城軌車輛遠程監(jiān)測信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

陳 闖 陳廣泰 姜 正

(中車大連機車研究所有限公司 遼寧 大連 116023)

0 引 言

隨著城市軌道交通大規(guī)模、快速發(fā)展，除了安全性以外，城軌交通的服務質(zhì)量以及服務效率也受到廣泛關(guān)注。運營調(diào)度對所有在線運營車輛進行遠程實時運維監(jiān)測逐步成為提高城市軌道交通服務質(zhì)量的重要方式。

目前，城市軌道交通運維部門對車輛的維護主要實行的是設(shè)備巡檢和計劃性維修制度，這種維修方式具有一定盲目性和主觀性。對于列車上的大部分部件，維修人員需要頻繁檢查與測量，有時甚至需要進一步拆卸來確認部件工作狀態(tài)，由此產(chǎn)生的大量多余勞動和能源消耗，浪費了人力、物力和財力[1]。

此外，車輛實時遠程運維監(jiān)測的實現(xiàn)，必需建立在車地通信技術(shù)的基礎(chǔ)之上。雖然近些年基于Wi-Fi和LTE的車地通信技術(shù)得到了快速發(fā)展，但因其實施費用高，有些較早開通的城軌沿線沒有建立Wi-Fi環(huán)境，且已建線路也有相當一部分因Wi-Fi信號不穩(wěn)定，造成車地無線通信系統(tǒng)很難在列車高速移動情況下，提供全線路、高可靠、低時延的帶寬通信。車廂視頻只能少量地傳回運營調(diào)度監(jiān)控中心，大部分視頻信息只能事中記錄、事后查看，不是真正的車廂實時視頻監(jiān)控，無法做到及時處置。目前，還有采用公網(wǎng)4G方式在城市交通領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)車載視頻及車載運行監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸，但基于軌道交通領(lǐng)域的高可靠網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的安全要求，無法真正應用在軌道交通領(lǐng)域[2]。

基于以上存在的現(xiàn)象和問題，結(jié)合當前先進的模塊化嵌入式編程、物聯(lián)網(wǎng)應用、Web應用開發(fā)、MySQL數(shù)據(jù)庫和Android移動應用等多種主流技術(shù)，本文設(shè)計一套基于APN網(wǎng)絡(luò)的城軌車輛遠程監(jiān)測信息系統(tǒng)(Urban rail vehicle Remote Monitoring information system， URM)，及時掌握城軌車輛運用狀況，實現(xiàn)對列車設(shè)備狀態(tài)信息的遠程監(jiān)測和車載視頻的集中監(jiān)視，及時對城軌列車設(shè)備進行診斷維護和突發(fā)事件的應急響應，實現(xiàn)對列車設(shè)備進行故障預測健康管理，為提升城市軌道交通服務水平和推進智能化維修體系提供支持。

1 系統(tǒng)功能

URM系統(tǒng)的總體設(shè)計思路是采用先進的車載信息采集技術(shù)、無線通信技術(shù)、流媒體傳輸技術(shù)和故障預測健康管理技術(shù)，把城軌車輛TMS(Train Management System)及PIS(Passenger Information System)設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)和視頻信息等車載數(shù)據(jù)處理整合后，利用APN(Access Point Name)專網(wǎng)無線傳輸技術(shù)傳至地面進行分析處理，地面系統(tǒng)通過計算機技術(shù)對城軌車輛在途監(jiān)視、整備列檢等信息進行綜合應用。

1) 列車運行狀態(tài)監(jiān)測。隨時掌握列車的正常使用、備用狀態(tài)，實時獲得車輛的車號、線路、速度、在線狀態(tài)、前方到站、硬盤狀態(tài)、信號強度、攝像頭狀態(tài)、PA(Passenger Audio)狀態(tài)、信息顯示系統(tǒng)狀態(tài)、車載網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)及經(jīng)緯度坐標等信息，便于車輛集中調(diào)度，充分利用車輛，提高車輛的利用率。

2) 及時了解列車故障狀態(tài)。遠程監(jiān)測車輛的故障狀態(tài)，隨時掌握每臺列車的狀態(tài)是否完好，實時采集車載PIS系統(tǒng)故障信息，包括故障發(fā)生的車號、車廂、故障設(shè)備、故障模塊、IP地址、發(fā)生時間、故障等級及故障處置意見等信息，精準定位故障發(fā)生位置，節(jié)省故障維修時間和維修救援成本。

