李福生+查小菲

摘 要：隨著城市軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展，各地鐵運(yùn)營(yíng)公司對(duì)在線運(yùn)營(yíng)的地鐵車輛的安全性、車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性以及后期車輛維修維護(hù)的指導(dǎo)性要求越來(lái)越迫切，而傳統(tǒng)的車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在車輛事件記錄儀中，數(shù)據(jù)只能通過(guò)人工下載方式才能傳輸?shù)降孛?，造成?shù)據(jù)傳輸不及時(shí)，車輛故障維護(hù)延后等缺點(diǎn)。地鐵列車數(shù)據(jù)分析與預(yù)警系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)采集、分析和預(yù)警等多項(xiàng)功能，可以有效提供列車安全性和可靠性。本文對(duì)列車數(shù)據(jù)分析與預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)分析；預(yù)警；地鐵車輛；運(yùn)營(yíng)監(jiān)控；數(shù)據(jù)采集

中圖分類號(hào)：U231 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 概況

系統(tǒng)以地鐵車輛運(yùn)營(yíng)管理的實(shí)際工作需求為核心開展建設(shè)工作，其主要具有列車組及關(guān)鍵部件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、故障預(yù)測(cè)功能，即通過(guò)列車組及關(guān)鍵部件或子系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，對(duì)故障進(jìn)行診斷或識(shí)別，并對(duì)潛在的故障進(jìn)行預(yù)測(cè)或報(bào)警。實(shí)現(xiàn)一套實(shí)現(xiàn)列車實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析和故障預(yù)警等功能的在線系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求

接收列車的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和離線數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)中心，圍繞數(shù)據(jù)中心提供列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析、故障預(yù)警等各種擴(kuò)展功能。

1.1 功能需求

系統(tǒng)以列車運(yùn)營(yíng)管理的實(shí)際工作需求為核心開展建設(shè)工作，其主要具有列車組及關(guān)鍵部件的實(shí)時(shí)監(jiān)視、數(shù)據(jù)分析、故障預(yù)測(cè)功能，即通過(guò)列車組及關(guān)鍵部件或子系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，對(duì)故障進(jìn)行診斷或識(shí)別，并對(duì)潛在的故障進(jìn)行預(yù)測(cè)或報(bào)警。實(shí)現(xiàn)一套實(shí)現(xiàn)列車實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析和故障預(yù)警等功能的在線系統(tǒng)。圍繞上述的業(yè)務(wù)需求，該系統(tǒng)可以劃分為兩大子系統(tǒng)。

（1）數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)子系統(tǒng)：負(fù)責(zé)各種數(shù)據(jù)資源的統(tǒng)一存儲(chǔ)管理。包括對(duì)列車的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)、離線數(shù)據(jù)、知識(shí)數(shù)據(jù)等進(jìn)行解析、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)。其根據(jù)列車行駛特點(diǎn)，建立緩存，在這一基礎(chǔ)上結(jié)合里程累計(jì)、閾值觸發(fā)實(shí)現(xiàn)增量累計(jì)分析。

（2）運(yùn)營(yíng)監(jiān)控系統(tǒng)子系統(tǒng)：在監(jiān)控緩存數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，其根據(jù)預(yù)警與監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的閾值觸發(fā)建立對(duì)象監(jiān)控跟蹤隊(duì)列。根據(jù)列車基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)列車的實(shí)時(shí)狀態(tài)、各個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)值，以可視化的方法進(jìn)行在線實(shí)時(shí)展示。對(duì)歷史的數(shù)據(jù)，結(jié)合知識(shí)庫(kù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.2 業(yè)務(wù)需求

依托“列車數(shù)據(jù)分析與預(yù)警系統(tǒng)”的平臺(tái)系統(tǒng)提供的核心功能，提供的具體業(yè)務(wù)功能如圖1所示。

（1）數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊

主要實(shí)現(xiàn)列車實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和離線數(shù)據(jù)的接收、轉(zhuǎn)發(fā)、解析、存儲(chǔ)等功能。

