wèn)題突出

設(shè)備全生命周期管理涉及規(guī)劃、設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工、運(yùn)行、維修、更新等諸多環(huán)節(jié)，但長(zhǎng)期以來(lái)，各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)缺乏統(tǒng)一規(guī)劃和有效貫通，導(dǎo)致數(shù)據(jù)分散、異構(gòu)且質(zhì)量不高，形成大量的“信息孤島”。

從縱向看，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)無(wú)法傳遞給運(yùn)維階段，運(yùn)維過(guò)程產(chǎn)生的大量工況、健康等數(shù)據(jù)也難以回溯設(shè)計(jì)缺陷，數(shù)據(jù)鏈條斷裂。從橫向看，不同路段、不同專業(yè)的設(shè)備缺乏統(tǒng)一編碼，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不一致，時(shí)間、空間尺度不統(tǒng)一，無(wú)法實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通和融合應(yīng)用。海量數(shù)據(jù)成為沉睡的“數(shù)據(jù)湖”，數(shù)據(jù)價(jià)值未能被充分釋放。缺乏大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，數(shù)據(jù)抽取、清洗、分析工作量巨大，獲取的信息質(zhì)量無(wú)法保障，數(shù)據(jù)共享機(jī)制不健全也導(dǎo)致部門間聯(lián)系不緊密，難以支撐科學(xué)決策。未來(lái)，高速公路機(jī)電系統(tǒng)必須打破數(shù)據(jù)壁壘，促進(jìn)數(shù)據(jù)共享交換，加快構(gòu)建覆蓋全生命周期的一體化大數(shù)據(jù)平臺(tái)，夯實(shí)智慧運(yùn)維的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（四）運(yùn)維隊(duì)伍專業(yè)化不足，人才匱乏

機(jī)電系統(tǒng)是技術(shù)密集型系統(tǒng)，對(duì)一線運(yùn)維隊(duì)伍的專業(yè)技能提出了很高的要求，然而，目前高速公路機(jī)電人才總量不足，專業(yè)結(jié)構(gòu)不平衡，知識(shí)老化快等問(wèn)題突出。一方面，高校交通相關(guān)專業(yè)設(shè)置機(jī)電課程較少，機(jī)電專業(yè)畢業(yè)生供給有限，高速公路通常分布在人口密度較低的偏遠(yuǎn)地區(qū)，工作、生活環(huán)境相對(duì)惡劣，機(jī)電人才引進(jìn)困難。另一方面，現(xiàn)有從業(yè)人員多為土建工程專業(yè)背景，專業(yè)基礎(chǔ)薄弱，知識(shí)結(jié)構(gòu)單一，自學(xué)主動(dòng)性差，專業(yè)能力難以適應(yīng)新技術(shù)變革需求。人才培養(yǎng)體系不健全，缺乏系統(tǒng)性的培訓(xùn)和繼續(xù)教育，職稱評(píng)聘、薪酬待遇等激勵(lì)機(jī)制有待完善，專業(yè)技術(shù)人員的成長(zhǎng)空間受限。種種因素導(dǎo)致機(jī)電人才儲(chǔ)備不足、結(jié)構(gòu)性矛盾突出，嚴(yán)重制約高速公路機(jī)電系統(tǒng)的運(yùn)維管理水平。未來(lái)需加快培養(yǎng)一支專業(yè)基礎(chǔ)扎實(shí)、知識(shí)結(jié)構(gòu)合理、創(chuàng)新實(shí)踐能力強(qiáng)的高素質(zhì)隊(duì)伍，為高速公路機(jī)電系統(tǒng)智慧運(yùn)維提供強(qiáng)有力的人才支撐[23]。

三、高速公路機(jī)電系統(tǒng)智慧運(yùn)維的關(guān)鍵技術(shù)

（一）物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)

