高速公路智能機電設(shè)備運維管理系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

摘

要：針對高速公路機電設(shè)備運維管理的特點，根據(jù)目前營運管理的功能實現(xiàn)策略，提出了一種信息化、智能化的機電設(shè)備運維管理解決方案。該方案通過監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)，與設(shè)備信息采集措施相結(jié)合，提高了管理流程自動化程度，并通過系統(tǒng)平臺的方式實現(xiàn)了高效的機電設(shè)備運維管理。關(guān)鍵詞：高速公路；機電設(shè)備；運維管理；智能化0

引言近年來，隨著我國高速公路建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，高速公路的通車里程不斷增加，總體規(guī)模已達16萬km，其中大多數(shù)路段處于正常營運及管養(yǎng)階段。高速公路機電設(shè)備管養(yǎng)過程存在養(yǎng)護人員少、養(yǎng)護任務(wù)繁雜、維護效率低、設(shè)備分布廣等情況，造成設(shè)備故障解決不及時、設(shè)備狀態(tài)不清楚、養(yǎng)護人員疲于奔波、管理人員疲于統(tǒng)計等一系列問題。因此，如何通過技術(shù)化手段實現(xiàn)預防性養(yǎng)護，如何通過故障原因分析信息化、故障處理方法標準化、故障處理過程流程化等手段提升養(yǎng)護水平，成為高速公路機電設(shè)備運維亟待解決的問題。1

研究背景目前，高速公路機電設(shè)備規(guī)模與日俱增，機電設(shè)備管理任務(wù)越加繁重。高速公路營運路段在機電設(shè)備臺賬管理方面仍以人工方式利用Excel實現(xiàn)。通過故障及處置過程分析發(fā)現(xiàn)，80%以上的故障具有通用性，但缺乏一個統(tǒng)一的機電設(shè)備管理平臺，導致處理過程煩瑣、故障時間過長，出現(xiàn)大量重復勞動。目前高速公路日常養(yǎng)護基本上都是被動養(yǎng)護，當出現(xiàn)故障后采取緊急措施進行修復，導致在日常養(yǎng)護工作中安排組織困難，疲于處理突發(fā)事件，難以完成養(yǎng)護計劃。高速公路機電設(shè)備運維管理主要存在以下5個問題：（1）缺乏全生命周期管理工具，采購—入庫—出庫—使用—維修—報廢全生命周期過度依賴人工管理方式，缺乏技術(shù)手段輔助，難以全面、及時、精準掌握機電設(shè)備動態(tài)信息。（2）預防性養(yǎng)護手段不足，大部分路段在設(shè)備出現(xiàn)故障導致業(yè)務(wù)中斷后才進行響應(yīng)式處理，嚴重影響日常營運。（3）沒有統(tǒng)一的專業(yè)技術(shù)知識分享平臺，目前養(yǎng)護經(jīng)驗的沉淀和傳承還是依靠以老帶新的方式，嚴重依賴個人積極性和個人水平。（4）故障處理進度跟蹤工具的科技含量不高，導致業(yè)主不能全面掌握故障處理的進度。（5）缺乏有效的量化手段和評判依據(jù)，無法準確評估養(yǎng)護效率及投入成本的合理性。高速公路機電運維管理有4個層次，分別是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸與存儲、數(shù)據(jù)統(tǒng)計與評估、運維決策。目前的矛盾主要是環(huán)境、電氣、性能、養(yǎng)護過程等數(shù)據(jù)采集不足，數(shù)據(jù)傳輸與存儲能力有限，數(shù)據(jù)統(tǒng)計與評估模型不夠成熟，導致運維決策能力不足。2

