歷寧 劉安 王志云 劉斌 岳三川 邊林

摘要 城軌列車運(yùn)行過程中，由于現(xiàn)有可視化回放功能在列車運(yùn)行狀態(tài)異常的確認(rèn)過程中與實(shí)際不符，文章提出了智慧運(yùn)維系統(tǒng)下的城軌列車運(yùn)行狀態(tài)可視化回放功能研究。在智慧運(yùn)維系統(tǒng)中，利用大數(shù)據(jù)采集列車運(yùn)行數(shù)據(jù)，以圖形方式呈現(xiàn)列車的運(yùn)行狀態(tài)，匹配特征點(diǎn)；通過虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合方式在仿真模型中注冊圖像視覺，結(jié)合列車運(yùn)行數(shù)據(jù)，對目標(biāo)軌跡按照需求進(jìn)行增補(bǔ)，控制拖放延時。根據(jù)實(shí)際需求動態(tài)配置固定點(diǎn)的數(shù)量，運(yùn)用分段索引查找對應(yīng)的分段控制屬性；使用三維數(shù)據(jù)可視化技術(shù)在不同時間段顯示列車運(yùn)行狀態(tài)，標(biāo)記關(guān)鍵幀的數(shù)據(jù)點(diǎn)信息；選擇最優(yōu)觀察角度，使用插補(bǔ)法對軌跡進(jìn)行補(bǔ)充，對缺少的數(shù)據(jù)進(jìn)行查缺補(bǔ)漏，回放歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)從而完成功能應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在異常真實(shí)性確認(rèn)過程中，不同維度下15：20之前的數(shù)據(jù)波動比較劇烈，15：20之后未見異常，符合實(shí)際異常區(qū)間，達(dá)到較好的回放功能效果。

關(guān)鍵詞 智慧運(yùn)維系統(tǒng)；城軌列車；運(yùn)行狀態(tài)；圖像視覺；可視化；回放功能

中圖分類號 TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）02-0001-03

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市交通壓力進(jìn)一步顯現(xiàn)，如何保障城市軌道交通的安全運(yùn)行成為熱點(diǎn)話題。運(yùn)用智能化科技手段對城軌列車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，提高運(yùn)營效率，能夠及時為運(yùn)維工作提供新的解決方案。通過城軌列車運(yùn)行狀態(tài)可視化回放功能，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)等功能化技術(shù)與維修決策統(tǒng)一應(yīng)用，能夠合理控制進(jìn)度并進(jìn)一步對監(jiān)控進(jìn)行優(yōu)化。通過城軌列車運(yùn)行狀態(tài)可視化回放功能，能夠使得運(yùn)維工作更加智能化。由于智能化設(shè)施落實(shí)不到位，在監(jiān)控過程中引入智能系統(tǒng)需要投入大量的資金與人力，加之技術(shù)難度較大，對于技術(shù)水平低的城市來說具有一定壓力，系統(tǒng)中存儲的城軌列車數(shù)據(jù)安全性得不到保障，對運(yùn)行數(shù)據(jù)安全也構(gòu)成影響。該文通過實(shí)際需求，結(jié)合城軌列車具體情況進(jìn)行精準(zhǔn)控制分析[1]，以智慧運(yùn)維系統(tǒng)下的城軌列車運(yùn)行狀態(tài)可視化回放功能為研究對象，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計研究。

1 城軌列車運(yùn)行狀態(tài)可視化回放

1.1 智慧運(yùn)維系統(tǒng)下的圖像視覺注冊

智慧運(yùn)維系統(tǒng)利用大數(shù)據(jù)采集列車運(yùn)行數(shù)據(jù)，并以圖形方式呈現(xiàn)列車的運(yùn)行狀態(tài)，獲得運(yùn)行過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，幫助運(yùn)維人員更好地了解列車運(yùn)行狀況，及時發(fā)現(xiàn)故障信息[2]。運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控軟件OpManager實(shí)時監(jiān)測端到端的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)特征識別，在圖像特征監(jiān)測過程中，需要匹配特征點(diǎn)將真實(shí)環(huán)境映射到虛擬環(huán)境中，得到具體的坐標(biāo)系如圖1所示。

