高速公路智能机电设备运维管理系统的研究

摘   要：

针对高速公路机电设备运维管理的特点，根据目前营运管理的功能实现策略，提出了一种信息化、智能化的机电设备运维管理解决方案。该方案通过监测设备状态，与设备信息采集措施相结合，提高了管理流程自动化程度，并通过系统平台的方式实现了高效的机电设备运维管理。

引言

近年来，随着我国高速公路建设事业的快速发展，高速公路的通车里程不断增加，总体规模已达16万km，其中大多数路段处于正常营运及管养阶段。高速公路机电设备管养过程存在养护人员少、养护任务繁杂、维护效率低、设备分布广等情况，造成设备故障解决不及时、设备状态不清楚、养护人员疲于奔波、管理人员疲于统计等一系列问题。因此，如何通过技术化手段实现预防性养护，如何通过故障原因分析信息化、故障处理方法标准化、故障处理过程流程化等手段提升养护水平，成为高速公路机电设备运维亟待解决的问题[1]。

1  研究背景

目前，高速公路机电设备规模与日俱增，机电设备管理任务越加繁重。高速公路营运路段在机电设备台账管理方面仍以人工方式利用Excel实现。通过故障及处置过程分析发现，80%以上的故障具有通用性，但缺乏一个统一的机电设备管理平台，导致处理过程烦琐、故障时间过长，出现大量重复劳动[2]。目前高速公路日常养护基本上都是被动养护，当出现故障后采取紧急措施进行修复，导致在日常养护工作中安排组织困难，疲于处理突发事件，难以完成养护计划。

高速公路机电设备运维管理主要存在以下5个问题：

（1）缺乏全生命周期管理工具，采购—入库—出库—使用—维修—报废全生命周期过度依赖人工管理方式，缺乏技术手段辅助，难以全面、及时、精准掌握机电设备动态信息。

（2）预防性养护手段不足，大部分路段在设备出现故障导致业务中断后才进行响应式处理，严重影响日常营运。

（3）没有统一的专业技术知识分享平台，目前养护经验的沉淀和传承还是依靠以老带新的方式，严重依赖个人积极性和个人水平。

（4）故障处理进度跟踪工具的科技含量不高，导致业主不能全面掌握故障处理的进度。

（5）缺乏有效的量化手段和评判依据，无法准确评估养护效率及投入成本的合理性。

高速公路机电运维管理有4个层次，分别是数据采集、数据传输与存储、数据统计与评估、运维决策。目前的矛盾主要是环境、电气、性能、养护过程等数据采集不足，数据传输与存储能力有限，数据统计与评估模型不够成熟，导致运维决策能力不足[3]。

2  解决方案

高速公路智能机电设备运维管理平台采用“监、管、治”理念。监：实时监控机电设备状态；管：电子化、规范化管理机电设备以及养护流程；治：通过养护服务评价系统、趋势分析报表提升智能化水平。即实时监控机电设备，及时发现问题并解决，实现主动式运维；电子化、规范化管理机电设备以及养护流程，实现考核有所依；通过养护服务评价系统、趋势分析报表反映当前存在的问题，提升管理水平；通过“监、管、治”三步形成机电设备管理闭环。“监、管、治”方案概念图如图1所示。

为满足上述需求，需实现以下7点：

（1）使用电子系统替代手工管理，规范化管理机电设备全生命周期，提高效率；设备信息方面，包括基本信息、位置信息、产权信息、供应商信息等，并实施一物一码；设备状态评估方面，可以按照生命周期管理理论，输入安装信息，设置报废年限，并与维修保养数据和备品备件更换数据进行关联。

（2）多视图管理模式，通过物理位置、网络拓扑结构展示在用设备，实现快速查找，提高运维效率。

（3）通过物联网方式实时监测在用机电设备状态，在故障发生前发现并解决问题，实现预防性养护，保证业务正常运行，并可实现设备级、子系统级、系统级性能事件、故障等级的设置与管理[4]。

