基于物联网技术的高速公路机电设备用电异常自动监测

广西新恒通高速公路有限公司 吴赞长

1 引言

高速公路机电设备的正常运行对保障公路交通安全和通行效率至关重要。机电设备长期使用和复杂性，用电情况容易出现异常，这些异常情况可能会对设备的正常运行造成隐患，影响公路交通的安全和通行效率。传统的人工巡检方法存在着盲区和漏检的问题，不能满足实时监测的需求。为了解决这一问题，本文提出了一种基于物联网技术的高速公路机电设备用电异常自动监测系统，旨在提高机电设备的用电监测能力，保障高速公路的安全和稳定运行。

2 物联网技术问题分析

在物联网技术应用于高速公路机电设备用电监测方面，存在着多种问题。首先，数据采集的实时性是关键因素。机电设备的用电情况是时刻变化的，需要实时采集数据[1]。采集到的数据需要满足一定的准确性和精度，以确保分析和处理结果的可靠性。数据处理和分析的效率和精度也是物联网技术面临的挑战。处理和分析海量的数据，需要高效的算法和计算能力。分析结果需要具有一定的预测和判断能力，以实现对机电设备用电情况的自动监测和异常检测。物联网技术应用于高速公路机电设备用电监测中，面临着网络安全和数据保护等隐私问题。

3 高速公路机电设备用电异常原因

高速公路机电设备的用电异常原因大致可以分为系统原因、设备原因和人为原因三个方面。

3.1 系统原因

高速公路机电设备的用电情况受到供电系统和电网的影响。供电系统中的电压波动、电压失调、电流短路、接地和断路等故障都可能导致机电设备用电异常。由于供电系统的长期使用，电网设备的老化和损坏等也可能导致机电设备用电异常。如变压器绕组漏油、接触不良、开关接触不良等问题都会影响供电系统的正常运行，导致机电设备用电异常[2]。

3.2 设备原因

机电设备长期使用会引起各种老化问题，如电容器老化、电机磨损以及电气绝缘损坏等，这些问题都会导致机电设备用电异常。机电设备的设计和制造质量问题也可能引起机电设备用电异常。如设备内部松动或损坏的电气连接或设计中存在的电气接地问题都会导致机电设备用电异常。此外，设备的安装、使用和维护等方面也可能影响机电设备的用电情况，如设备安装位置不当、使用时超负荷、维护保养不及时等都可能导致机电设备用电异常。

3.3 人为原因

人为原因包括错误操作、不当使用和疏忽等问题。如工作人员误操作设备、过度使用设备和不及时维护和保养设备等，都会对机电设备用电情况造成影响，甚至引起用电异常[3]。一些人为因素，如恶意破坏和非法操作等也可能导致机电设备用电异常。

4 自动检测系统构架设计

该自动检测系统是一种基于物联网技术的监测系统，通过物联网平台实现机电设备的用电情况实时监测和异常检测。高速公路机电设备监测物联网系统设计内容详见表1。

4.1 传感器采集层

传感器采集层包括电能传感器、温度传感器、湿度传感器、振动传感器等多种传感器。这些传感器可以对机电设备的用电情况和环境数据进行采集，以满足机电设备的实时监测需求。电能传感器可以实时采集机电设备的电流、电压、功率等用电情况数据，温度传感器可以采集机电设备的温度数据，湿度传感器可以采集机电设备周围的湿度数据，振动传感器可以实时监测机电设备的振动情况，从而判断机电设备是否存在问题。

4.2 通信传输层

通信传输层主要用于将传感器采集的数据传输至云平台。在传输层中，采用无线通信技术LoRa确保数据的稳定传输，并且支持数据处理和数据传输的模块，可以对传输数据进行压缩、加密等处理，以提高数据传输的效率和安全性。

4.3 数据存储和处理层

数据存储和处理层主要功能是存储和处理采集到的数据。在该层中，采用云计算和大数据技术，以便对采集到的数据进行实时分析和处理，以实现机电设备用电情况的自动监测和异常检测。在该层中，还可以利用机器学习等技术对数据进行建模和预测，实现机电设备用电情况的预测和故障检测[4]。

4.4 应用服务层

应用服务层是自动监测系统提供应用服务和监测报告。在该层中，可以通过Web 界面或移动应用程序等方式，实时查看机电设备用电情况和监测报告，同时还可以通过短信、邮件等方式实现告警和预警功能，及时通知管理人员进行处理。该层还包括故障诊断和维修服务等应用服务，可以根据监测结果，快速诊断故障，提供相应的维修服务，保障机电设备的正常运行。

