摘 要 ：近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展，并在多個領(lǐng)域應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在高速公路行業(yè)的應(yīng)用不斷加深，針對傳統(tǒng)監(jiān)控箱無法實現(xiàn)智能化管理，管理人員無法及時發(fā)現(xiàn)問題等現(xiàn)象，設(shè)計了一款應(yīng)用于高速公路機(jī)電工程隧道及道路上攝像機(jī)設(shè)備箱的一體化智能監(jiān)控箱運(yùn)維管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一體化智能監(jiān)控箱、云平臺、手機(jī) APP 構(gòu)成，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測、智能集中供電、防雷、動環(huán)監(jiān)控、遠(yuǎn)程復(fù)位、報警處理等功能。系統(tǒng)減輕了維護(hù)人員的負(fù)擔(dān)，提高了管理效率、視頻在線率、智能化程度，保障設(shè)備“全時可用”，實現(xiàn)了對設(shè)備的精細(xì)化管控。

0 引 言

目前，高速公路監(jiān)控外場和隧道內(nèi)監(jiān)控箱箱體內(nèi)的接線較為雜亂，熱源集中，無箱體非法開啟告警提示，維護(hù)不便，無法對用電情況及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測，無法實現(xiàn)前端設(shè)備故障研判、定位監(jiān)測及告警，缺乏智能及遠(yuǎn)程維護(hù)手段，一旦出現(xiàn)故障，需由技術(shù)人員前往現(xiàn)場排查處理。針對現(xiàn)有問題，團(tuán)隊進(jìn)行了深入分析，推出了以“物聯(lián)網(wǎng)”為基礎(chǔ)，以“大數(shù)據(jù)”為載體，以“人工智能”為核心的智慧解決方案，為前端設(shè)備提供智能運(yùn)維，做到事前預(yù)判、事中管理、事后分析，有效解決前端設(shè)備故障發(fā)現(xiàn)不及時、故障處理滯后的問題。

1 系統(tǒng)概述

一體化智能監(jiān)控箱是一款應(yīng)用于高速公路隧道及道路的智能機(jī)箱，相比普通箱體，一體化智能綜合箱增加了智能配電、在線監(jiān)控、故障定位、故障修復(fù)、遠(yuǎn)程控制、能耗管理等功能，可以為外接設(shè)備如攝像機(jī)、情報板等設(shè)備的安全、可靠運(yùn)行提供保障，該產(chǎn)品在滿足原有監(jiān)控箱及配電箱功能需求的基礎(chǔ)上，采用模塊化布局，完善了相關(guān)功能，保證系統(tǒng)的及時性、可靠性、連續(xù)性和智能性，節(jié)省了大量人力及經(jīng)濟(jì)成本。借助一體化智能綜合箱管理平臺，可實現(xiàn)對智慧運(yùn)維箱及前端設(shè)備運(yùn)行情況、供電情況、網(wǎng)絡(luò)傳輸、防雷保障等方面精準(zhǔn)、全面地監(jiān)控，準(zhǔn)確定位故障，實現(xiàn)對設(shè)備的精細(xì)化運(yùn)維保障。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

針對目前高速公路監(jiān)控箱存在的問題，結(jié)合當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能交通系統(tǒng)的發(fā)展態(tài)勢 [1]，提出一體化智能監(jiān)控箱運(yùn)維管理系統(tǒng)設(shè)計方案，該系統(tǒng)是基于 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)、RS 232/RS 485 等技術(shù)的實時監(jiān)控與組態(tài)開發(fā)系統(tǒng)，軟硬件的安裝與維護(hù)集中于監(jiān)控服務(wù)器端，易于實施和維護(hù)?？蛻舳酥回?fù)責(zé)用戶界面顯示，由嵌入式監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，當(dāng)監(jiān)控需求增加時，只需對嵌入式監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行升級或擴(kuò)展，形成多個嵌入式監(jiān)控主機(jī)即可，可加強(qiáng)系統(tǒng)的伸縮性。系統(tǒng)采用分布式計算技術(shù)，支持多個前端一體化智能監(jiān)控箱聯(lián)網(wǎng)集中監(jiān)控，系統(tǒng)主要由智能采集終端、一體化智能監(jiān)控箱、傳輸網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)維管理系統(tǒng)組成。系統(tǒng)具有報警功能，用戶可選擇配置電腦顯示報警、語音報警、電話報警、短信報警、E-mail 報警、手機(jī) APP 報警等。系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)如圖 1 所示。

