車載數(shù)據(jù)綜合分析處理系統(tǒng)

■ 趙鋼 許階

1 系統(tǒng)概況

1.1 開發(fā)背景

車載數(shù)據(jù)綜合分析處理系統(tǒng)依托國(guó)家863計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目——“最高試驗(yàn)速度400 km/h高速檢測(cè)列車關(guān)鍵技術(shù)研究與裝備研制”，總體研究目標(biāo)是要研制時(shí)速400 km高速綜合檢測(cè)列車和建立地面數(shù)據(jù)分析處理中心，滿足京滬高速鐵路等時(shí)速350 km以上高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)調(diào)試、驗(yàn)收試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)檢測(cè)的需要，為構(gòu)建我國(guó)高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施管理和養(yǎng)護(hù)維修輔助決策系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

項(xiàng)目要求研發(fā)新型車載數(shù)據(jù)綜合分析處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多專業(yè)檢測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)管理集成，為多專業(yè)的病害數(shù)據(jù)綜合分析和評(píng)判提供手段，實(shí)現(xiàn)基于精確里程同步的多專業(yè)檢測(cè)數(shù)據(jù)透明訪問、多專業(yè)檢測(cè)數(shù)據(jù)集中處理、綜合報(bào)表統(tǒng)一生成、大值病害數(shù)據(jù)在線報(bào)警和車地傳輸功能。

1.2 系統(tǒng)功能

車載數(shù)據(jù)綜合處理系統(tǒng)由3個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成：檢測(cè)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、檢測(cè)數(shù)據(jù)GIS綜合展示子系統(tǒng)、波形綜合展示子系統(tǒng)。

檢測(cè)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）實(shí)時(shí)接收里程同步數(shù)據(jù)，并向GIS綜合展示子系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接口，實(shí)時(shí)展示列車運(yùn)行位置信息；（2）向各檢測(cè)專業(yè)用戶提供檢測(cè)大值數(shù)據(jù)輸入界面，實(shí)現(xiàn)大值報(bào)警相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)管理，根據(jù)系統(tǒng)配置自動(dòng)獲取軌檢、動(dòng)力學(xué)檢測(cè)的大值報(bào)警數(shù)據(jù)的相關(guān)輪軌視頻數(shù)據(jù)、波形數(shù)據(jù)，用于實(shí)時(shí)分析和綜合評(píng)判；（3）向各檢測(cè)專業(yè)提供短信發(fā)送功能，檢測(cè)過程中可向指定手機(jī)號(hào)或地面接收設(shè)備發(fā)送報(bào)警信息；（4）實(shí)現(xiàn)與無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的傳輸接口，實(shí)時(shí)向地面數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)發(fā)列車運(yùn)行定位數(shù)據(jù)、檢測(cè)過程中出現(xiàn)的大值報(bào)警數(shù)據(jù)和大值報(bào)警附件數(shù)據(jù)，可響應(yīng)地面數(shù)據(jù)中心的請(qǐng)求傳輸指定數(shù)據(jù)；（5）向各檢測(cè)專業(yè)提供線路設(shè)備臺(tái)賬的查詢功能；（6）自動(dòng)生成檢測(cè)日?qǐng)?bào)；（7）配置FTP文件服務(wù)器和大容量磁盤陣列，實(shí)現(xiàn)大容量檢測(cè)波形數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)和管理。

檢測(cè)數(shù)據(jù)GIS綜合展示子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）實(shí)現(xiàn)基于圖形化的檢測(cè)大值報(bào)警數(shù)據(jù)綜合查詢和形象化顯示，以圖形化方式實(shí)時(shí)展示各檢測(cè)專業(yè)的大值報(bào)警數(shù)據(jù)，以不同顏色顯示大值報(bào)警數(shù)據(jù)的嚴(yán)重程度；（2）檢測(cè)過程中實(shí)時(shí)展示檢測(cè)列車的運(yùn)行位置信息和當(dāng)前檢測(cè)交路、當(dāng)前檢測(cè)任務(wù)信息；（3）用戶可選擇線路查詢當(dāng)前里程范圍內(nèi)的各檢測(cè)專業(yè)線路設(shè)備臺(tái)賬。