（4）通过智能工单管理模块记录、采集、归纳养护过程，定期进行人工确认形成标准步骤，再面临类似问题时可快速查询。

（5）故障处理过程透明化，多方角色可共同查看故障处理步骤、处理进度，并以此作为动态评判、量化养护效率、服务质量的重要考核指标。

（6）通过报表进行趋势分析、决策支持，反馈当前管理缺陷，提升管养效率，为专项工程的编制和养护预算编制提供支持。

（7）所有功能模块皆支持移动化安装，方便养护人员在外随时使用，提高运维效率。

3  系统框架

按照数据采集及应用模块逻辑，高速公路智能机电设备管理平台从下到上分为数据采集层、数据传输层、数据存储层、应用模块层、展示层5个应用模块。所有网络和设备均需进行网络安全管理。应用模块由多个子模块/子系统构成，其数据和管理业务互相交叉共享，形成一个集机电设备管理、设备状态监测、工单管理、知识库、报表展示于一体的平台。

从底层到上层主要包括5个层级。数据采集层使用分布式、高可用、高并发IT基础架构监控机电设备（车检器、NVR、摄像机、情报板）、监控主机（硬件、操作系统、中间件、应用服务）、网络设备（交换机、防火墙、堡垒机、漏洞扫描、日志审计）。数据传输层主要包括工业以太网、Wi-Fi、4G/5G、LoRa、串口等通信方式。数据存储层采用MySql、MongoDB、Dynamo数据库。

应用模块层通过状态监测模块实时监测机电设备状态，超过阈值报警并实时通知相关人员；通过机电设备管理模块、工单管理模块等实现机电设备及养护流程电子化管理；通过趋势分析、数据可视化模块，提供辅助决策分析功能，实现提升管理水平的目的，完成“监、管、治”管理闭环。展示层采用App、网页、大屏等多种展示方式。高速公路智能机电设备管理平台整体架构如图2所示。

4  主要功能

4.1  机电设备及仓库管理子系统

在设备上粘贴二维码作为设备唯一识别码，记录所有设备出库信息，跟踪设备去向；明确设备所属负责人；设置余量告警、报废年限告警、设备保洁提醒；实现快速盘点。机电设备及仓库管理子系统界面如图3所示。

4.2  设备监测子系统

通过直接对接设备或其所属系统，采集设备信息、运行状态、运行数据，根据设备类型为机电设备配置特定的指标阈值并实时监测，超过阈值则产生预警并通过多种方式通知相关人员。针对机电设备监测数据覆盖不足的问题，基于物联网技术，使用多种传感技术并结合数据分析方法对设备状态进行全面监测，通过在原有设备设施上增加智能传感器，定时检查设备的健康状态，通过物联网网关传输数据，平台系统实时告警通知，减少人工巡检频次和巡检强度。例如，基于超低功耗智能传感器技术、LoRa容错无线传输技术、消防二总线通信技术、智慧运维平台技术实施改造，加强隧道消防自动监测能力。

高低位水池、水泵、消防管道、阀门、消防栓和灭火器增加传感器和压力表，通过网关与平台相连，实时监测和存储消防系统水位及压力变化，实现隧道消防实时健康监测，能够及时预测设备失效并迅速进行故障报警，同时对故障原因、故障位置、故障点等进行自动诊断和分析定位。设备状态监控模块界面如图4所示。 

4.3  养护管理子系统

如图5所示，工单服务流程根据设备报警内容及系统综合调度生成工单（根据养护人员所在地方、当前工作任务等方面），并分配给对应养护人员，养护人员完成故障修复后，在平台上通过文字、附件形式记录处理过程，交由领导审批，审批完成后结束工单。工单进入养护数据库归档，为工单查询、知识库管理、养护数据分析、养护服务评价提供基础数据。

养护计划管理用于设置和录入巡检计划、检测计划、保洁计划等，并与移动端配合进行实施打卡和完成情况审核，同时可以实时输出和展示计划完成情况。

养护人员结合故障关键词记录修复故障过程，生成经验库知识记录；养护部门定期总结经验，生成该类问题标准处理步骤文档，形成专家库知识记录，养护人员再碰到类似问题可根据关键词筛查。

