周韶澤,周允鑫,聶春戈,張海峰,崔凱
(1.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,遼寧 大連 116028; 2.中車長春軌道客車股份有限公司,吉林 長春 130062)*
隨著高速鐵路的快速發(fā)展,高速列車實時安全服役狀態(tài)的監(jiān)測顯得越發(fā)重要.為了保證列車運(yùn)營的安全,國內(nèi)對列車安全服役監(jiān)測及其數(shù)據(jù)可視化進(jìn)行了大量研究.浙江大學(xué)甄維超搭建了高速動車組傳感數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng),將系統(tǒng)產(chǎn)生的大量實時監(jiān)測數(shù)據(jù),利用可視化技術(shù)的圖形、圖像手段對數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示[1];西南交通大學(xué)郭倪宏對列車走行部軸承的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行降維簡約,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)可視化[2];西南交通大學(xué)黃國輝設(shè)計了基于GPS/GIS的鐵路搶險車定位監(jiān)測系統(tǒng),通過GPRS通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腉PS定位數(shù)據(jù)的處理,并結(jié)合VB和MapX組件技術(shù)實現(xiàn)實時監(jiān)測、信息查詢、歷史回放[3];西南交通大學(xué)郭宗昊設(shè)計了GPS和GIS相結(jié)合的區(qū)間列車定位可視化系統(tǒng),通過GSM-R網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)車地信息傳輸,采用GIS組件式開發(fā)定位可視化系統(tǒng),以VS和ArcGIS為開發(fā)工具,利用ArcGIS Engine開發(fā)組件庫,在NET環(huán)境下采用C#語言進(jìn)行編程開發(fā),完成系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)[4].然而,這些相關(guān)研究具有局限性:由于監(jiān)測數(shù)據(jù)如加速度、應(yīng)變等的實時采集頻率高而導(dǎo)致數(shù)據(jù)量巨大,難以滿足遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)可視化需求;跟蹤監(jiān)測多臺數(shù)采設(shè)備往往在各自車輛分散采集,難以反映在某一個地點、同一時刻各個采集量之間的相互關(guān)系;基于特定的應(yīng)用程序,多機(jī)更新和查看不方便,尤其不適于在當(dāng)今基于Web的移動端的應(yīng)用;長期跟蹤監(jiān)測后累積出海量數(shù)據(jù),難以進(jìn)行快速調(diào)取、分析和顯示.
本文提出并開發(fā)了基于Web的高速動車組結(jié)構(gòu)跟蹤監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng),并在CRH380CL為期兩年的結(jié)構(gòu)跟蹤監(jiān)測中得到成功運(yùn)用,為動車組長期跟蹤監(jiān)測提供了便捷、高效的一體化工具.通過可視化的圖形或圖表可以及時、直觀和快速的了解列車關(guān)鍵部位振動、受力和溫度情況,以及基于這些數(shù)據(jù)研究這些數(shù)據(jù)間的關(guān)系,對掌握列車運(yùn)行時的安全特性,認(rèn)識列車監(jiān)測部位隨地理位置和季節(jié)溫度變化等的服役規(guī)律,以及改進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有重要意義.
構(gòu)建跟蹤監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化層次結(jié)構(gòu),以數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理、傳輸作為框架的重要組成,將整個體系分為數(shù)據(jù)采集層、服務(wù)層與表現(xiàn)層,見圖1.
圖1 跟蹤監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化層次框架
(1)數(shù)據(jù)采集層
數(shù)據(jù)采集層是數(shù)據(jù)可視化的來源.數(shù)據(jù)采集模塊以NI CompactRIO硬件為載體,以LabVIEW軟件為編譯平臺,基于可重新配置的FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)模塊對列車運(yùn)行時的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行采集.數(shù)據(jù)的緩存與傳輸要通過車載RT(Real-Time) 實時控制器,將監(jiān)測數(shù)據(jù)本地存儲或遠(yuǎn)程發(fā)送[5].遠(yuǎn)程發(fā)送的數(shù)據(jù)要進(jìn)行特征值的計算并通過網(wǎng)絡(luò)模塊經(jīng)由3G網(wǎng)絡(luò)傳送到服務(wù)層.由于車載存儲的實時采集數(shù)據(jù)量巨大,需人工周期性定時拷貝到服務(wù)層進(jìn)行處理.
