軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)智能化研究

王寧

(煙臺汽車工程職業(yè)學(xué)院 信息與控制工程系, 山東 煙臺 265500)

0 引言

隨著城市居民車輛持有量的不斷上升，交通擁堵及安全等方面問題日益突出，促使各城市提高了對軌道交通控制的重視程度，軌道交通智能綜合控制系統(tǒng)不斷發(fā)展起來，該系統(tǒng)按功能劃分主要包括智能控制和綜合監(jiān)控兩部分，通過使用該系統(tǒng)可有效避免交通擁堵，且具備節(jié)能環(huán)保、承載量大等優(yōu)勢，成為廣大市民出行的常用選擇，這就要求智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)具備較高的安全性和穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)智能高效的監(jiān)控過程，并確保系統(tǒng)內(nèi)各個監(jiān)控分支間的有效合作，在各自控制范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)、高安全、高效率的運(yùn)輸過程。城市軌道交通的快速發(fā)展為監(jiān)控和管理過程提出了更高的要求，傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)普遍存在缺少車站決策層的問題，本文根據(jù)城市軌道交通智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)的特征及需求，對實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 現(xiàn)狀分析

交通運(yùn)輸事業(yè)的開展需綜合考慮各類交通運(yùn)輸方式特征，采用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)確保軌道交通的可持續(xù)發(fā)展，這就為發(fā)展智能運(yùn)輸行業(yè)提出了更高的要求，需根據(jù)目前城市軌道交通建設(shè)情況及市場動態(tài)走向采取相應(yīng)技術(shù)和方法設(shè)計并實(shí)現(xiàn)城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)，使包括資源短缺等在內(nèi)的問題得以有效解決?，F(xiàn)有軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)普遍存在設(shè)計思想不統(tǒng)一、各軌道交通的信息無法有效共享、監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)營需求不明確等問題，一旦發(fā)生突發(fā)事故，協(xié)調(diào)性較差的不同軌道間難以及時作出相應(yīng)，需要完成重復(fù)性較高的工作，耗時耗力，傳統(tǒng)軌道交通運(yùn)營管理模式及方法已無法滿足高效安全的運(yùn)輸需求，城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)有待進(jìn)一步完善。隨著軌道交通自動化程度的不斷提高，需為這些自動化系統(tǒng)搭建一個統(tǒng)一監(jiān)控的平臺，以便有效提高運(yùn)營管理效率[1]。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)(包括通信技術(shù)和人工智能技術(shù)等)為發(fā)展軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)提供了技術(shù)支撐，本文在歸納和總結(jié)了綜合監(jiān)控系統(tǒng)多年來的設(shè)計理念及發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上提出了一個設(shè)計方案，具體基于關(guān)聯(lián)性模型完成系統(tǒng)的構(gòu)建，為使監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠性得到有效提高，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了主動檢驗(yàn)綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)功能(包括識別與監(jiān)控非正常數(shù)據(jù)的使用情況)。

2 軌道交通智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

為滿足快速發(fā)展的城市軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)的功能需求，相關(guān)軌道交通監(jiān)控子系統(tǒng)不斷被設(shè)計并投入使用，軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)通常主要按照監(jiān)控對象、控制功能、應(yīng)用范圍劃分為若干個相互獨(dú)立建設(shè)的子系統(tǒng)，主要由智能控制(屬于一種網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管平臺)和綜合監(jiān)控兩部分構(gòu)成，智能控制負(fù)責(zé)在共同的監(jiān)管平臺中納入各個監(jiān)控支網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對各監(jiān)控點(diǎn)數(shù)據(jù)的集合、共享及互動功能，該監(jiān)管模式通過智能化的監(jiān)控過程減少甚至無需人工監(jiān)控；綜合監(jiān)控系統(tǒng)，主要由若干各自擁有自身獨(dú)特功能特點(diǎn)的子監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成，完成對固定范圍軌道交通的控制。

2.1 智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)概述

(1) 智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)的功能特點(diǎn)，作為綜合化的智能型監(jiān)控系統(tǒng)，它是一個由較多小支節(jié)組成的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，主要借助共有平臺負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間的信息共享及通信過程(通過各種細(xì)化分工)，并可在此基礎(chǔ)上采用大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息的融合及深入挖掘，進(jìn)而獲取更有使用價值的數(shù)據(jù)信息。(2) 智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由眾多支網(wǎng)絡(luò)組成的智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)分工明確，負(fù)責(zé)收集包括語音、文字和圖像等在內(nèi)的數(shù)據(jù)信息，不同支網(wǎng)對應(yīng)不同的崗位任務(wù)及考核標(biāo)準(zhǔn)，以確保網(wǎng)絡(luò)分工的井然有序。通過系統(tǒng)中的共用分享平臺實(shí)現(xiàn)各種信息的共享功能，有固定行駛路線的軌道交通的行程大多是規(guī)劃好的，包含很多有潛在價值的信息，可使用一個專門負(fù)責(zé)信息挖掘的支網(wǎng)處理收集到的各種信息。(3) 智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動效果，該系統(tǒng)有一個共通的信息共享平臺，實(shí)現(xiàn)信息在各支網(wǎng)及系統(tǒng)的共享，使聯(lián)通的各支網(wǎng)構(gòu)成，整個系統(tǒng)同各支網(wǎng)間呈現(xiàn)共通的關(guān)系，有效聯(lián)動的子系統(tǒng)間通過數(shù)據(jù)共享平臺傳遞監(jiān)控信息，從而確保智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行[1]。

