曾高平，王 磊

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

2020年，中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布了《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》[1]。綱要明確了以云計算、大數(shù)據(jù)[2]等新興信息技術與城市軌道交通（簡稱“城軌”）深度融合為主線，推進城軌信息化、發(fā)展智能系統(tǒng)、建設智慧城軌的發(fā)展路徑[3-4]。隨著運營線路和運營里程的增加，運營規(guī)模的持續(xù)增長給城軌運營單位帶來了一系列的挑戰(zhàn)，如對設備狀態(tài)評估、故障診斷、故障預測及維修模式等提出了更多、更高的要求[5]。列車狀態(tài)在途監(jiān)測屬于車輛運維中的一個重要板塊，其主要通過采集列車的實時數(shù)據(jù)對列車的行駛狀態(tài)、關鍵系統(tǒng)運行狀態(tài)進行監(jiān)測，實現(xiàn)對列車的狀態(tài)感知。城軌運營單位通過借助車輛的實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對車輛的實時監(jiān)測、故障預警、應急響應、維修決策等目標[6-7]，構建智能運維體系[8-9]以提升列車運營[10]的質量。因此，基于列車數(shù)據(jù)并結合運營實際需求，構建一套列車實時數(shù)據(jù)處理及快速應用的架構尤為重要。本文通過對實時數(shù)據(jù)的特征進行深入分析，基于大數(shù)據(jù)、微服務等技術，構建一套高效、輕量的實時數(shù)據(jù)處理架構，并支撐對城軌列車的實時監(jiān)測，應急響應等應用功能，進而提升地鐵公司對列車的掌控能力。

1 實時數(shù)據(jù)處理

在列車運營過程中，車載設備周期性地采集列車上各子系統(tǒng)的實時運行數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡發(fā)送到地面數(shù)據(jù)處理平臺；地面系統(tǒng)接收到車載設備下發(fā)的實時數(shù)據(jù)后，對其進行并發(fā)處理、數(shù)據(jù)解析、報文統(tǒng)計等各項處理，解析后的數(shù)據(jù)經(jīng)業(yè)務整合后形成可視化應用展示界面。本節(jié)主要從車地系統(tǒng)架構、實時數(shù)據(jù)分類處理兩個方面進行介紹。

1.1 車地系統(tǒng)架構簡介

整個車地系統(tǒng)主要包括列車上車載系統(tǒng)、無線傳輸通道、地面系統(tǒng)3部分，如圖1所示。

圖1 實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)架構Fig.1 Real-time data processing system architecture

車載系統(tǒng)負責周期性地采集列車總線數(shù)據(jù)，按照既定的通用數(shù)據(jù)報文協(xié)議組成數(shù)據(jù)包，并借助無線傳輸通道（如4G/5G、WLAN、乘客信息系統(tǒng)等）將原始數(shù)據(jù)包周期性地向地面發(fā)送。數(shù)據(jù)報文協(xié)議包括3個部分：報文頭、數(shù)據(jù)區(qū)及校驗和?；诔擒夗椖繉嵤┙?jīng)驗，報文頭一般包括報文長度、線路號、車型、車號、車廂、協(xié)議版本、設備時間、通道標志、壓縮標志、加密標志、站點及速度等信息，基本能覆蓋城軌項目應用需求；數(shù)據(jù)區(qū)由每個項目所采集的數(shù)據(jù)內容確定；校驗和用來保證報文的完整性和正確性，并采用循環(huán)冗余校驗（cyclic redundancy check，CRC）的方法校驗。

地面系統(tǒng)對車輛數(shù)據(jù)處理后以可視化的方式呈現(xiàn)來指導運營，主要包括數(shù)據(jù)接收、解析、存儲、推送及應用等程序。

1.2 實時數(shù)據(jù)分類

根據(jù)數(shù)據(jù)處理的時效性，數(shù)據(jù)可分為批式（batch）數(shù)據(jù)和流式（streaming）數(shù)據(jù)2類。其中，批式數(shù)據(jù)又被稱為歷史數(shù)據(jù)，流式數(shù)據(jù)又被稱為實時數(shù)據(jù)。根據(jù)城軌列車的具體業(yè)務數(shù)據(jù)產(chǎn)生方式，實時數(shù)據(jù)又可分為實時狀態(tài)數(shù)據(jù)與實時故障數(shù)據(jù)。