（2）實(shí)時(shí)狀態(tài)檢測(cè)模塊

對(duì)列車的關(guān)鍵部件工作狀態(tài)、運(yùn)行線路、故障數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和處理，以可視化的形式進(jìn)行展示。

（3）分析統(tǒng)計(jì)模塊

對(duì)列車的歷史數(shù)據(jù)、離線數(shù)據(jù)結(jié)合知識(shí)庫(kù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以可視化的形式進(jìn)行展示。

（4）后臺(tái)管理模塊

對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行綜合的后臺(tái)管理，管理員通過(guò)web登錄管理系統(tǒng)后，可以進(jìn)行用戶管理、權(quán)限管理、日志管理以及資料管理等操作。

1.3 性能需求

由于系統(tǒng)建設(shè)的目的是針對(duì)數(shù)據(jù)分析和預(yù)警的服務(wù)。 因此對(duì)于系統(tǒng)的整體可靠性、健康性要求較高。需要具備以下的服務(wù)能力：

7×24 在線不間斷在線服務(wù)能力；

典型運(yùn)行周期內(nèi)（365 天）三級(jí)系統(tǒng)故障發(fā)生<5；

具備快速啟動(dòng)與恢復(fù)能力，典型故障發(fā)生時(shí)恢復(fù)時(shí)間<5min；

具備數(shù)據(jù)備份能力，能夠 100%恢復(fù)；

具備一定的系統(tǒng)檢測(cè)能力，能夠就系統(tǒng)存儲(chǔ)、計(jì)算能力邊界實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)，并提示系統(tǒng)運(yùn)維管理人員及時(shí)處理；

管理信息系統(tǒng)并發(fā)量為500，能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

具有較好的系統(tǒng)擴(kuò)展能力，能夠通過(guò)熱處理的方式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)存儲(chǔ)、計(jì)算等資源節(jié)點(diǎn)的加入，在資源變化過(guò)程中不影響系統(tǒng)核心業(yè)務(wù)的開展。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)架

列車的監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、值警以及產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)管理無(wú)一不圍繞數(shù)據(jù)資源展開。

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與處理：根據(jù)預(yù)設(shè)的各種子系統(tǒng)故障分析邏輯與閾值設(shè)置判斷不同對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)、故障前兆開展預(yù)警。同時(shí)，其根據(jù)故障監(jiān)測(cè)警報(bào)設(shè)置對(duì)發(fā)生故障的子系統(tǒng)及時(shí)監(jiān)控。同時(shí)，其利用現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。以多種方式將收集的數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)端。在回傳過(guò)程中，根據(jù)不同數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)重要性分為以下幾種傳輸模式：

（1）實(shí)時(shí)傳輸：這些數(shù)據(jù)與列車安全狀態(tài)緊密攸關(guān)。在列車行駛過(guò)程中系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)3G/4G網(wǎng)絡(luò)連續(xù)性回傳后臺(tái)，供監(jiān)控、分析與處置活動(dòng)利用。

（2）離線續(xù)傳：這類數(shù)據(jù)相對(duì)上述數(shù)據(jù)而言重要性、實(shí)時(shí)性相對(duì)較低。在列車行駛過(guò)程中，不需要實(shí)時(shí)采集傳輸。其通常以本地?cái)?shù)據(jù)緩存對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行組織。在一定條件下，將緩存數(shù)據(jù)整體回傳后臺(tái)。

（3）故障警報(bào)：這些數(shù)據(jù)包括各種子系統(tǒng)故障監(jiān)控的值警信息。當(dāng)傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分析識(shí)別后，達(dá)到被監(jiān)控對(duì)象的警報(bào)閾值時(shí)，一方面其通知現(xiàn)場(chǎng)處理單元處置，另一方面通過(guò)網(wǎng)絡(luò)即時(shí)回傳。在幾種傳輸模式中，這一類傳輸模式具有最高的優(yōu)先級(jí)與實(shí)時(shí)性的要求。