3) 車載視頻監(jiān)控遠程監(jiān)視。遠程點播司機室及客室等多路車載實時視頻信息，實現(xiàn)對司機規(guī)范駕駛、車廂應急指揮、火災監(jiān)控和錄像取證等運行安全監(jiān)測。采用流媒體分發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)單路視頻無線，地面多路并發(fā)訪問應用，節(jié)省無線帶寬流量。

4) 及時了解列車網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。實時監(jiān)測車載PIS系統(tǒng)的環(huán)網(wǎng)式以太網(wǎng)數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，快速定位網(wǎng)絡(luò)故障節(jié)點。

5) 協(xié)助公安人員完成NVR視頻轉(zhuǎn)存。通過兩種模式實現(xiàn)視頻文件轉(zhuǎn)儲。遠程查看視頻文件列表，實現(xiàn)單個視頻文件的在途轉(zhuǎn)存；列車回段入庫后通過WLAN網(wǎng)絡(luò)將NVR(Network Video Recorder)視頻全程數(shù)據(jù)文件批量下載到地面。

6) 車載日志文件的無線下載。基于FTP服務及端口映射技術(shù)，實現(xiàn)遠程下載列車PIS系統(tǒng)中各智能模塊中的日志文件，方便地面運維人員進一步分析設(shè)備故障。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

系統(tǒng)主要包括：位于車載端的數(shù)據(jù)采集傳輸裝置和專用車載天線及配套線纜；位于地面監(jiān)測中心的車地數(shù)據(jù)無線通信接入設(shè)備和智能手持終端模塊。車地無線傳輸方式采用專用APN物聯(lián)網(wǎng)和整備庫WLAN無線局域網(wǎng)進行實時數(shù)據(jù)、視頻文件及事件記錄文件的傳輸[3]。系統(tǒng)組成架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成架構(gòu)圖

2.1 數(shù)據(jù)采集傳輸裝置組成

本裝置采用標準3U機箱結(jié)構(gòu)，與車載PIS網(wǎng)絡(luò)及車載組合天線相互連接。采用ARM的嵌入式模塊化開發(fā)技術(shù)，各模塊間采用統(tǒng)一背板總線連接，基于以太網(wǎng)方式傳輸，由供電模塊、組網(wǎng)接口模塊、主控模塊、無線傳輸模塊、I/O轉(zhuǎn)換模塊、合路器模塊及背板等模塊組成。裝置組成如圖2所示。

圖2 裝置組成圖

其中，主控模塊是整個裝置的核心模塊，用于接收車載PIS數(shù)據(jù)，同時存儲故障發(fā)生時的關(guān)鍵特征數(shù)據(jù)，包括車輛語音報站、車輛開關(guān)門、車輛速度、車輛定位、信號強度及車載PIS系統(tǒng)設(shè)備運行狀態(tài)信息。主控模塊每隔1秒從PIS網(wǎng)絡(luò)實時采集關(guān)鍵特征數(shù)據(jù)并保存到行車記錄儀文件中，同時每隔3秒向地面監(jiān)控中心實時發(fā)送設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)；當列車發(fā)生故障，啟動車載故障分析處理模塊，將定位后的故障信息實時發(fā)送至地面監(jiān)控中心，同時存儲故障發(fā)生時的前后各100條與故障相關(guān)的變量數(shù)據(jù)信息，供地面數(shù)據(jù)點播應用。

組網(wǎng)接口模塊采用百兆帶寬的背部總線和內(nèi)部交換矩陣，具有12路M12輸出端口與背部總線掛接，每路端口都具有POE供電功能，通過內(nèi)部交換矩陣控制數(shù)據(jù)包的過濾和轉(zhuǎn)發(fā)。

供電模塊輸入端為直流110 V，用于為主控模塊及組網(wǎng)接口模塊提供直流48 V和直流12 V電源供電輸出。

無線傳輸模塊集成了物聯(lián)網(wǎng)APN、WLAN及GPS通信模組。APN物聯(lián)網(wǎng)通信模塊集成專用物聯(lián)網(wǎng)SIM卡(13位)，綁定APN專網(wǎng)IP地址，用于在途車輛運行工況與車輛監(jiān)測中心的通信；WLAN無線局域網(wǎng)主要應用車輛入庫后與車輛監(jiān)測中心通信，具有Wi-Fi信號自動識別和連接功能，通過收發(fā)庫內(nèi)廣播報文方式實現(xiàn)與局域網(wǎng)內(nèi)服務器的多對一連接，用于下載車載多個視頻及事件記錄文件，以及為車載PIS系統(tǒng)上傳預制節(jié)目；GPS模塊主要實現(xiàn)列車的經(jīng)緯度定位功能。

