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ETC门架智慧运维关键技术及应用

时间:2024-07-28

(湖南省交通科学研究院有限公司, 湖南 长沙 410015)

0 引言

根据国家统一部署,2020年1月1日零时起,全国高速公路联网收费新、旧系统进行切换,全国收费制式成功升级为分段计费和扣费的自由流收费制式。新收费方式主要依靠高速公路分段设置的ETC门架系统实现,ETC门架是新收费制式正常运转的关键。目前湖南已在全省6 802 km高速公路的关键控制点上布设ETC门架共1 144套。ETC门架系统由以下主要设备和设施组成:车道控制器、RSU(支持PCI/PCI-E密码卡)、车牌图像识别设备、工况机、防雷设施、通信设备、供电设备等,其中车道控制器、工况机、防雷设施、通信设备和供电设备等集成在综合控制机柜内(见图1)。

图1 ETC门架布设示意图

当车辆通过ETC门架时,被门架系统捕捉车牌图像和感知ETC信号,生成通行记录和交易计费。为保证交通畅通、收费公平,ETC收费制式运行需高度可靠,计费需及时精准,要求ETC门架设备故障解决及时。ETC门架数量多、分布广、机电设备种类多,涉及到机电设备共约7万件,目前“人工巡查、被动发现”的传统运维模式需投入大量人力,时效性差。为此,本文提出利用人工智能技术开展智慧化运维,以适应自由流收费制式要求。

1 研究思路

1.1 现有研究不足

国外由于高速公路信息化建设早,采用大量先进技术辅助专业人员开展机电设备运维,以实现资源优化配置,延长设备服役寿命,降低维护成本的目标。德国、日本和英国均有监控路侧ETC设备工作状态并及时开展公路设备故障处理[1-4]。我国高速公路基础设施迅速发展的同时,3大机电系统得到了广泛应用,但机电设备管理起步晚,缺乏有效的监测手段和智能化运维技术,还停留在粗放型管理模式[5]。目前,国内已有建设机电设备养护平台[6],但平台主要是基于人工调查采集信息来进行运维管理,功能较为单一,应用较为局限。为提高机电运维效率,亟需利用新一代信息技术开展覆盖资产管理、状态监控、智能维护和知识整合的智慧化运维。

1.2 研究目标

拟通过大数据、人工智能、物联网等新一代信息技术与ETC门架运维需求的深度融合,实现以下目标:

1) 标准化运维:建设一套ETC门架机电设备运维的标准化流程,覆盖设备故障识别、故障上报、故障诊断评估、设备维修和验收全流程。

2) 实时化管理:实时监控设备运行状态,分析诊断设备工作质量,第一时间掌握设备破坏事件,远程设置设备参数,确保ETC门架系统正常运转。

3) 科学化决策:对设备参数状态、故障原因、故障数据和运维策略运用机器学习算法进行关联分析,不断提高运维决策的自动化程度和科学化水平。

2 智慧运维关键技术

2.1 运维业务流程重构

智慧运维模式业务流程重构如图2所示。

在当前传统运维模式下,各省高速公路从各收费站监控室到各路段监控分中心,再到省高速公路监控中心开展分级管理机电设备[4]。收费站监控室开展日常巡检发现并上报故障,路段监控分中心根据故障类型、故障等级和维护级别,通过电话等方式派发工单通知运维单位现场维护故障设备,并生成运维报告。运维信息汇总至省高速公路监控中心。

图2 高速公路机电运维流程图

相比于传统运维模式,智慧运维模式对业务流程进行了重构,整个智慧运维业务主要由以下流程组成:

1) 故障申报:通过故障申报页面上报设备故障情况;

2) 工单下发:设备确认故障以后生成派工单下发至相应运维公司;

3) 方案审核:运维公司针对故障提交技术方案并提交审核;

4) 维修上报:运维公司人员进行设备维修,并上报至分中心。

2.2 接口标准化

取消省站高速公路收费站项目不仅设备类型多,而且每类设备供应商品牌多。为此,在项目方案设计阶段提出统一设备接口标准,针对设备选型和采购对厂家设备提出接口要求,为设备运维预留标准化智能运维接口。通过接口获取设备状态、设备故障及硬件寿命可用周期, 并通过标准化的维护工具或策略进行处置, 以提升运维效率及运维规范性。通过标准化接口,设备的状态从心跳数据包中获得, ETC门架设备定期(默认为5 min)产生1条心跳数据,通过接口将心跳数据实时上传。

