■劉 洋 李沛海 王遠(yuǎn)瑾

（1.重慶市軌道交通（集團(tuán)） 有限公司，重慶 401120；2.重慶長(zhǎng)征重工有限責(zé)任公司，重慶 400083）

隨著城市化發(fā)展進(jìn)程的加快，加上道路交通建設(shè)的不斷推進(jìn)， 使得城市人口越發(fā)呈現(xiàn)集中的趨勢(shì)，城市軌道交通車(chē)輛數(shù)量也因此處于不斷增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。 然而，大幅度增長(zhǎng)的車(chē)輛給車(chē)輛監(jiān)測(cè)工作造成了較大的壓力。 在未來(lái)的城市交通系統(tǒng)中，智能運(yùn)維平臺(tái)將占據(jù)重要位置[1]。 隨著智能運(yùn)維平臺(tái)的不斷發(fā)展，向著信息化與自動(dòng)化不斷進(jìn)步，智能運(yùn)維平臺(tái)的應(yīng)用已經(jīng)是交通行業(yè)關(guān)注重點(diǎn)[2]。 在近些年的研究建設(shè)中，智能運(yùn)維平臺(tái)在交通領(lǐng)域各方面都起到了巨大作用，例如：交通運(yùn)營(yíng)、交通監(jiān)控等[3]。由于城軌車(chē)輛工作性質(zhì)的原因， 過(guò)于頻繁啟動(dòng)、停車(chē)、加速、剎車(chē)，車(chē)輛的關(guān)鍵部件容易發(fā)生異常，使車(chē)輛運(yùn)行安全無(wú)法得到保障[4]。 城軌車(chē)輛作為城市居民運(yùn)輸?shù)闹匾ぞ撸?每天乘坐居民數(shù)量極大，其安全性、穩(wěn)定性是發(fā)展的根本。 因此，一套良好的車(chē)輛關(guān)鍵部件異常實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，是支撐城市交通發(fā)展的基礎(chǔ)。 本文通過(guò)對(duì)智能運(yùn)維平臺(tái)的分析，提出關(guān)于城軌車(chē)輛實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方法，希望可以提升城軌交通的安全性。

1 智能運(yùn)維平臺(tái)分析

智能運(yùn)維平臺(tái)，是指以自動(dòng)化、智能化的平臺(tái)為基礎(chǔ)，運(yùn)維工程師需要低成本、高質(zhì)量完成客戶需求[5]。 城軌車(chē)輛關(guān)鍵部位異常如果得不到及時(shí)監(jiān)測(cè)維修，極易造成停車(chē)、追尾、擁堵等交通事故，存在較大的安全隱患[6]。 在城軌交通中運(yùn)用智能運(yùn)維理念，數(shù)據(jù)的收集與存儲(chǔ)是最基礎(chǔ)的項(xiàng)目，強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)是保證城軌交通車(chē)輛質(zhì)量安全。 智能運(yùn)維是將多種先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行有效融合，其中包括通信、計(jì)算機(jī)、電子器件等。 將智能運(yùn)維應(yīng)用在城市交通管理中，在保證了應(yīng)用范圍廣、作用大的同時(shí)，還確保了應(yīng)用中的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性。

在城軌車(chē)輛運(yùn)行中，應(yīng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，合理制定維修策略，在保證車(chē)輛安全的基礎(chǔ)上，延長(zhǎng)車(chē)輛生命周期，以達(dá)到運(yùn)營(yíng)的可持續(xù)發(fā)展，并最優(yōu)化配置資源[7-8]。 隨著對(duì)車(chē)輛監(jiān)測(cè)問(wèn)題的重視程度不斷加強(qiáng)，現(xiàn)已可以將智能設(shè)備放置于車(chē)輛頂部、底部、側(cè)面， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛關(guān)鍵部件的異常實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；在大數(shù)據(jù)支持下， 對(duì)城軌車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行掌握，保障車(chē)輛的運(yùn)行順暢[9-10]。

2 基于智能運(yùn)維的城軌車(chē)輛關(guān)鍵部件異常實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

