基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速公路機(jī)電設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)

劉永龍 李中漢 李東毅

摘要：為了解決現(xiàn)有機(jī)電設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)存在的漏警率較高、管理效率低的問(wèn)題，文章基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種高速公路機(jī)電設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)上，選取STM32溫濕度傳感器設(shè)計(jì)狀態(tài)信息采集模塊、電能計(jì)量芯片CS5463電氣參數(shù)采集模塊、SG-CORE-BOARD嵌入式核心板設(shè)計(jì)通信網(wǎng)關(guān)模塊；系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)上，基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備檢測(cè)，基于故障樹實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備故障診斷。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)監(jiān)控的電壓數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)擬合度較高，表明系統(tǒng)監(jiān)控精度較高；該系統(tǒng)對(duì)設(shè)備故障報(bào)警的漏警率始終保持在2%以下，證明其可精準(zhǔn)監(jiān)控機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，提高管理效率，具有較好的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；高速公路；機(jī)電設(shè)備；智能監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U415.12A070233

0引言

近年來(lái)，我國(guó)大力發(fā)展高速公路，作為其關(guān)鍵組成部分的機(jī)電系統(tǒng)，不僅種類多樣且數(shù)量較大，對(duì)高速公路的建設(shè)起著至關(guān)重要的作用。然而機(jī)電設(shè)備具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)含量高的特點(diǎn)，管理與維護(hù)工作存在一定困難。所以，為保證高速公路機(jī)電系統(tǒng)的安全運(yùn)行，需要采取并推廣機(jī)電設(shè)備的智能監(jiān)控系統(tǒng)。時(shí)下，我國(guó)在眾多領(lǐng)域中都應(yīng)用了監(jiān)控系統(tǒng)，并取得一定成果。有研究人員將監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于變電站輔助設(shè)備的運(yùn)營(yíng)管理中，幫助變電站運(yùn)維人員直觀查看設(shè)備狀態(tài)［1］。但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于對(duì)設(shè)備的監(jiān)控效果較差，降低了對(duì)設(shè)備的管理效率。還有研究人員將監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于制造車間中，實(shí)現(xiàn)了制造車間中多種設(shè)備信息的采集與監(jiān)控［2］。但是對(duì)于設(shè)備故障報(bào)警的漏警率較高，影響了車間設(shè)備的運(yùn)維管理效率。

為了解決以上問(wèn)題，本文結(jié)合高速公路的建設(shè)需求，引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)高速公路機(jī)電設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)展開研究，以期提升高速公路機(jī)電系統(tǒng)的管理水平。

1基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，就是通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)物體與網(wǎng)絡(luò)的通信，所以本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于高速公路機(jī)電設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)中。該系統(tǒng)利用傳感器采集機(jī)電設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)信息以及電氣參數(shù)，再由通信網(wǎng)關(guān)傳輸至服務(wù)器進(jìn)行分析處理，判斷是否出現(xiàn)安全事故以及設(shè)備故障，以此實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備的監(jiān)控目的。

1.1狀態(tài)信息采集模塊

當(dāng)高速公路周邊環(huán)境的溫度過(guò)高，或者設(shè)備運(yùn)行散發(fā)的熱量較多時(shí)，會(huì)發(fā)生火災(zāi)等安全事故。所以智能監(jiān)控系統(tǒng)需要采集機(jī)電設(shè)備的狀態(tài)信息，如溫度、濕度等參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控狀態(tài)信息的變化。當(dāng)出現(xiàn)安全事故時(shí)，智能監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以此保障高速公路機(jī)電設(shè)備的安全。在狀態(tài)信息采集模塊中，由傳感器［3］監(jiān)測(cè)狀態(tài)信息，再將狀態(tài)信息利用A/D轉(zhuǎn)換至微處理器中進(jìn)行處理。本文基于對(duì)高速公路周邊實(shí)際環(huán)境的考慮，選取STM 32溫濕度傳感器，此傳感器屬于集成式傳感器，可以獲取溫度、濕度以及敏感度的數(shù)據(jù)，具有穩(wěn)定性高、體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。STM 32溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件模塊如圖1所示。