在上述工作的基礎(chǔ)上，為上層的業(yè)務(wù)活動(dòng)開展提供各種服務(wù)。其以列車智能維護(hù)為目標(biāo)應(yīng)用領(lǐng)域，圍繞其數(shù)據(jù)增量的特點(diǎn)，建立流式數(shù)據(jù)接入、存儲(chǔ)管理、實(shí)時(shí)跟蹤以及異常識(shí)別的全業(yè)務(wù)鏈服務(wù)體系。結(jié)合當(dāng)前技術(shù)缺陷，在平臺(tái)搭建中實(shí)現(xiàn)流式數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理與離線分析工作的結(jié)合。圖2中展示了這一研究工作的主要技術(shù)路線。

2.2 系統(tǒng)組建

2.2.1 服務(wù)器端

（1）開發(fā)環(huán)境

操作系統(tǒng)：Windows 7；

開發(fā)工具：Qt；

開發(fā)語(yǔ)言：C++；

依賴庫(kù)：相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)。

（2）部署環(huán)境endprint

操作系統(tǒng)：Windows server 2008 r2或以上版本；

依賴庫(kù)：Windows系統(tǒng)庫(kù)、Qt庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)庫(kù)、C++標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)等。

2.2.2 Web端

展示層：管理用戶的請(qǐng)求和響應(yīng)、提供一個(gè)控制起來(lái)將調(diào)用委托到業(yè)務(wù)邏輯和其他上游處理、組裝可以在視圖中表現(xiàn)的模型對(duì)象。執(zhí)行UI 校驗(yàn)等等。

業(yè)務(wù)邏輯層：采用Spring MVC框架，為平臺(tái)各個(gè)業(yè)務(wù)子應(yīng)用系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)邏輯組件、公共服務(wù)代理；

持久層：采用myBatis持久層封裝框架，提供數(shù)據(jù)持久化、數(shù)據(jù)訪問能力；DB采用oracle數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖3所示。

部署環(huán)境：jdk + tomcat + Oracle

開發(fā)環(huán)境：jdk + eclipse + Oracle+ tomcat

版本管理：svn

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、解析、存儲(chǔ)管理、跟蹤分析。其根據(jù)上層業(yè)務(wù)的需求建立數(shù)據(jù)庫(kù)，依據(jù)里程累積開展迭代跟蹤分析。在這一基礎(chǔ)上，結(jié)合底層集成的產(chǎn)品數(shù)據(jù)、維護(hù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等提供分析和預(yù)警的支撐服務(wù)。

（1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

ERM實(shí)時(shí)借用地面PIS系統(tǒng)的無(wú)線傳輸通道通過(guò)以太網(wǎng)UDP協(xié)議將車載數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)器，服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)解析、分析、存儲(chǔ)等工作。

（2）離線數(shù)據(jù)

車輛到庫(kù)后，維護(hù)人員使用HMI進(jìn)行手動(dòng)觸發(fā)進(jìn)行車輛數(shù)據(jù)上傳，或者TCMS根據(jù)時(shí)間觸發(fā)條件自動(dòng)上傳車輛數(shù)據(jù)，車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)及故障數(shù)據(jù)使用.CSV格式，文件經(jīng)壓縮后借用地面PIS的無(wú)線傳輸通道，發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)解析、分析、存儲(chǔ)等工作。

3.1 Web端

實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要包括列車狀態(tài)、線路監(jiān)控、當(dāng)前故障及故障預(yù)警。

（1）列車狀態(tài)

列車狀態(tài)模塊用于展示在線列車和離線列車的列車號(hào)、狀態(tài)、運(yùn)行模式、網(wǎng)壓、網(wǎng)流、終點(diǎn)站、當(dāng)前站、下一站、更新時(shí)間和故障信息，展示當(dāng)前故障，并可以查看某列車的故障列表。

用戶點(diǎn)擊列車號(hào)可以查看該列車的詳細(xì)信息，包括運(yùn)行狀態(tài)、通信狀態(tài)、牽引狀態(tài)、輔助狀態(tài)、制動(dòng)狀態(tài)和空調(diào)狀態(tài)，如圖4所示。

