(廣東交通職業(yè)技術學院，廣東 廣州 510650 )

0 引言

在國內，隨著物聯(lián)網應用技術的不斷發(fā)展，物聯(lián)網平臺成為各行業(yè)不可或缺的輔助工具[1]。隨著大城市中不斷建設地鐵解決人們出行便利問題，一些地鐵建對項目的安全監(jiān)控也進行了信息化管理[2]。通過對地鐵區(qū)域安全進行監(jiān)控，對人員以及設備進行跟蹤，做出提前預警控制[3]。但在物聯(lián)網環(huán)境下地鐵運行中常常發(fā)生異常狀況，為預防事故發(fā)生，保證地鐵車站內與車內的人員安全，需要對地鐵區(qū)域進行監(jiān)控[4]。因此，地鐵區(qū)域安全監(jiān)控系統(tǒng)的設計受到了很多專家與學者的重視與關注，在地鐵監(jiān)控系統(tǒng)設計方法進行監(jiān)控時，不能及時反饋異常發(fā)生情況[5]。在這種情況下，如何提高地鐵行車安全以及站內環(huán)境安全成為急需解決的問題[6]。而通過對地鐵區(qū)域安全系統(tǒng)的科學化設計，預防突發(fā)狀況的發(fā)生是解決上述問題的有效途徑，成為該領域專家主要研究的課題，并研究出一些成果[7]。

李瑞敏提出地鐵車站數據庫監(jiān)控管理系統(tǒng)。李元春提出地鐵施工監(jiān)控信息系統(tǒng)，利用地理信息系統(tǒng)和工程可視化等技術，提供數據監(jiān)測點形成的圖形報表以及數據輸入與輸出等功能。包玉琦提出以自動化為基礎的地鐵監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)以變形點面以及通訊電纜和遠程監(jiān)控計算機等構成的，按照規(guī)定的頻率對地鐵站的機構進行自動監(jiān)控，為地鐵的安全運行提供了保障。楊子琪提出地鐵安全監(jiān)控分析系統(tǒng)，依據數據動態(tài)設計以及信息反饋的原則，利用網絡技術與數據庫開發(fā)技術，獲取地鐵施工過程中的支護結構以及位移變形和地下水位等一些數據的變化規(guī)律，實現(xiàn)監(jiān)控數據的自動提取與傳輸以及報表輸出，實現(xiàn)數據分析與數據處理等功能，節(jié)省大量的人力。文獻[8]提出一種利用圖像處理對地鐵位移進行實時監(jiān)控系統(tǒng)設計。首先對系統(tǒng)硬件部分進行設計，利用圖形進行軟件設計，對監(jiān)控系統(tǒng)進行數據提取，并對提取的數據進行分析，同時對監(jiān)控系統(tǒng)在地鐵隧道中的情況進行測試，通過對分析所得的數據進行驗證，該方法布局靈活，但存在準確性較低的問題。文獻[9]提出一種基于無線傳感器網絡的地鐵監(jiān)控系統(tǒng)。首先在地鐵隧道中布置無線傳感器監(jiān)測節(jié)點，對地鐵內的溫度以及濕度等參數進行采集，利用網絡將數據傳送至遠程監(jiān)控中心，通過對遠程監(jiān)控中心對地鐵現(xiàn)場環(huán)境進行監(jiān)測，保證地鐵的安全運行，闡述了無線傳感器組網方式以及監(jiān)控數據節(jié)點的硬件與軟件進行設計，對地鐵監(jiān)控系統(tǒng)設計進行詳細的描述，該系統(tǒng)具有結構簡單的特點，但存在監(jiān)控過程較為復雜的問題。文獻[10]提出一種地鐵車輛監(jiān)控系統(tǒng)設計方法。首先利用傳感器獲取的監(jiān)控信號經過現(xiàn)場中心接口傳送至監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心完成對數據信號的采集分析，通過網絡與數據中心進行數據通信，在監(jiān)控數據中心中完成對數據參數的處理以及預警和報警等功能，并對地鐵進行實時監(jiān)控，該方法成本較低，但存在監(jiān)控數據過程中產生數據丟失問題。