將STM 32溫濕度傳感器的DATA引腳與SCK引腳分別連接到通信網(wǎng)關(guān)模塊上，就可以控制傳感器采集到的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)的輸入與輸出。傳感器節(jié)點(diǎn)連接基本功能模塊的同時(shí)，還具有JTAG接口和UART串行接口，這是為了后續(xù)可以通過(guò)軟件編程控制數(shù)據(jù)的輸入與輸出，利用UART串行接口讀取STM 32溫濕度傳感器采集的機(jī)電設(shè)備狀態(tài)信息。節(jié)點(diǎn)還連接了蜂鳴器，用來(lái)對(duì)安全事故以及設(shè)備故障發(fā)出報(bào)警。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，在STM 32溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)處配置了EXIO接口，可以連接采集其他狀態(tài)信息的傳感器，如雨滴傳感器等，以此構(gòu)建一個(gè)完整的狀態(tài)信息采集模塊，把采集到的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)模塊傳輸至監(jiān)控中心上位機(jī)中，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的分析處理等操作。

1.2電氣參數(shù)采集模塊

電氣參數(shù)采集模塊的主要工作，就是在高速公路機(jī)電設(shè)備運(yùn)行時(shí)，采集機(jī)電設(shè)備的電壓、電流、功率以及頻率等參數(shù)，通過(guò)這些參數(shù)可以獲取機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如果設(shè)備運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)故障，可以及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。在本文設(shè)計(jì)的智能監(jiān)控系統(tǒng)中，為降低微處理器的工作壓力，實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸，選取多功能的電能計(jì)量芯片CS5463來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備的電氣參數(shù)測(cè)量工作，同時(shí)也將測(cè)量的有效電氣參數(shù)傳輸至微處理器中進(jìn)行處理。芯片CS5463的計(jì)量準(zhǔn)確度較高，芯片內(nèi)部集成了六路二階模數(shù)轉(zhuǎn)換器，適用于三相電路。與此同時(shí)，在計(jì)量芯片的內(nèi)部封裝著測(cè)量電流、電壓、功率等電氣參數(shù)的數(shù)字信號(hào)處理電路，可以充分滿足高速公路機(jī)電設(shè)備運(yùn)行的電氣參數(shù)采集目的。而且，電能計(jì)量芯片CS5463可以利用軟件校表，校正誤差，以此達(dá)到高精度的測(cè)量。CS5463的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

通過(guò)圖2可以看出，電壓與電流的模擬信號(hào)作為芯片的輸入信號(hào)，同時(shí)將芯片同步采集的信號(hào)一起輸入芯片的數(shù)字信號(hào)處理電路中，以此實(shí)現(xiàn)電氣參數(shù)的有效測(cè)量，然后再利用通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。其中的電壓信號(hào)會(huì)在計(jì)量芯片中做防干擾處理，以CS5463芯片可以接受的數(shù)值范圍輸入芯片的采集端口；其中的電流信號(hào)會(huì)經(jīng)過(guò)電流互感器送入芯片的采集端口。本文設(shè)計(jì)的智能監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)CS5463電能計(jì)量芯片與互感器的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高速公路機(jī)電設(shè)備電氣參數(shù)的高精度采集。

1.3通信網(wǎng)關(guān)模塊

通信網(wǎng)關(guān)模塊的基本功能是將狀態(tài)信息采集模塊與電氣參數(shù)采集模塊所采集到的全部數(shù)據(jù)匯集到一起，然后統(tǒng)一傳輸至服務(wù)器端，所以通信網(wǎng)關(guān)模塊功能的實(shí)現(xiàn)離不開硬件的支持。此模塊的硬件主要由通信模塊、處理器、報(bào)警模塊以及電源模塊等組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

由圖3可以看出，通信網(wǎng)關(guān)模塊的核心就是處理器，所以本文所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)選用SG-CORE-BOARD嵌入式核心板作為處理器。此核心板具有功耗較小且網(wǎng)絡(luò)較為穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，既可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)的封裝與轉(zhuǎn)換，又可以實(shí)現(xiàn)與通信模塊的雙向通信，因?yàn)槠湟_使用的是TTL天平，所以可以直接與通信模塊相連，通過(guò)應(yīng)用串口等接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)的通信。由此可知，嵌入式核心板在通信網(wǎng)關(guān)模塊中起到了重要作用。

