基于物联网技术的一体化智能运维管理系统探索

摘 要 ：近年来，物联网技术不断发展，并在多个领域应用。物联网技术在高速公路行业的应用不断加深，针对传统监控箱无法实现智能化管理，管理人员无法及时发现问题等现象，设计了一款应用于高速公路机电工程隧道及道路上摄像机设备箱的一体化智能监控箱运维管理系统。该系统由一体化智能监控箱、云平台、手机 APP 构成，可以实现远程监测、智能集中供电、防雷、动环监控、远程复位、报警处理等功能。系统减轻了维护人员的负担，提高了管理效率、视频在线率、智能化程度，保障设备“全时可用”，实现了对设备的精细化管控。





0 引 言

目前，高速公路监控外场和隧道内监控箱箱体内的接线较为杂乱，热源集中，无箱体非法开启告警提示，维护不便，无法对用电情况及网络状态进行在线监测，无法实现前端设备故障研判、定位监测及告警，缺乏智能及远程维护手段，一旦出现故障，需由技术人员前往现场排查处理。针对现有问题，团队进行了深入分析，推出了以“物联网”为基础，以“大数据”为载体，以“人工智能”为核心的智慧解决方案，为前端设备提供智能运维，做到事前预判、事中管理、事后分析，有效解决前端设备故障发现不及时、故障处理滞后的问题。



1 系统概述

一体化智能监控箱是一款应用于高速公路隧道及道路的智能机箱，相比普通箱体，一体化智能综合箱增加了智能配电、在线监控、故障定位、故障修复、远程控制、能耗管理等功能，可以为外接设备如摄像机、情报板等设备的安全、可靠运行提供保障，该产品在满足原有监控箱及配电箱功能需求的基础上，采用模块化布局，完善了相关功能，保证系统的及时性、可靠性、连续性和智能性，节省了大量人力及经济成本。借助一体化智能综合箱管理平台，可实现对智慧运维箱及前端设备运行情况、供电情况、网络传输、防雷保障等方面精准、全面地监控，准确定位故障，实现对设备的精细化运维保障。



2 系统总体设计

针对目前高速公路监控箱存在的问题，结合当前物联网技术在智能交通系统的发展态势 [1]，提出一体化智能监控箱运维管理系统设计方案，该系统是基于 TCP/IP 网络、RS 232/RS 485 等技术的实时监控与组态开发系统，软硬件的安装与维护集中于监控服务器端，易于实施和维护。客户端只负责用户界面显示，由嵌入式监控主机进行数据处理，当监控需求增加时，只需对嵌入式监控主机进行升级或扩展，形成多个嵌入式监控主机即可，可加强系统的伸缩性。系统采用分布式计算技术，支持多个前端一体化智能监控箱联网集中监控，系统主要由智能采集终端、一体化智能监控箱、传输网络、运维管理系统组成。系统具有报警功能，用户可选择配置电脑显示报警、语音报警、电话报警、短信报警、E-mail 报警、手机 APP 报警等。系统设计架构如图 1 所示。





3 一体化智能监控箱的硬件设计

一体化智能监控箱相比传统的监控箱增加了智能采集终端（将集成了电源模块、继电器、微处理器、通信模块、触摸屏、温湿度传感器等的设备统称为智能采集终端 [2]）、自动重合闸、电源防雷器、智能 PDU 插座、交换模块等设备。

3.1 智能采集终端

智能采集终端作为系统核心，可显示前端输入电压、输出电压、输入电流、环境温湿度、防雷模块状态、交换机状态、箱门开启状态、IP 地址等，便于前端本地检修维护，支持无后备电源掉市电告警功能。核心芯片采用 ST 公司出品的STM32F103ZET6 芯片，该芯片为 32 位，频率为 72 MHz，程序存储器容量为 256 KB，程序存储器类型为 FLASH，RAM 容量为 48 KB[3]，主要完成部分模块的接入。智能采集终端接入如图 2 所示。



3.2 自动重合闸

自动重合闸设计具备负载短路保护功能，当输出接口发生短路时，其他各路电源切断输出 ；当短路故障恢复后，机器可正常工作。该模块具备过压、欠压、断电自动断开，及过流、漏电保护指示和自动合闸功能。

3.3 电源防雷器

电源防雷器根据实际需求，设计提供 DC 12 V、AC 24 V、DC 36 V 等输出，集成为单一插卡式板卡，并支持低电压、宽电压适应性，电源电压能够在 AC 70 V ～ AC 250 V 范围内变化，设备可正常工作。