波形綜合展示子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）檢測(cè)過程中實(shí)時(shí)接收軌道幾何檢測(cè)、動(dòng)力學(xué)檢測(cè)、車體加速度檢測(cè)、接觸網(wǎng)檢測(cè)的波形數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在磁盤陣列上，并能按里程同步顯示接收到的波形數(shù)據(jù)；（2）能夠根據(jù)配置同步顯示多專業(yè)檢測(cè)波形數(shù)據(jù)，檢測(cè)過程中為軌道檢測(cè)、動(dòng)力學(xué)檢測(cè)、加速度檢測(cè)、弓網(wǎng)檢測(cè)提供綜合波形展示和相關(guān)性分析；（3）能對(duì)比歷史檢測(cè)波形數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)軟件框架設(shè)計(jì)

車載數(shù)據(jù)綜合分析處理系統(tǒng)總體由三部分構(gòu)成：數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、后臺(tái)數(shù)據(jù)處理服務(wù)進(jìn)程和用戶操作界面。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用Microsoft SQL Server2008大容量數(shù)據(jù)庫；后臺(tái)數(shù)據(jù)處理服務(wù)進(jìn)程包括時(shí)空同步及里程數(shù)據(jù)接收進(jìn)程、列車運(yùn)行定位數(shù)據(jù)發(fā)送服務(wù)進(jìn)程、大值報(bào)警波形視頻獲取進(jìn)程、大值報(bào)警及非關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)送服務(wù)進(jìn)程、地面請(qǐng)求指令響應(yīng)服務(wù)進(jìn)程；用戶操作界面分為B/S和C/S 2種，B/S方式以IE瀏覽器為操作界面，實(shí)現(xiàn)大值報(bào)警數(shù)及附件數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)監(jiān)控、綜合檢測(cè)業(yè)務(wù)管理、GIS綜合展示等功能，C/S方式主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)接收里程同步數(shù)據(jù)、自動(dòng)獲取各種視頻波形數(shù)據(jù)、向無線傳輸系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)各種數(shù)據(jù)等功能。系統(tǒng)總體架構(gòu)見圖1。

2.1 檢測(cè)數(shù)據(jù)管理設(shè)計(jì)

（1）在一臺(tái)工作站上安裝反射內(nèi)存卡，采用VC++語言開發(fā)硬件接口和里程同步數(shù)據(jù)接收程序，實(shí)時(shí)讀取當(dāng)前檢測(cè)列車運(yùn)行定位信息。實(shí)時(shí)接收里程同步數(shù)據(jù)流程見圖2。

（2）向各檢測(cè)專業(yè)用戶提供操作界面，由各檢測(cè)專業(yè)負(fù)責(zé)人管理大值報(bào)警數(shù)據(jù)和附件數(shù)據(jù)（大值報(bào)警點(diǎn)波形截圖）并保存在數(shù)據(jù)庫中；向各檢測(cè)專業(yè)用戶提供短信報(bào)警功能，檢測(cè)過程中各檢測(cè)專業(yè)負(fù)責(zé)人可向指定手機(jī)號(hào)發(fā)送或群發(fā)報(bào)警短信；在數(shù)據(jù)庫表中建立檢測(cè)線路的工務(wù)、供電、信號(hào)設(shè)備臺(tái)賬，提供查詢界面，按線路、里程、鐵路局、設(shè)備類型等條件查詢相關(guān)設(shè)備臺(tái)賬信息。用戶界面采用Ajax技術(shù)和JQuery庫相結(jié)合的動(dòng)態(tài)頁面刷新技術(shù)，將用戶界面分為菜單區(qū)和功能區(qū)，上部是公共菜單區(qū)，下部分是功能區(qū)。功能區(qū)左部分是檢測(cè)列車運(yùn)行信息及檢測(cè)任務(wù)顯示區(qū)域，按每秒1次的頻率顯示接收到的檢測(cè)列車運(yùn)行定位里程數(shù)據(jù)和檢測(cè)任務(wù)信息，功能區(qū)右側(cè)下部是系統(tǒng)的關(guān)鍵服務(wù)進(jìn)程、無線傳輸系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視區(qū)，功能區(qū)右側(cè)上部是用戶操作業(yè)務(wù)功能區(qū)，用戶通過操作公共菜單刷新此區(qū)域內(nèi)容。用戶操作界面功能布局見圖3。