將世界坐標(biāo)與相機(jī)坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換公式為：

X=R+Y （1）

式中，R——旋轉(zhuǎn)矩陣；X——世界坐標(biāo)系；Y——平移向量。通過坐標(biāo)系確定模型中對象的具體位置，通過對給定圖像進(jìn)行分析得到實(shí)際目標(biāo)的相對位置和方向[3]。利用參照物陰影的變化，結(jié)合光源的方向，運(yùn)用SIF算法進(jìn)行不同尺度的降采樣以形成n組圖像。在相同組的圖像中進(jìn)行差分運(yùn)算，形成高斯差分金字塔，再根據(jù)像素與關(guān)鍵點(diǎn)之間的距離對關(guān)鍵點(diǎn)分配像素權(quán)值。采取關(guān)鍵點(diǎn)不同方向的向量值，以算法的識別特征值為變量來計算權(quán)重，得到當(dāng)權(quán)重為0.6時，算法匹配特征點(diǎn)數(shù)最多。通過虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合的方式，能夠?qū)D像視覺在仿真模型中注冊，運(yùn)維工作可以在輔助信息的支持下完成。

1.2 列車運(yùn)行軌跡分段預(yù)繪顯示控制

根據(jù)可視化回放功能能夠?qū)α熊嚨倪\(yùn)行軌跡等進(jìn)行回放研究，結(jié)合列車運(yùn)行數(shù)據(jù)，使工作人員能夠及時對故障報警區(qū)域進(jìn)行診斷，有效改善了日常運(yùn)維中的綜合效率，為城軌列車安全化運(yùn)行提供有力的數(shù)據(jù)支撐。智慧運(yùn)維系統(tǒng)在收到列車定位數(shù)據(jù)后，按照具體要求讀取定位數(shù)據(jù)[4]。利用全局變量記錄當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)時間索引值，利用臨時變量記錄回放過程中的時間索引值，通過時間的先后順序更新控制目標(biāo)位置及狀態(tài)，再對該目標(biāo)進(jìn)行運(yùn)行軌跡點(diǎn)的布置。如果回放是向后拖動，則需要將該目標(biāo)之前的軌跡點(diǎn)全部刪除，將播放進(jìn)度條從T1拖放至T2時，目標(biāo)軌跡按照需求進(jìn)行增補(bǔ)。運(yùn)維系統(tǒng)處理中要計算軌跡平均耗時，在軌跡點(diǎn)壓縮的同時對拖放延時進(jìn)行控制[5]?？刂七^程為：將目標(biāo)的全程軌跡分成N段，選擇其中一段進(jìn)行軌跡繪制并設(shè)置屬性狀態(tài)。根據(jù)用戶拖動規(guī)則，通過時間標(biāo)簽來控制不同段軌跡的狀態(tài)。當(dāng)時間滑塊由O點(diǎn)拖向B點(diǎn)時，將所用時間進(jìn)行約束并控制在一個軌跡分段中，將分段狀態(tài)設(shè)置與其他軌跡進(jìn)行增補(bǔ)，使過程可以無縫切換，保證目標(biāo)軌跡的連續(xù)性。處理過程所需時間為T，則不同段的軌跡點(diǎn)數(shù)量為k，計算處理時間的公式為：

（2）

式中，n——分段數(shù)量，將每一段軌跡點(diǎn)數(shù)量設(shè)置用戶配置的參數(shù)，根據(jù)實(shí)際需求動態(tài)配置固定點(diǎn)的數(shù)量[6]。建立軌跡分段時間標(biāo)簽的索引，通過該索引查找對應(yīng)的分段控制屬性。