2智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)電設(shè)備檢測(cè)

在本文所設(shè)計(jì)的智能監(jiān)控系統(tǒng)中，通過(guò)某組特定的視頻序列以及圖像，對(duì)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，判斷是否出現(xiàn)安全事故。由于在高速公路的機(jī)電設(shè)備檢測(cè)中，會(huì)受冗余的干擾性數(shù)據(jù)影響，導(dǎo)致檢測(cè)效果較差，所以本文為了實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控系統(tǒng)的精細(xì)化檢測(cè)，引入了深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［4］。基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)機(jī)電設(shè)備的原理是，把機(jī)電設(shè)備監(jiān)控圖像輸入深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練模型中，實(shí)現(xiàn)圖像特征的提取，利用提取的圖像特征精準(zhǔn)判斷是否出現(xiàn)安全事故。深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練的實(shí)質(zhì)就是圖像數(shù)據(jù)在卷積層與隱含層中的傳播與反向傳播，其中反向傳播算法就是利用輸入與輸出節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)誤差梯度的獲取，再通過(guò)損失函數(shù)得到誤差梯度的平均取值，那么此損失函數(shù)相對(duì)應(yīng)的偏導(dǎo)數(shù)公式如式（1）所示：

（1）

根據(jù)此式獲取訓(xùn)練模型輸出層與輸入層的誤差梯度數(shù)據(jù)：

（2）

（3）

式中：C——訓(xùn)練模型的輸出層數(shù)據(jù)；

J=f（J）——模型單元J的數(shù)據(jù)；

Y1、Y2——隱含層1與隱含層2的數(shù)據(jù)；

Q——期望輸出值；

S1、S2——訓(xùn)練模型的輸入層數(shù)據(jù)；

I12——隱含層1與隱含層2的節(jié)點(diǎn)。

由式（2）、式（3）可知，反向傳播算法的本質(zhì)就是將損失函數(shù)看作訓(xùn)練模型的輸入誤差梯度數(shù)據(jù)，通過(guò)反復(fù)迭代實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的反向傳播。將深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于智能監(jiān)控系統(tǒng)中，可以降低時(shí)間復(fù)雜度以及干擾因素的影響，獲取更加準(zhǔn)確的監(jiān)控圖像特征，進(jìn)而保障機(jī)電設(shè)備檢測(cè)的質(zhì)量。

2.2基于故障樹的機(jī)電設(shè)備故障診斷

本文引入故障樹［5］實(shí)現(xiàn)高速公路機(jī)電設(shè)備的故障診斷，因?yàn)楣收蠘涫峭ㄟ^(guò)事件與邏輯連接而成的，所以需要用結(jié)構(gòu)函數(shù)定量分析故障樹。機(jī)電設(shè)備一般存在正常與故障兩種運(yùn)行狀態(tài)，并且這兩種狀態(tài)相互獨(dú)立，那么故障樹的與門結(jié)構(gòu)函數(shù)表達(dá)式為：

（4）

故障樹的或門結(jié)構(gòu)函數(shù)表達(dá)式為：

（5）

式中： δ（g）——故障樹頂事件；

m——故障樹底事件。

通過(guò)與門結(jié)構(gòu)函數(shù)可知，當(dāng)所有底事件都發(fā)生gm=1，頂事件才會(huì)發(fā)生δ（g）=1，這時(shí)機(jī)電設(shè)備處于故障狀態(tài)，否則機(jī)電設(shè)備處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

為了精準(zhǔn)判斷故障樹的頂事件，需要清晰了解高速公路機(jī)電設(shè)備的工作原理、設(shè)備參數(shù)等，然后利用這些數(shù)據(jù)以及機(jī)電設(shè)備處于故障狀態(tài)和正常狀態(tài)時(shí)的特點(diǎn)，對(duì)機(jī)電設(shè)備的故障狀況進(jìn)行分析，以此獲取底事件與頂事件之間的因果關(guān)系。由于高速公路機(jī)電系統(tǒng)較為復(fù)雜，機(jī)電設(shè)備數(shù)量較多，為了精準(zhǔn)定位發(fā)生故障的設(shè)備，本文在智能監(jiān)控系統(tǒng)中添加了自動(dòng)報(bào)警功能，所以需要將故障報(bào)警以及機(jī)電設(shè)備故障狀態(tài)作為故障樹的頂事件，逐步實(shí)現(xiàn)故障樹的建立。