感知是智慧運(yùn)維的基礎(chǔ)，通過(guò)在機(jī)電設(shè)備上植入各類傳感器，并與通信網(wǎng)絡(luò)相連，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能化和信息化，構(gòu)建面向機(jī)電系統(tǒng)的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)。射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）電子標(biāo)簽技術(shù)可對(duì)設(shè)備唯一編碼實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理，通過(guò)在設(shè)備上粘貼RFID標(biāo)簽，利用手持機(jī)等隨時(shí)采集設(shè)備的位置、型號(hào)、參數(shù)等信息，支撐設(shè)備全生命周期的精細(xì)化管控。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)通過(guò)自組織、多跳的通信方式，能夠大范圍部署，實(shí)時(shí)感知設(shè)備的環(huán)境參數(shù)、工況參數(shù)，并遠(yuǎn)程傳輸至監(jiān)控中心。以隧道為例，采用溫濕度、一氧化碳、光強(qiáng)度等傳感器，布設(shè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的空間采樣，掌握隧道內(nèi)的氣象環(huán)境。以通風(fēng)、照明、供配電為例，在關(guān)鍵設(shè)備安裝電流、電壓、功率等傳感器，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)、燈具、變壓器等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常。同時(shí)，傳感器數(shù)據(jù)與視頻監(jiān)控、巡檢記錄等融合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的多參數(shù)、多尺度描述，為故障診斷、趨勢(shì)預(yù)警、聯(lián)動(dòng)控制等提供數(shù)據(jù)支撐。物聯(lián)網(wǎng)全面感知設(shè)備狀態(tài)，是實(shí)現(xiàn)運(yùn)維模式從被動(dòng)向主動(dòng)轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)[4]。

（二）大數(shù)據(jù)分析技術(shù)

設(shè)備狀態(tài)感知產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)蘊(yùn)含著豐富的價(jià)值，但由于數(shù)據(jù)具有維度高、速度快、真實(shí)性差等特點(diǎn)，必須依托大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，全面挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值。機(jī)器學(xué)習(xí)作為數(shù)據(jù)挖掘的新范式，可根據(jù)設(shè)備的歷史工況數(shù)據(jù)，提煉健康退化特征，構(gòu)建設(shè)備剩余壽命預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)設(shè)備異常的早期預(yù)警，如對(duì)于變壓器，油中溶解氣體是其絕緣老化的重要表征，通過(guò)在線色譜儀等采集溶解氣體數(shù)據(jù)，運(yùn)用支持向量機(jī)等算法構(gòu)建油氣特征提取模型，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器早期故障征兆，為設(shè)備狀態(tài)檢修策略優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。知識(shí)圖譜技術(shù)通過(guò)將運(yùn)維知識(shí)進(jìn)行語(yǔ)義化、結(jié)構(gòu)化表示，實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)到信息、信息到知識(shí)的提升，如針對(duì)隧道機(jī)電設(shè)備，通過(guò)構(gòu)建設(shè)備、監(jiān)測(cè)量、故障模式、處置方案等概念實(shí)體，挖掘?qū)嶓w間的語(yǔ)義聯(lián)系，形成隧道機(jī)電領(lǐng)域知識(shí)庫(kù)，用于輔助故障溯源分析、檢修方案推薦等。數(shù)據(jù)可視化技術(shù)通過(guò)圖形化、動(dòng)態(tài)化手段，直觀呈現(xiàn)海量數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的模式和關(guān)聯(lián)，便于從宏觀上把握設(shè)備運(yùn)行態(tài)勢(shì)，為科學(xué)決策提供直觀參考，如針對(duì)高速公路沿線的供配電設(shè)施，利用地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）平臺(tái)，對(duì)接設(shè)備臺(tái)賬、運(yùn)行監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)供電拓?fù)洹㈦妷弘娏鞣植肌⒐收细婢鹊目梢暬故荆庇^反映供電系統(tǒng)的整體運(yùn)行狀況。大數(shù)據(jù)分析技術(shù)是挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值、支撐智慧運(yùn)維的利器[5]。

（三）人工智能技術(shù)

人工智能是用計(jì)算機(jī)模擬人的感知、思維、行為的技術(shù)，通過(guò)賦予機(jī)器智能，可在運(yùn)維領(lǐng)域取代人工，提高效率和精準(zhǔn)度。其中，專家系統(tǒng)是一種基于知識(shí)和推理的智能系統(tǒng)，通過(guò)歸納相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)知識(shí)，形成用于診斷和決策的知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)，輔助和替代人工判斷，如針對(duì)收費(fèi)系統(tǒng)，專家系統(tǒng)通過(guò)梳理收費(fèi)業(yè)務(wù)流程，總結(jié)收費(fèi)異常案例，歸納收費(fèi)設(shè)備故障診斷規(guī)則，形成故障診斷知識(shí)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)故障原因快速定位和處置方案推薦。針對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)，專家系統(tǒng)通過(guò)分析隧道環(huán)境參數(shù)與通風(fēng)設(shè)備的關(guān)聯(lián)規(guī)則，形成通風(fēng)控制策略庫(kù)，可根據(jù)交通流量、污染物濃度等因素，自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)開關(guān)和風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)隧道環(huán)境的智能控制。深度學(xué)習(xí)作為一種端到端的學(xué)習(xí)方法，通過(guò)模仿人腦神經(jīng)元，構(gòu)建包含多個(gè)隱含層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可自動(dòng)學(xué)習(xí)樣本數(shù)據(jù)的深層特征，對(duì)未知數(shù)據(jù)做出判別，如在隧道監(jiān)控視頻中，采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)大量標(biāo)注的正常或異常行為樣本進(jìn)行訓(xùn)練，可自動(dòng)識(shí)別交通事故、逆行、拋撒物等違法違規(guī)行為，代替人工值守。無(wú)人機(jī)、機(jī)器人等智能裝備也是人工智能在運(yùn)維領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用，如利用機(jī)器人代替人工開展線纜隧道的定期巡檢，通過(guò)沿著軌道自主行走，對(duì)線纜、支架等進(jìn)行逐一排查，并利用機(jī)器視覺(jué)、聲紋識(shí)別等檢測(cè)線纜破損、松動(dòng)等隱患，減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高隱患排查效率。人工智能是智慧運(yùn)維的未來(lái)方向，但仍需注重與專業(yè)人員的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，形成人機(jī)協(xié)同[68]。

