張郁 鄒勁柏 張海娟

摘 要：城市軌道交通道岔運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能有效提高列車運(yùn)行安全性，并大幅度減少人工成本。從線纜傳輸帶寬受限角度出發(fā)，提出一種基于 消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議（MQTT ）的城市軌道交通道岔安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)?shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行分類并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配。利用圖論的最短路徑算法，實(shí)現(xiàn)信息的高效傳輸。利用 MQTT 協(xié)議輕量特性，優(yōu)化了多數(shù)據(jù)并發(fā)的傳輸性能，改善現(xiàn)場(chǎng)傳輸帶寬受限的不足，提高系統(tǒng)工作效率。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;消息隊(duì)列;遙測(cè)傳輸協(xié)議;道岔;監(jiān)測(cè);系統(tǒng)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U284.5

0 引言

城市軌道交通線路日益擴(kuò)增，日常往往承擔(dān)較高密度的運(yùn)量。道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)作為信號(hào)聯(lián)鎖設(shè)備的重要組成部分，其運(yùn)行工作狀況直接影響著行車安全，因此對(duì)道岔的運(yùn)用質(zhì)量與狀態(tài)穩(wěn)定性要求也越來越高。為更好地實(shí)現(xiàn)城市軌道交通道岔缺口監(jiān)控，需要高安全可靠性、高抗干擾性、實(shí)時(shí)有效的監(jiān)控反饋。

目前，鐵路的道岔缺口監(jiān)控傳輸普遍采用電纜低帶寬傳輸技術(shù)長(zhǎng)距離傳輸缺口動(dòng)態(tài)音視頻信息，基本滿足圖像識(shí)別、測(cè)量判斷和人工觀測(cè)記錄的要求。然而，傳統(tǒng)人工查看和二代數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足業(yè)務(wù)需求，多傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)能更好地保障道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)所處環(huán)境的安全，以及動(dòng)作信息的準(zhǔn)確性和可靠性。但在實(shí)際城市軌道交通環(huán)境下，道岔缺口監(jiān)控主要存在轉(zhuǎn)轍機(jī)信號(hào)控制線纜傳輸帶寬受限的問題，隨著線路的延長(zhǎng)，距離站內(nèi)控制室較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)可能存在信息傳輸不穩(wěn)定的情況，多線路數(shù)據(jù)并發(fā)可能存在時(shí)延或丟包現(xiàn)象。目前道岔監(jiān)測(cè)的相關(guān)研究主要針對(duì)設(shè)備端的數(shù)據(jù)處理或客戶端的后臺(tái)數(shù)據(jù)分析，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)帶寬受限又不宜過多鋪設(shè)同軸電纜等工況研究較少。

本文主要考慮提高道岔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，提出基于物聯(lián)網(wǎng)輕量化協(xié)議的道岔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)質(zhì)量以及高效性提出優(yōu)化措施，以提高整體工作效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

道岔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)主要分為室內(nèi)設(shè)備和室外設(shè)備2部分?，F(xiàn)場(chǎng)室外設(shè)備端通過各類傳感器（溫濕度、振動(dòng)液壓、油位及啟動(dòng)傳感器）采集數(shù)據(jù)，由MQTT實(shí)現(xiàn)訂閱、發(fā)布模式的及時(shí)通信。服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)搭建數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)后臺(tái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理分析。系統(tǒng)自動(dòng)推送報(bào)警信息，站內(nèi)主機(jī)對(duì)各類傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，存儲(chǔ)并分析歷史數(shù)據(jù)，生成統(tǒng)計(jì)報(bào)表以便維護(hù)。

2 信號(hào)線纜性能分析

城市軌道交通線路中鋪設(shè)的線纜是鐵軌中各設(shè)備之間的傳輸紐帶，承擔(dān)電力傳送、控制信號(hào)傳輸任務(wù)。道岔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的電纜主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)備電力以及簡(jiǎn)單控制信號(hào)的輸送，但傳統(tǒng)道岔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無法滿足多傳感器數(shù)據(jù)以及圖像信息的傳輸需求。為更好地利用既有線路并滿足新一代道岔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求，本文對(duì)既有傳輸信號(hào)線纜做出性能分析，并提出多層面的對(duì)策以實(shí)現(xiàn)受限帶寬下系統(tǒng)性能的穩(wěn)固。

