列車數據分析與預警系統(tǒng)研究

李福生+查小菲

摘 要：隨著城市軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展，各地鐵運營公司對在線運營的地鐵車輛的安全性、車輛狀態(tài)數據的實時性以及后期車輛維修維護的指導性要求越來越迫切，而傳統(tǒng)的車輛運行數據存儲在車輛事件記錄儀中，數據只能通過人工下載方式才能傳輸到地面，造成數據傳輸不及時，車輛故障維護延后等缺點。地鐵列車數據分析與預警系統(tǒng)集成數據采集、分析和預警等多項功能，可以有效提供列車安全性和可靠性。本文對列車數據分析與預警系統(tǒng)進行探討。

關鍵詞：數據分析；預警；地鐵車輛；運營監(jiān)控；數據采集

中圖分類號：U231 文獻標志碼：A

0 概況

系統(tǒng)以地鐵車輛運營管理的實際工作需求為核心開展建設工作，其主要具有列車組及關鍵部件的實時數據采集、數據分析、故障預測功能，即通過列車組及關鍵部件或子系統(tǒng)當前狀態(tài)，對故障進行診斷或識別，并對潛在的故障進行預測或報警。實現一套實現列車實時監(jiān)控、數據分析和故障預警等功能的在線系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設計需求

接收列車的實時數據和離線數據，對數據進行解析，存儲到數據中心，圍繞數據中心提供列車運行狀態(tài)監(jiān)測、數據分析、故障預警等各種擴展功能。

1.1 功能需求

系統(tǒng)以列車運營管理的實際工作需求為核心開展建設工作，其主要具有列車組及關鍵部件的實時監(jiān)視、數據分析、故障預測功能，即通過列車組及關鍵部件或子系統(tǒng)當前狀態(tài)，對故障進行診斷或識別，并對潛在的故障進行預測或報警。實現一套實現列車實時監(jiān)控、數據分析和故障預警等功能的在線系統(tǒng)。圍繞上述的業(yè)務需求，該系統(tǒng)可以劃分為兩大子系統(tǒng)。

（1）數據采集存儲子系統(tǒng)：負責各種數據資源的統(tǒng)一存儲管理。包括對列車的實時運行數據、離線數據、知識數據等進行解析、存儲、轉發(fā)。其根據列車行駛特點，建立緩存，在這一基礎上結合里程累計、閾值觸發(fā)實現增量累計分析。

（2）運營監(jiān)控系統(tǒng)子系統(tǒng)：在監(jiān)控緩存數據的基礎上，其根據預警與監(jiān)控數據的閾值觸發(fā)建立對象監(jiān)控跟蹤隊列。根據列車基礎數據，對列車的實時狀態(tài)、各個子系統(tǒng)的數值，以可視化的方法進行在線實時展示。對歷史的數據，結合知識庫，進行統(tǒng)計分析。

1.2 業(yè)務需求

依托“列車數據分析與預警系統(tǒng)”的平臺系統(tǒng)提供的核心功能，提供的具體業(yè)務功能如圖1所示。

（1）數據采集存儲模塊

主要實現列車實時數據和離線數據的接收、轉發(fā)、解析、存儲等功能。

（2）實時狀態(tài)檢測模塊

對列車的關鍵部件工作狀態(tài)、運行線路、故障數據進行管理和處理，以可視化的形式進行展示。

（3）分析統(tǒng)計模塊

對列車的歷史數據、離線數據結合知識庫，進行統(tǒng)計分析，以可視化的形式進行展示。

（4）后臺管理模塊

對整個系統(tǒng)進行綜合的后臺管理，管理員通過web登錄管理系統(tǒng)后，可以進行用戶管理、權限管理、日志管理以及資料管理等操作。

1.3 性能需求

由于系統(tǒng)建設的目的是針對數據分析和預警的服務。 因此對于系統(tǒng)的整體可靠性、健康性要求較高。需要具備以下的服務能力：

7×24 在線不間斷在線服務能力；

典型運行周期內（365 天）三級系統(tǒng)故障發(fā)生<5；

具備快速啟動與恢復能力，典型故障發(fā)生時恢復時間<5min；

具備數據備份能力，能夠 100%恢復；

具備一定的系統(tǒng)檢測能力，能夠就系統(tǒng)存儲、計算能力邊界實現自動檢測，并提示系統(tǒng)運維管理人員及時處理；

管理信息系統(tǒng)并發(fā)量為500，能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

具有較好的系統(tǒng)擴展能力，能夠通過熱處理的方式，實現系統(tǒng)存儲、計算等資源節(jié)點的加入，在資源變化過程中不影響系統(tǒng)核心業(yè)務的開展。

