朱永輝

江蘇蘇通大橋有限責(zé)任公司，江蘇南通 226000

本文結(jié)合江蘇省蘇通大橋機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備日常管理實(shí)際情況，深入分析大橋機(jī)電系統(tǒng)相關(guān)的各個(gè)子系統(tǒng)。大橋子系統(tǒng)主要包括6大系統(tǒng)，即監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、收費(fèi)系統(tǒng)、低壓供配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、橋梁設(shè)施監(jiān)測(cè)機(jī)電工程系統(tǒng)。在蘇通大橋的建設(shè)和發(fā)展過程中，監(jiān)控、收費(fèi)、通信3大系統(tǒng)是同步進(jìn)行，協(xié)調(diào)發(fā)展的，機(jī)電設(shè)備對(duì)3大系統(tǒng)起到支撐性作用，因此，機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備的健康運(yùn)行關(guān)系到整座橋梁的安危。通過二維碼、RFID技術(shù)以及專用云平臺(tái)建立基于云的機(jī)電設(shè)備管理系統(tǒng)，有利于蘇通大橋機(jī)電管理的信息化、標(biāo)準(zhǔn)化、可視化管理，做到設(shè)備運(yùn)維數(shù)據(jù)在云端進(jìn)行精確分析和處理，保證機(jī)電設(shè)備健康運(yùn)行，同時(shí)有效降低機(jī)電維護(hù)人員的工作強(qiáng)度，促進(jìn)蘇通大橋機(jī)電系統(tǒng)的信息化建設(shè)。

1 現(xiàn)狀分析

蘇通大橋位于江蘇省東部的南通市和蘇州市之間，西距江陰大橋82km，東距長(zhǎng)江入?？?08km，是國(guó)家高速公路沈海高速的過江樞紐，也是江蘇省公路骨架重要的過江節(jié)點(diǎn)。建成時(shí)是我國(guó)建橋史上工程規(guī)模最大、綜合建設(shè)條件最復(fù)雜的特大型橋梁工程。大橋全長(zhǎng)32.4km，其中跨江部分長(zhǎng)8146m。工程于2003年6月27日開工，于2008年6月30日建成通車。蘇通大橋北岸連鹽通高速公路、寧通高速公路、通啟高速公路，南岸連蘇嘉杭高速公路、沿江高速公路。目前，蘇通大橋日均車流量在7萬以上，節(jié)假日高峰期更是能達(dá)到日均車流量13萬以上，長(zhǎng)期高壓車流量減少了大橋機(jī)電設(shè)備的壽命，也加快了設(shè)備老化速度。同時(shí)，在高負(fù)荷的運(yùn)轉(zhuǎn)壓力下，很多機(jī)電設(shè)備的健康狀況日益堪憂，給大橋的運(yùn)行帶來了諸多安全隱患[2]。對(duì)各機(jī)電設(shè)備的運(yùn)維狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行有機(jī)地采集，并將這些運(yùn)維數(shù)據(jù)匯集整合到智能化云平臺(tái)，在云平臺(tái)上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確分析，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的閾值自動(dòng)篩選出異常數(shù)據(jù)，再結(jié)合GIS地圖進(jìn)行精確定位，快速找到相應(yīng)機(jī)電設(shè)備的受損部位，為大橋的安全運(yùn)行提高可靠支撐。

當(dāng)前蘇通大橋機(jī)電設(shè)備遇到的問題是：

（1）機(jī)電設(shè)備存在高強(qiáng)度、高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，加快了設(shè)備的老化。

（2）各個(gè)子系統(tǒng)的機(jī)電設(shè)備之間相互獨(dú)立，沒有形成一個(gè)統(tǒng)一的設(shè)備管理平臺(tái)，增加了設(shè)備管理成本。

（3）無法做到對(duì)大橋機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行健康狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)，導(dǎo)致有些故障無法定位溯源。

