周 玲，甘潔之，王 標(biāo)，陳洽堯

(廣東利通科技投資有限公司，廣東 廣州 510663)

0 概述

隨著高速公路建設(shè)和系統(tǒng)不斷升級，高速公路機電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用技術(shù)發(fā)生了較大變化，特別是取消高速公路省界收費站以來，收費系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)闃I(yè)務(wù)高度耦合、實時在線的新一代機電系統(tǒng)，其復(fù)雜性大幅提高。機電設(shè)施運行的穩(wěn)定性、收費數(shù)據(jù)上傳的及時性，直接影響到計費與拆分賬的準(zhǔn)確性。同時，隨著社會公眾對出行環(huán)境的要求不斷提高，行業(yè)監(jiān)管機構(gòu)對機電系統(tǒng)、日常運營及管理也提出了更高的要求，機電系統(tǒng)運維面臨較大壓力。

廣東省高速公路里程與通行量均位居全國首位，但目前我省高速公路機電運維資源分散，管理方式不一。一方面，存在維護人員不足、技能不全面、成本核算困難、評定考核措施難以落到實處等問題；另一方面，存在養(yǎng)護單位對系統(tǒng)性、疑難問題處理能力不足、處理效率低的問題，缺乏一個統(tǒng)一的智能化平臺支撐等問題。

交通運輸部《數(shù)字交通發(fā)展規(guī)劃綱要》要求：“促進(jìn)先進(jìn)信息技術(shù)與交通運輸深度融合，構(gòu)建數(shù)字化的采集體系、網(wǎng)絡(luò)化的傳輸體系和智能化的應(yīng)用體系，加快交通運輸信息化向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展”。從《交通運輸信息化“十三五”發(fā)展規(guī)劃》、《交通強國建設(shè)綱要》等政策導(dǎo)向，到高速公路收費模式的轉(zhuǎn)變，專業(yè)化、網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化已成為未來高速公路智慧運維的必然趨勢。

本文基于高速公路機電運維現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢，提出采用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，建設(shè)統(tǒng)一數(shù)字監(jiān)測與運行支撐平臺，實現(xiàn)智能化、精準(zhǔn)化運維和預(yù)防性養(yǎng)護，以提高高速公路機電系統(tǒng)運維的智能化水平，提高整體運維效率和質(zhì)量。

1 平臺建設(shè)技術(shù)路線

為應(yīng)對新形勢變化，提升高速公路機電系統(tǒng)運維效率和水平，數(shù)字監(jiān)測與運行支撐平臺通過物聯(lián)網(wǎng)和云計算技術(shù)，實現(xiàn)多種運維數(shù)據(jù)采集和匯聚，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)監(jiān)測評估與持續(xù)改進(jìn)(圖1)。

圖1 多維數(shù)據(jù)融合分析應(yīng)用

通過數(shù)字監(jiān)測與運行支撐平臺構(gòu)建基于“監(jiān)測-分析-處理-復(fù)核”的標(biāo)準(zhǔn)化、閉環(huán)運維管理新流程，如圖2所示。

圖2 運維管理新流程

1.1 監(jiān)測

依托數(shù)字監(jiān)測與運行支撐平臺及定義的指標(biāo)模型，基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字改造的機電系統(tǒng)對接，匯集多源運維相關(guān)數(shù)據(jù)，開展日常監(jiān)測和大數(shù)據(jù)智能分析與評估，定期輸出系統(tǒng)運行健康報告，并針對各種不合格指標(biāo)進(jìn)行預(yù)警和提示。

1.2 分析

針對監(jiān)測發(fā)現(xiàn)和養(yǎng)護單位上報的問題，后臺技術(shù)人員以遠(yuǎn)程的方式開展分析診斷工作。通過組織不同方向的專家團隊，系統(tǒng)分析問題原因，深挖問題根源，形成解決方案。平臺針對各種問題，生成不同類型、等級的事件工單，便于跟進(jìn)整個處理過程。

1.3 處理

針對不同類型的問題采用不同的解決方案:

(1)需要現(xiàn)場解決的問題,由現(xiàn)場養(yǎng)護單位負(fù)責(zé)處理和恢復(fù)，后臺技術(shù)支持團隊提供技術(shù)支持。

(2)需要遠(yuǎn)程解決的問題,由后臺技術(shù)支持團隊負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程處理，現(xiàn)場養(yǎng)護單位負(fù)責(zé)配合。必要時，后臺技術(shù)支持團隊也可以提供現(xiàn)場技術(shù)支持。

(3)需要原廠服務(wù)解決的問題,由后臺技術(shù)支持團隊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)，組織軟、硬件廠家和現(xiàn)場養(yǎng)護單位進(jìn)行處理和恢復(fù)。

1.4 復(fù)核

問題解決以后，由相關(guān)人員負(fù)責(zé)將現(xiàn)場情況進(jìn)行登記備案，后臺技術(shù)支持團隊負(fù)責(zé)問題的復(fù)核。針對已經(jīng)解決的問題和解決方案，整理歸納形成知識庫，便于持續(xù)改善運維工作；針對遺留問題，發(fā)起專項，協(xié)調(diào)現(xiàn)場養(yǎng)護單位、軟硬件開發(fā)商和廠家協(xié)同解決。

2 平臺總體架構(gòu)

數(shù)字監(jiān)測與運行支撐平臺采用當(dāng)前主流的云原生中間件(微服務(wù)、容器化、K8S等)和大數(shù)據(jù)中間件(Hadoop、Spark、Flink等)技術(shù)，結(jié)合高速公路的業(yè)務(wù)應(yīng)用場景，通過提取前端業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的共性需求，將各業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)需要的共性能力變?yōu)榭晒蚕怼⒖芍赜玫臉I(yè)務(wù)服務(wù)能力，實現(xiàn)敏捷開發(fā)，加快前端交付速度，避免重復(fù)建設(shè)，節(jié)約開發(fā)成本的目標(biāo)。

總體技術(shù)架構(gòu)主要分為展示層、業(yè)務(wù)層、中心支撐系統(tǒng)和數(shù)據(jù)接入層：

(1)展現(xiàn)層主要為用戶提供前端數(shù)據(jù)展現(xiàn)，分為WEB端、移動應(yīng)用、大屏展示。

(2)業(yè)務(wù)層主要為微服務(wù)架構(gòu)，主要有運維監(jiān)測中心、運維支持中心、數(shù)據(jù)分析中心、數(shù)據(jù)管理中心。

(3)中心支撐系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)接入，主要對接路段數(shù)字監(jiān)測平臺、路運一體化平臺、路段安全態(tài)勢感知平臺、養(yǎng)護單位機電運維管理平臺等系統(tǒng)，完成綜合、多源運維信息的匯集(圖3)。

3 平臺主要功能

數(shù)字監(jiān)測與運行支撐平臺包括一個中心平臺、一套管理系統(tǒng)、一套標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)接口和一系列的配套工具等。平臺通過標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口，匯集前/后端機電系統(tǒng)、關(guān)鍵設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)信息安全及通信鏈路等相關(guān)信息，通過統(tǒng)一接口服務(wù)，可以直接對接前端硬件設(shè)施，也可以對接各路段、養(yǎng)護單位的業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

圖3 系統(tǒng)總體技術(shù)架構(gòu)

平臺具有運行監(jiān)測、工單管理、技術(shù)支持、綜合管理、大數(shù)據(jù)分析改進(jìn)、基礎(chǔ)信息、系統(tǒng)管理、軟件遠(yuǎn)程升級工具等八大核心模塊。本文重點介紹運行監(jiān)測、工單管理、遠(yuǎn)程技術(shù)支持以及大數(shù)據(jù)分析改進(jìn)等核心功能。

3.1 運行監(jiān)測

數(shù)字監(jiān)測與運行支撐平臺通過數(shù)據(jù)傳輸接口匯集所有機電系統(tǒng)運行狀態(tài)信息，對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析，建立分析模型，提取統(tǒng)計指標(biāo)，實現(xiàn)集中監(jiān)測。當(dāng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測指標(biāo)不在指定的參考值范圍內(nèi)、指標(biāo)在連續(xù)時間段內(nèi)異常波動或數(shù)據(jù)完整性校驗不通過等情況，系統(tǒng)可直觀地展示并推送告警信息。