實時狀態(tài)數(shù)據(jù)是車載系統(tǒng)通過定期采集車輛總線數(shù)據(jù)實時產(chǎn)生的，并且由車載系統(tǒng)以一定的頻率將數(shù)據(jù)包周期性地下發(fā)到地面服務器。

實時故障數(shù)據(jù)是由車輛發(fā)生故障時觸發(fā)產(chǎn)生的，發(fā)生時間具有不確定性，觸發(fā)后車載系統(tǒng)會立即下發(fā)數(shù)據(jù)包到地面服務器。

下面針對周期性數(shù)據(jù)與觸發(fā)式數(shù)據(jù)分別說明數(shù)據(jù)處理流程。其中，周期性數(shù)據(jù)以實時狀態(tài)報文為例，觸發(fā)式數(shù)據(jù)以實時故障報文為例。

1.2.1 實時狀態(tài)數(shù)據(jù)處理

由圖1可知，車載系統(tǒng)下發(fā)的實時數(shù)據(jù)包到達地面系統(tǒng)后，前置服務器根據(jù)數(shù)據(jù)包頻率、大小及服務器硬件配置情況做相應策略的負載均衡調度。一般情況下，采用高性能代理服務器Nginx的流代理模塊將數(shù)據(jù)包轉發(fā)到相同服務器的不同端口，或者轉發(fā)到后置不同服務器后再進行處理。數(shù)據(jù)包到達數(shù)據(jù)解析程序后的處理流程如下：

（1）數(shù)據(jù)解析程序的設計基于異步、事件驅動的高性能并發(fā)框架。數(shù)據(jù)接收后，先根據(jù)校驗信息驗證數(shù)據(jù)的合法性和完整性，并將合法的車載原始二進制數(shù)據(jù)流寫入一種高吞吐量的分布式訂閱消息隊列（如Kafka）主題中，不同的數(shù)據(jù)包被寫入到不同的消息主題上。在消息隊列組件層實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，具有如下優(yōu)勢：第一，充分利用該組件的異步、緩沖、高吞吐量等特性，減少實時數(shù)據(jù)時延；第二，隔離數(shù)據(jù)的生產(chǎn)與消費，有效降低數(shù)據(jù)處理平臺與各子系統(tǒng)地面的耦合性，在任何一方數(shù)據(jù)接口出現(xiàn)問題時，不影響整體數(shù)據(jù)鏈路，保證整個平臺的運行安全；第三，可提升數(shù)據(jù)平臺接入類型的橫向擴展能力。

（2）針對不同消息隊列中的原始二進制數(shù)據(jù)流，流式計算引擎根據(jù)數(shù)據(jù)報文協(xié)議模板對報文數(shù)據(jù)的內容進行解析，并將解析后為輕量級格式的點位鍵值對寫回到消息隊列的另外一個消息隊列主題中，供流式存儲引擎或其他程序使用；同時將解析后的數(shù)據(jù)鍵值對按照一定格式寫入基于內存的實時數(shù)據(jù)庫（如Redis）中，供不同的應用程序對實時數(shù)據(jù)進行共享讀取時使用。實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)組織方式一般按照車號-業(yè)務場景歸類分組。如果車地原始消息隊列數(shù)據(jù)區(qū)的協(xié)議格式不公開，那么對應的二進制數(shù)據(jù)流無法被解析，只有擁有原始數(shù)據(jù)協(xié)議才可知道數(shù)據(jù)區(qū)原始二進制的含義，從而可以在車地通道中起到數(shù)據(jù)透傳與保護私有數(shù)據(jù)區(qū)的作用。

（3）流式存儲引擎程序通過消費消息隊列解析后的數(shù)據(jù)流，將全量數(shù)據(jù)存入分布式文件系統(tǒng)（如Hbase）中，為后續(xù)數(shù)據(jù)關聯(lián)分析、挖掘提供數(shù)據(jù)支撐。少量結構化的業(yè)務數(shù)據(jù)將存儲到關系型數(shù)據(jù)庫（如Mysql）中，供應用系統(tǒng)快速查詢。