（3）軌道幾何、動(dòng)力學(xué)、接觸網(wǎng)這3個(gè)檢測(cè)專業(yè)的檢測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性最高，出現(xiàn)大值報(bào)警數(shù)據(jù)時(shí)，需要提供該大值發(fā)生時(shí)刻前后約30 s的輪軌接觸視頻數(shù)據(jù)及車頭、車尾視頻數(shù)據(jù)和大值發(fā)生里程點(diǎn)前后約1 km的檢測(cè)波形數(shù)據(jù)，用于綜合判斷；開發(fā)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)程，自動(dòng)監(jiān)視軌道幾何、動(dòng)力學(xué)、接觸網(wǎng)這3個(gè)檢測(cè)專業(yè)的大值報(bào)警數(shù)據(jù)，自動(dòng)獲取大值發(fā)生時(shí)刻前后約30 s的輪軌接觸視頻片段數(shù)據(jù)和波形片段數(shù)據(jù)，作為該大值報(bào)警數(shù)據(jù)附件數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)大值報(bào)警數(shù)據(jù)變化時(shí)（檢測(cè)日期、檢測(cè)線路、里程點(diǎn)發(fā)生變化），系統(tǒng)能再次獲取相關(guān)視頻片段數(shù)據(jù)和波形片段數(shù)據(jù)。自動(dòng)獲取視頻片段和波形片段流程見圖4。

圖2 實(shí)時(shí)獲取列車運(yùn)行定位數(shù)據(jù)流程

圖3 檢測(cè)數(shù)據(jù)管理用戶界面功能布局

（4）開發(fā)專用的通信服務(wù)進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)與車載無線傳輸系統(tǒng)的接口，向地面中心即時(shí)傳輸列車運(yùn)行定位數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)大值報(bào)警數(shù)據(jù)和大值報(bào)警附件數(shù)據(jù)，通過地面中心即時(shí)向全部鐵路局發(fā)布檢測(cè)列車運(yùn)行的最新信息和最新病害數(shù)據(jù)；檢測(cè)線路的管轄鐵路局、工務(wù)段、供電段、電務(wù)段可通過地面中心向車載系統(tǒng)發(fā)送請(qǐng)求，即時(shí)獲取檢測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖4 獲取大值報(bào)警相關(guān)里程點(diǎn)的視頻及波形數(shù)據(jù)流程

車載數(shù)據(jù)綜合分析處理系統(tǒng)與車載無線傳輸系統(tǒng)的接口采用數(shù)據(jù)庫表形式，由數(shù)據(jù)綜合分析處理系統(tǒng)通信服務(wù)進(jìn)程將各種數(shù)據(jù)統(tǒng)一封裝成固定格式的數(shù)據(jù)包記錄，每傳輸一次數(shù)據(jù)就向車載無線傳輸系統(tǒng)通信服務(wù)器數(shù)據(jù)庫表插入一條記錄，由無線傳輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)將此記錄傳輸?shù)降孛嫱ㄐ欧?wù)器的數(shù)據(jù)庫；同時(shí)地面通信服務(wù)器將地面中心的指令傳輸?shù)杰囕d通信服務(wù)器的請(qǐng)求指令表中，由車載數(shù)據(jù)綜合分析處理系統(tǒng)通信服務(wù)進(jìn)程讀取請(qǐng)求指令表，將反饋的數(shù)據(jù)再次封裝成統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)包記錄插入到車載通信服務(wù)器數(shù)據(jù)表中，實(shí)現(xiàn)對(duì)地面請(qǐng)求的回應(yīng)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸流程見圖5。

（5）開發(fā)統(tǒng)一的通信服務(wù)進(jìn)程，將大值報(bào)警的附件視頻數(shù)據(jù)自動(dòng)獲取、波形片段數(shù)據(jù)自動(dòng)獲取、定時(shí)發(fā)送列車運(yùn)行定位數(shù)據(jù)、自動(dòng)發(fā)送大值報(bào)警數(shù)據(jù)、自動(dòng)發(fā)送大值報(bào)警的各種附件數(shù)據(jù)、自動(dòng)回應(yīng)地面請(qǐng)求數(shù)據(jù)指令等服務(wù)進(jìn)程封裝成Windows標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)并與服務(wù)器操作系統(tǒng)集成，采用雙機(jī)熱備方式，提供高穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)服務(wù)。