2.3 基于机器学习的智慧运维决策技术

为实现智慧运维,引入机器学习方法开展故障的远程识别和运维的科学决策。机器学习从过去数据中学习各指标的特征与规律,然后根据实时已知信息对未知信息进行推断,是在经验积累中改善具体算法性能的人工智能方法。

在整个智慧化运维决策模型的2个阶段均采用机器学习思维,如图3所示。第1个阶段是故障学习阶段,对ETC门架设备各项状态参数与设备实际故障情况进行关联分析,通过对历史故障记录的学习,用来推断实时状态下可能发生的故障。第2个阶段是运维决策阶段,根据历史运维记录和运维效果评估不同故障情形下运维策略的合理性,建立运维决策学习模型,并应用于针对实时故障的运维工单生成。在平台运行初始阶段,故障学习模型和运维决策学习模型均被赋予初始参数,随着运维工作的不断开展,模型不断自我学习,优化相关参数,提高模型的科学性。

图3 智慧化运维决策模型

3 平台实现与应用

3.1 平台总体架构

运用上述技术,进行ETC门架智慧运维管理平台的开发。平台总体架构如图4所示,包含6个层面:

图4 平台架构图

1) 数据采集层:接入ETC门架机电设备的基础信息和实时状态参数,实现对ETC门架机电设备的基本管理,是运行监测、运维管理的基础。

2) 基础层:包含Web服务器、操作系统、数据库服务器、嵌入式设备建设等内容,为平台运行提供软、硬件环境。

3) 数据层:实现对包括门架运行状态和故障信息的实时数据、历史数据、维修记录库、解决方案库、设备库、运维人员库等在内数据的存储与管理。

4) 业务支持层:通过统一的总线服务实现相关应用组件的有效整合和管理,包括业务服务中间件、应用中间件、安全中间件、数据交换平台等。

5) 业务应用层:实现全省门架系统的故障监测、故障维修流程监管、维修评价、日常养护计划制订、设备管理及人员管理等业务。

6) Web服务层:通过Web端展现,实现不同权限的信息浏览、设备操作和数据库查询。

3.2 平台实现

运用上述智慧运维关键技术和框架,平台已完成开发,主要包括以下模块。

3.2.1设备状态监控

机电设备监控是运行监测、运维管理的基础,通过实时接入设备状态参数和工作参数,分析设备运行状况,识别设备故障,并进行警告和展示,见图5。

3.2.2运行情况展示

将所有门架系统的位置和运行状态(正常/故障)清晰直观地显示在道路网中,通过点击该页面的站点,可以弹出该站点ETC门架的实时状态和所属道路等信息。如果某个设备发生故障,将会在地图上弹出报警信息,见图6。

图5 设备状态监测界面

图6 运行情况展示界面

3.2.3三维监控巡检

通过设备接口实现对关键设备车道控制器、站级服务器的在线状态及心跳信息采集,实时检测上报设备运行状态,监测车牌识别系统的识别成功率。当设备出现异常时,能够及时发出报警信息,生成报警记录。同时运维人员可通过平台的三维巡检(见图7),远程查看设备故障区域和故障原因,并通过该模块实现门架机柜远程自动开门管理、电池维护和门架设备空开远程上电等控制操作。实现运维人员远程化操作,及时解决设备故障,节约维护成本,提高效率。

图7 三维巡检界面

3.2.4设备运维管理

当平台监测到设备异常时,自动产生运维工单。设备相关的故障信息、预警信息以及设备报废、设备更换后自动关联新设备都会自动记录到平台,为每一台设备构建一个完整的生命周期和继承关系,实现对历代设备追踪的全流程管控,从而完成运维系统集中运维,帮助管理者实现集中管理、准确定位故障、快速排除故障、提高工作效率、规范运维等目标,并提供统计分析和决策支持及故障预警机制,践行科学的运维管理模式。自动化运维管理模块见图8。

图8 自动化运维管理模块

4 结语

本文利用物联网技术实时监测门架系统机电设备状态参数,通过机器学习等人工智能技术诊断设备健康状态,自主选择维修策略,自动报送故障信息,派发维修工单,检查维修效果,实现对门架机电设备的集中式管理、实时化监控和智慧化运维,并设计开发响应的智慧运维平台,打通运维各单位之间的壁垒,实现机电设备的数据共享,将原先的“被动运维”转换为“主动管控”,解决了人工巡查不能及时发现设备故障的问题。

智慧运维技术缩短了ETC门架设备运维时间,降低了人工和管理成本,提升了设备的使用寿命和维护效率,提高了整个ETC收费系统的可靠性。本文的成果已在湖南省开展应用,目前已稳定运行0.5 a,为全省ETC系统正常运转提供了有力支撑。

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