業(yè)務(wù)系統(tǒng)運行監(jiān)測：以收費業(yè)務(wù)為例，監(jiān)測核心指標(biāo)項見表1。

表1 收費業(yè)務(wù)系統(tǒng)核心監(jiān)測指標(biāo)

機電設(shè)備運行監(jiān)測：以機電設(shè)備為例，監(jiān)測核心指標(biāo)見表2。

表2 機電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測指標(biāo)

系統(tǒng)實現(xiàn)對收費車道、ETC門架、收費站及路段中心等硬件設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，提供監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢篩選，包括查詢時間、路段、收費站、收費車道/ETC門架、設(shè)備類型、設(shè)備狀態(tài)等，同時可點擊查看收費車道/ETC門架數(shù)據(jù)的詳情(表2)。支持列表模式和GIS模式的監(jiān)控。

平臺根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求制定一系列指標(biāo)監(jiān)測預(yù)警規(guī)則，同時使用經(jīng)驗法則、切比雪夫法則對部分缺乏規(guī)范要求的指標(biāo)進(jìn)行異常預(yù)警。

預(yù)警規(guī)則：

此外，應(yīng)用ARMA/ARIMA時間序列模型預(yù)測各項指標(biāo)的變化趨勢，對系統(tǒng)潛在的性能惡化風(fēng)險進(jìn)行預(yù)警，實現(xiàn)預(yù)防性養(yǎng)護。

針對非結(jié)構(gòu)化的監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)，應(yīng)用AI算法對異常事件進(jìn)行自動監(jiān)測。應(yīng)用差分算法、卷積算法，計算監(jiān)測視頻圖像像素點與樣本圖像像素點的差異，判斷監(jiān)控視頻中出現(xiàn)的異常事件，實現(xiàn)異常事件的自動監(jiān)測預(yù)警。

3.2 工單管理

所有技術(shù)支持內(nèi)容均以工單形式進(jìn)行登記、全流程跟進(jìn)和閉環(huán)管理。工單包括路段一線養(yǎng)護單位協(xié)作請求、熱線工單、故障工單和專項工單的處理，既支持人工分析發(fā)現(xiàn)的故障登記處理，同時支持智能告警一鍵建單跟進(jìn)。

以故障處理為例，平臺處理流程如圖4所示。

圖4 問題處理流程

平臺實現(xiàn)了工單從“登記-受理-處理-復(fù)核-評價-知識更新”的閉環(huán)處理。

工單登記：提供熱線電話、互聯(lián)網(wǎng)WEB和移動應(yīng)用等多渠道方式報障，同時支持語音轉(zhuǎn)錄、告警關(guān)聯(lián)、常見問題關(guān)鍵詞聯(lián)想輸入等高效登記方式。

問題處理：包括知識庫應(yīng)用、AI智能診斷與定位，生成解決方案，遠(yuǎn)程調(diào)取日志及視頻資料用于輔助分析等功能。

針對遺留問題，設(shè)置問題管理功能，明確問題解決的時間及責(zé)任人，做到有問題及時處理。

3.3 遠(yuǎn)程技術(shù)支持

遠(yuǎn)程技術(shù)支持包括遠(yuǎn)程巡檢、軟件版本管理和知識庫管理等。

(1)遠(yuǎn)程巡檢：支持視頻巡邏車、無人機、運維機器人等智能巡檢方式及對接，接入實時檢查數(shù)據(jù)，自動導(dǎo)出巡檢報告，實現(xiàn)高效的遠(yuǎn)程巡檢。

