高速公路机电设备智慧运维平台研究与应用

引言

高速公路机电设备主要由监控、收费、供配电、通信等模块构成，为高速公路的安全稳定运行提供了重要支撑。随着信息技术在高速公路领域的创新应用，智慧高速建设逐渐成为我国交通新基建的热点，在为社会公众提供高质量出行服务的同时，也导致了机电设备的规模呈现不断增长的趋势。

设备种类繁杂、数量多、分布范围广、所处环境复杂等问题为高速公路机电设备的运维管理带来了巨大的压力，传统的运维管理模式已不能满足高标准养护的需要[1]。此外，各机电设备系统之间相互独立，存在信息壁垒，无法充分挖掘出数据的价值。建设基于“人工智能+大数据”的高速公路机电设备智慧运维平台，可有效提升运维管理效率，实现由被动维护转换为主动预防，带来显著的经济效益与社会效益。

1研究现状及需求分析

1.1机电设备运维管理现状

1.1.1运维管理任务繁重

高速公路机电设备技术含量高、结构精细复杂、造价昂贵，其运维管理工作是一项繁杂且系统化的任务。随着信息化技术在机电系统中的广泛应用，机电设备的种类与数量与日俱增，再加上日、周、月、年固有的定期检查与改造升级工程，使得机电管理任务较为繁重。各类新型软硬件设施在高速公路沿线密集部署，对运维管理人员的专业化水平提出了更高的要求，在日常运维管理工作中，普遍存在运维成本高、故障定位难等问题[2]。

1.1.2管理与维护模式较为落后

当前高速公路运营单位仍采用传统的被动式管理模式，大多依靠人工巡检的方式进行机电设备维护，容易造成效率低下、维修不及时等问题。在整个机电设备故障处理过程中，未能实现全程跟踪，也缺乏相应的指标来对运维管理人员的工作量及工作质量进行考核管理[3]。同时，事后缺乏对故障问题的归纳总结，难以形成科学规范的机电养护体系。对于共性问题进行梳理，不仅可以提升类似问题的维修效率，还可以采取针对性措施起到预防性维护的效果。1.1.3机电设备标准不一致

高速公路机电设备繁多，设备的厂商、型号、技术参数也各不相同，导致设备间无统一的技术规范，兼容性较差，不利于运维管理人员进行统一维护。此外，目前高速公路机电设备按照系统进行划分管理，相互之间较为独立，缺乏统一的运维管理平台，难以全面、准确、及时地掌握当前机电设备的整体运行情况。并且未能对采集到的数据进行多元融合分析，充分发挥数据的导向作用，实现运维管理的数字化、自动化与智慧化。

1.2机电设备智慧运维平台建设需求

高速公路机电设备智慧运维平台建设应以管理的实际角度为出发点，充分应用物联网、大数据、人工智能等新兴互联网技术，深度发挥技术应用的价值，数字化赋能管理，提升运维效率与质量，降低运维成本，保障高速公路机电设备的平稳有序运行[4]。

1.2.1建设标准化规范

机电设备运维工作专业性较强，因此需结合行业规范并充分考虑运营单位工作实际明确岗位职责，完善工作制度，规范操作流程等细则，形成相关的规章制度与技术指南[5]。以全生命周期管理为理念，通过信息化技术建设统一的管理平台执行运维管理标准，实现巡检工作、养护工作、故障维修工作的全流程监督以及业务闭环处理。根据高速公路运营管理部门的精细化管理要求，在关键节点设置相应的考核指标对工作进行量化与监督，可以实现对运维人员的考核管理，避免由于人为因素导致的设备问题，提升运维人员的工作效率。

1.2.2集约化管理要求

建设统一的管理架构，对机电设备软硬件进行统筹管控，解决因类型、厂商、型号不一导致的信息混乱、相互独立等问题。整合各业务系统，打破信息壁垒，实现内部数据流通，充分利用大数据平台，对数据进行清洗、融合、分析，发挥数据的潜在价值，为制定运维管理工作的相关决策提供支撑。