4.4  系统分析子系统

系统分析子系统基于其他子系统生成的基础数据，对机电设备系统状态、故障原因、养护质量、成本效益等进行数据分析，根据不同用户角色提供定制化多维数据报表查询，如品牌故障率、根据设施类型展示同类设施设备故障数量以及百分比、在用设备与库存设备数量与百分比、根据故障关键词统计平均处理时长、养护服务评价得分等多类型、多维度统计图，支撑养护方案的制定与决策。隧道设备故障统计示例如图6所示。 

4.5  多视图展示

利用GIS地图展示路面上设备地理位置以及所属设施；通过拓扑结构展示当前机电系统状况；提供设备设施详情展示；室内设备通过虚拟机柜、配电柜管理；将设备情况关联养护管理数据库，为营运管理人员和养护人员提供养护事件展示。

4.6  移动、电脑端运维

平台可在移动端设备或个人电脑上运行，做到养护人员在外随时实现现场故障上报、故障处理过程记录、定位、工作打卡、工单实时填报、知识库查询、设备信息查询等功能。例如，使用移动端摄像头扫描设备二维码实现快速盘点；处理工单可通过移动端拍摄视频、图片作为附件上传到平台，交由领导审批。移动端运维App如图7所示。

5  系统实施与使用过程的注意事项

（1）实施阶段要有切合实际的实施方案，要与使用方在基础数据采集录入方面密切配合。台账分类与编码标准要准确，尽量不产生歧义；设备台账清理和设备标记工作量大，但要保证质量，否则影响平台的使用效率。

（2）合理选择设备状态参数和指标。设备状态基础数据、养护过程基础数据收集后，关联提取相关信息，通过设备状态评价模型形成设备画像。模型主要有参数和指标两个层次，参数是指需要的数据类别；指标是指该数据类别人为设定的有效阈值、性能阈值和告警阈值，有效阈值以内代表设备运行完好，性能阈值以内代表设备状态下降但可接受，告警阈值范围代表设备运行结果已不可接受和使用。

（3）应利用设备全周期寿命理论，合理选择设备状态预测参数和指标。选择依据包括故障率/时间函数，设备残值、运行维护费用和设备总费用的关系，折旧年限标准，厂家设备产品生命周期信息（包括停止销售日、停止全面支持日、停止服务日）等。

（4）使用过程中，应转变管理者和养护人员的思维习惯和流程习惯，遵守数据及时更新的工作要求。

（5）平台的建设是一个动态的过程，不是在实施阶段就结束，应从管理制度和平台优化角度，对监测的覆盖范围及准确度、系统互通等方面进行定期检查和优化。

6  结语

高速公路智能机电设备运维管理平台仍有待优化改进和深入发展：目前有些设备因为无传感器，无法正常监测其状态；随着科技发展，需采取更多元的方式采集数据；大部分设备以单一指标阈值产生性能和告警事件，在使用过程中存在一定的误告警，需参考指标之间的关联；已有数据中抽取出的关键数据过少，数据挖掘分析模块无法有效提供辅助决策分析，有待优化；由于高速公路机电设备种类繁多、技术更新快，设备状态评价模型的设计和改进工作量很大，设备状态评价模型的优化也需要更多理论支撑与借鉴。此外，通信、电力、安防、国防等其他行业的理论也值得借鉴，例如通信行业的设备告警与性能监测理论以及军事装备保障领域的五性管理理论（可靠性、维修性、保障性、测试性、安全性）。

随着高速公路机电设施技术状况评定的普遍实施，机电设施智能化水平不断提高，高速公路机电设备运维管理系统建设日益重要，复杂被动的定期人工评定正在转变为高效的评定指标实时采集、即时分析。结合“监、管、治”理念，构建高速公路智能机电设备管理服务体系，可以实现预防性维护和主动式运维，从根本上提高设备养护效率，提升设备管理水平。

审核编辑：刘清