摘 要 ：近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展，并在多個(gè)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(duì)傳統(tǒng)監(jiān)控箱無法實(shí)現(xiàn)智能化管理，管理人員無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題等現(xiàn)象，設(shè)計(jì)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(tái)、手機(jī) APP 構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、智能集中供電、防雷、動(dòng)環(huán)監(jiān)控、遠(yuǎn)程復(fù)位、報(bào)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(shí)可用”，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備的精細(xì)化管控。

0 引 言

目前，高速公路監(jiān)控外場(chǎng)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(duì)用電情況及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，無法實(shí)現(xiàn)前端設(shè)備故障研判、定位監(jiān)測(cè)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(chǎng)排查處理。針對(duì)現(xiàn)有問題，團(tuán)隊(duì)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(shí)、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(bào)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(shí)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(tái)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的精細(xì)化運(yùn)維保障。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

針對(duì)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(shì) [1]，提出一體化智能監(jiān)控箱運(yùn)維管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)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(shí)施和維護(hù)。客戶端只負(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(shí)，只需對(duì)嵌入式監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行升級(jí)或擴(kuò)展，形成多個(gè)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(jì)算技術(shù)，支持多個(gè)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(bào)警功能，用戶可選擇配置電腦顯示報(bào)警、語音報(bào)警、電話報(bào)警、短信報(bào)警、E-mail 報(bào)警、手機(jī) APP 報(bào)警等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖 1 所示。

3 一體化智能監(jiān)控箱的硬件設(shè)計(jì)

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(dòng)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(chǔ)器容量為 256 KB，程序存儲(chǔ)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(dòng)重合閘

自動(dòng)重合閘設(shè)計(jì)具備負(fù)載短路保護(hù)功能，當(dāng)輸出接口發(fā)生短路時(shí)，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(dòng)斷開，及過流、漏電保護(hù)指示和自動(dòng)合閘功能。

3.3 電源防雷器

電源防雷器根據(jù)實(shí)際需求，設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)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(jí)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(dòng)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(shí)，可自動(dòng)重啟設(shè)備，也可人工遠(yuǎn)程關(guān)閉設(shè)備實(shí)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(shí)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(jiǎn)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(chǎng)設(shè)備運(yùn)維管理設(shè)計(jì)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(duì)前端攝像機(jī)、情報(bào)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(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)，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(shí)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(jì)，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(gè)集采集、診斷、定位、控制、管理、分析、報(bào)警等功能于一體的智能運(yùn)維管理平臺(tái)。智能運(yùn)維管理平臺(tái)展示界面如圖 3 所示。

4.2 系統(tǒng)功能

運(yùn)維管理平臺(tái)結(jié)合高速公路監(jiān)控特點(diǎn)，以及對(duì)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(tái)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(shí)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(tái)支持對(duì)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(duì)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(tái)可主動(dòng)上報(bào)一體化智能監(jiān)控箱的 GPS 位置信息，在平臺(tái)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(shí)支持運(yùn)維管理平臺(tái)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(tái)一旦監(jiān)測(cè)到攝像機(jī)等設(shè)備宕機(jī)，便通過 RS 485 控制器對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程復(fù)位，運(yùn)維人員無需奔赴現(xiàn)場(chǎng)，節(jié)省了人力和時(shí)間 ；同時(shí)，運(yùn)維管理平臺(tái)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(tái)監(jiān)測(cè)到外場(chǎng)攝像機(jī)等設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，該模塊可及時(shí)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(duì)高故障率事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并處理 [8]。

（6）管理功能 ：運(yùn)維管理平臺(tái)支持對(duì)一體化智能監(jiān)控箱的集中管理，包含對(duì)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(bào)警信息，在運(yùn)維管理平臺(tái) GIS 地圖上實(shí)時(shí)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(jì)分析，生成數(shù)據(jù)報(bào)表 [9]。

（7）數(shù)據(jù)分析功能 ：運(yùn)維管理平臺(tái)支持大數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)，定期自動(dòng)形成各類設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)報(bào)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(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路監(jiān)控箱體的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并保證對(duì)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(dòng)化和智能化水平 [10]。

審核編輯 ：李倩