3 一體化智能監(jiān)控箱的硬件設(shè)計

一體化智能監(jiān)控箱相比傳統(tǒng)的監(jiān)控箱增加了智能采集終端（將集成了電源模塊、繼電器、微處理器、通信模塊、觸摸屏、溫濕度傳感器等的設(shè)備統(tǒng)稱為智能采集終端 [2]）、自動重合閘、電源防雷器、智能 PDU 插座、交換模塊等設(shè)備。

3.1 智能采集終端

智能采集終端作為系統(tǒng)核心，可顯示前端輸入電壓、輸出電壓、輸入電流、環(huán)境溫濕度、防雷模塊狀態(tài)、交換機(jī)狀態(tài)、箱門開啟狀態(tài)、IP 地址等，便于前端本地檢修維護(hù)，支持無后備電源掉市電告警功能。核心芯片采用 ST 公司出品的STM32F103ZET6 芯片，該芯片為 32 位，頻率為 72 MHz，程序存儲器容量為 256 KB，程序存儲器類型為 FLASH，RAM 容量為 48 KB[3]，主要完成部分模塊的接入。智能采集終端接入如圖 2 所示。

3.2 自動重合閘

自動重合閘設(shè)計具備負(fù)載短路保護(hù)功能，當(dāng)輸出接口發(fā)生短路時，其他各路電源切斷輸出 ；當(dāng)短路故障恢復(fù)后，機(jī)器可正常工作。該模塊具備過壓、欠壓、斷電自動斷開，及過流、漏電保護(hù)指示和自動合閘功能。

3.3 電源防雷器

電源防雷器根據(jù)實際需求，設(shè)計提供 DC 12 V、AC 24 V、DC 36 V 等輸出，集成為單一插卡式板卡，并支持低電壓、寬電壓適應(yīng)性，電源電壓能夠在 AC 70 V ～ AC 250 V 范圍內(nèi)變化，設(shè)備可正常工作。

3.4 智能 PDU 插座

設(shè)計智能 PDU 插座可支持漏電保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、復(fù)位等，可實現(xiàn)每一路電源輸出、關(guān)閉、重啟等操作，保障市電輸入安全。

3.5 交換模塊

工業(yè)級插卡式交換機(jī)具備網(wǎng)口防雷保護(hù)電路，包含 SFP光接口、RJ 45 接口，采用 DC 5 V 輸入，具備自動手機(jī)設(shè)備工作參數(shù)，并可為故障排查及系統(tǒng)優(yōu)化提供依據(jù)。當(dāng)設(shè)備工作異常時，可自動重啟設(shè)備，也可人工遠(yuǎn)程關(guān)閉設(shè)備實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)重啟，大大節(jié)約了運(yùn)維成本，縮短了故障修復(fù)時間。

4 智能運(yùn)維管理系統(tǒng)

4.1 智能運(yùn)維管理系統(tǒng)簡介

智能運(yùn)維管理系統(tǒng)是專為智慧交通隧道工程及外場設(shè)備運(yùn)維管理設(shè)計而開發(fā)的，該系統(tǒng)可設(shè)置在隧道管理站或監(jiān)控分中心，對前端攝像機(jī)、情報板、微波車檢等設(shè)備的運(yùn)行情況、供電情況、網(wǎng)絡(luò)傳輸、防雷保障等方面進(jìn)行精準(zhǔn)、全面的實時監(jiān)控，實現(xiàn)對設(shè)備的精細(xì)化運(yùn)維保障。系統(tǒng)不僅可通過觸摸屏查看相關(guān)信息，還可遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測，彌補(bǔ)傳統(tǒng)箱體的不足，降低了運(yùn)維成本、提高了運(yùn)維效率，保障了運(yùn)維穩(wěn)定性，實現(xiàn)了運(yùn)維可視化、智能化、專業(yè)化。系統(tǒng)采用 B/S 架構(gòu)，分布式設(shè)計，支持手機(jī) APP，支持通過以太網(wǎng)、GPRS/4G 等網(wǎng)絡(luò)連接。一體化智能監(jiān)控箱軟件系統(tǒng)是一個集采集、診斷、定位、控制、管理、分析、報警等功能于一體的智能運(yùn)維管理平臺。智能運(yùn)維管理平臺展示界面如圖 3 所示。