2.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的綜合監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體功能架構(gòu)

作為城市軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)的主要功能框架，通過構(gòu)建的監(jiān)控系統(tǒng)框架對系統(tǒng)所具備的功能進(jìn)行最大限度的描述，并提供相對應(yīng)的服務(wù)(采用不同軟硬件間的組合完成不同的服務(wù))，系統(tǒng)功能的聯(lián)通實(shí)現(xiàn)重要信息在系統(tǒng)以及其它部分間的流通和共享，功能間相互交融的監(jiān)控系統(tǒng)框架為實(shí)現(xiàn)監(jiān)控服務(wù)功能提供基礎(chǔ)。系統(tǒng)架構(gòu)主要由八大監(jiān)控模塊構(gòu)成，通信監(jiān)控模塊主要負(fù)責(zé)對閉路電視、無線電、公共信息顯示、電話和時鐘進(jìn)行監(jiān)控，環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控模塊主要負(fù)責(zé)對車站、隧道中的相關(guān)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控(包括空調(diào)、通風(fēng)、給排水、照明與導(dǎo)向設(shè)備)，列車自動監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)監(jiān)控路線定位、列調(diào)整情況，安檢監(jiān)控模塊主要負(fù)責(zé)檢查乘客隨身攜帶物品，電力監(jiān)控模塊主要負(fù)責(zé)監(jiān)控照明系統(tǒng)、牽引力系統(tǒng)、高壓供給系統(tǒng)，售票監(jiān)控模塊主要負(fù)責(zé)監(jiān)控買票秩序、逃票行為等，報警監(jiān)控模塊主要負(fù)責(zé)監(jiān)控公共區(qū)域、滅火系統(tǒng)(如防火栓等)、排煙風(fēng)機(jī)，危險物質(zhì)監(jiān)控模塊主要負(fù)責(zé)監(jiān)控空氣質(zhì)量、超標(biāo)的有害物質(zhì)等[2]。為有效實(shí)現(xiàn)軌道交通的綜合監(jiān)控功能，根據(jù)系統(tǒng)總體功能架構(gòu)通過關(guān)聯(lián)性模型的使用完成系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計。

3 綜合監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

設(shè)計硬件結(jié)構(gòu)中的車站決策層時以車站內(nèi)網(wǎng)信息為依據(jù)，采用的傳感器芯片為TSED-01型號，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)通過無線通信方式接收數(shù)據(jù)信息，再將精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)提供給綜合監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)不同路況對車站設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)以確保高效穩(wěn)定的運(yùn)行，同時控制現(xiàn)場情況。對車站決策層軟件功能進(jìn)行設(shè)計時，主要在對兩個傳感器測量值相關(guān)系數(shù)完成計算的基礎(chǔ)上，結(jié)合軌道交通實(shí)際運(yùn)行情況完成具體關(guān)聯(lián)極差值的設(shè)定，從而實(shí)現(xiàn)城市軌道交通智能綜合監(jiān)控功能，有效的提高了軌道交通綜合監(jiān)控的精準(zhǔn)度[3]。

3.1 系統(tǒng)硬件

在實(shí)現(xiàn)城市軌道交通智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)功能過程中進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，從數(shù)據(jù)流和控制流角度出發(fā)對系統(tǒng)硬件部分進(jìn)行設(shè)計，為保證該智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)能夠同現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)有效對接，應(yīng)盡量遵循現(xiàn)行監(jiān)控系統(tǒng)的執(zhí)行規(guī)范，系統(tǒng)硬件部分結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

(1) 綜合決策層，該層的主要負(fù)責(zé)為交通運(yùn)行制定科學(xué)合理的運(yùn)行計劃，并在對整條軌道路線上的所有系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息同外部系統(tǒng)間的交互，具體通過網(wǎng)絡(luò)通信共享平臺提供的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)完成，通信平臺負(fù)責(zé)傳輸各個應(yīng)用系統(tǒng)的信息，并對異構(gòu)數(shù)據(jù)源(由系統(tǒng)不同模塊產(chǎn)生)進(jìn)行管理實(shí)現(xiàn)不同模塊數(shù)據(jù)的互相連接，最終將現(xiàn)場和車站的相關(guān)數(shù)據(jù)信息匯集到數(shù)據(jù)共享平臺(通過通信平臺)，以供綜合決策使用。(2) 車站決策層，為保證各模塊間的相對獨(dú)立性，具體以車站內(nèi)網(wǎng)信息為依據(jù)完成車站決策層的設(shè)計，主要負(fù)責(zé)對該車站內(nèi)的各個子系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，并據(jù)此對子系統(tǒng)聯(lián)動功能進(jìn)行協(xié)調(diào)，可根據(jù)實(shí)際情況擴(kuò)展系統(tǒng)功能，有效提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。為實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一匯聚處理，系統(tǒng)內(nèi)的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)采用關(guān)聯(lián)性模型完成設(shè)計，將多個TSED-01傳感器同智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)借助無線通信技術(shù)進(jìn)行連接，監(jiān)控信息通過傳感器采集后向節(jié)點(diǎn)處傳送，車站決策傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示。