(2)服務(wù)層
服務(wù)層功能包括在線特征數(shù)據(jù)的接收和存儲,數(shù)據(jù)采集層原始數(shù)據(jù)的拷貝和存儲,原始數(shù)據(jù)特征值與規(guī)律性數(shù)據(jù)的存儲,以及提供給Web服務(wù)器的瀏覽檢索服務(wù).服務(wù)層的數(shù)據(jù)庫用來存儲在線、離線數(shù)據(jù)的特征值,原始數(shù)據(jù)的存儲位置和規(guī)律性數(shù)據(jù)等,等待Web服務(wù)器的調(diào)取請求.
(3)表現(xiàn)層
表現(xiàn)層的功能是在瀏覽器端對高速動車組采集的各項監(jiān)測數(shù)據(jù)整合、按需調(diào)取與同步可視化顯示.列車運(yùn)行時的動應(yīng)力、溫度、加速度和速度等數(shù)據(jù),利用Web數(shù)據(jù)可視化圖表工具處理和顯示,最終獲得在線、離線特征數(shù)據(jù)和規(guī)律性信息.結(jié)合高速動車組運(yùn)行的經(jīng)緯度數(shù)據(jù),以Web地圖的形式動態(tài)顯示在瀏覽器端.
高速動車組長期結(jié)構(gòu)跟蹤監(jiān)測所獲得的實時采集數(shù)據(jù)量巨大,單在每節(jié)車每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量就至少數(shù)GB.由于數(shù)據(jù)量巨大,為實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳送、在線可視化且能反映列車在運(yùn)營期間某一地理位置、某一時刻的情況,需要對實時采集數(shù)據(jù)進(jìn)行特征值的提取.特征值取值是生成服務(wù)器數(shù)據(jù)的重要步驟,是數(shù)據(jù)可視化的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段.重要步驟是數(shù)據(jù)可視化的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段.
在數(shù)采設(shè)備中,通過預(yù)處理數(shù)據(jù)程序,將實時采集的數(shù)據(jù)去除溫飄和低通濾波等步驟后,提取出在線特征值存入數(shù)采設(shè)備緩存,以提供給遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行發(fā)送.設(shè)固定時間間隔內(nèi)的數(shù)據(jù)總量N:
N=HS
(1)
式中,H為數(shù)據(jù)采集頻率;S為設(shè)置的取值間隔,單位為s.以S秒內(nèi)溫度、應(yīng)力和加速度的最大值、平均值和最小值的作為特征值取值:
(2)
(3)
(4)
式中,T為溫度;σ為應(yīng)力;a為加速度;N1、N2、N3為數(shù)據(jù)總量.σ由采集的應(yīng)變計算,
σ=Eε
(5)
式中,E為彈性模量,ε為應(yīng)變.
監(jiān)測數(shù)據(jù)特征值取值流程見圖2.在線特征值取值后,通過遠(yuǎn)程傳輸被存入服務(wù)器數(shù)據(jù)庫.跟據(jù)重點關(guān)注需要,還可將原始數(shù)據(jù)經(jīng)過人工數(shù)據(jù)預(yù)處理后,提取典型線路和典型日期的離線特征值.特征值取值后,由于數(shù)據(jù)量大大減少,有利于遠(yuǎn)程發(fā)送、快速存儲和瀏覽顯示.