1.3 特征點(diǎn)可視化回放進(jìn)程控制

在進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)可視化回放時，使用三維數(shù)據(jù)可視化技術(shù)在不同時間段顯示列車運(yùn)行狀態(tài)。因此，需要進(jìn)行三維場景建模，使用戶直觀分析該列車的運(yùn)行狀態(tài)情況，驅(qū)動模型形成動態(tài)的可視化三維圖像，回放運(yùn)行過程中列車的姿態(tài)及不同列車之間的相對位置變化。為了再現(xiàn)列車運(yùn)行的過程，要對數(shù)據(jù)根據(jù)實(shí)際時間點(diǎn)信息進(jìn)行動態(tài)回放，按照指定時間間隔進(jìn)行指定操作。在回放進(jìn)程控制過程中，要將待回放的數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫中提取出來，標(biāo)記關(guān)鍵幀的數(shù)據(jù)點(diǎn)信息[7]。當(dāng)用戶開始回放操作時，將數(shù)據(jù)幀作為發(fā)送后的第一數(shù)據(jù)幀，從而得到相關(guān)數(shù)據(jù)幀的回放時間。判斷用戶操作，更新回放幀的公式表達(dá)為：

c=Tk+Δt×g （3）

式中，c——回放數(shù)據(jù)幀；Δt——時間間隔；g——回放率。通過判斷用戶的操作，計算數(shù)據(jù)的回放倍率，更新時間后不斷地重復(fù)操作，直至所有數(shù)據(jù)回放完為止。在三維場景回放展示時，通過改變位置和視角來顯示在相同時間內(nèi)的三維場景變化。當(dāng)有多趟列車在運(yùn)行的過程中時，系統(tǒng)需要根據(jù)不同的位置關(guān)系選擇最優(yōu)位置，找到最優(yōu)觀察角度，使得圖像畫面中的列車均存在一定的相對關(guān)系。要選擇最優(yōu)觀測角度，要先獲得列車的主要幾何點(diǎn)平面坐標(biāo)（a，b，c），在三維建模中設(shè)定幾何中心為o1，軸兩端的頂點(diǎn)為p。另一輛列車同理，以o1為原點(diǎn)，將連接o2的直線進(jìn)行延長后得到視點(diǎn)。利用運(yùn)動軌跡模型不斷改變視點(diǎn)角度以消除盲區(qū)，選取延長線上頂點(diǎn)坐標(biāo)公式表達(dá)為：

（4）

式（4）中，（xa， xb）、（ya， yb）為坐標(biāo)點(diǎn)。通過調(diào)整觀測角度，使其與正北方向存在夾角，其夾角表達(dá)式為：

（5）

式中，z——視點(diǎn)延長距離中的點(diǎn)。根據(jù)最佳交叉角度，使用插補(bǔ)法對軌跡進(jìn)行補(bǔ)充，對缺少的數(shù)據(jù)進(jìn)行查缺補(bǔ)漏，將列車運(yùn)行參數(shù)提供給運(yùn)維人員進(jìn)行狀態(tài)分析[8]。運(yùn)維人員對歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行回放并繪制曲線表示不同參數(shù)隨時間的變化情況，再結(jié)合列車的實(shí)際數(shù)據(jù)，形成列車運(yùn)行軌跡完整回放功能。

2 實(shí)驗(yàn)測試與分析

2.1 搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為了驗(yàn)證該文方法的有效性，以深圳城軌列車在歷史時間內(nèi)的運(yùn)行數(shù)據(jù)為研究對象，利用列車運(yùn)行異常狀態(tài)的可視化智能運(yùn)維系統(tǒng)對列車運(yùn)行中的異常進(jìn)行檢測。針對異常的反饋操作決策進(jìn)行分析，已知實(shí)際列車運(yùn)行狀態(tài)異常發(fā)生在11：20—15：20之間，在明確異常運(yùn)行情況的前提下，運(yùn)用該文方法對在11：20—15：20時間段內(nèi)的異常狀態(tài)開展回放檢測，設(shè)置列車編號、選擇運(yùn)行時間并選擇維度，具體運(yùn)行數(shù)據(jù)如表1所示。

仿真實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)用的仿真平臺為處理器Inter i7，內(nèi)存16 GB，操作系統(tǒng)Windows11，開發(fā)過程中從后端數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入數(shù)據(jù)。智慧運(yùn)維系統(tǒng)實(shí)時做數(shù)據(jù)處理與分析，用戶可以整體觀看具體布局，判斷是否出現(xiàn)故障。在列車上布置不同類型的傳感器并使用數(shù)據(jù)采集裝置，對運(yùn)行數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)行傳輸，再將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。運(yùn)用智慧運(yùn)維系統(tǒng)在開發(fā)過程中提供系統(tǒng)基本的可視化圖表，采用flexible布局方式適用于UI顯示器中。