解決方案高速公路智能機電設(shè)備運維管理平臺采用“監(jiān)、管、治”理念。監(jiān)：實時監(jiān)控機電設(shè)備狀態(tài)；管：電子化、規(guī)范化管理機電設(shè)備以及養(yǎng)護流程；治：通過養(yǎng)護服務(wù)評價系統(tǒng)、趨勢分析報表提升智能化水平。即實時監(jiān)控機電設(shè)備，及時發(fā)現(xiàn)問題并解決，實現(xiàn)主動式運維；電子化、規(guī)范化管理機電設(shè)備以及養(yǎng)護流程，實現(xiàn)考核有所依；通過養(yǎng)護服務(wù)評價系統(tǒng)、趨勢分析報表反映當前存在的問題，提升管理水平；通過“監(jiān)、管、治”三步形成機電設(shè)備管理閉環(huán)。“監(jiān)、管、治”方案概念圖如圖1所示。為滿足上述需求，需實現(xiàn)以下7點：（1）使用電子系統(tǒng)替代手工管理，規(guī)范化管理機電設(shè)備全生命周期，提高效率；設(shè)備信息方面，包括基本信息、位置信息、產(chǎn)權(quán)信息、供應(yīng)商信息等，并實施一物一碼；設(shè)備狀態(tài)評估方面，可以按照生命周期管理理論，輸入安裝信息，設(shè)置報廢年限，并與維修保養(yǎng)數(shù)據(jù)和備品備件更換數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)。（2）多視圖管理模式，通過物理位置、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)展示在用設(shè)備，實現(xiàn)快速查找，提高運維效率。（3）通過物聯(lián)網(wǎng)方式實時監(jiān)測在用機電設(shè)備狀態(tài)，在故障發(fā)生前發(fā)現(xiàn)并解決問題，實現(xiàn)預防性養(yǎng)護，保證業(yè)務(wù)正常運行，并可實現(xiàn)設(shè)備級、子系統(tǒng)級、系統(tǒng)級性能事件、故障等級的設(shè)置與管理。（4）通過智能工單管理模塊記錄、采集、歸納養(yǎng)護過程，定期進行人工確認形成標準步驟，再面臨類似問題時可快速查詢。（5）故障處理過程透明化，多方角色可共同查看故障處理步驟、處理進度，并以此作為動態(tài)評判、量化養(yǎng)護效率、服務(wù)質(zhì)量的重要考核指標。（6）通過報表進行趨勢分析、決策支持，反饋當前管理缺陷，提升管養(yǎng)效率，為專項工程的編制和養(yǎng)護預算編制提供支持。（7）所有功能模塊皆支持移動化安裝，方便養(yǎng)護人員在外隨時使用，提高運維效率。3

系統(tǒng)框架按照數(shù)據(jù)采集及應(yīng)用模塊邏輯，高速公路智能機電設(shè)備管理平臺從下到上分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)存儲層、應(yīng)用模塊層、展示層5個應(yīng)用模塊。所有網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備均需進行網(wǎng)絡(luò)安全管理。應(yīng)用模塊由多個子模塊/子系統(tǒng)構(gòu)成，其數(shù)據(jù)和管理業(yè)務(wù)互相交叉共享，形成一個集機電設(shè)備管理、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、工單管理、知識庫、報表展示于一體的平臺。從底層到上層主要包括5個層級。數(shù)據(jù)采集層使用分布式、高可用、高并發(fā)IT基礎(chǔ)架構(gòu)監(jiān)控機電設(shè)備（車檢器、NVR、攝像機、情報板）、監(jiān)控主機（硬件、操作系統(tǒng)、中間件、應(yīng)用服務(wù)）、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（交換機、防火墻、堡壘機、漏洞掃描、日志審計）。數(shù)據(jù)傳輸層主要包括工業(yè)以太網(wǎng)、Wi-Fi、4G/5G、LoRa、串口等通信方式。數(shù)據(jù)存儲層采用MySql、MongoDB、Dynamo數(shù)據(jù)庫。應(yīng)用模塊層通過狀態(tài)監(jiān)測模塊實時監(jiān)測機電設(shè)備狀態(tài)，超過閾值報警并實時通知相關(guān)人員；通過機電設(shè)備管理模塊、工單管理模塊等實現(xiàn)機電設(shè)備及養(yǎng)護流程電子化管理；通過趨勢分析、數(shù)據(jù)可視化模塊，提供輔助決策分析功能，實現(xiàn)提升管理水平的目的，完成“監(jiān)、管、治”管理閉環(huán)。展示層采用App、網(wǎng)頁、大屏等多種展示方式。高速公路智能機電設(shè)備管理平臺整體架構(gòu)如圖2所示。4