圖2 監(jiān)測數(shù)據(jù)特征值的取值流程
由于高速動車組結(jié)構(gòu)跟蹤監(jiān)測數(shù)采設(shè)備多,且分散在各個車廂內(nèi),需要構(gòu)建采用時間戳的多源數(shù)據(jù)同步采集及可視化方法,步驟如下:
(1)利用車載數(shù)據(jù)采集設(shè)備的GPS模塊的授時功能,將采集的數(shù)據(jù)以統(tǒng)一時間戳記錄,獲得有統(tǒng)一時間戳的原始數(shù)據(jù).在每次采集設(shè)備啟動后,每隔一定周期(如半小時)通過GPS模塊校準(zhǔn)一次本地采集時間;
(2)從原始數(shù)據(jù)中,根據(jù)上一小節(jié)方法基于時間戳取得特征值數(shù)據(jù),并遠(yuǎn)程傳輸?shù)椒?wù)器存入數(shù)據(jù)庫中;
(3)數(shù)據(jù)可視化顯示時,通過Ajax異步讀取數(shù)據(jù).URL定義數(shù)據(jù)獲取地址,數(shù)據(jù)在HTTP下GET的請求,獲得預(yù)期定義數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù).各項數(shù)據(jù)以JSON這一輕量級的數(shù)據(jù)交換格式為輸出形式進(jìn)行輸出[6];
(4)獲取JSON格式的數(shù)據(jù)后,在Web動態(tài)圖表中實現(xiàn)動態(tài)圖表和折線的同步逐點刷新.在不重新刷新網(wǎng)頁的情況下,Ajax不斷從服務(wù)器端獲得各車的監(jiān)測數(shù)據(jù),根據(jù)相同的時間戳實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步可視化.GPS地理位置也由JSON數(shù)據(jù)格式返回,由Web地圖(如Google地圖、百度地圖、高德地圖等)同步顯示.
采集數(shù)據(jù)同步可視化見圖3.因為GPS授時精度高,守時能力強(qiáng),長期穩(wěn)定性好,所以由GPS產(chǎn)生的時間戳記錄適合于列車的長期跟蹤監(jiān)測及同步可視化.而采用JSON的數(shù)據(jù)形式輸出,提升了數(shù)據(jù)信息的傳輸效率,也便于圖表工具的解析.
圖3 采集數(shù)據(jù)同步可視化
監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)過特征值取值后,被發(fā)送到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫存儲.在接收遠(yuǎn)程發(fā)送的特征值數(shù)據(jù)過程中,由于3G信號強(qiáng)弱的問題可能存在延遲,所以跟蹤數(shù)據(jù)動態(tài)顯示需在服務(wù)器端經(jīng)過一段緩存時間后再進(jìn)行顯示.
在動態(tài)可視化端,依據(jù)不同監(jiān)測部位,不同預(yù)設(shè)警示閾值被設(shè)置到動態(tài)圖表中.在可視化圖表的初始化中,設(shè)定超過閾值時的警示顏色.當(dāng)監(jiān)測值超過閾值,曲線警示顯示在動態(tài)曲線上,同時,該警示值被記錄在數(shù)據(jù)庫中.例如,當(dāng)溫度和加速度監(jiān)測數(shù)據(jù)超過設(shè)定的閾值時,會高亮顯示警示數(shù)據(jù)的動態(tài)曲線點,記錄下此刻的警示值以及列車的地理位置GPS信息、速度等其他信息進(jìn)行下一步的處理.
如圖4為監(jiān)測數(shù)據(jù)處理流程.運(yùn)營過程中經(jīng)常產(chǎn)生警示值的時間段和路段,需要提取原始數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析.為了詳細(xì)了解產(chǎn)生警示數(shù)據(jù)的原因,調(diào)出原始數(shù)據(jù)基于地理位置、速度、室外溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析.還可以進(jìn)一步根據(jù)這些原始數(shù)據(jù),進(jìn)行等效應(yīng)力的計算、依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動疲勞壽命分析等.