2.2 GIS綜合展示設(shè)計(jì)

檢測(cè)數(shù)據(jù)GIS綜合展示采用層次化的思想和設(shè)計(jì)理念，對(duì)整個(gè)展示所需涉及的各環(huán)節(jié)進(jìn)行分層，從上到下依次為用戶接口層、地圖處理層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)庫層，各層分別完成各自功能，并向上層提供接口，這樣的設(shè)計(jì)思路和處理方法有利于系統(tǒng)的開發(fā)和擴(kuò)展。

用戶接口層提供人機(jī)交互的用戶界面，用戶可通過界面訪問數(shù)據(jù)和功能，并以形象友好的方式返回到用戶界面；地圖處理層負(fù)責(zé)從數(shù)據(jù)處理層獲取數(shù)據(jù)，形成地圖語言，并以可視化、形象化的方式展示在地圖上；數(shù)據(jù)處理層分業(yè)務(wù)提供訪問各類數(shù)據(jù)的接口及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初級(jí)處理，為向上提供可用的經(jīng)過分析處理后的數(shù)據(jù)。

GIS展示子系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)見圖6。

2.3 波形綜合展示子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖5 數(shù)據(jù)綜合處理系統(tǒng)與無線傳輸系統(tǒng)接口數(shù)據(jù)流程

波形綜合展示子系統(tǒng)軟件架構(gòu)采用基于C/S體系架構(gòu)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用框架式結(jié)構(gòu)，包括服務(wù)處理層和客戶端，客戶端又分為波形數(shù)據(jù)上傳客戶端和波形顯示客戶端，并可響應(yīng)其他外部數(shù)據(jù)請(qǐng)求，所有業(yè)務(wù)服務(wù)采用服務(wù)組件方式提供，采用多線程解決方案。此框架設(shè)計(jì)具有良好的重用性和可擴(kuò)展性，系統(tǒng)架構(gòu)見圖7。

波形數(shù)據(jù)上傳客戶端安裝在軌道檢測(cè)、動(dòng)力學(xué)檢測(cè)、加速度檢測(cè)、接觸網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)的工作站上，讀取各檢測(cè)專業(yè)產(chǎn)生的CIT波形數(shù)據(jù)，并通過Socket通信程序發(fā)送給服務(wù)處理程序。

波形顯示客戶端以圖形化展示的方式實(shí)現(xiàn)各類具有里程信息數(shù)據(jù)的綜合展示。借鑒圖層概念，即每個(gè)檢測(cè)波形文件為一個(gè)單獨(dú)圖層，各層均為透明顯示，享有同等繪圖空間，通過在通道配置文件中設(shè)置通道基線偏移值確定各通道繪制位置。設(shè)備臺(tái)賬類和數(shù)據(jù)集圖層具有單獨(dú)繪圖區(qū)域，既可與波形類圖層并列顯示，也可疊加顯示。前端展示層還提供放大、測(cè)量、打印、截圖等常用分析功能，并提供分析結(jié)果標(biāo)注、無效區(qū)段標(biāo)注及索引設(shè)置功能。

服務(wù)處理程序由CIT數(shù)據(jù)文件讀取解析處理模塊、數(shù)據(jù)庫訪問模塊和數(shù)據(jù)分析處理、網(wǎng)絡(luò)模塊等組成。網(wǎng)絡(luò)模塊負(fù)責(zé)接收各檢測(cè)專業(yè)客戶端上傳的波形數(shù)據(jù)并以文件形式存儲(chǔ)在服務(wù)器磁盤陣列上，在數(shù)據(jù)庫中記錄保存的CIT文件信息；數(shù)據(jù)文件讀取解析處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)實(shí)體數(shù)據(jù)文件的讀??；數(shù)據(jù)庫訪問模塊封裝了對(duì)設(shè)備臺(tái)賬數(shù)據(jù)、偏差數(shù)據(jù)、索引及標(biāo)注數(shù)據(jù)等存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫內(nèi)的記錄類數(shù)據(jù)的訪問接口。

網(wǎng)絡(luò)接口層采用“Socket通信協(xié)議+XML數(shù)據(jù)交換協(xié)議”為前端展示層提供數(shù)據(jù)服務(wù)接口，包括網(wǎng)絡(luò)傳輸、通信調(diào)度、狀態(tài)監(jiān)控、指令處理和數(shù)據(jù)封裝等模塊。網(wǎng)絡(luò)接口層設(shè)計(jì)了一套數(shù)據(jù)訪問指令集，波形顯示客戶端的各種數(shù)據(jù)調(diào)用請(qǐng)求均以指令形式傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理層。