主要功能4.1

機電設(shè)備及倉庫管理子系統(tǒng)在設(shè)備上粘貼二維碼作為設(shè)備唯一識別碼，記錄所有設(shè)備出庫信息，跟蹤設(shè)備去向；明確設(shè)備所屬負責人；設(shè)置余量告警、報廢年限告警、設(shè)備保潔提醒；實現(xiàn)快速盤點。機電設(shè)備及倉庫管理子系統(tǒng)界面如圖3所示。4.2

設(shè)備監(jiān)測子系統(tǒng)通過直接對接設(shè)備或其所屬系統(tǒng)，采集設(shè)備信息、運行狀態(tài)、運行數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)備類型為機電設(shè)備配置特定的指標閾值并實時監(jiān)測，超過閾值則產(chǎn)生預警并通過多種方式通知相關(guān)人員。針對機電設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)覆蓋不足的問題，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使用多種傳感技術(shù)并結(jié)合數(shù)據(jù)分析方法對設(shè)備狀態(tài)進行全面監(jiān)測，通過在原有設(shè)備設(shè)施上增加智能傳感器，定時檢查設(shè)備的健康狀態(tài)，通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)傳輸數(shù)據(jù)，平臺系統(tǒng)實時告警通知，減少人工巡檢頻次和巡檢強度。例如，基于超低功耗智能傳感器技術(shù)、LoRa容錯無線傳輸技術(shù)、消防二總線通信技術(shù)、智慧運維平臺技術(shù)實施改造，加強隧道消防自動監(jiān)測能力。高低位水池、水泵、消防管道、閥門、消防栓和滅火器增加傳感器和壓力表，通過網(wǎng)關(guān)與平臺相連，實時監(jiān)測和存儲消防系統(tǒng)水位及壓力變化，實現(xiàn)隧道消防實時健康監(jiān)測，能夠及時預測設(shè)備失效并迅速進行故障報警，同時對故障原因、故障位置、故障點等進行自動診斷和分析定位。設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控模塊界面如圖4所示。4.3

養(yǎng)護管理子系統(tǒng)如圖5所示，工單服務(wù)流程根據(jù)設(shè)備報警內(nèi)容及系統(tǒng)綜合調(diào)度生成工單（根據(jù)養(yǎng)護人員所在地方、當前工作任務(wù)等方面），并分配給對應(yīng)養(yǎng)護人員，養(yǎng)護人員完成故障修復后，在平臺上通過文字、附件形式記錄處理過程，交由領(lǐng)導審批，審批完成后結(jié)束工單。工單進入養(yǎng)護數(shù)據(jù)庫歸檔，為工單查詢、知識庫管理、養(yǎng)護數(shù)據(jù)分析、養(yǎng)護服務(wù)評價提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。養(yǎng)護計劃管理用于設(shè)置和錄入巡檢計劃、檢測計劃、保潔計劃等，并與移動端配合進行實施打卡和完成情況審核，同時可以實時輸出和展示計劃完成情況。養(yǎng)護人員結(jié)合故障關(guān)鍵詞記錄修復故障過程，生成經(jīng)驗庫知識記錄；養(yǎng)護部門定期總結(jié)經(jīng)驗，生成該類問題標準處理步驟文檔，形成專家?guī)熘R記錄，養(yǎng)護人員再碰到類似問題可根據(jù)關(guān)鍵詞篩查。4.4

系統(tǒng)分析子系統(tǒng)系統(tǒng)分析子系統(tǒng)基于其他子系統(tǒng)生成的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對機電設(shè)備系統(tǒng)狀態(tài)、故障原因、養(yǎng)護質(zhì)量、成本效益等進行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)不同用戶角色提供定制化多維數(shù)據(jù)報表查詢，如品牌故障率、根據(jù)設(shè)施類型展示同類設(shè)施設(shè)備故障數(shù)量以及百分比、在用設(shè)備與庫存設(shè)備數(shù)量與百分比、根據(jù)故障關(guān)鍵詞統(tǒng)計平均處理時長、養(yǎng)護服務(wù)評價得分等多類型、多維度統(tǒng)計圖，支撐養(yǎng)護方案的制定與決策。隧道設(shè)備故障統(tǒng)計示例如圖6所示。4.5