依據上述問題，提出一種基于物聯(lián)網的地鐵區(qū)域監(jiān)控安全監(jiān)控系統(tǒng)設計方法。該方法首先對地鐵區(qū)域安全硬件系統(tǒng)進行設計，硬件系統(tǒng)主要由感知層模塊以及網絡層模塊和應用層模塊三部分構成，利用分段曲線算法對監(jiān)控到的數據進行傳輸，以傳輸的數據為基礎，結合粒子濾波對監(jiān)控數據進行處理，以數據處理結果完成對地鐵區(qū)域安全監(jiān)控系統(tǒng)設計。仿真實驗結果表明，所提方法能有效地提高地鐵行車的安全性，保證乘車安全，為地鐵安全建設發(fā)展提供依據。

1 基于物聯(lián)網的地鐵區(qū)域安全監(jiān)控系統(tǒng)設計

首先對地鐵區(qū)域安全硬件系統(tǒng)進行設計，硬件系統(tǒng)主要由感知層模塊以及網絡層模塊和應用層模塊三部分構成，利用分段曲線算法對監(jiān)控到的數據進行傳輸，以傳輸的數據為基礎，結合粒子濾波對監(jiān)控數據進行處理，以數據處理結果完成對地鐵區(qū)域安全監(jiān)控系統(tǒng)設計。實驗結果表明，所提方法能有效地提高地鐵行車的安全性，保證乘車安全，為地鐵安全建設發(fā)展提供依據。具體過程如下。

1.1 地鐵區(qū)域安全監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計

本文建立地鐵區(qū)域安全監(jiān)控系統(tǒng)，地鐵區(qū)域安全監(jiān)控系統(tǒng)主要由感知層模塊以及網絡層模塊和應用層模塊構成。網絡層中包括監(jiān)測點模塊與用戶依據權限模塊，由監(jiān)測點將采集的監(jiān)控數據經過數據傳輸進行實時傳送到監(jiān)控數據庫進行數據交換處理以及存儲。用戶依據權限經過數據傳輸網絡對信息資源進行訪問，以及進行查詢等操作。應用層包括中心處理器、數據庫模塊和系統(tǒng)功能模塊。地鐵區(qū)域安全監(jiān)控系統(tǒng)框圖由圖1表示。

圖1 地鐵監(jiān)控系統(tǒng)框圖

1.1.1 數據庫模塊

地鐵區(qū)域安全監(jiān)控系統(tǒng)需要進行數據采集，但由于監(jiān)控監(jiān)測的范圍較廣，監(jiān)測的項目比較多，由此，需要采集的數據較龐大。依據地鐵區(qū)域安全監(jiān)控系統(tǒng)的功能以及對監(jiān)控數據的要求，選取合適的大型數據庫，利用系統(tǒng)自帶功能對數據庫中的數據進行自動更新，方便從數據庫中提取數據。在地鐵區(qū)域安全監(jiān)控系統(tǒng)中，主要監(jiān)測的項目以表的形式進行表述，利用索引對數據庫進行查詢設計，監(jiān)控數據以壓縮的形式進行存儲，減少內存占用空間。

1.1.2 系統(tǒng)功能模塊

基于物聯(lián)網的地鐵區(qū)域安全監(jiān)控系統(tǒng)包含完成數據實時接收、對數據進行處理以及對監(jiān)測數據進行分析的基礎功能。還包含利用開發(fā)數據庫完成數據查詢、異常預警以及異常控制和監(jiān)控數據管理功能。

數據查詢功能不僅與中心處理器經過內部區(qū)域網連接能在電腦上進行實現(xiàn)，并且對網絡異地遠程查詢給予支持。經過地鐵區(qū)域安全監(jiān)控系統(tǒng)授權后，依據自定義條件對監(jiān)測數據進行查詢，利用對數據成果與各數據監(jiān)測成果形成曲線，對數據成果、圖表等數據進行記錄和查詢，可高效的實現(xiàn)實時監(jiān)控。

異常預警以及異?？刂乒δ?。地鐵區(qū)域安全監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出異常預警時，會自動創(chuàng)建事故日志，將異常發(fā)生的時間與地點進行自動保存，以防后續(xù)調查使用。并同時啟動報警器，利用地鐵廣播系統(tǒng)進行語音播報，顯示在中心處理器的電子地圖上的紅色亮點表示為異常發(fā)生的地點，隨后開啟預警控制的設備與裝置，并將報警信息自動發(fā)送給相關職能部門。

數據檔案管理功能。利用數據檔案管理可對監(jiān)控監(jiān)測到的項目進行數據的采集以及修改等一些日常管理，并依據此對其他數據項目進行評價，并提供技術支持。