目前城市軌道交通信號(hào)電纜適用于額定電壓交流500 V或直流1 000 V，在站內(nèi)選用四線組對(duì)絞線成對(duì)的電纜，采用SPTYWA23型數(shù)字綜合護(hù)套電纜，線纜結(jié)構(gòu)如圖2所示。

衰減是信號(hào)控制電纜最重要的特性之一，主要由于導(dǎo)體本身和絕緣介質(zhì)有損而產(chǎn)生，線纜的衰減可以明確反應(yīng)線纜的傳輸能力，一般衰減都與傳輸信號(hào)的頻率成正比，同時(shí)隨著線纜長(zhǎng)度增加而增大。通常α表示衰減常數(shù)，單位為dB/100 m。

信號(hào)控制線纜衰減計(jì)算如下：

（1）

式（1）中， R為線纜的電阻，Ω; C為線纜的等效電容，F(xiàn); L為線纜回路電感，H; G為線纜的絕緣電導(dǎo)，S。

信號(hào)控制電纜的電阻R為：

R = ρ×Ll / S? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式（2）中，? ρ為線纜的電阻率，Ω · mm2 / m; Ll為線纜長(zhǎng)度，m; S為線纜的橫截面積，mm2。

由于信號(hào)控制電纜的性能還受溫度影響（標(biāo)準(zhǔn)為20 ℃），所以電阻滿足如下公式：

（3）

式（3）中，t表示溫度，℃; R20為標(biāo)準(zhǔn)溫度20 ℃下的電阻值，Ω; Rt為任意溫度下的電阻值，Ω; αt為電阻的溫度系數(shù)，一般為0.00393。

在實(shí)際應(yīng)用中，我們可以換算得出衰減常數(shù)α為：

（4）

式（4）中，為阻抗匹配時(shí)的最大功率與實(shí)際輸入功率之比。

測(cè)量計(jì)算在標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃下線纜的電阻值，假設(shè)電阻率ρ = 0.0173Ω · mm2 / m;線纜長(zhǎng)度Ll= 1000m;截面積 ;實(shí)測(cè)電阻Rt = 84.59Ω。同時(shí)假設(shè)電容C = 49.42×10-6F;線纜回路電感L = 4.1154×10-5H;線纜的電導(dǎo)G =10-11f×3.11S， f為傳輸頻率;可計(jì)算出當(dāng)Rt = 84.59Ω時(shí)，衰減a = 4.234dB / 100m。

通過計(jì)算可以了解到，隨著信號(hào)控制線纜長(zhǎng)度的增加，傳輸性能衰減明顯增大，道岔監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離站內(nèi)主機(jī)越遠(yuǎn)，傳輸性能越差，帶寬越受限。根據(jù)實(shí)際需求，下文提出一種適用于窄帶傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)輕量化協(xié)議MQTT，以解決系統(tǒng)長(zhǎng)距離帶寬受限的困擾。

3 MQTT

3.1 MQTT 簡(jiǎn)介

MQTT是一種多應(yīng)用于各種物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的應(yīng)用層協(xié)議，以訂閱/發(fā)布模式實(shí)現(xiàn)輕量化通信，構(gòu)建于傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（TCP/IP）協(xié)議之上。面對(duì)低帶寬、網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，優(yōu)勢(shì)突出。MQTT設(shè)計(jì)精簡(jiǎn)，只需創(chuàng)建客戶端即可連接通信，可縮減協(xié)議頭大小、減少傳輸量。針對(duì)監(jiān)控設(shè)備的實(shí)時(shí)性建立連續(xù)會(huì)話，出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)異常等故障可斷線重連，數(shù)據(jù)格式靈活，且提供對(duì)網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層以及應(yīng)用層的安全特性。通過MQTT消息代理者通信來實(shí)現(xiàn)信息交互，對(duì)不同服務(wù)實(shí)現(xiàn)解耦。

系統(tǒng)中道岔監(jiān)測(cè)裝置作為發(fā)布者，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)作為消息代理，而室內(nèi)主機(jī)為訂閱者。訂閱/發(fā)布通信模式示意如圖3所示。

3.2 MQTT 特性

目前針對(duì)設(shè)備環(huán)境受限的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層協(xié)議主要包括MQTT、受限應(yīng)用協(xié)議（COAP）以及可擴(kuò)展通信和表示協(xié)議（XMPP）等，在同等競(jìng)爭(zhēng)下，MQTT以其特有的優(yōu)勢(shì)得到了更廣泛的應(yīng)用。