（2）線路監(jiān)控

線路監(jiān)控以圖形方式展示列車的運(yùn)行位置、速度、方向以及下一站等信息。

（3）當(dāng)前故障

當(dāng)前故障列表展示故障信息，包括列車號(hào)、車輛、故障代碼、故障描述、故障時(shí)間、車速、故障系統(tǒng)、故障處理指導(dǎo)、等級(jí)、類型、狀態(tài)信息，并能關(guān)聯(lián)明細(xì)和查看操作指南。用戶可以通過(guò)按列車號(hào)選擇和故障等級(jí)對(duì)當(dāng)前故障信息進(jìn)行過(guò)濾。

（4）故障預(yù)警

故障預(yù)警模塊列表展示故障預(yù)警信息，包括異常系統(tǒng)、異常設(shè)備名稱、異常設(shè)備狀態(tài)、預(yù)警故障等級(jí)、出現(xiàn)故障概率、預(yù)警故障描述以及應(yīng)急措施等信息。通過(guò)按列號(hào)選擇、異常系統(tǒng)和預(yù)警故障等級(jí)3個(gè)條件對(duì)故障預(yù)警信息進(jìn)行過(guò)濾，如圖5所示。

（5）分析統(tǒng)計(jì)

分析統(tǒng)計(jì)對(duì)列車的關(guān)鍵部件工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和處理，并可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示，便于對(duì)設(shè)備狀態(tài)做出正確的評(píng)估判斷，主要包括數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析、類車故障查詢、故障統(tǒng)計(jì)分析、故障操作指南以及列車運(yùn)營(yíng)里程。

①數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析

數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析模塊提供用戶對(duì)本列車的關(guān)鍵部件工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)查詢與可視化展示的功能。用戶可以選擇查看某個(gè)關(guān)鍵部件在某段時(shí)間內(nèi)的某種數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)使用波形圖對(duì)用戶選擇的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示。

圖表上面列出列車所有關(guān)鍵部件的重要變量，用戶可以使用多選的方式選擇需要查看的變量，在作圖區(qū)進(jìn)行統(tǒng)一查看。

②列車故障查詢

列車故障查詢模塊可以通過(guò)列車號(hào)、車輛、系統(tǒng)選擇、故障代碼、開始時(shí)間和截止時(shí)間過(guò)濾條件對(duì)列車故障信息進(jìn)行查詢，并以列表的形式進(jìn)行展示。通過(guò)明細(xì)和查看鏈接可以關(guān)聯(lián)故障信息的明細(xì)和操作指南。

③故障統(tǒng)計(jì)分析

故障統(tǒng)計(jì)分析模塊按列車號(hào)、統(tǒng)計(jì)類型、開始時(shí)間和截止時(shí)間過(guò)濾條件對(duì)牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、門控系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和PIS系統(tǒng)進(jìn)行故障分布統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果以餅狀圖的形式進(jìn)行可視化展示。

④故障操作指南

故障操作指南模塊用于提供列車故障的解決方案。該模塊以列表形式展示故障操作指南，包括車型、操作指南等信息，可以根據(jù)車型和故障代碼對(duì)故障操作指南進(jìn)行查詢。

3.2 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理的主要任務(wù)是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行綜合管理，管理員通過(guò)web登錄管理系統(tǒng)后，可以進(jìn)行用戶管理、角色管理、日志管理等操作。

結(jié)論

本文介紹了地鐵車輛列車數(shù)據(jù)分析與預(yù)警系統(tǒng)的開發(fā)和功能，系統(tǒng)極大地提高了車輛自身智能化診斷水平，通過(guò)對(duì)車輛運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，給出車輛設(shè)備故障預(yù)警信息；通過(guò)對(duì)車輛故障信息的統(tǒng)計(jì)分析，有效地提高車輛維修維護(hù)的針對(duì)性，同時(shí)降低車輛計(jì)劃修人力資源成本。

參考文獻(xiàn)

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