圖4 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理流程
依據(jù)上文設(shè)計的可視化層次框架,基于B/S模式開發(fā)了高速動車組結(jié)構(gòu)跟蹤監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng),并以為期兩年的高速CRH380CL高速動車組設(shè)備艙關(guān)鍵結(jié)構(gòu)跟蹤監(jiān)測作為實例驗證該系統(tǒng).
系統(tǒng)采用Apache作為Web服務(wù)器、PHP作為Web腳本語言以及MySQL數(shù)據(jù)庫作為存儲數(shù)據(jù)庫構(gòu)建[7].其中,經(jīng)過處理生成的存儲的特征值數(shù)據(jù)以時間戳為首列,包括動應(yīng)力、溫度、加速度的最大值、平均值和最小值,以及對應(yīng)存儲的經(jīng)緯度坐標(biāo)、速度等.
Highstock是高效的Web前端可視化圖表工具,適合將動應(yīng)力、溫度、加速度等監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)折線圖進(jìn)行可視化.在可視化界面上,每個動態(tài)圖表分別對動應(yīng)力、溫度、加速度、列車速度、經(jīng)緯度數(shù)據(jù)進(jìn)行URL取值地址定義.各項數(shù)據(jù)的Ajax在循環(huán)下獲得JSON格式數(shù)據(jù).在y軸設(shè)置許用值報警線plotLines.當(dāng)動態(tài)加載的數(shù)據(jù)超過閾值時,以警示顏色高亮超過閾值的點顯示在圖表上,并將警示數(shù)據(jù)記錄存儲.
百度地圖API被采用作為跟蹤數(shù)據(jù)同步顯示的Web地圖[8].在各項跟蹤數(shù)值動態(tài)繪制時,以列車圖標(biāo)動態(tài)同步顯示列車地理位置.地圖的快速縮放功能,提供比當(dāng)前地圖更大范圍的視角,為關(guān)注列車運(yùn)行位置提供方便.
通過監(jiān)測數(shù)據(jù)各項數(shù)據(jù)快速同步同屏顯示,直觀獲得列車運(yùn)行中的關(guān)鍵監(jiān)測部位的運(yùn)行情況,實現(xiàn)列車監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化界面如圖5.在列車運(yùn)行時可以查看實時特征值動態(tài)曲線.在線和離線特征值歷史數(shù)據(jù)可以根據(jù)日期、小時等時間查詢和調(diào)取,并再現(xiàn)運(yùn)行時的跟蹤值和地理位置.系統(tǒng)能夠方便、形象和快速地瀏覽長期跟蹤監(jiān)測數(shù)據(jù),并能依托累積的原始監(jiān)測數(shù)據(jù)資源,進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)分析,開展更深入的研究.例如,根據(jù)某日期數(shù)據(jù),分析線路對車輛的運(yùn)行狀態(tài)、結(jié)構(gòu)的影響;不同季節(jié)溫度對設(shè)備艙溫度的影響,對結(jié)構(gòu)性能的影響等.
圖5 高速動車組監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化界面
應(yīng)用結(jié)果表明,系統(tǒng)可以適用于高速動車組的長期跟蹤監(jiān)測并進(jìn)行數(shù)據(jù)的可視化,為監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效使用提供高效工具.
通過構(gòu)建基于Web的高速動車組結(jié)構(gòu)跟蹤監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化三層結(jié)構(gòu),使用基于特征值與時間戳的數(shù)據(jù)取值方法,開發(fā)了可視化系統(tǒng),并在CRH380CL高速動車組設(shè)備艙關(guān)鍵結(jié)構(gòu)長期跟蹤監(jiān)測中進(jìn)行了應(yīng)用.高速動車組跟蹤監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化方法可提供快速瀏覽跟蹤監(jiān)測數(shù)據(jù),更充分利用累積的監(jiān)測數(shù)據(jù)資源的能力,為掌握列車運(yùn)行情況、總結(jié)運(yùn)行規(guī)律和改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計提供便捷、高效的一體化工具.