(2)軟件版本管理：收錄軟件版本開發(fā)需求、制定軟件開發(fā)計劃，實現(xiàn)軟件版本發(fā)布登記及自動下發(fā)升級。

(3)知識庫管理：建立故障特征庫，通過大量運維數(shù)據(jù)進(jìn)行故障數(shù)據(jù)特征采集，構(gòu)建故障特征樹，并計算各類特征集與問題解決方案的匹配率。同時，對故障工單進(jìn)行特征詞提取，并利用貝葉斯算法，將問題特征與故障特征庫進(jìn)行匹配，尋找最佳的問題解決方案，為用戶推薦高效率的解決方案。如：P(A/B)為故障工單出現(xiàn)特征詞集B的情況下A解決方案有效的概率，該概率可通過使用解決方案A的故障中出現(xiàn)B特征詞集的概率，乘以A解決方案有效的概率，再除以B特征詞集的概率，選取P(A/B)較高的解決方案作為推薦方案，P(A/B)=P(B/A)P(A)/P(B)。

3.4 大數(shù)據(jù)評估與改進(jìn)

針對系統(tǒng)性能、軟硬件運行狀況、養(yǎng)護單位養(yǎng)護效果和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性等建立專題數(shù)據(jù)分析及展示。同時通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，從運行健康、設(shè)備質(zhì)量、維護效率等方面進(jìn)行評估、分析，出具多維度分析報告。后續(xù)根據(jù)運維處理知識庫，可以制定自動化處理策略，提前進(jìn)行預(yù)處理。

3.4.1 系統(tǒng)運行評估

具備統(tǒng)計生成路段硬件設(shè)備狀態(tài)正常率、軟件運行狀態(tài)正常率、運營參數(shù)版本正常率、兜底費率使用率、車道性能指標(biāo)等。對比各路段各項指標(biāo)差異、路段內(nèi)各項性能指標(biāo)月份間差異，發(fā)現(xiàn)指標(biāo)異常路段及路段數(shù)據(jù)的異常變化功能。

其中，通過層次分析法為各機電子系統(tǒng)建立綜合評價模型，通過模型快速定位各類不合格的子系統(tǒng)，如：對ETC車道系統(tǒng)性能評估見表3。

表3 車道綜合性能評價

3.4.2 硬件品牌性能評估

支持按需統(tǒng)計生成關(guān)鍵設(shè)備的故障率、性能指標(biāo)(如交易成功率、識別率)，對比不同廠家、不同品牌硬件設(shè)備穩(wěn)定性、性能指標(biāo)的差異，評估硬件設(shè)備的整體性能。

采用假設(shè)檢驗算法驗證不同型號設(shè)備的關(guān)鍵指標(biāo)、系統(tǒng)升級優(yōu)化效果、路段系統(tǒng)運行效果等是否具備顯著性差異，從而為系統(tǒng)優(yōu)化、設(shè)備采購提供數(shù)據(jù)支持。評估模型：

如:ETC車道關(guān)鍵設(shè)備性能對比評估見表4。

表4 設(shè)備性能對比評估

3.4.3 設(shè)備使用年限與故障率分析

系統(tǒng)使用相關(guān)系數(shù)分析設(shè)備使用年限與不同設(shè)備類型、不同設(shè)備型號的故障率相關(guān)關(guān)系，在設(shè)備使用一定年限后可對設(shè)備故障率進(jìn)行評估，為設(shè)備更換、選型提供數(shù)據(jù)支持(表5)。

表5 設(shè)備使用年限與故障率相關(guān)關(guān)系

4 平臺效益分析

本文介紹的數(shù)字監(jiān)測與運行支撐平臺已上線使用，在6個月的試運行期間，通過主動監(jiān)測發(fā)現(xiàn)機電系統(tǒng)問題并推送告警2 867次，發(fā)現(xiàn)和推送網(wǎng)絡(luò)安全事件告警179次，對1 752個機電系統(tǒng)疑難問題及網(wǎng)絡(luò)安全事件進(jìn)行專項研判及處理，有效保障了高速公路的安全高效穩(wěn)定運行。