地鐵區(qū)域安全監(jiān)控系統(tǒng)升級。當原來的系統(tǒng)不能適應地鐵新環(huán)境監(jiān)控時，需要進行系統(tǒng)更新升級，例如，地鐵運行階段時期發(fā)生的一些異常，對地鐵塌方進行系統(tǒng)監(jiān)控，可適當的減少設置的監(jiān)測點，還有對人員與設備進行跟蹤定位借助系統(tǒng)升級顯示客流量與列車狀態(tài)信息系統(tǒng)，結合中心處理平臺，進行系統(tǒng)合理配置避免發(fā)生重復工作。

1.2 地鐵區(qū)域安全監(jiān)控數據傳輸

在進行地鐵區(qū)域安全數據傳輸時，需建立地鐵區(qū)域安全數據傳輸模型，利用分段曲線算法提高數據傳輸的速度。

在地鐵區(qū)域安全通信過程中，設地鐵區(qū)域安全節(jié)點為m，當該節(jié)點與另一地鐵區(qū)域安全節(jié)點相遇時，在相遇后的時間T內任意時刻發(fā)送監(jiān)測消息。則地鐵區(qū)域安全節(jié)點m取值為0～T，地鐵區(qū)域安全節(jié)點m的概率分布函數如下表示：

(1)

公式(1)中，a表示地鐵區(qū)域節(jié)點概率分布約束閾值，當a0時，則表示過程不符合實際情況，即地鐵區(qū)域節(jié)點通信與節(jié)點發(fā)出的監(jiān)測信息的間隔大于儲蓄時間，當兩個節(jié)點產生通信時，發(fā)生的概率為1-p(Tx≤0)，地鐵區(qū)域節(jié)點感知到的數據概率模型為：

(2)

公式(2)中，Tx表示為區(qū)域安全數據節(jié)點x地鐵通信時間的周期，t表示地鐵通信時間約束的閾值，對數據節(jié)點感知的通信數據的概率模型進行求導，得出鏈路數據通信持續(xù)時間Tf的表達式。

利用獲取的地鐵區(qū)域安全數據節(jié)點持續(xù)時間的概率密度構建地鐵區(qū)域安全數據傳輸模型。

在構建地鐵區(qū)域安全數據傳輸模型上，計算地鐵區(qū)域安全網絡最大傳輸量，對地鐵區(qū)域安全數據節(jié)點能量的消耗值，當數據節(jié)點直接產生通信數據的概率為Pr時，則通信數據持續(xù)的時間和與T1及區(qū)域安全網絡數據傳輸鏈路時間持續(xù)總和與T2的表達式為：

(3)

公式(3)中，E(T)表示區(qū)域安全網絡數據傳輸節(jié)點持續(xù)時間的平均值，K表示為區(qū)域安全網絡中數據傳輸節(jié)點的總相遇次數，E(Tf)表示為數據鏈路持續(xù)時間的平均值。

地鐵區(qū)域安全通信時間可用ρ進行表示，即：

(4)

公式(4)中，ρ值與K值無關，把參數代入地鐵區(qū)域網絡模型中，可得出數據控制參數：

c=λβ(1-Pr)E(Tf)

(5)

公式(5)中，λ表示區(qū)域安全數據節(jié)點平均被選的次數，β表示區(qū)域安全節(jié)點的數據傳輸的速率，λ也可稱為區(qū)域安全數據節(jié)點相遇的速率，數據節(jié)點的取值由數據節(jié)點的特性以及數據節(jié)點決定，以此完成地鐵區(qū)域安全監(jiān)控的數據傳輸。

1.3 地鐵區(qū)域安全監(jiān)控數據處理

結合上述以地鐵區(qū)域安全監(jiān)控數據傳輸為基礎，利用粒子濾波對監(jiān)控數據進行處理的算法描述為：

假設k-1數據時刻檢驗粒子集表示為{xk-1(i)，wk-1(i):i=1,2,…,N}，N表示粒子的數目，xk-1(i)為k-1數據時刻第i個粒子，wk-1(i)為k-1數據時刻第i個粒子的權重。

(1)對數據粒子集進行初始化，k=0：

(2)Fork=1,2,…進行下列步驟：

數據狀態(tài)依據地鐵區(qū)域安全監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)，進行抽取k時刻的檢驗粒子{Xk|k-1(i):i=1,2,…,N}～p(Xk|Xk-1)。

(a)對數據權值進行更新，在獲取數據測量值后，依據地鐵區(qū)域安全監(jiān)控系統(tǒng)計算粒子的權值wk(j)利用公式(6)表示：

wk(j)=wk-1(i)p(Zk|Xk(j))i= 1,…,N

(6)