（4）對于絕大部分狀態(tài)點位數(shù)據(jù)而言，應用程序功能需求一般只依賴最新的數(shù)據(jù)，如實時顯示車輛的站點、速度及網(wǎng)壓等信息，實時數(shù)據(jù)庫有一個全量點位數(shù)據(jù)的鍵用于存放最新的數(shù)據(jù)。對于少數(shù)應用場景而言，需要借助一部分點位在一段時間內的數(shù)據(jù)，通過后臺并行計算方式，從全量點位數(shù)據(jù)的鍵里面抽取所需要的點位到新的業(yè)務鍵中，并指定業(yè)務鍵的失效時間或者長度。

1.2.2 實時故障數(shù)據(jù)處理

故障數(shù)據(jù)的下發(fā)包括故障發(fā)生、故障消除、定期刷新等過程，前后數(shù)據(jù)包具有關聯(lián)性，故障更新邏輯較為復雜。因此，鑒于故障數(shù)據(jù)的特殊性，其不能與狀態(tài)數(shù)據(jù)采用相同的處理方式。

（1）實時故障包通過地面服務器負載均衡調度后被轉發(fā)給數(shù)據(jù)解析程序。解析程序根據(jù)相應的協(xié)議解析出故障信息，包括故障碼、故障變化時間及故障狀態(tài)等。如果是故障發(fā)生，則將故障碼、故障發(fā)生時間等新增信息記錄存入數(shù)據(jù)庫中進行歸檔；如果是故障結束，則添加信息，更新原有的故障記錄條目。另外，故障信息也被同步存入到實時數(shù)據(jù)庫中供應用系統(tǒng)使用。

（2）故障數(shù)據(jù)的處理機制比狀態(tài)數(shù)據(jù)的復雜，需要根據(jù)故障包中每個故障的狀態(tài)標記做不同處理，進而維護每節(jié)車輛的故障列表。

（3）為了進一步提升故障數(shù)據(jù)的及時性與準確性，一般會增加一個故障刷新報文，用于記錄當前時間未結束的全部故障列表，如圖2所示。

圖2 故障報文處理機制Fig.2 Fault package processing mechanism

2 實時數(shù)據(jù)應用

地面系統(tǒng)應用后臺定時任務對實時數(shù)據(jù)庫進行監(jiān)聽，當數(shù)據(jù)庫全景點位數(shù)據(jù)的鍵取值發(fā)生變化時，從全量數(shù)據(jù)中獲取不同的數(shù)據(jù)并分別存儲到對應的業(yè)務鍵以滿足不同的應用需求?？梢愿鶕?jù)業(yè)務功能展示的需要保存實時數(shù)據(jù)量的大小，如運營指標某些功能只需保存最新的一條信息，應急響應某些功能只需最新10 s內的記錄。借助實時數(shù)據(jù)庫特性，不僅能夠便捷地實現(xiàn)對實時數(shù)據(jù)的失效時間或者數(shù)據(jù)量大小的管控，還能在實時數(shù)據(jù)庫層面實現(xiàn)不同專業(yè)實時數(shù)據(jù)的快速共享。下面主要從實時監(jiān)測、應急響應和日檢項點3個方面分別進行介紹。

2.1 實時監(jiān)測

用戶通過使用應用系統(tǒng)的實時監(jiān)測功能，可獲取全部列車的位置、速度及載客量等實時狀態(tài)信息，并可查看列車是否發(fā)生故障，及時指導列車司機進行故障處置，提升運營質量。

實時監(jiān)測能夠可視化地展示包括當前線路全部站點信息的模擬地圖及各節(jié)車輛的實時數(shù)據(jù)。在模擬線路地圖中，根據(jù)實時下發(fā)的站點信息以及列車運行方向，顯示列車在相應的站點位置；根據(jù)故障信息以不同顏色展示列車的健康狀態(tài)；根據(jù)載荷信息計算并展示當前列車載客情況。在單車界面中，詳細展示當前列車的行駛基本信息、實時故障、司控臺指示燈狀態(tài)、司機屏信息等數(shù)據(jù)，遠程復現(xiàn)列車當前的運行狀態(tài)。實時監(jiān)測web應用界面如圖3所示。

圖3 實時監(jiān)測web應用界面Fig.3 Real-time monitoring web application interface

2.2 應急響應

應急響應功能是針對正線的列車關鍵應急事件提供應急響應與指導。應急事件主要包括高壓成立條件、緊急制動條件、牽引指令條件、門控制回路等。借助此功能，地面人員可以快速指導司機進行應急操作，降低晚點和救援事故概率，從而減少應急事件對正線的影響。借助點位實時數(shù)據(jù)與點位組合邏輯條件設計子應急應用，每組應急事件主要包括以下3項功能：