5 关键技术设计

5.1 传感器采集层

传感器有电流传感器、电压传感器、温度传感器和湿度传感器。采用模块化设计，将传感器模块与控制模块分开，各模块之间通过线缆或者通信协议进行连接。这些传感器可以实现对机电设备的实时数据采集和监测，提高监测系统的可靠性和准确性，保障公路交通的安全和顺畅。如在实际运行过程中，通过夹形电流传感器ECS1030-L72实现电流的高精度采集，可以保证在电流值发生异常时能够及时预警和处理可能存在的故障和安全隐患。选用220V 电压传感器VT2010和Pt100型热敏电阻传感器，分别实现对电压和温度的高精度采集，可以对机电设备周围的环境进行全面的监测。采用HS1101型电容式湿度传感器，可以实现对机电设备周围的湿度数据的高精度采集，进一步保证机电设备的正常运行。在高速公路机电设备用电异常自动监测系统中，传感器的实时监测数据都将被传输至监测中心，由系统进行数据分析和异常检测，从而实现对机电设备的全面监测和保障[5]。

在实际运行中，假设某台机电设备的电压为220V，电流为10A，温度为25℃，湿度为60%RH，监测系统采集到的数据可能为：电压传感器采集到的电压值为220V；电流传感器采集到的电流值为10A；温度传感器采集到的温度值为25℃；湿度传感器采集到的湿度值为60%RH。

5.2 通信传输层

选用LoRa 技术作为通信传输层的技术方案。LoRa 技术是一种基于低功耗广域网（LPWAN）的通信技术，具有传输距离远、功耗低、抗干扰能力强等特点，适合机电设备的监测和数据传输。使用LoRa 技术可以搭建分布式无线网络，由一台或多台基站负责收集分布在不同位置的传感器数据，将数据传输至监测中心。传感器和基站之间的通信距离可以达到数千米，并且LoRa 技术能够穿透障碍物，能够满足在高速公路机电设备用电监测中的传输需求。使用LoRa 技术还有一个重要的优点，就是其功耗低，可以实现长时间的数据采集和传输。这对于机电设备用电异常自动监测系统来说非常重要，因为这种系统需要长时间地对机电设备进行监测和数据采集，以及将采集到的数据传输到监测中心进行处理和分析。

5.3 数据存储和处理层

采集到的数据采用云存储，该模块可以根据需要设置存储容量和数据加密等参数，同时支持异地备份和共享，提高数据的安全性和可靠性。采用云存储技术还可以根据实际需求快速扩容或缩减存储容量。数据处理模块可以采用基于云计算平台的分布式计算技术，如Hadoop 或Spark 等。采用大数据分析算法可以对采集到的数据进行实时分析和处理，如电压波动的检测、电流变化的分析、功率因数的计算等。对于异常情况，如电流超过安全范围、电压过低或过高等，可以通过短信、邮件或其他形式进行预警和通知，提醒工作人员及时处理。

5.4 应用服务层

应用服务层是整个系统中最上层的部分，提供了用户交互和数据展示的功能。在该层中，可以开发多种应用程序和服务，如Web 应用、移动应用、可视化界面等，以便用户实时监测机电设备用电情况和异常情况。具备的功能包括：

一是实时数据展示。将实时采集到的数据以可视化的方式展示给用户，如电流、电压、功率等数据。

二是历史数据查询。提供历史数据查询功能，方便用户对机电设备用电情况进行分析和比较，如按天、按月、按季度等不同时间维度进行数据查询。

三是异常报警和处理。及时发现机电设备用电异常情况，并进行报警和通知，同时提供异常处理功能，如对异常机电设备进行停机维修、更换设备等操作。

四是用户权限管理。管理用户的权限，如设置不同的用户权限等级，对不同的用户进行数据访问控制，保护数据的安全性和隐私性。应用服务层可以通过Web 应用、移动应用等多种形式进行展示，方便用户在任何时间和地点对机电设备用电情况进行监测和管理。应用服务层需要与数据存储和处理层、通信传输层、传感器采集层等部分相互配合，共同构建出高效、可靠、安全的机电设备用电异常自动监测系统。监测系统运行流程如图1所示。

6 结语

本文介绍了一种基于物联网技术的高速公路机电设备用电异常自动监测系统。该系统由传感器采集层、通信传输层、数据存储和处理层、应用服务层等多个模块构成，实现了对机电设备用电情况的自动监测和异常检测。在未来的应用中，该系统可以进一步优化和升级，以更好地适应高速公路机电设备的实际使用情况，为交通运输行业的发展作出贡献。