公式(6)中，Zk表示監(jiān)控總數據量，Xk(j)表示監(jiān)控定位數據，進行數據歸一化權值表示為：

(7)

計算當前時刻地鐵區(qū)域安全監(jiān)控系統(tǒng)的下狀態(tài)估計值為：

(8)

由此完成地鐵區(qū)域安全監(jiān)控數據處理。

2 實驗結果與分析

為證明基于物聯(lián)網的地鐵區(qū)域安全監(jiān)控系統(tǒng)設計的可行性，需要進行一次仿真實驗。在matlab8.x的環(huán)境下搭建地鐵區(qū)域安全監(jiān)控實驗仿真平臺。實驗數據取自于北京地鐵二號線，將本文所提方法結合到實驗數據中去，分析本文所提方法的有效性與可行性。表1是不同方法下的監(jiān)控數據傳輸時間(s)對比。

表1 不同方法下數據傳輸時間對比

分析圖1可知，文獻[8]所提方法的數據傳輸時間相比較文獻[9]所提方法的數據傳輸時間略微快一些，而本文基于物聯(lián)網的地鐵區(qū)域安全監(jiān)控系統(tǒng)設計，利用分段曲線算法對監(jiān)控到的數據進行傳輸，大大的提高傳輸的速度，減少數據傳輸的時間，由此證明本文所提方法是有效可行的。圖2表示不同方法下的異常狀況報警速度(s)對比。

圖2 不同方法下的異常狀況報警速度對比

由圖2可知，在監(jiān)控數據相同的情況下，本文所提方法在發(fā)生異常情況時報警的速度相比較文獻[8]與文[10]速度明顯快一些，文獻[8]所提方法發(fā)生異常情況時報警的速度相比較文獻[10]所提方法發(fā)生異常情況時報警的速度快一些，而文獻[10]所提方法發(fā)生異常情況時報警的速度曲線波動較大，實用性較差，進一步證明本文方法的可行性。圖3表示在不同方法下監(jiān)控網絡丟包率(%)對比。監(jiān)控網絡丟包率公式為：

(9)

圖3 不同方法下監(jiān)控網絡丟包率對比

由圖3可知，文獻[9]所提方法的數據丟包率相對于文獻[10]所提方法的數據丟包率較高一些，進行數據存儲時，數據易產生丟失，文獻[9]所提方法與文獻[10]所提方法的可行性較差，而本文區(qū)域安全監(jiān)控方法的數據丟包率明顯低于文獻[9]與文獻[10]，由此說明本文方法是具有可行性與

可靠性的。圖4表示不同方法下監(jiān)控網絡阻塞率(%)對比。

圖4 不同方法下監(jiān)控網絡阻塞率對比

對圖4分析可知，在監(jiān)控數據量相同的情況下，文獻[8]所提方法的網絡阻塞率高于文獻[10]所提方法的網絡阻塞率，而且文獻[8]所提方法隨著監(jiān)控數據量的增長，網路阻塞率也在增長且曲線波動較明顯，由此看出文獻[8]方法與文獻[10]方法實用性較差，而本文區(qū)域安全監(jiān)控方法的網絡阻塞率一直較低，并沒有隨著監(jiān)控數據的增長而增加，阻塞率曲線波動一直較平緩，進一步證明本文方法具有可行性。

仿真實驗表明，本文所提方法能穩(wěn)定對地鐵區(qū)域安全監(jiān)控系統(tǒng)進行設計，在保障地鐵行車安全，以及地鐵站內環(huán)境安全和對災害事故的預防等方方面具有重要意義，提高了發(fā)生異常情況時報警的速度，保證乘車人員的人身安全，緩解公共交通的壓力。

3 結論

采用方法是利用傳感器獲取的監(jiān)控信號經過現(xiàn)場中心接口傳送至監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心完成對數據信號的采集分析，通過網絡與數據中心進行數據通信，在監(jiān)控數據中心中完成對數據參數的處理以及預警和報警等功能，并對地鐵進行實時監(jiān)控，該方法成本較低，但存在監(jiān)控數據過程中產生數據丟失問題。為此，提出一種基于物聯(lián)網的地鐵區(qū)域監(jiān)控安全監(jiān)控系統(tǒng)設計方法。實驗結果表明，所提方法能有效地提高地鐵行車的安全性，保證乘車安全，為提高地鐵成為現(xiàn)代化城市交通設施奠定基礎，緩解城市公共交通的壓力，促進城市公共交通的建設，具有廣泛的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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