3 功能特點(diǎn)及實(shí)際應(yīng)用

（1）檢測(cè)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)通過CSS與Java Script技術(shù)結(jié)合使用，在B/S界面下實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)菜單，為用戶提供美觀、方便、簡(jiǎn)潔的操作界面，系統(tǒng)運(yùn)行界面見圖8。

（2）檢測(cè)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)軌檢大值和動(dòng)力學(xué)大值獲取對(duì)應(yīng)里程點(diǎn)的輪軌接觸視頻數(shù)和波形數(shù)據(jù)，為檢測(cè)人員在檢測(cè)運(yùn)營(yíng)過程中準(zhǔn)確分析判斷大值病害提供依據(jù)。自動(dòng)獲取大值報(bào)警附件數(shù)據(jù)后查詢界面見圖9。

（3）系統(tǒng)自動(dòng)向無線傳輸系統(tǒng)傳輸檢測(cè)過程出現(xiàn)的各專業(yè)大值報(bào)警數(shù)據(jù)和報(bào)警附件數(shù)據(jù)。系統(tǒng)可根據(jù)地面要求傳送指定數(shù)據(jù)，為地面中心實(shí)時(shí)分析檢測(cè)運(yùn)營(yíng)中的大值

圖6 GIS展示子系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)

圖7 車載波形綜合展示子系統(tǒng)架構(gòu)

圖8 檢測(cè)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)運(yùn)行界面

用戶界面報(bào)警數(shù)據(jù)提供有效手段，為高速鐵路穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)和輔助維修提供保障和支持。系統(tǒng)能監(jiān)視各種數(shù)據(jù)的發(fā)送狀態(tài)，監(jiān)視界面見圖10、圖11。

（4）GIS綜合展示子系統(tǒng)在檢測(cè)過程中可將檢測(cè)大值報(bào)警數(shù)據(jù)信息按照不同專業(yè)分級(jí)別顯示在地圖上（系統(tǒng)運(yùn)行界面見圖12），便于檢測(cè)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。

圖9 自動(dòng)獲取大值報(bào)警視頻附件數(shù)據(jù)查詢界面

圖10 數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)監(jiān)視界面

圖11 大值報(bào)警數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)監(jiān)視界面

圖12 綜合GIS展示界面

4 結(jié)論

新型車載數(shù)據(jù)綜合分析處理系統(tǒng)在檢測(cè)過程中為各檢測(cè)專業(yè)人員的現(xiàn)場(chǎng)評(píng)判和數(shù)據(jù)分析提供了多種有效的評(píng)價(jià)手段和方法，檢測(cè)過程中大值報(bào)警能及時(shí)傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)中心，及時(shí)向全路發(fā)布并實(shí)時(shí)預(yù)警，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)過程中車載系統(tǒng)與地面數(shù)據(jù)中心及檢測(cè)線路的工務(wù)段、電務(wù)段、供電段一體化，滿足高速鐵路檢測(cè)運(yùn)營(yíng)和輔助維修要求，保障線路的運(yùn)營(yíng)安全。

目前車載數(shù)據(jù)綜合分析處理系統(tǒng)除應(yīng)用在CRH380B-002外，還應(yīng)用于CRH380A-001，并可用于升級(jí)0號(hào)高速綜合檢測(cè)車和CRH2-010A高速綜合檢測(cè)車的數(shù)據(jù)綜合處理系統(tǒng)，同時(shí)，也能在地方鐵路、城市軌道交通的檢測(cè)車中推廣應(yīng)用。

[1]中國(guó)鐵道科學(xué)研究院．最高試驗(yàn)速度400 km/h高速檢測(cè)列車——關(guān)鍵技術(shù)研究與裝備研制，2009

[2]中國(guó)鐵道科學(xué)研究院．400公里檢測(cè)車綜合系統(tǒng)實(shí)施方案ver1.4.2，2009

[3]中國(guó)鐵道科學(xué)研究院．時(shí)速400公里高速檢測(cè)列車綜合系統(tǒng)技術(shù)條件，2009