3.4 智能 PDU 插座

设计智能 PDU 插座可支持漏电保护、过压保护、欠压保护、过流保护、复位等，可实现每一路电源输出、关闭、重启等操作，保障市电输入安全。

3.5 交换模块

工业级插卡式交换机具备网口防雷保护电路，包含 SFP光接口、RJ 45 接口，采用 DC 5 V 输入，具备自动手机设备工作参数，并可为故障排查及系统优化提供依据。当设备工作异常时，可自动重启设备，也可人工远程关闭设备实现网络重启，大大节约了运维成本，缩短了故障修复时间。



4 智能运维管理系统

4.1 智能运维管理系统简介

智能运维管理系统是专为智慧交通隧道工程及外场设备运维管理设计而开发的，该系统可设置在隧道管理站或监控分中心，对前端摄像机、情报板、微波车检等设备的运行情况、供电情况、网络传输、防雷保障等方面进行精准、全面的实时监控，实现对设备的精细化运维保障。系统不仅可通过触摸屏查看相关信息，还可远程控制和监测，弥补传统箱体的不足，降低了运维成本、提高了运维效率，保障了运维稳定性，实现了运维可视化、智能化、专业化。系统采用 B/S 架构，分布式设计，支持手机 APP，支持通过以太网、GPRS/4G 等网络连接。一体化智能监控箱软件系统是一个集采集、诊断、定位、控制、管理、分析、报警等功能于一体的智能运维管理平台。智能运维管理平台展示界面如图 3 所示。



4.2 系统功能

运维管理平台结合高速公路监控特点，以及对未来信息管理的需求，增加应用物联网通信技术，完善了相关功能，可保证系统的可靠性、连续性和智能化水平。

（1）采集功能 ：运维管理平台可采集一体化智能监控箱体及前端设备的运行状态、供电状态，同时可采集一体化智能监控箱内的温度、湿度、水浸、防雷器、箱门的开关状态，可通过以太网、4G/5G、交通专网等网络传回到监控中心 [4]。

（2）诊断功能 ：运维管理平台支持对一体化智能监控箱自身以及前端设备进行故障诊断，快速定位故障原因，采取针对性措施，提高运维效率，降低运维成本 [5]。

（3）定位功能 ：运维管理平台可主动上报一体化智能监控箱的 GPS 位置信息，在平台上正确显示一体化智能监控箱的安装位置，并用不同的“水滴”颜色显示当前一体化智能监控箱及前端设备的工作状态、故障类型，同时支持运维管理平台查询一体化智能监控箱的位置信息 [6]。

（4）控制功能 ：运维管理平台一旦监测到摄像机等设备宕机，便通过 RS 485 控制器对设备进行远程复位，运维人员无需奔赴现场，节省了人力和时间 ；同时，运维管理平台可根据采集的信息开启（或关闭）一体化智能监控箱内的风扇、加热器等 [7]。

（5）告警功能 ：运维管理平台监测到外场摄像机等设备出现故障时，该模块可及时将告警信息发送给运维人员进行处理，若因断电、光缆故障导致与监控中心网络连接断开，将在首页界面显示本月“TOP5”告警事件，并与运维人员对高故障率事件进行统计分析并处理 [8]。

（6）管理功能 ：运维管理平台支持对一体化智能监控箱的集中管理，包含对一体化智能监控箱的增加、删除、修改等功能 ；支持接收一体化智能监控箱上传的报警信息，在运维管理平台 GIS 地图上实时标注设备并根据既定规则触发工单，进行工单派送。故障排除后，系统结合数据统计分析，生成数据报表 [9]。

（7）数据分析功能 ：运维管理平台支持大数据分析统计，定期自动形成各类设备运行状态报表，分析各入围供应商产品的质量情况，为选型提供决策依据。



5 结 语

随着智慧城市、智慧公路建设的高速推进，探索基于物联网技术的一体化智能箱系统在高速公路领域的应用，可以弥补原有监控箱的不足，实现对高速公路监控箱体的实时监控，并保证对监控箱体的控制和综合分析，加深了物联网相关理论与传统行业的融合程度，能够有效为视频监控前端设备提供可靠保障，提升高速公路监控箱运行的安全性和稳定性，以及监控系统运行与管理的自动化和智能化水平 [10]。