（4）目前大橋機(jī)電設(shè)備管理人員對(duì)主要設(shè)備的運(yùn)行狀況主要靠人工檢測(cè)結(jié)合電腦輔助完成，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確。

為了提高蘇通大橋機(jī)電設(shè)備管理的信息化、智能化水平，結(jié)合大橋?qū)嶋H情況，研制開發(fā)了基于云平臺(tái)高速公路機(jī)電設(shè)備管理系統(tǒng)，并通過安裝在機(jī)電設(shè)備上的RFID電子標(biāo)簽和貼在設(shè)備上的二維碼來實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)維的全過程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，通過云平臺(tái)上的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對(duì)RFID或二維碼采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行精確分析，發(fā)現(xiàn)問題數(shù)據(jù)及時(shí)報(bào)警，并根據(jù)GIS地圖精確定位受損設(shè)備具體位置，指導(dǎo)專業(yè)人員及時(shí)修理，防止發(fā)生事故[3]。蘇通大橋外景如圖1所示。

圖1 蘇通大橋外景圖片

2 系統(tǒng)解決方案

基于云平臺(tái)的高速公路機(jī)電設(shè)備管理系統(tǒng)主要包括：云平臺(tái)系統(tǒng)、設(shè)備運(yùn)維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、受損設(shè)備預(yù)警系統(tǒng)、GIS地圖定位查詢系統(tǒng)及動(dòng)態(tài)展示系統(tǒng)。其中，云平臺(tái)系統(tǒng)為運(yùn)維數(shù)據(jù)的主要承載子系統(tǒng)，運(yùn)維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要通過安裝在機(jī)電設(shè)備上的RFID射頻標(biāo)簽卡或者人工輔助掃描機(jī)電設(shè)備二維碼來采集數(shù)據(jù)；采集到的運(yùn)維數(shù)據(jù)通過傳輸通道匯集到云端平臺(tái)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于云端數(shù)據(jù)庫(kù)。大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對(duì)云平臺(tái)上的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，一旦發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)會(huì)將該數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的機(jī)電設(shè)備相關(guān)參數(shù)發(fā)送給受損設(shè)備預(yù)警系統(tǒng)，如果該參數(shù)觸動(dòng)到預(yù)警閾值時(shí)就會(huì)結(jié)合GIS地圖定位查詢系統(tǒng)，然后精確查找到受損設(shè)備具體位置，并將該設(shè)備名字及位置信息動(dòng)態(tài)展示到電腦系統(tǒng)界面，同時(shí)也會(huì)給設(shè)備管理人員手機(jī)端APP發(fā)送受損設(shè)備的詳細(xì)信息[4]。基于云平臺(tái)的高速公路機(jī)電設(shè)備管理系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 基于云平臺(tái)的高速公路機(jī)電設(shè)備管理系統(tǒng)組圖

機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備管理云平臺(tái)采用如圖3所示的四層式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：

第一層：基礎(chǔ)層。主要由所有與大橋有關(guān)的機(jī)電設(shè)備通過RFID組成物物聯(lián)動(dòng)即物聯(lián)網(wǎng)的方式組成一個(gè)整體，RFID也會(huì)通過無線網(wǎng)絡(luò)方式將主要機(jī)電設(shè)備運(yùn)維參數(shù)不間斷傳輸至云平臺(tái)。

第二層：設(shè)備數(shù)據(jù)的虛擬化層。該層主要功能是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬化處理，涉及到服務(wù)器的虛擬化、對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)虛擬化處理、對(duì)舊有系統(tǒng)之間網(wǎng)絡(luò)通信的虛擬化處理以及集群云化處理等業(yè)務(wù)。