2 總體設計

2.1 系統(tǒng)構架

列車的監(jiān)控、數據分析、值警以及產品全生命周期數據管理無一不圍繞數據資源展開。

現場數據采集與處理：根據預設的各種子系統(tǒng)故障分析邏輯與閾值設置判斷不同對象的運行狀態(tài)、故障前兆開展預警。同時，其根據故障監(jiān)測警報設置對發(fā)生故障的子系統(tǒng)及時監(jiān)控。同時，其利用現場網絡環(huán)境。以多種方式將收集的數據上傳到服務端。在回傳過程中，根據不同數據的業(yè)務重要性分為以下幾種傳輸模式：

（1）實時傳輸：這些數據與列車安全狀態(tài)緊密攸關。在列車行駛過程中系統(tǒng)將采集的數據通過3G/4G網絡連續(xù)性回傳后臺，供監(jiān)控、分析與處置活動利用。

（2）離線續(xù)傳：這類數據相對上述數據而言重要性、實時性相對較低。在列車行駛過程中，不需要實時采集傳輸。其通常以本地數據緩存對采集的數據進行組織。在一定條件下，將緩存數據整體回傳后臺。

（3）故障警報：這些數據包括各種子系統(tǒng)故障監(jiān)控的值警信息。當傳感器采集的數據經過分析識別后，達到被監(jiān)控對象的警報閾值時，一方面其通知現場處理單元處置，另一方面通過網絡即時回傳。在幾種傳輸模式中，這一類傳輸模式具有最高的優(yōu)先級與實時性的要求。

在上述工作的基礎上，為上層的業(yè)務活動開展提供各種服務。其以列車智能維護為目標應用領域，圍繞其數據增量的特點，建立流式數據接入、存儲管理、實時跟蹤以及異常識別的全業(yè)務鏈服務體系。結合當前技術缺陷，在平臺搭建中實現流式數據實時處理與離線分析工作的結合。圖2中展示了這一研究工作的主要技術路線。

2.2 系統(tǒng)組建

2.2.1 服務器端

（1）開發(fā)環(huán)境

操作系統(tǒng)：Windows 7；

開發(fā)工具：Qt；

開發(fā)語言：C++；

依賴庫：相關數據庫驅動。

（2）部署環(huán)境endprint

操作系統(tǒng)：Windows server 2008 r2或以上版本；

依賴庫：Windows系統(tǒng)庫、Qt庫、數據庫驅動庫、C++標準庫等。

2.2.2 Web端

展示層：管理用戶的請求和響應、提供一個控制起來將調用委托到業(yè)務邏輯和其他上游處理、組裝可以在視圖中表現的模型對象。執(zhí)行UI 校驗等等。

業(yè)務邏輯層：采用Spring MVC框架，為平臺各個業(yè)務子應用系統(tǒng)提供標準邏輯組件、公共服務代理；

持久層：采用myBatis持久層封裝框架，提供數據持久化、數據訪問能力；DB采用oracle數據庫，如圖3所示。

部署環(huán)境：jdk + tomcat + Oracle

開發(fā)環(huán)境：jdk + eclipse + Oracle+ tomcat

版本管理：svn

3 系統(tǒng)功能設計

數據采集存儲模塊是整個系統(tǒng)的核心，其負責數據的采集、解析、存儲管理、跟蹤分析。其根據上層業(yè)務的需求建立數據庫，依據里程累積開展迭代跟蹤分析。在這一基礎上，結合底層集成的產品數據、維護業(yè)務數據等提供分析和預警的支撐服務。

（1）實時數據

ERM實時借用地面PIS系統(tǒng)的無線傳輸通道通過以太網UDP協(xié)議將車載數據傳輸服務器，服務器進行數據解析、分析、存儲等工作。

（2）離線數據

車輛到庫后，維護人員使用HMI進行手動觸發(fā)進行車輛數據上傳，或者TCMS根據時間觸發(fā)條件自動上傳車輛數據，車輛運行數據及故障數據使用.CSV格式，文件經壓縮后借用地面PIS的無線傳輸通道，發(fā)送到服務器，服務器進行數據解析、分析、存儲等工作。