合路器模塊用于將車載專用組合天線輸入的多頻段3G/4G、WLAN及GPS信號分離傳輸。

I/O轉(zhuǎn)換模塊與列車網(wǎng)絡(luò)連接，作為預留模塊，負責后期與列車TMS網(wǎng)絡(luò)接口通信，具有網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換功能。

2.2 地面數(shù)據(jù)監(jiān)測中心建設(shè)

車輛監(jiān)測中心由數(shù)據(jù)庫服務器、流媒體服務器、應用服務器、交換機、監(jiān)控拼接屏及多臺操作終端組成，用于車載PIS數(shù)據(jù)的接收、解析、入庫、流媒體轉(zhuǎn)發(fā)及Web服務應用展示。主要包括數(shù)據(jù)接收及解析模塊、流媒體分發(fā)模塊、Web數(shù)據(jù)應用模塊及手持終端模塊[4]。

數(shù)據(jù)接收及解析模塊用于多臺車輛與監(jiān)測中心之間建立通信連接、協(xié)議解析及數(shù)據(jù)實時入庫。

流媒體分發(fā)模塊用于接收車載RTSP(Real Time Streaming Protocol)視頻源，通過轉(zhuǎn)發(fā)、處理、編碼、封包、推流、傳輸、轉(zhuǎn)碼、分發(fā)、解碼等過程，最終以RTP/RTSP私有流式協(xié)議將視頻流傳輸?shù)娇蛻艏爸悄芙K端實時播放，實現(xiàn)單路視頻源采集，多路高并發(fā)訪問的流媒體直播服務，節(jié)省流量[5]。

Web數(shù)據(jù)應用模塊用于為操作終端或智手持終端端提供車隊管理、實時視頻、實時故障、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、視頻轉(zhuǎn)存及日志轉(zhuǎn)存等應用服務。

手持終端模塊為Android三防手機，安裝專用的物聯(lián)網(wǎng)SIM卡，其上部署定制開發(fā)的APP應用程序，實時查看列車的運行狀態(tài)、實時故障和流媒體視頻信息。

2.3 車地無線傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

車地無線傳輸建設(shè)主要包括專用APN網(wǎng)絡(luò)和整備庫WLAN網(wǎng)絡(luò)。

(1) 專用APN網(wǎng)絡(luò)，用于在途運行車輛數(shù)據(jù)的傳輸，基于MSTP專線+GRE隧道方式實現(xiàn)。建立該種通信方式，需向運營商申請專用接入點名稱APN；租用到運營商的專線；SIM卡配置域名及IP，加入APN。車載設(shè)備和前置服務器之間的數(shù)據(jù)通信不通過Internet網(wǎng)絡(luò)[6]。

(2) 地面WLAN網(wǎng)絡(luò)，用于車輛回段入庫時的文件自動下載。通過在庫內(nèi)合理布置無線熱點，當列車進入整備庫時，自動連接庫內(nèi)Wi-Fi熱點，實現(xiàn)對入庫車輛車載記錄文件及視頻文件的轉(zhuǎn)儲[7]。

3 技術(shù)路線及設(shè)計方法

3.1 車載終端業(yè)務實現(xiàn)技術(shù)路線

車載數(shù)據(jù)采集傳輸裝置以模塊化設(shè)計為基礎(chǔ)，采用單進程、多線程資源管理方式，滿足降低程序復雜度、可復用、易于維護、易于擴展、利于團隊開發(fā)的要求。同時，通過分層的結(jié)構(gòu)劃分，各層次各模塊之間界限清晰、接口明確、相互獨立，確保程序整體運行高穩(wěn)定性。車載終端技術(shù)架構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 車載終端技術(shù)架構(gòu)圖

車載終端數(shù)據(jù)流業(yè)務較為復雜，需要與車載PIS及TMS網(wǎng)絡(luò)保持實時雙向通信。每個設(shè)備的通信協(xié)議與協(xié)商邏輯各不相同，并且從不同設(shè)備獲取到的數(shù)據(jù)的規(guī)格、協(xié)議以及用途也無法統(tǒng)一，1對N、N對1的數(shù)據(jù)使用場景交錯出現(xiàn)，同時不同硬件板卡的特殊用途也提升了程序的復雜度。因此必須從復雜的業(yè)務現(xiàn)狀中抽象出一個清晰、可靠的框架用于約束數(shù)據(jù)流的業(yè)務邏輯，否則程序的可靠性、可維護性無從談起。設(shè)計原則如下：