（1）應急提示。在每個監(jiān)測的條件下面，當對應應急邏輯觸發(fā)時，顯示對應應急處置信息。

（2）條件成立監(jiān)測。針對開關監(jiān)測點的點位組合邏輯，條件成立則開關閉合；條件不成立則斷開。

（3）控制回路電流狀態(tài)監(jiān)測。對于每組應急事件中各個條件，如果前一個節(jié)點有電流，但本級節(jié)點條件不成立，則顯示橙色；如果前一個節(jié)點有電流，且本級節(jié)點條件成立，則顯示綠色；如果前一個節(jié)點無電流，則本級節(jié)點顯示灰色。

前端頁面用開關圖片模擬每個對應條件是否成立，圓點模擬電路節(jié)點連通性。根據(jù)每個條件回路實際情況，設計應用響應（圖4），其能夠監(jiān)測當前車輛是否發(fā)生應急事件，并能標注出異常出現(xiàn)的電路節(jié)點，以達到快速指導現(xiàn)場人員進行應急處置的效果。

圖4 應急響應web應用Fig.4 Emergency response web application

2.3 列車日檢項點

車輛檢修人員從日檢檢修單出發(fā)，并結合車輛落地數(shù)據(jù)內容，梳理出可以根據(jù)實時數(shù)據(jù)判斷的檢修項點。由于項點功能的驗證依賴數(shù)據(jù)在時序上的變化情況，因此此項功能對實時數(shù)據(jù)連續(xù)性的質量要求較高。一般列車檢修存在以下檢查項點：

（1）開、關門功能檢查；

（2）空調溫度檢查；

（3）蓄電池輸出電壓檢查；

（4）高速斷路器分、合功能檢查；

（5）施加、緩解停放制動功能檢查。

由于此類功能對實時性要求不高，且涉及的數(shù)據(jù)量較大，一般常見的做法是從消息隊列或者分布式文件系統(tǒng)中獲取最近一段時間（如15 min）內的數(shù)據(jù)，并以時間順序正排，所有項點共享此份全集數(shù)據(jù)，并行計算每個項點的業(yè)務邏輯，業(yè)務處理流程如圖5所示。

圖5 列車日檢項點業(yè)務處理流程Fig.5 Business process of train daily inspection point

每個檢查項點業(yè)務從全集數(shù)據(jù)中篩選出項點，判斷所依賴的點位值集合，并針對有序值集合進行步驟設計。下面以開門功能檢查為例進行詳細闡述：

（1）找到前置條件點位值滿足的入口邏輯時刻，如順序搜索門開請求信號有效的時刻t1。

（2）判斷是否需要延時，假設門從接收“開信號”到門開到位最多需要4 s，那么下一步就從（t1+4）時刻后開始判斷結果點位值。

（3）判斷結果點位值是否正確變化，如“門開到位”信號有效，代表此次開門功能檢查正常。

3 結語

針對軌道交通領域日益增長的數(shù)字化運營需求，本文提出了一種基于大數(shù)據(jù)、微服務等技術的實時流式數(shù)據(jù)處理架構，其能夠實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的高效處理與靈活應用，并在實時監(jiān)測、應急響應、日檢項點等業(yè)務中應用。

截至目前，本文所提供的實時數(shù)據(jù)處理架構與應用功能已經(jīng)在國內多條城軌線路實施驗證，基本能滿足常見線路級車輛智能運維系統(tǒng)建設的需要，解決了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理架構無法支撐多并發(fā)數(shù)據(jù)的實時處理和海量數(shù)據(jù)存儲的問題；通過狀態(tài)監(jiān)視、應急響應的應用功能，實現(xiàn)了地鐵公司對運行列車的全方位遠程動態(tài)監(jiān)測，進而實現(xiàn)對列車運行狀態(tài)的態(tài)勢感知。

下一步可以結合高并發(fā)異步IO框架來提升數(shù)據(jù)接收的并發(fā)量，數(shù)據(jù)包間隔時間從現(xiàn)有的500 ms縮短到100 ms，適應后續(xù)更多子系統(tǒng)數(shù)據(jù)、更多線網(wǎng)級車輛數(shù)據(jù)的場景。