1.2.3构建学习型平台

随着智慧高速建设进程的不断推进，对机电设备运维人员的技术要求也越来越高，建设可持续学习型平台的需求迫在眉陡。借助数字化管理平台自动对设备基本参数、日常遇到的问题及维修流程进行归纳总结，形成专属知识库，构建多元化、立体化、个性化的人才培养体系，从工作中学习，在学习中提高，丰富运维人员的知识结构，才能满足当前机电设备不断选代更新的趋势。

1.2.4运维管理智慧化

智慧运维贯穿于机电设备全生命周期过程中，主要包括预防性维护、故障自动上报、智能诊断、业务闭环等内容。应实现对设备的全时段监测，主动评估设备状态从而及时干预可能出现问题的设备，将问题解决于萌芽状态，减少设备故障带来的影响与损失。在发生故障时应能自动预警与定位，利用人工智能算法进行诊断分析，为运维人员提供参考依据，以数字化手段提升运维工作的效率。

1.2.5平台功能定制化

管理平台具有功能丰富、用户面广泛的特点，不同岗位的工作人员对平台的功能需求是不同的。因此，为提高平台的使用效率，需针对工作人员的岗位职责进行功能及数据权限的精细划分，根据工作实际进行功能的定制化展示，达到千人千面的目的，为工作人员提供便捷、高效、友好的交互模式。

2系统架构

高速公路机电设备智慧运维平台建设是在吸取总结以往运维经验的基础上，利用物联网、大数据、人工智能等数字化手段，以用户为中心，以结果为导向，立足于高速公路机电运维部门的职能管理需求，打造的功能完善的机电设备运维管理系统，有利于实现规范化、制度化、智能化的目标，提升工作效率，使事前预警、事中定位、事后分析成为运维工作的常态。

高速公路机电设备智慧运维平台整体架构如图1所示，分为物理设备层、数据管理层、应用服务层、业务系统层、用户层。

（1）物理设备层。利用物联网、Agent代理、消息中间层等技术方法接入高清摄像头、门架、情报板、收费设施、通信系统、照明设施等各类高速公路机电设备，实时获取运行状态数据。（2）数据管理层。构建大数据平台，设立机电设备基础数据管理规范，对设备信息进行统一维护。将采集到的设备数据进行清洗、存储、挖掘，为上层应用数据提供支撑，实现数据互通共享。（3）应用服务层。以大数据平台为底座’统筹系统整体业务逻辑’向前端应用提供接口。通过物联网、数据挖掘、模式识别、边缘计算、人工智能等技术手段’提供个性化、智慧化的功能。（4）业务系统层。根据机电设备运维部门的实际需求和业务场景’提供基础信息管理、设备运行监测、运维流程管理、备品备件管理等对外应用服务’满足多样化的需求；自动生成各类运营指标及分析报表。（5）用户层。以便捷、灵活、高效为操作目标’通过APP、小程序、PC端等方式向管理人员、运维人员提供人机交互界面。

3主要业务功能

3.1基础信息管理

依据行业规范与技术指南’结合高速公路运营单位工作实际’梳理监控、收费、供配电、通信等所有主要机电设备的ID、名称、类型、厂商等基本信息及关键参数’通过NFC或二维码等方式为每个机电设备建立唯一的身份标识’实现设备统一编码管理；对设备的采购、使用、维修、报废等情况进行记录’登记保存设备的出库信息’跟踪设备的去向’明确设备的所属负责人’实现全生命周期管理。运维人员也可根据设备使用情况对寿命进行评估以及准备相应备件。

基础数据由大数据平台进行分类、存储、管理’机电运维管理人员可通过PC端平台搜索查阅该设备的所有信息’一线作业人员也可使用手机扫描二维码查阅设备详情’为运维管理提供依据。此外’平台对机电设备从类型、品牌、分布、总览等角度进行多维度的统计分析’可使管理人员对当前机电设备资产有全面的把握。

3.2设备运行监测及预警

在业务系统网络内部署具备实时监测功能的边缘计算服务器’通过接口协议或安装智能采集器的方式实时采集局域网内的摄像头、门架、机房、收费车道等硬件设施运行状态数据’通过大数据平台进行清洗、治理、存储与挖掘。此外’管理平台与各业务系统实现内部数据互通’获取设备的运行日志’分析判断有无报错信息’作为辅助手段对设备运行状态进行监测’帮助管理人员实时掌握机电设备的整体运行情况。