1) 確保各業(yè)務模塊的獨立性。主控(cpu_freq)、IP動態(tài)分配(net_mngr)、端口代理(camera_client)及無線路由(ap_init)等模塊作為獨立的業(yè)務單元以獨立模塊存在，業(yè)務上互不影響。不同業(yè)務單元獨立實現(xiàn)各自的協(xié)議要求，對外屏蔽數(shù)據(jù)來源、硬件板卡規(guī)格及數(shù)據(jù)協(xié)議等差異。

2) 關(guān)注于各種數(shù)據(jù)報文僅當前最新一幀的時效性,即獲取到新報文后，同類型的舊報文將失去意義。引入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)機制，通過數(shù)據(jù)緩沖區(qū)隔離數(shù)據(jù)流的輸入端業(yè)務與輸出端業(yè)務。輸入端業(yè)務統(tǒng)一接收端口，通過唯一的數(shù)據(jù)流接收過濾模塊將接收到的所有數(shù)據(jù)分類存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。輸出端業(yè)務只需按照各自業(yè)務要求隨時從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中獲取所需任意一類數(shù)據(jù)，并進行任意處理。通過數(shù)據(jù)緩沖區(qū)機制將車載設(shè)備復雜的數(shù)據(jù)流業(yè)務梳理清晰，有效降低了程序的業(yè)務流和數(shù)據(jù)流的耦合，保證了程序的可靠性、可維護性。

3) 整合通用函數(shù)為基礎(chǔ)功能模塊，為其他模塊提供統(tǒng)一接口服務，提高程序的穩(wěn)定性和可復用性?；A(chǔ)功能模板包括線程池(ThreadPool)、日志記錄(LOG)、消息鏈表隊列(MessageList)、合法性驗證(VOS)及指示燈(LIGHT)等通用模塊。

3.2 車地無線通信機制設(shè)計

創(chuàng)建四個線程，用于接收實時數(shù)據(jù)、車載端心跳、故障點播指令及文件遠程傳輸四類報文。

定義DealwithRealtimeData()線程回調(diào)函數(shù)，用于接收實時報文，通過CRC校驗，合法后將報文通過DataBuf_InsertByType()方法存入數(shù)據(jù)緩存區(qū)，供數(shù)據(jù)解析層獲取。

定義DealwithHeartBeat()線程回調(diào)函數(shù)，用于處理收到的心跳報文(無需CRC校驗以及加解密)。收到心跳報文后，若此時存在待發(fā)送至該車載端的指令報文，則通過當前的心跳報文套接字將指令報文發(fā)送至車載端，反之，則發(fā)送默認應答報文。

定義UdpServer4Web()線程回調(diào)函數(shù)，處理Web端發(fā)送的指令報文。收到指令報文后將報文存放入對應車載端的待發(fā)送數(shù)據(jù)緩存區(qū)，供心跳應答流程獲取。

定義TcpReceive()線程回調(diào)函數(shù)，處理車載端發(fā)起的文件傳輸請求。TCP鏈路建立后，等待車載端發(fā)送請求報文，請求報文合法，發(fā)送確認報文，開始接收數(shù)據(jù)流，接受完畢后檢查實際接受的數(shù)據(jù)是否正確。不正確則認為傳輸失敗，傳輸流程終止；正確則將接收到的數(shù)據(jù)流存入數(shù)據(jù)緩存區(qū)，供數(shù)據(jù)應用層獲取。

3.3 數(shù)據(jù)接收及入庫模塊設(shè)計方法

數(shù)據(jù)接收及入庫模塊基于Linux的C編碼實現(xiàn)，其流程主要包括初始化連接、創(chuàng)建接收流線程、創(chuàng)建緩沖區(qū)、策略處理、FTP下載、報文解析、數(shù)據(jù)入庫及故障點播等模塊算法，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)解析服務流程圖

初始化連接模塊主要負責Socket通信和線程池的建立，通過APN專網(wǎng)實現(xiàn)車載端與地面服務器之間的UDP連接。

當有多臺列車同時在線運行時，系統(tǒng)會從線程池建立多個接收數(shù)據(jù)流線程和相應的緩沖區(qū)，負責接收列車的實時數(shù)據(jù)流報文及記錄文件數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。當列車不在線時，自動釋放掉占用的線程和緩沖區(qū)資源。