為了保證城軌交通安全、可持續(xù)發(fā)展，以智能運(yùn)維系統(tǒng)平臺(tái)為基礎(chǔ)，通過(guò)各設(shè)備系統(tǒng)故障對(duì)車(chē)輛運(yùn)行的影響分析，以及智能化建設(shè)成本研究，進(jìn)行城軌車(chē)輛關(guān)鍵部件的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[11-12]；其中關(guān)鍵部件包括高壓部、變流器、牽引電機(jī)等，這些部件是列車(chē)“能量流”和“動(dòng)力鏈”轉(zhuǎn)換的核心部件。 數(shù)據(jù)是智能運(yùn)維背景下城軌車(chē)輛部件異常監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)。 因此，在整個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中，先進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)，再構(gòu)建ACE 框架、制定異常判別標(biāo)準(zhǔn)、優(yōu)化部件異常判別，這3 個(gè)步驟完成了對(duì)車(chē)輛的監(jiān)測(cè)工作，最后通過(guò)平臺(tái)展示監(jiān)測(cè)結(jié)果，整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 城軌車(chē)輛異常監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 車(chē)輛部件數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)采集主要指的是城軌車(chē)輛關(guān)鍵部件信息數(shù)據(jù)的收集，并與車(chē)輛外部放置的外場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊， 從而確保對(duì)關(guān)鍵部件數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性，保證城軌車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)[13-14]。 在保持通訊的前提下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中需要保證外場(chǎng)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)之間的連通性， 才能有效采集部件信息。車(chē)輛部件數(shù)據(jù)采集的流程如圖2 所示。

圖2 車(chē)輛部件數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集主要依靠采集服務(wù)器，通過(guò)服務(wù)器對(duì)車(chē)輛關(guān)鍵部件狀態(tài)、信息進(jìn)行收集，采集完成后將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。 采集信息一般會(huì)隨著車(chē)輛實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況的變化而改變，屬于實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)。 負(fù)責(zé)信息采集的服務(wù)器在建立正常通訊后，將進(jìn)行初始化工作，連接數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過(guò)計(jì)時(shí)器設(shè)定數(shù)據(jù)采集周期，采集完成后發(fā)送指令給外場(chǎng)設(shè)備。 外場(chǎng)設(shè)備將發(fā)送設(shè)備的類(lèi)型、運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，并把信息解析后整理至數(shù)據(jù)庫(kù)保存。

而數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的核心就是將采集的數(shù)據(jù)按照邏輯進(jìn)行存儲(chǔ)， 在這個(gè)過(guò)程中需要注意2 個(gè)重點(diǎn)：一是要按照實(shí)際需求來(lái)規(guī)劃數(shù)據(jù)庫(kù)；二是要將數(shù)據(jù)盡量簡(jiǎn)便處理，以減輕數(shù)據(jù)維護(hù)難度。 此外，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)還有一個(gè)作用就是允許用戶對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。

2.2 構(gòu)建數(shù)據(jù)處理框架

在城軌車(chē)輛關(guān)鍵部件異常實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中，主要目標(biāo)是對(duì)車(chē)輛部件的異常分析。 在獲取部件實(shí)時(shí)有效數(shù)據(jù)后，需要選擇合適的算法，完成對(duì)車(chē)輛部件異常判別工作。 因此，對(duì)于異常判別算法的要求較為嚴(yán)苛，而構(gòu)建的框架決定了算法的選取。 在構(gòu)建框架時(shí)， 本文選擇的是最為流行的c++開(kāi)發(fā)框架Adaptive Communication Environment， 簡(jiǎn)稱為ACE框架。 該框架在車(chē)輛部件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的要求有：（1）多線程，通過(guò)多線程對(duì)socket 或者數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，同步是其中最需要思考的問(wèn)題。 當(dāng)多個(gè)部件檢測(cè)設(shè)備同時(shí)進(jìn)行請(qǐng)求，可以通過(guò)多線程完成ACE框架的并發(fā)機(jī)制處理。 （2）在業(yè)務(wù)處理方面，應(yīng)將異常判別算法的c++實(shí)現(xiàn)作為重點(diǎn)處理工作。（3）事件分離，多個(gè)部件檢測(cè)設(shè)備同時(shí)請(qǐng)求時(shí)，采用ACE 分離機(jī)制處理，提高運(yùn)行效率。 以上述內(nèi)容為需求構(gòu)建的ACE 框架， 可以較好地實(shí)現(xiàn)部件異常監(jiān)測(cè)功能。 構(gòu)建ACE 框架過(guò)程中，有一個(gè)需要重視的環(huán)節(jié)就是處理中心類(lèi)，在初始化數(shù)據(jù)庫(kù)、部件實(shí)例創(chuàng)建、分析線程設(shè)備啟動(dòng)方面都發(fā)揮巨大作用。 在處理中心類(lèi)中，包含3 個(gè)接口，每個(gè)接口都有相應(yīng)的負(fù)責(zé)工作內(nèi)容：一是DbInit（）接口，其職責(zé)是完成初始化數(shù)據(jù)庫(kù)工作，還有數(shù)據(jù)庫(kù)與occi 環(huán)境的連接；二是CreateDevAlarm（）接口，該接口的職責(zé)是需要同時(shí)進(jìn)行多個(gè)部件實(shí)例的創(chuàng)建； 三是DevAnalysis U 函數(shù)接口，其工作內(nèi)容在于將CreateDevAlarm（）接口創(chuàng)建的實(shí)例進(jìn)行分析線程的執(zhí)行工作。 當(dāng)ACE 框架構(gòu)建完成后即可投入運(yùn)用。