3.2.1 訂閱/發(fā)布模式

訂閱/發(fā)布模式通過代理服務(wù)器可高度解耦發(fā)布和訂閱者之間的關(guān)聯(lián)，無需直接聯(lián)系，客戶端之間可以一對(duì)一、一對(duì)多和多對(duì)多方式進(jìn)行雙向流通信。

3.2.2 消息格式精簡(jiǎn)

MQTT數(shù)據(jù)包基于二進(jìn)制格式實(shí)現(xiàn)，固定報(bào)頭最少只有2個(gè)字節(jié)，沒有應(yīng)用消息頭，最大程度減少了網(wǎng)絡(luò)流量。該協(xié)議支持14種不同的消息類型，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求選擇對(duì)象簡(jiǎn)譜（JSON）、字符串或二進(jìn)制等不同類型報(bào)文，數(shù)據(jù)包格式如圖4所示。

3.2.3 心跳和遺囑機(jī)制

MQTT客戶端與服務(wù)器之間可通過報(bào)文發(fā)送實(shí)現(xiàn)會(huì)話的長(zhǎng)連接，同時(shí)可以設(shè)置心跳時(shí)間。特有遺囑機(jī)制保證MQTT應(yīng)用客戶端在發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)可實(shí)現(xiàn)斷線自愈，消息也不會(huì)丟失，不同于HTTP等協(xié)議需要刷新重新連接。

3.2.4 提高消息服務(wù)質(zhì)量

MQTT對(duì)比其他協(xié)議的一大優(yōu)勢(shì)就是提供3種不同的消息服務(wù)質(zhì)量（Qos）等級(jí)，如表1所示，與消息類型（Message Type）一同存在于固定報(bào)文的第一字節(jié)中，可對(duì)不同的主題訂閱提供不同的服務(wù)質(zhì)量，主要依據(jù)不同消息的可靠性需求。

通過多協(xié)議特征對(duì)比，如表2所示，可以看出，在道岔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中采用輕量化協(xié)議MQTT 通信，優(yōu)勢(shì)突出且適用于在可靠性低的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行低帶寬傳輸，并具備極大的可擴(kuò)展性。同時(shí)作為標(biāo)準(zhǔn)化物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，其適用于多物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，可滿足未來智能化軌道交通發(fā)展需求。

4 系統(tǒng)優(yōu)化

本文在充分考慮帶寬有限的條件下，還要實(shí)現(xiàn)傳輸資源的有效均衡，所以針對(duì)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提出最短路徑算法，以提高傳輸效率。

4.1 最短路徑算法

最短路徑是圖論與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)合的常用算法，常用于地理位置系統(tǒng)、工程規(guī)劃、軌道交通網(wǎng)絡(luò)以及傳感網(wǎng)絡(luò)中。由于城市軌道交通現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境多樣，線路較長(zhǎng)，道岔監(jiān)控節(jié)點(diǎn)設(shè)置以道岔轉(zhuǎn)折點(diǎn)為準(zhǔn)，多樣式組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了道岔監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)之間信息傳輸?shù)娜哂啾Ｕ?，易于擴(kuò)展且故障隔離較容易。將線纜連接的道岔監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)為網(wǎng)絡(luò)圖的各頂點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)之間的路線設(shè)為無向圖的邊，這樣各個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸問題就轉(zhuǎn)化為了最短路徑問題，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D5所示。

最短路徑算法的基本思想為：取定兩個(gè)集合S和E，集合S中放置已處理的頂點(diǎn)，集合E中存放未被處理的頂點(diǎn)。初始狀態(tài)下，集合S中只存放起點(diǎn)V1，通過對(duì)相鄰點(diǎn)的遍歷，從集合E中取出至V1路徑最短的頂點(diǎn)并入集合S，重復(fù)遍歷、取值并修改更新集合，滿足兩點(diǎn)之間最短路徑的頂點(diǎn)都并入集合S。

假設(shè)上述拓?fù)鋱D節(jié)點(diǎn)V7為站內(nèi)主機(jī)，V1至V7為站臺(tái)左側(cè)道岔監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)拓?fù)鋱D，利用MATLAB仿真最短路徑如圖6所示，算法流程如下。

（1）首先設(shè)置集合S ={V1}，E ={未處理的其余頂點(diǎn)}，設(shè)W為頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的距離值即權(quán)值。設(shè)置稀疏矩陣G = sparse（S，E，W）建立有向圖P。