4.1 建立高效集約運維模式，機電運維提質(zhì)降本增效

收費模式轉(zhuǎn)變之后，對收費管理、日常養(yǎng)護人員的要求也大幅提高，在目前各路段專業(yè)技術(shù)人才較缺乏的情況下，如果每個路段和養(yǎng)護單位都配備專業(yè)技術(shù)人員，勢必要增加大量專業(yè)的機電養(yǎng)護人員。平臺建設(shè)以后，可以在后臺配備專業(yè)技術(shù)人員，建立高效集約的運維模式，既可有效保障機電系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，又能實現(xiàn)人才復(fù)用，減少整體運維投入，起到提質(zhì)降本增效的效果。

4.2 減少通行費損失，助力高速公路業(yè)務(wù)營收保障

試運行半年來，通過系統(tǒng)主動監(jiān)測預(yù)警和及時處理路段發(fā)現(xiàn)的流水滯留問題326次，避免301萬條流水未及時上傳導(dǎo)致通行費用流失風(fēng)險，減少了資金流失風(fēng)險，助力高速公路業(yè)務(wù)營收保障。

4.3 提升用戶通行體驗，滿足廣大群眾出行需求

通過系統(tǒng)綜合評價模型評價車道系統(tǒng)總體健康狀況，快速定位機電系統(tǒng)不合格項，特別是車道性能不達(dá)標(biāo)車道，為路段提供優(yōu)化建議，車道性能得到不斷提升，性能優(yōu)良的ETC車道比例不斷提高(圖5)。

圖5 性能優(yōu)良的ETC車道比例提升

4.4 推廣智慧交通建設(shè)，加強交通強國戰(zhàn)略落實

采用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)+、AI等先進(jìn)技術(shù)，對高速公路機電系統(tǒng)建立全要素、全周期的數(shù)字化監(jiān)測。在此基礎(chǔ)上，主動發(fā)現(xiàn)問題，解決系統(tǒng)性、復(fù)雜性的問題，為運營和養(yǎng)護單位提供專業(yè)化技術(shù)支持；同時構(gòu)建分析模型，對機電系統(tǒng)軟硬件性能、日常運維效果等進(jìn)行綜合評估，實現(xiàn)故障及時預(yù)警、精準(zhǔn)養(yǎng)護、高效處置和科學(xué)預(yù)防，推動機電系統(tǒng)的持續(xù)改進(jìn)，加強交通強國戰(zhàn)略的落實。

5 結(jié)語

數(shù)字監(jiān)測與運行支撐平臺是高速公路機電運維模式轉(zhuǎn)型升級的重要保障，也是數(shù)字交通建設(shè)的典型應(yīng)用，目前已在廣東省94個高速公路路段推廣應(yīng)用，取得良好的效果，并將進(jìn)一步深化與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)的應(yīng)用，深挖數(shù)據(jù)價值，將智能化平臺和新的應(yīng)用模式推廣到各個相關(guān)領(lǐng)域，為高速公路數(shù)字化建設(shè)保駕護航，為交通強國賦能增效。

(收稿日期：2022-04-27)

DigitalMonitoringandOperationMaintenanceofExpresswayElectromechanicalSystembasedonInternetofThingsandBigDataApplications

ZHOULing,GANJiezhi,WANGBiao,CHENQiayao

(Guangdong Leatop Technology Investment Co., Ltd., Guangzhou 510663，Guangdong， China)

Abstract:Since the abolition of expressway provincial boundary toll stations, the toll collection system has been transformed into a new generation of toll collection system with highly coupled business and real-time online system, and the complexity of the expressway electromechanical system has greatly increased. With the increasing demands of the public on the travel environment and user experience, the pressure on daily operation management and on-site charging to ensure smooth operation has been increased significantly, putting forward higher requirements for electromechanical operation and maintenance. At present, the electromechanical operation and maintenance of expressways generally have problems such as scattered resources, low processing efficiency, and low level of intelligence. It has been proposed to use Internet of Things, big data and other technologies to build a digital monitoring and operation support platform to realize intelligent and precise operation and maintenance and preventive maintenance, so as to improve the operation and maintenance efficiency and quality of expressway electromechanical systems.

Keywords: expressway; electromechanical system; internet of things; big data; digital monitoring