第三層：核心層。主要業(yè)務(wù)為大數(shù)據(jù)處理模塊，對(duì)采集經(jīng)過虛擬化上云的機(jī)電設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷并篩選出存在異常的數(shù)據(jù)，將異常數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行對(duì)比，如果超出閾值則觸動(dòng)報(bào)警模塊，報(bào)警模塊采用與GIS地圖精確定位聯(lián)動(dòng)機(jī)制，GIS地圖可以精確到具體設(shè)備所在的機(jī)房位置。受損設(shè)備運(yùn)維參數(shù)在云平臺(tái)上存放在專用受損設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)中，每次觸動(dòng)閾值報(bào)警時(shí)會(huì)記錄下詳細(xì)的日志，保證數(shù)據(jù)的可溯源性[5]。

第四層：應(yīng)用層。主要包括運(yùn)維參數(shù)及健康指數(shù)展示平臺(tái)，該部分一般包括：管理人員手持移動(dòng)終端、大廳大屏顯示終端、管理計(jì)算機(jī)Web瀏覽展示平臺(tái)。采用B/S架構(gòu)web瀏覽器的方式，可以降低設(shè)備的投入量，減少開支。

圖3 高速公路設(shè)備管理云平臺(tái)架構(gòu)

3 系統(tǒng)功能

采用基于云平臺(tái)的高速公路機(jī)電設(shè)備管理系統(tǒng)軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：

（1）實(shí)現(xiàn)機(jī)電運(yùn)維數(shù)據(jù)的可視化管理，對(duì)大橋機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行全程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；

（2）實(shí)現(xiàn)受損機(jī)電設(shè)備的及時(shí)報(bào)警功能，保證受損設(shè)備的及時(shí)恢復(fù)；

（3）利用RFID技術(shù)和GIS地圖精確定位技術(shù)，實(shí)時(shí)對(duì)發(fā)生故障的機(jī)電設(shè)備及時(shí)準(zhǔn)確定位；

（4）實(shí)現(xiàn)了機(jī)電設(shè)備從開始投入使用到報(bào)廢期限時(shí)段內(nèi)的動(dòng)態(tài)跟蹤；

（5）實(shí)現(xiàn)了受損設(shè)備詳細(xì)信息及時(shí)送到管理人員手機(jī)終端的功能；

（6）降低設(shè)備管理人員對(duì)機(jī)電設(shè)備的維護(hù)工作量。

4 方案實(shí)施

本系統(tǒng)方案的實(shí)施主要包括數(shù)據(jù)采集裝置安裝、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與總結(jié)、系統(tǒng)試運(yùn)行及推廣等。方案實(shí)施流程如圖4示。

圖4 實(shí)施方案

4.1 主要數(shù)據(jù)采集裝置安裝

射頻識(shí)別（RFID）是一種無線通信技術(shù)，可以通過無線電訊號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或者光學(xué)接觸。本項(xiàng)目采用RFID射頻識(shí)別標(biāo)簽作為高速公路云平臺(tái)機(jī)電設(shè)備管理的設(shè)備運(yùn)維數(shù)據(jù)采集裝置[6]。同時(shí)在每個(gè)設(shè)備上張貼一張二維碼，方便人工巡檢。

RFID射頻標(biāo)簽具備以下功能：

（1）快速掃描。RFID辨識(shí)器可同時(shí)辨識(shí)讀取數(shù)個(gè)RFID標(biāo)簽。

（2）體積小型化、形狀多樣化。

（3）抗污染能力和耐久性。

（4）可重復(fù)使用。

（5）穿透性和無屏障閱讀。

（6）數(shù)據(jù)的記憶容量大。

（7）安全性。由于RFID承載的是電子式信息，其數(shù)據(jù)內(nèi)容可經(jīng)由密碼保護(hù)，使其內(nèi)容不易被偽造及變?cè)臁?/p>