基于大数据平台对设备基础信息、运行状态、运行环境等海量数据进行多源融合处理’并通过数据挖掘、人工智能等技术’为每个设备生成健康监测模型’在管理平台的设备监测可视化模块对运行情况进行集中统一展示。运行过程中出现异常参数时及时预警’便于运维人员进行预防性维护’降低故障发生的概率。全天候、全范围的监测可有效提高巡检效率’避免仅靠人为巡检出现错漏问题。在设备出现故障时管理平台快速定位设备位置及异常参数’根据事故类型、人员空闲状态等因素综合判定’自动向管理人员、运维人员进行告警及派发工单’实现软硬件设备发生故障后的自动发现、自动告警、快速处理’最大程度减少因故障造成的影响。待故障解决之后’自动进行问题的归纳整理’形成故障解决的标准步骤’实现维护规范化’缩短解决同类问题的响应时间。

3.3运维业务全流程管理

结合工作实际’细化机电设备故障维修的业务流程’形成故障上报、生成工单、人员到达、维修处理、备件使用、结束维修、结果评价等流程的业务闭环’多方角色可以查看流程进行监督’通过信息化平台夯实相关管理规范；并依据管理规定在每个节点设置时间统计’对维修及时率进行量化。

针对机电设备的运行状态、养护质量、处理时长、成本效益、故障原因等内容进行数据分析’根据管理人员、运维人员等角色的不同定制化分析指标’既可为制定养护方案提供数据支撑’也有助于针对运维人员的工作质量进行查缺补漏、专项提升’从制度上提升员工工作积极性’避免由于人为疏忽出现维修不及时的情况。

3.4知识库管理

建设高速公路机电设备运维管理动态知识库’包含设备详情、设备使用方法、设备保养方法、技术指南、养护指南等内容。运维人员处理故障问题时’可以通过知识库查询同类问题的解决方式’为维修工作提供便利。机电运维部门可根据实际需求动态调整知识库内容’以期符合当前运维管理工作的实际情况；相关人员可利用碎片化时间通过图文、视频等方式学习’通过题目进行练习’提升自身工作素养。知识库有利于提高相关人员的专业技能’打造过硬的人才队伍。

3.5备品备件管理

对备品备件采购、入库、出库、使用、报废的全生命流程进行跟踪管理，实现备品备件管理的规范化。通过分析机电设备品牌故障率、类型故障率、已使用设备与库存的百分比等指标针对性地对备品备件的采购、库存及领用进行调整，达到备品备件精细化管理的目标。

3.6可视化展示

结合GIS地图进行机电设备分布情况的可视化展示，并以颜色区分设备运行状态，如绿色图标表示正常，黄色图标表示参数异常，红色图标表示故障，管理人员、运维人员可快速掌握机电设备运行态势。地图内容可按监控系统、收费系统、供配电系统、通信系统等大类进行图层切换，便于相关人员针对个人需重点关注的板块进行监管。点击某一设备，可查看身份标识编码、品牌、型号、位置、维修情况等信息。

3.7平台管理

平台管理功能用于统筹智慧运维平台的全局业务逻辑，实现对系统的管理，主要包括角色管理、权限设置、用户管理、个人信息等功能。系统管理员可以根据用户职责的不同对数据权限和功能权限进行划分，提升系统的易用性。

4结束语

当前，随着高速公路数字化、智慧化建设进程的不断推进，机电设备的种类、数量也呈现出增长的趋势，给运维管理工作带来了巨大的挑战。本文针对当前存在的运维成本高、处置效率低、故障定位难等问题，基于“人工智能+大数据”技术设计了高速公路机电设备智慧运维管理平台，实现了机电设备的全生命周期管理、运维流程的规范化监督、业务系统的集约化管控、设备运行状态的自动化预警与智慧化分析，该平台将有效提升运维管理工作的效率，保障高速公路的畅通，带来显著的经济效益与社会效益。