（四）BIM和3D可視化技術(shù)

設(shè)備全生命周期管理需要各階段的信息在同一平臺(tái)上集成，而BIM和3D可視化技術(shù)為此提供有力支撐。BIM作為建筑信息模型，不僅包含設(shè)備的幾何信息，更包含設(shè)備屬性、關(guān)聯(lián)等語(yǔ)義信息，可作為機(jī)電系統(tǒng)全生命周期信息集成和交換的載體。利用BIM，可在設(shè)計(jì)階段對(duì)機(jī)電布局、管線綜合等提前模擬優(yōu)化，減少設(shè)計(jì)缺陷。施工階段利用BIM，可實(shí)現(xiàn)機(jī)電工程的準(zhǔn)確計(jì)算、施工模擬、進(jìn)度控制等，運(yùn)維階段將設(shè)備傳感器采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與BIM相融合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障定位，實(shí)現(xiàn)BIM由靜態(tài)模型向動(dòng)態(tài)模型的跨越。此外，利用傾斜攝影、激光掃描等技術(shù)，可獲取高速公路及沿線環(huán)境的高精度三維數(shù)據(jù)，構(gòu)建道路的數(shù)字孿生，將機(jī)電設(shè)備BIM嵌入其中，并與監(jiān)控視頻、運(yùn)行數(shù)據(jù)等映射關(guān)聯(lián)，用戶可身臨其境地巡檢道路環(huán)境，全景式監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，直觀判斷設(shè)備健康水平，支撐運(yùn)維調(diào)度和應(yīng)急指揮。基于BIM平臺(tái)的沉浸式體驗(yàn)，拓展傳統(tǒng)監(jiān)控模式，使管理者足不出戶即可實(shí)現(xiàn)全路段、全方位、全過(guò)程的設(shè)備管理，推動(dòng)運(yùn)維模式向精細(xì)化、可視化轉(zhuǎn)變。

結(jié)語(yǔ)

智慧運(yùn)維是新時(shí)代高速公路高質(zhì)量發(fā)展的必然選擇，面對(duì)新形勢(shì)新要求，傳統(tǒng)的粗放式運(yùn)維模式難以為繼，必須順應(yīng)信息化、數(shù)字化發(fā)展大勢(shì)，以先進(jìn)技術(shù)為支撐，變革提升運(yùn)維管理，通過(guò)感知、大數(shù)據(jù)、人工智能、可視化等技術(shù)的集成應(yīng)用，構(gòu)建全面感知、智能分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)管控的智慧運(yùn)維體系，推動(dòng)管、控、營(yíng)一體化，實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)由被動(dòng)服務(wù)向主動(dòng)服務(wù)、由事后處置向預(yù)測(cè)預(yù)警、由經(jīng)驗(yàn)判斷向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的跨越。為不斷提質(zhì)增效、降本增效，需要政府、企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)、高校等各方攜手，完善頂層設(shè)計(jì)，健全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，加大研發(fā)投入，強(qiáng)化人才培養(yǎng)，營(yíng)造良好的產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同創(chuàng)新生態(tài)，打通智慧運(yùn)維的“任督二脈”。可以預(yù)見(jiàn)，隨著新技術(shù)與運(yùn)維實(shí)踐的深度融合，高速公路機(jī)電系統(tǒng)必將迎來(lái)智慧化發(fā)展的嶄新篇章，為公眾出行提供更加安全、便捷、高效的服務(wù)。

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