策略處理模塊根據(jù)報文頭屬性決定通信層的發(fā)送方式以及報文重發(fā)周期。若為點播指令，則啟用FTP下載記錄文件模塊；若為實時報文數(shù)據(jù)流，則啟用報文解析模塊。FTP下載模塊封裝了車載端與地面服務器之間通過FTP協(xié)議傳輸?shù)男熊囉涗浐忘c播數(shù)據(jù)文件的業(yè)務邏輯。報文解析模塊封裝了設(shè)備運行狀態(tài)及實時故障自定義報文協(xié)議流，實現(xiàn)對車載報文數(shù)據(jù)拆包解析的過程。數(shù)據(jù)入庫模塊調(diào)用數(shù)據(jù)庫存儲過程，實現(xiàn)對解析后的數(shù)據(jù)報文及FTP下載記錄入庫操作。數(shù)據(jù)點播指令模塊封裝了點播指令監(jiān)聽及點播報文封裝服務。

3.4 地面遠程監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

為了后期新功能的擴展和方便部署考慮，本系統(tǒng)利用Java EE技術(shù)，采用JFinal+EasyUI+Pushlet+MySql技術(shù)框架，基于面向服務(SOA)的B/S架構(gòu)設(shè)計開發(fā)。在服務器上統(tǒng)一部署應用服務，技術(shù)檢修人員通過瀏覽器輸入服務地址，直接訪問及應用，無需在各個操作終端安裝客戶端軟件。同時，系統(tǒng)采用WebService集成接口技術(shù)向其他應用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接口服務。

4 裝車驗證情況

本系統(tǒng)已在國內(nèi)某地既有快軌線路小批量裝車應用，整條線路基于4 Mbit/s帶寬的APN專網(wǎng)實現(xiàn)車地無線傳輸，點播視頻清晰流暢、GPS定位準確。驗證結(jié)果如下：

1)司機室采用2Mbit/s碼流(分辨率1080P)視頻傳輸，地面系統(tǒng)能夠分辨出司機操作動作及儀表盤上的指針數(shù)據(jù)。

2) 車輛前方攝像頭采用1 Mbit/s碼流(分辨率720 P)視頻傳輸，能夠識別前方路況、路標及前方障礙物。

3) 客室攝像頭采用1 Mbit/s碼流(分辨率720 P)視頻傳輸，能夠看清客室內(nèi)的人群客流量及擁擠情況。

4) 緊急報警攝像頭采用2 Mbit/s碼流(分辨率1 080 P)視頻傳輸，能夠分清當前報警人臉及現(xiàn)場細節(jié)情況。

5) 流量估算。假設(shè)每輛車視頻點播時長為40小時/月，若按2 Mbit/s碼流，經(jīng)使用驗證平均產(chǎn)生流量為350 MBit/小時，即每月/車總流量不超過14 GBit。

6) 若采用4～8 Mbit/s帶寬APN專網(wǎng)，至少同時可傳送4至8路高清視頻及實時信息。

URM系統(tǒng)通過近兩年的裝車運用考核，實現(xiàn)了對城軌車輛遠程運行狀態(tài)監(jiān)測及車廂視頻實時監(jiān)視，極大地提高了運維檢修效率。采用APN專網(wǎng)無線通信技術(shù)，有效地保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕鄬τ谘鼐€建立LTE及WLAN專網(wǎng)專線，節(jié)約了用戶的初期建設(shè)投資和運行維護費用。系統(tǒng)應用界面如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)應用界面

5 結(jié) 語

本文基于APN網(wǎng)絡(luò)的城軌車輛遠程監(jiān)測信息系統(tǒng)實現(xiàn)了城軌車輛的前瞻性運用維護服務，降低了設(shè)備全壽命周期維護成本，提高了運輸設(shè)備利用效率，改善了運輸管理[8]。系統(tǒng)的實施能夠為保障城軌車輛的正常和安全運營、車輛設(shè)備安全監(jiān)控、設(shè)備故障排查和檢修等提供重要的數(shù)據(jù)支撐。將領(lǐng)域知識與大數(shù)據(jù)技術(shù)的結(jié)合，實現(xiàn)規(guī)范駕駛、應急指揮、智能診斷和錄像取證等城軌車輛的運行安全，為建立一整套先進的城軌車輛管理、監(jiān)測、應急和維修體系提供支持。