多視圖展示利用GIS地圖展示路面上設(shè)備地理位置以及所屬設(shè)施；通過拓撲結(jié)構(gòu)展示當前機電系統(tǒng)狀況；提供設(shè)備設(shè)施詳情展示；室內(nèi)設(shè)備通過虛擬機柜、配電柜管理；將設(shè)備情況關(guān)聯(lián)養(yǎng)護管理數(shù)據(jù)庫，為營運管理人員和養(yǎng)護人員提供養(yǎng)護事件展示。4.6

移動、電腦端運維平臺可在移動端設(shè)備或個人電腦上運行，做到養(yǎng)護人員在外隨時實現(xiàn)現(xiàn)場故障上報、故障處理過程記錄、定位、工作打卡、工單實時填報、知識庫查詢、設(shè)備信息查詢等功能。例如，使用移動端攝像頭掃描設(shè)備二維碼實現(xiàn)快速盤點；處理工單可通過移動端拍攝視頻、圖片作為附件上傳到平臺，交由領(lǐng)導審批。移動端運維App如圖7所示。5

系統(tǒng)實施與使用過程的注意事項（1）實施階段要有切合實際的實施方案，要與使用方在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集錄入方面密切配合。臺賬分類與編碼標準要準確，盡量不產(chǎn)生歧義；設(shè)備臺賬清理和設(shè)備標記工作量大，但要保證質(zhì)量，否則影響平臺的使用效率。（2）合理選擇設(shè)備狀態(tài)參數(shù)和指標。設(shè)備狀態(tài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、養(yǎng)護過程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集后，關(guān)聯(lián)提取相關(guān)信息，通過設(shè)備狀態(tài)評價模型形成設(shè)備畫像。模型主要有參數(shù)和指標兩個層次，參數(shù)是指需要的數(shù)據(jù)類別；指標是指該數(shù)據(jù)類別人為設(shè)定的有效閾值、性能閾值和告警閾值，有效閾值以內(nèi)代表設(shè)備運行完好，性能閾值以內(nèi)代表設(shè)備狀態(tài)下降但可接受，告警閾值范圍代表設(shè)備運行結(jié)果已不可接受和使用。（3）應(yīng)利用設(shè)備全周期壽命理論，合理選擇設(shè)備狀態(tài)預測參數(shù)和指標。選擇依據(jù)包括故障率/時間函數(shù)，設(shè)備殘值、運行維護費用和設(shè)備總費用的關(guān)系，折舊年限標準，廠家設(shè)備產(chǎn)品生命周期信息（包括停止銷售日、停止全面支持日、停止服務(wù)日）等。（4）使用過程中，應(yīng)轉(zhuǎn)變管理者和養(yǎng)護人員的思維習慣和流程習慣，遵守數(shù)據(jù)及時更新的工作要求。（5）平臺的建設(shè)是一個動態(tài)的過程，不是在實施階段就結(jié)束，應(yīng)從管理制度和平臺優(yōu)化角度，對監(jiān)測的覆蓋范圍及準確度、系統(tǒng)互通等方面進行定期檢查和優(yōu)化。6

結(jié)語高速公路智能機電設(shè)備運維管理平臺仍有待優(yōu)化改進和深入發(fā)展：目前有些設(shè)備因為無傳感器，無法正常監(jiān)測其狀態(tài)；隨著科技發(fā)展，需采取更多元的方式采集數(shù)據(jù)；大部分設(shè)備以單一指標閾值產(chǎn)生性能和告警事件，在使用過程中存在一定的誤告警，需參考指標之間的關(guān)聯(lián)；已有數(shù)據(jù)中抽取出的關(guān)鍵數(shù)據(jù)過少，數(shù)據(jù)挖掘分析模塊無法有效提供輔助決策分析，有待優(yōu)化；由于高速公路機電設(shè)備種類繁多、技術(shù)更新快，設(shè)備狀態(tài)評價模型的設(shè)計和改進工作量很大，設(shè)備狀態(tài)評價模型的優(yōu)化也需要更多理論支撐與借鑒。此外，通信、電力、安防、國防等