（8）RFID因其所具備的遠(yuǎn)距離讀取、高儲(chǔ)存量等特性。

4.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)是建立對(duì)基于云平臺(tái)的高速公路機(jī)電設(shè)備管理系統(tǒng)需求再分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，分別包含機(jī)電設(shè)備運(yùn)維參數(shù)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)虛擬化處理、云平臺(tái)模塊、大數(shù)據(jù)分析、受損設(shè)備預(yù)警、GIS精確定位模塊、前端運(yùn)維信息展示等系統(tǒng)模塊[7]。軟件系統(tǒng)均采用迭代式開發(fā)進(jìn)行軟件開發(fā)，不僅降低了開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，而且能夠盡早地應(yīng)用于前期系統(tǒng)測(cè)試與集成，同時(shí)及時(shí)根據(jù)需求的變化進(jìn)行軟件變更，提高了代碼的復(fù)用性[8]。

4.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與總結(jié)

系統(tǒng)實(shí)施應(yīng)用過程中應(yīng)保證設(shè)備的正確安裝及系統(tǒng)的正常運(yùn)行，確定各個(gè)通信鏈路的互聯(lián)互通，保證數(shù)據(jù)的正常傳輸。因此，在基于云平臺(tái)的高速公路機(jī)電設(shè)備管理系統(tǒng)項(xiàng)目實(shí)施過程進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)主要對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、可靠性及系統(tǒng)的整體完整性進(jìn)行驗(yàn)證。其中，數(shù)據(jù)采集頻率-網(wǎng)絡(luò)時(shí)延關(guān)系驗(yàn)證結(jié)果如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集頻率-網(wǎng)絡(luò)時(shí)延關(guān)系圖

實(shí)驗(yàn)通過采用專用網(wǎng)絡(luò)時(shí)延測(cè)試工具對(duì)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行測(cè)試，從圖5可以看出，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延隨著數(shù)據(jù)采集頻率的增大而增加，經(jīng)分析可知，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集頻率增加時(shí)會(huì)造成數(shù)據(jù)量的增大，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目足夠大的時(shí)候，會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)擁塞甚至癱瘓；若數(shù)據(jù)采集頻率過低，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)量過低，同時(shí)會(huì)對(duì)高速公路機(jī)電設(shè)備運(yùn)維數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性造成影響。結(jié)合實(shí)驗(yàn)效果可知，當(dāng)數(shù)據(jù)采集頻率在0.1～0.5Hz時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性處于較為理想的狀態(tài)，同時(shí)，各個(gè)子系統(tǒng)能夠較好地協(xié)同工作，使得系統(tǒng)的完整性得到保證[9]。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有江蘇省蘇通大橋機(jī)電設(shè)備日常運(yùn)維中存在的人力巡檢工作強(qiáng)度大、對(duì)設(shè)備日益老化的監(jiān)測(cè)不及時(shí)、受損設(shè)備問題排查時(shí)間久、機(jī)電設(shè)備管理不夠精細(xì)等問題。首先，提出在采用RFID射頻標(biāo)簽和二維碼輔助采集機(jī)電設(shè)備運(yùn)維參數(shù)，同時(shí)對(duì)采集的運(yùn)維數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬化處理，通過集群式虛擬化方法將數(shù)據(jù)匯聚至云平臺(tái)，在云平臺(tái)上通過大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對(duì)運(yùn)維數(shù)據(jù)進(jìn)行的分析再處理，計(jì)算并判斷出異常數(shù)據(jù)，然后根據(jù)預(yù)先設(shè)置的閾值范圍對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)評(píng)價(jià)，對(duì)超出范圍的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警提醒處理[10]；其次，再通過云平臺(tái)上的GIS精確定位技術(shù)，對(duì)異常數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的機(jī)電設(shè)備進(jìn)行精確定位，然后將受損設(shè)備定位信息和具體參數(shù)發(fā)送給值班管理人員，最終實(shí)現(xiàn)蘇通大橋機(jī)電設(shè)備運(yùn)維數(shù)據(jù)的全過程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。整個(gè)系統(tǒng)具有成本低廉、安全性高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。同時(shí)提高了蘇通大橋機(jī)電系統(tǒng)的信息化程度，實(shí)現(xiàn)了大橋管理人員對(duì)機(jī)電設(shè)備的科學(xué)管理。