（2）初始認(rèn)定若存在，而H（V1，Vi）為邊上的權(quán)值;如果不存在，則權(quán)值H（V1，Vi）為∞。

（3）求節(jié)點(diǎn)V1到Vi的最小值，從集合E中選取1 個(gè)距離值最小且不在集合S中的頂點(diǎn)Vk（k≤7），加入集合S。

（4）將Vk作為中間點(diǎn)，對(duì)集合E中頂點(diǎn)的距離值進(jìn)行修改，若從起點(diǎn)V1到頂點(diǎn)Vi的距離（經(jīng)過頂點(diǎn)Vk）比原來距離（不經(jīng)過頂點(diǎn)Vk）短，則修改距離值。

（5）重復(fù)上述步驟3、步驟4，遍歷所有鄰點(diǎn)，直到集合S中包含所有頂點(diǎn)。

4.2 時(shí)分多址技術(shù)

道岔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中組網(wǎng)配置的單主機(jī)可能需要掛載20臺(tái)監(jiān)測(cè)設(shè)備，因每個(gè)道岔監(jiān)測(cè)點(diǎn)有多傳感器數(shù)據(jù)以及視頻圖像信息，同時(shí)考慮多數(shù)據(jù)并發(fā)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)可靠性的高要求，突發(fā)報(bào)警信息的第一時(shí)間到達(dá)顯得尤為重要，故而提出結(jié)合時(shí)分多址技術(shù)，對(duì)不同級(jí)別數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配。

在整個(gè)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，除了保證將列車進(jìn)路道岔變動(dòng)時(shí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確高效傳輸至客戶端外，還須將各個(gè)道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也要保障實(shí)時(shí)上傳。當(dāng)出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時(shí)，更應(yīng)該保障將這類數(shù)據(jù)可靠、及時(shí)地推送至客戶端。

考慮列車過車前道岔轉(zhuǎn)換是否到位直接關(guān)乎行車安全，故提出在傳感器數(shù)據(jù)沒有超過安全閾值時(shí)，以圖像信息為第一優(yōu)先級(jí)分配時(shí)隙傳輸;若傳感器數(shù)據(jù)異常，則將預(yù)警信息視為第一優(yōu)先級(jí)分配時(shí)隙傳輸。同一線路多個(gè)道岔，每個(gè)道岔也有多個(gè)信息需要傳輸，優(yōu)先處理安全預(yù)警信息，有效避免多數(shù)據(jù)并發(fā)情況下的信息堵塞，提高了整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠性。道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)狀態(tài)監(jiān)控信息優(yōu)先傳輸原理如圖7所示。

5 結(jié)語

本文通過對(duì)既有線路道岔缺口監(jiān)控設(shè)備現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研，進(jìn)一步完善道岔缺口監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)，采用更適用于低帶寬、不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的物聯(lián)網(wǎng)輕量化協(xié)議，解決系統(tǒng)抗干擾性能差、損壞和網(wǎng)絡(luò)化管理誤報(bào)多等問題;并根據(jù)數(shù)據(jù)重要性進(jìn)行分類，動(dòng)態(tài)分配時(shí)隙，進(jìn)一步優(yōu)化了數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)質(zhì)量，提高了整體運(yùn)營(yíng)效率;提出利用最短路徑算法改善不同道岔監(jiān)測(cè)點(diǎn)到室內(nèi)終端的傳輸效率，形成一套閉環(huán)且高效的傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，且傳輸網(wǎng)路具備高度自愈性。

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收稿日期 2019-08-10

責(zé)任編輯 孫銳嬌

Optimization of turnout safety monitoring system based on MQTT protocol

Zhang Yu， Zou Jinbai， Zhang Haijuan

Abstract： The real-time monitoring of rail transit turnout operation effectively improves the safety of train operation and greatly reduces the labor cost. From the point of view of limited cable transmission bandwidth， this paper proposes a rail transit turnout safety monitoring system based on MQTT protocol， which classifies data priority and realizes dynamic slot allocation. The shortest path algorithm of graph theory is used to realize the efficient transmission of information. By using the light-weight characteristics of MQTT protocol， the transmission performance of multi data concurrency is optimized， both the limitation of field transmission bandwidth and the working efficiency of the system is improved.

Keywords： message sequence， telemetry transmission protocol， turnout， monitoring， system optimization