2.2 結(jié)果與分析

確定在具體時間間隔內(nèi)輸入數(shù)據(jù)維度之后，查看進(jìn)程區(qū)域中數(shù)據(jù)點(diǎn)劃分中的VENN圖，得到運(yùn)行中在維度上的2D分布圖像，如圖2所示。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在進(jìn)行異常真實(shí)性確認(rèn)過程中，15：20之前的數(shù)據(jù)波動比較劇烈，數(shù)據(jù)處于數(shù)據(jù)密集點(diǎn)處變化較為明顯。15：20之后在不同維度下未見異常，符合實(shí)際異常區(qū)間，說明運(yùn)用該文方法可視化回放功能準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)敏感程度高，實(shí)時分析出真實(shí)場景下的異常數(shù)據(jù)，能從異常數(shù)據(jù)點(diǎn)列表中移除，達(dá)到較好的回放效果。根據(jù)城軌列車定位數(shù)據(jù)的時間和坐標(biāo)繪制列車運(yùn)行軌跡，運(yùn)用基于列車線路的插補(bǔ)法對軌跡進(jìn)行補(bǔ)充，對現(xiàn)有數(shù)據(jù)的校正和對缺失數(shù)據(jù)的彌補(bǔ)，在繪制軌跡曲線時提供多種繪制速度方便使用。城軌列車參數(shù)回放模塊基于列車狀態(tài)數(shù)據(jù)，對歷史運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行回放，即對參數(shù)以繪制曲線的方式生動展示出各個參數(shù)隨時間變化的情況，且與列車定位數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，最終形成列車運(yùn)行軌跡與參數(shù)回放功能。城軌列車運(yùn)行軌跡和參數(shù)按數(shù)據(jù)包查詢模塊實(shí)現(xiàn)在對列車運(yùn)行軌跡和參數(shù)變化回放完成后，可以對每一包數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，能夠直觀查看某個或某段時間的列車運(yùn)行情況。

綜上所述，運(yùn)用該文方法能夠確認(rèn)時變數(shù)據(jù)點(diǎn)真實(shí)情況，動態(tài)展示列車運(yùn)行軌跡，整理相關(guān)狀態(tài)參數(shù)變化，按照時間順序進(jìn)行排序后對缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。在系統(tǒng)中通過拖拽方式能夠隨機(jī)查看不同時間段內(nèi)的參數(shù)值，對每一項數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢并將列車軌跡與參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了對列車軌跡和參數(shù)變化的回放功能，使運(yùn)維人員能更加準(zhǔn)確地判斷掌握列車的實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)，切實(shí)保障了行車安全。

3 結(jié)束語

該文從城軌列車運(yùn)行狀態(tài)入手，通過設(shè)計智慧運(yùn)維系統(tǒng)，探究了智慧運(yùn)維系統(tǒng)下的城軌列車運(yùn)行狀態(tài)可視化回放功能，使城軌列車的智慧運(yùn)維系統(tǒng)更加實(shí)時化、智能化，解決了列車運(yùn)行中的一系列相關(guān)安全問題。通過對列車運(yùn)行狀態(tài)異常與否的判斷，結(jié)合可視化回放功能進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了對城軌列車運(yùn)行過程中的實(shí)時監(jiān)控。回放觀察列車運(yùn)行軌跡，結(jié)合線路特征數(shù)據(jù)，將城軌列車的狀態(tài)數(shù)據(jù)與線路數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，使運(yùn)維過程變得更加合理化。但是方法中還存在著不足，例如列車定位數(shù)據(jù)缺失，列車線路如何交匯等問題。在以后的研究工作中，要不斷優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，完善對列車運(yùn)行軌跡和狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測，進(jìn)一步提高對智慧運(yùn)維系統(tǒng)下的城軌列車運(yùn)行狀態(tài)的可視化回放功能研究。

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收稿日期：2023-11-03

作者簡介：歷寧（1981—），女，本科，工程師，研究方向：地鐵車輛技術(shù)。

通信作者：劉安（1981—），男，本科，工程師，研究方向：車輛智能運(yùn)維。