4.2 系統(tǒng)功能

運(yùn)維管理平臺結(jié)合高速公路監(jiān)控特點，以及對未來信息管理的需求，增加應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，完善了相關(guān)功能，可保證系統(tǒng)的可靠性、連續(xù)性和智能化水平。

（1）采集功能 ：運(yùn)維管理平臺可采集一體化智能監(jiān)控箱體及前端設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、供電狀態(tài)，同時可采集一體化智能監(jiān)控箱內(nèi)的溫度、濕度、水浸、防雷器、箱門的開關(guān)狀態(tài)，可通過以太網(wǎng)、4G/5G、交通專網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)傳回到監(jiān)控中心 [4]。

（2）診斷功能 ：運(yùn)維管理平臺支持對一體化智能監(jiān)控箱自身以及前端設(shè)備進(jìn)行故障診斷，快速定位故障原因，采取針對性措施，提高運(yùn)維效率，降低運(yùn)維成本 [5]。

（3）定位功能 ：運(yùn)維管理平臺可主動上報一體化智能監(jiān)控箱的 GPS 位置信息，在平臺上正確顯示一體化智能監(jiān)控箱的安裝位置，并用不同的“水滴”顏色顯示當(dāng)前一體化智能監(jiān)控箱及前端設(shè)備的工作狀態(tài)、故障類型，同時支持運(yùn)維管理平臺查詢一體化智能監(jiān)控箱的位置信息 [6]。

（4）控制功能 ：運(yùn)維管理平臺一旦監(jiān)測到攝像機(jī)等設(shè)備宕機(jī)，便通過 RS 485 控制器對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程復(fù)位，運(yùn)維人員無需奔赴現(xiàn)場，節(jié)省了人力和時間 ；同時，運(yùn)維管理平臺可根據(jù)采集的信息開啟（或關(guān)閉）一體化智能監(jiān)控箱內(nèi)的風(fēng)扇、加熱器等 [7]。

（5）告警功能 ：運(yùn)維管理平臺監(jiān)測到外場攝像機(jī)等設(shè)備出現(xiàn)故障時，該模塊可及時將告警信息發(fā)送給運(yùn)維人員進(jìn)行處理，若因斷電、光纜故障導(dǎo)致與監(jiān)控中心網(wǎng)絡(luò)連接斷開，將在首頁界面顯示本月“TOP5”告警事件，并與運(yùn)維人員對高故障率事件進(jìn)行統(tǒng)計分析并處理 [8]。

（6）管理功能 ：運(yùn)維管理平臺支持對一體化智能監(jiān)控箱的集中管理，包含對一體化智能監(jiān)控箱的增加、刪除、修改等功能 ；支持接收一體化智能監(jiān)控箱上傳的報警信息，在運(yùn)維管理平臺 GIS 地圖上實時標(biāo)注設(shè)備并根據(jù)既定規(guī)則觸發(fā)工單，進(jìn)行工單派送。故障排除后，系統(tǒng)結(jié)合數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，生成數(shù)據(jù)報表 [9]。

（7）數(shù)據(jù)分析功能 ：運(yùn)維管理平臺支持大數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計，定期自動形成各類設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)報表，分析各入圍供應(yīng)商產(chǎn)品的質(zhì)量情況，為選型提供決策依據(jù)。

5 結(jié) 語

隨著智慧城市、智慧公路建設(shè)的高速推進(jìn)，探索基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一體化智能箱系統(tǒng)在高速公路領(lǐng)域的應(yīng)用，可以彌補(bǔ)原有監(jiān)控箱的不足，實現(xiàn)對高速公路監(jiān)控箱體的實時監(jiān)控，并保證對監(jiān)控箱體的控制和綜合分析，加深了物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)理論與傳統(tǒng)行業(yè)的融合程度，能夠有效為視頻監(jiān)控前端設(shè)備提供可靠保障，提升高速公路監(jiān)控箱運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，以及監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行與管理的自動化和智能化水平 [10]。

審核編輯 ：李倩