3.1 Web端

實時狀態(tài)監(jiān)測主要包括列車狀態(tài)、線路監(jiān)控、當前故障及故障預警。

（1）列車狀態(tài)

列車狀態(tài)模塊用于展示在線列車和離線列車的列車號、狀態(tài)、運行模式、網壓、網流、終點站、當前站、下一站、更新時間和故障信息，展示當前故障，并可以查看某列車的故障列表。

用戶點擊列車號可以查看該列車的詳細信息，包括運行狀態(tài)、通信狀態(tài)、牽引狀態(tài)、輔助狀態(tài)、制動狀態(tài)和空調狀態(tài)，如圖4所示。

（2）線路監(jiān)控

線路監(jiān)控以圖形方式展示列車的運行位置、速度、方向以及下一站等信息。

（3）當前故障

當前故障列表展示故障信息，包括列車號、車輛、故障代碼、故障描述、故障時間、車速、故障系統(tǒng)、故障處理指導、等級、類型、狀態(tài)信息，并能關聯(lián)明細和查看操作指南。用戶可以通過按列車號選擇和故障等級對當前故障信息進行過濾。

（4）故障預警

故障預警模塊列表展示故障預警信息，包括異常系統(tǒng)、異常設備名稱、異常設備狀態(tài)、預警故障等級、出現故障概率、預警故障描述以及應急措施等信息。通過按列號選擇、異常系統(tǒng)和預警故障等級3個條件對故障預警信息進行過濾，如圖5所示。

（5）分析統(tǒng)計

分析統(tǒng)計對列車的關鍵部件工作狀態(tài)的數據進行管理和處理，并可對數據進行可視化展示，便于對設備狀態(tài)做出正確的評估判斷，主要包括數據趨勢分析、類車故障查詢、故障統(tǒng)計分析、故障操作指南以及列車運營里程。

①數據趨勢分析

數據趨勢分析模塊提供用戶對本列車的關鍵部件工作狀態(tài)的數據查詢與可視化展示的功能。用戶可以選擇查看某個關鍵部件在某段時間內的某種數據信息，系統(tǒng)使用波形圖對用戶選擇的數據進行可視化展示。

圖表上面列出列車所有關鍵部件的重要變量，用戶可以使用多選的方式選擇需要查看的變量，在作圖區(qū)進行統(tǒng)一查看。

②列車故障查詢

列車故障查詢模塊可以通過列車號、車輛、系統(tǒng)選擇、故障代碼、開始時間和截止時間過濾條件對列車故障信息進行查詢，并以列表的形式進行展示。通過明細和查看鏈接可以關聯(lián)故障信息的明細和操作指南。

③故障統(tǒng)計分析

故障統(tǒng)計分析模塊按列車號、統(tǒng)計類型、開始時間和截止時間過濾條件對牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、門控系統(tǒng)、空調系統(tǒng)和PIS系統(tǒng)進行故障分布統(tǒng)計，統(tǒng)計結果以餅狀圖的形式進行可視化展示。

④故障操作指南

故障操作指南模塊用于提供列車故障的解決方案。該模塊以列表形式展示故障操作指南，包括車型、操作指南等信息，可以根據車型和故障代碼對故障操作指南進行查詢。

3.2 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理的主要任務是對整個系統(tǒng)進行綜合管理，管理員通過web登錄管理系統(tǒng)后，可以進行用戶管理、角色管理、日志管理等操作。

結論

本文介紹了地鐵車輛列車數據分析與預警系統(tǒng)的開發(fā)和功能，系統(tǒng)極大地提高了車輛自身智能化診斷水平，通過對車輛運行狀態(tài)數據統(tǒng)計分析，給出車輛設備故障預警信息；通過對車輛故障信息的統(tǒng)計分析，有效地提高車輛維修維護的針對性，同時降低車輛計劃修人力資源成本。

參考文獻

[1]仇輝.智能交通管控平臺中數據分析子系統(tǒng)的設計與實現[D].北京郵電大學，2015.

[2]金曦.智能車輛信息平臺研究及關鍵技術實現[M].浙江大學出版社，2014.endprint