除此之外，后臺(tái)報(bào)警程序的開(kāi)發(fā)，需根據(jù)各部件的異常判斷方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。 在數(shù)據(jù)庫(kù)同監(jiān)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行聯(lián)系的過(guò)程中，ACE 的線程等待也不可或缺；而線程作為處理函數(shù)的主動(dòng)對(duì)象具有異步性特點(diǎn)。

2.3 制定異常判別標(biāo)準(zhǔn)

在ACE 框架搭建完成之后， 檢測(cè)系統(tǒng)的輪廓就大致呈現(xiàn)。 隨后進(jìn)行部件異常判別標(biāo)準(zhǔn)的制定，為以后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析提供模板，后續(xù)的分析工作便可依據(jù)模板流程推進(jìn)。 城軌車(chē)輛關(guān)鍵部件異常判斷需針對(duì)3 方面進(jìn)行分析： 網(wǎng)絡(luò)連接正常與否、車(chē)輛部件數(shù)據(jù)讀取是否正常、采集到數(shù)據(jù)與常規(guī)數(shù)據(jù)是否相符；以此作為標(biāo)準(zhǔn)制定的依據(jù)，本文設(shè)計(jì)了報(bào)警基類(lèi)CBaseAlarm 及一些子類(lèi)， 子類(lèi)分別對(duì)應(yīng)車(chē)輛的關(guān)鍵部件。 在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過(guò)程中， 基類(lèi)CBaseAlarm 負(fù)責(zé)接口的功能。表1 為基類(lèi)接口的定義與功能。

表1 接口的定義及功能

2.4 優(yōu)化部件異常判別

車(chē)輛關(guān)鍵部件異常實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其本質(zhì)在于部件異常判斷技術(shù)。 部件異常判斷的依據(jù)是特征提取，也就是通過(guò)數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)模塊實(shí)現(xiàn)后的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行有效分析數(shù)據(jù)的提取，將冗余數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除。然而。由于城軌車(chē)輛部件信息繁多、功能復(fù)雜，使得采集的數(shù)據(jù)依舊存在一部分的不相關(guān)或不重要數(shù)據(jù)。 如果進(jìn)行特征提取時(shí)，使用這部分冗余數(shù)據(jù)，會(huì)造成資源消耗增加。 作為異常判斷技術(shù)的重要環(huán)節(jié)，特征提取是整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程的導(dǎo)向。 部件異常判斷算法的優(yōu)化， 也要通過(guò)基類(lèi)的3 個(gè)接口來(lái)實(shí)現(xiàn)。

首先是NetPing 接口， 其主要作用在于查看網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)。 這個(gè)接口的實(shí)現(xiàn)方式在于IP 地址是否能ping 通，如果ping 通正常，就代表網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)良好。 反之，即表示部件出現(xiàn)異常。 Ping 的進(jìn)行，依靠的是網(wǎng)絡(luò)IP 協(xié)議，通過(guò)報(bào)文的數(shù)量、時(shí)間間隔等相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)判別。

其次是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析接口，第1 步將各個(gè)部件的相關(guān)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀?。?第2 步對(duì)數(shù)據(jù)ID進(jìn)行判斷，當(dāng)數(shù)據(jù)沒(méi)有顯示為空的狀態(tài)下，代表部件正常，當(dāng)數(shù)據(jù)顯示為空，代表部件出現(xiàn)異常；第3 步對(duì)比異常情況與報(bào)警表異常記錄，檢查所出現(xiàn)情況是否已經(jīng)做了記錄。 沒(méi)有記錄的情況下，將異常補(bǔ)充進(jìn)去，如果有過(guò)記錄，就要檢查現(xiàn)在與之前的報(bào)警等級(jí)是否相同；第4 步觀察報(bào)警等級(jí)，報(bào)警等級(jí)相同不用處理，等級(jí)出現(xiàn)變化時(shí)應(yīng)及時(shí)更新。

最后是關(guān)于報(bào)警信息入庫(kù)的實(shí)現(xiàn)。 需要將接口與數(shù)據(jù)庫(kù)相連接， 接口中包含返回結(jié)果集查詢、數(shù)據(jù)庫(kù)的插入等，將相關(guān)接口通過(guò)occi 進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。 先利用Connection 類(lèi)對(duì)象完成一個(gè)對(duì)象的生成，再進(jìn)行數(shù)據(jù)循環(huán)填充。 循環(huán)結(jié)束后，將生成的對(duì)象批量插入數(shù)據(jù)庫(kù)，最后完成事務(wù)提交。 在過(guò)程中加入異常檢錯(cuò)代碼，從而進(jìn)行部件異常信息捕捉。 通過(guò)以上所有步驟，完成車(chē)輛部件異常監(jiān)測(cè)工作。