3系統(tǒng)測(cè)試

3.1機(jī)電設(shè)備電壓監(jiān)控精度測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試是保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)測(cè)試判斷本文所設(shè)計(jì)的智能監(jiān)控系統(tǒng)是否可行，避免在以后的應(yīng)用中出現(xiàn)工程事故。針對(duì)機(jī)電設(shè)備電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)控進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)智能監(jiān)控系統(tǒng)查看設(shè)備的實(shí)時(shí)電壓，并與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以此校驗(yàn)系統(tǒng)監(jiān)控電壓數(shù)據(jù)的精度。機(jī)電設(shè)備的實(shí)時(shí)電壓監(jiān)控結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，系統(tǒng)監(jiān)控的實(shí)時(shí)電壓數(shù)據(jù)曲線與實(shí)際電壓數(shù)據(jù)曲線擬合度較高，在整個(gè)監(jiān)控過(guò)程中，在24 s時(shí)出現(xiàn)最大誤差，僅為10 V，且出現(xiàn)多次監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)重合的現(xiàn)象，表明了本文所設(shè)計(jì)的機(jī)電設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控精度較高。

3.2機(jī)電設(shè)備故障監(jiān)測(cè)漏警率測(cè)試

在相同的測(cè)試環(huán)境以及測(cè)試樣本下，選取文獻(xiàn)［1］提出的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)與文獻(xiàn)［2］提出的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)作為對(duì)比系統(tǒng)，與本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)共同對(duì)高速公路機(jī)電設(shè)備故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)。將故障監(jiān)測(cè)的漏警率作為評(píng)估指標(biāo)，漏警率的計(jì)算公式如式（6）所示：

（6）

式中： Nx——系統(tǒng)判斷異常的數(shù)量；

N——實(shí)際異常的數(shù)量。

通過(guò)機(jī)電設(shè)備故障報(bào)警的漏警率對(duì)比來(lái)判斷本文所設(shè)計(jì)的機(jī)電設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)的有效性，漏警率越低證明監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)機(jī)電設(shè)備故障報(bào)警的準(zhǔn)確率越高。三種監(jiān)控系統(tǒng)的漏警率對(duì)比結(jié)果如表1所示。

由表1可知，文獻(xiàn)［1］系統(tǒng)的平均漏警率為5.88%，文獻(xiàn)［2］系統(tǒng)的平均漏警率為3.67%，而本文監(jiān)控系統(tǒng)的平均漏警率僅有1.44%，能夠始終保持在＜2%，較其他兩個(gè)系統(tǒng)分別降低了約4.44%和2.23%。這說(shuō)明本文所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)機(jī)電設(shè)備故障報(bào)警的準(zhǔn)確率更高，驗(yàn)證了本文系統(tǒng)可以精準(zhǔn)監(jiān)控高速公路機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，能夠提高高速公路機(jī)電設(shè)備的管理效率，具有較好的實(shí)用性。

4結(jié)語(yǔ)

本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于高速公路機(jī)電設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)中，通過(guò)測(cè)試表明，該系統(tǒng)對(duì)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)精度較高。但是由于時(shí)間有限，該系統(tǒng)仍存在一些缺點(diǎn)，如系統(tǒng)測(cè)試的樣本數(shù)量較少，只驗(yàn)證了該系統(tǒng)對(duì)種類單一的機(jī)電設(shè)備可以進(jìn)行有效監(jiān)控等。今后將對(duì)其進(jìn)行更深入的研究，實(shí)現(xiàn)高速公路更多機(jī)電設(shè)備的精準(zhǔn)監(jiān)控，為高速公路建設(shè)提供參考。

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作者簡(jiǎn)介：劉永龍（1988—），工程師，主要從事高速公路建設(shè)項(xiàng)目管理工作。