2.5 展示監(jiān)測(cè)結(jié)果

在實(shí)現(xiàn)城軌車(chē)輛關(guān)鍵部件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)后，還需設(shè)置一個(gè)平臺(tái)將監(jiān)測(cè)結(jié)果展示出來(lái)，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到異常信息時(shí)，工作人員可以通過(guò)可視化操作進(jìn)一步判斷關(guān)鍵部件的狀態(tài)， 有利于后期的異常運(yùn)維處理。監(jiān)測(cè)平臺(tái)按照系統(tǒng)的要求，以表格形式詳細(xì)展示監(jiān)測(cè)結(jié)果和報(bào)警信息；平臺(tái)展示是監(jiān)測(cè)工作與運(yùn)維工作的連接點(diǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)快速高效溝通。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

為驗(yàn)證本文所提出監(jiān)測(cè)方法的有效性，采用同一輛城市軌道車(chē)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證。 首先采用視頻監(jiān)測(cè)方法， 通過(guò)攝像機(jī)采集城軌車(chē)輛部件實(shí)時(shí)圖像，由處理器處理， 以監(jiān)測(cè)車(chē)輛關(guān)鍵部件的異常情況；共進(jìn)行5 次監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)同時(shí)增加檢測(cè)的關(guān)鍵部件數(shù)量，記錄其檢測(cè)結(jié)果；然后利用微波監(jiān)測(cè)方法，在車(chē)輛上設(shè)置發(fā)射天線和發(fā)射接收器，通過(guò)低能量的連續(xù)頻率調(diào)制微波信號(hào)發(fā)射，根據(jù)回波信號(hào)對(duì)車(chē)輛不同部件情況進(jìn)行檢測(cè)， 同樣進(jìn)行5 次實(shí)驗(yàn)，監(jiān)測(cè)部件依次增加，記錄監(jiān)測(cè)情況；最后采用本文所提出的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法， 提前的采集與存儲(chǔ)部件相關(guān)數(shù)據(jù)，在關(guān)鍵部件附近放置相關(guān)設(shè)備，根據(jù)設(shè)備實(shí)時(shí)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行后臺(tái)分析， 判斷部件異常情況，與前2 種方法相同，也進(jìn)行5 次測(cè)驗(yàn)，并記錄了監(jiān)測(cè)結(jié)果。 經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，3 種方法的監(jiān)測(cè)情況如表2 所示。

表2 3 種方法的監(jiān)測(cè)結(jié)果

通過(guò)表2 可知，3 種監(jiān)測(cè)方法在監(jiān)測(cè)條件與監(jiān)測(cè)部件數(shù)量完全相同的情況下，傳統(tǒng)視頻監(jiān)測(cè)與微波監(jiān)測(cè)方法隨著監(jiān)測(cè)部件數(shù)量的增加，其準(zhǔn)確度不斷下降，從一開(kāi)始監(jiān)測(cè)2 個(gè)部件時(shí)，視頻監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度為87%，微波監(jiān)測(cè)為94%，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度為96%。 隨后2 種傳統(tǒng)方法準(zhǔn)確度不斷下降，直到同時(shí)監(jiān)測(cè)10 個(gè)部件時(shí)，視頻監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率下降至57%。微波監(jiān)測(cè)降至65%， 而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法并未受到影響， 無(wú)論監(jiān)測(cè)數(shù)量如何變化， 其準(zhǔn)確度均保持在90%以上。 因此可以得出結(jié)論，本文所提出的城軌車(chē)輛關(guān)鍵部件異常實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法在實(shí)際應(yīng)用中是更加有效的，可在同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)部件時(shí)仍舊保持其監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度；該方法是以數(shù)據(jù)為依托，基于智能運(yùn)維平臺(tái)設(shè)計(jì)出的監(jiān)測(cè)方法，有利于檢測(cè)工作的順利進(jìn)行與監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度的提升， 保證城軌車(chē)輛安全、可靠發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以智能運(yùn)維平臺(tái)為基礎(chǔ)，對(duì)城軌車(chē)輛關(guān)鍵部件異常實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)行探究，在明確監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀后提出了新的監(jiān)測(cè)方法，并經(jīng)由實(shí)驗(yàn)論證，認(rèn)為該方法實(shí)際應(yīng)用效果良好， 可加強(qiáng)城軌車(chē)輛監(jiān)測(cè)力度，推進(jìn)智能運(yùn)維平臺(tái)的應(yīng)用，保證城市交通安全發(fā)展。