圖3 車站決策傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

由電源、開關(guān)控制、信息采集、無線傳感及決策執(zhí)行幾個主要模塊構(gòu)成，各模塊通過收發(fā)接口進(jìn)行實(shí)時通信，對傳感器所獲取的信息通過低功耗網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的使用完成信息智能傳輸過程，包含多種信息種類可有效滿足不同信息的傳輸需求。數(shù)據(jù)信息的協(xié)調(diào)處理過程使用物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器完成，進(jìn)而提高了信息的傳輸效率[4]。此外還能夠通過提取全部信息有效控制車站各子系統(tǒng)的決策過程，將更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)提供給系統(tǒng)。(3) 現(xiàn)場控制層，主要劃分為面向服務(wù)(包括運(yùn)輸綜合服務(wù)、自動售票服務(wù)等)、面向運(yùn)營(包括列車控制、電力調(diào)度系統(tǒng)等)、面向安全(包括環(huán)境控制系統(tǒng)、防火災(zāi)報警)三大種類，該層主要負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場信息，具備故障自診斷能力的現(xiàn)場設(shè)備管理及維護(hù)顯著提高了故障報修效率。針對該軌道交通只能綜合監(jiān)控系統(tǒng)的8個功能模塊通過關(guān)聯(lián)性模型的使用實(shí)現(xiàn)全面有效的管理過程，以充分發(fā)揮各個設(shè)備功能。以實(shí)際不同運(yùn)行工況為依據(jù)對車站運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)，保證軌道交通正常運(yùn)行[5]。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

設(shè)計基于關(guān)聯(lián)性模型的監(jiān)控系統(tǒng)軟件時需完成對軌道交通的有效監(jiān)控功能(包括運(yùn)行列車、相關(guān)設(shè)備、售檢票、電力、環(huán)境)，本文以車站決策層的軟件功能設(shè)計為例進(jìn)行闡述，車站決策層的軟件功能示意圖，如圖4所示。

圖4 軟件功能

車站決策層所必須的數(shù)據(jù)包括綜合各個業(yè)務(wù)的動態(tài)數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)靜態(tài)數(shù)據(jù)(交通運(yùn)輸調(diào)度、車輛運(yùn)行線路等)，通過監(jiān)控數(shù)據(jù)共享實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一傳輸與共享(包含不同通信制式、數(shù)據(jù)格式)[6]。

針對城市軌道交通為統(tǒng)一不同通信制式和數(shù)據(jù)格式，采用關(guān)聯(lián)性模型實(shí)現(xiàn)綜合監(jiān)控功能，考慮到各軌道交通間存在不同程度的聯(lián)系，但缺少嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)量關(guān)系，為此本文對兩個變量間的密切程度采用相關(guān)系數(shù)表示，再通過對各指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計分析完成對不同路況間的相關(guān)關(guān)系、交通方向及密切程度的確定。交通運(yùn)行情況同車站決策層測出的路況存在直接關(guān)系，軌道交通運(yùn)行區(qū)域通常具有較低的路況故障事故發(fā)生率，監(jiān)控系統(tǒng)在軌道交通運(yùn)行過程中的兩個傳感器測量值存在一定的相關(guān)系數(shù)，假設(shè)，相關(guān)系數(shù)由p表示，兩組傳感器的測量數(shù)據(jù)由A、B表示，變量A、B的數(shù)學(xué)期望分別由E(A)和E(B)表示，兩個變量的相關(guān)系數(shù)的計算表達(dá)式[7]如下。

低度相關(guān)對應(yīng)0.2≤p<0.4，中度相關(guān)對應(yīng)0.4≤p<0.7，高度相關(guān)對應(yīng)0.7≤p<1。在對軌道交通實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行充分考慮的基礎(chǔ)上，平移本站監(jiān)控點(diǎn)的測量值設(shè)置其同下一站監(jiān)控點(diǎn)間的相關(guān)系數(shù)為大于0.4，作為兩傳感器間的關(guān)聯(lián)性模型，在此基礎(chǔ)上對極差值進(jìn)行設(shè)定即10分鐘內(nèi)傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)的最大值同最小值的差值，靠近主要路況的傳感器極差值超過遠(yuǎn)離主要路況傳感器極差值，對軌道交通工作面和路況面的極差值進(jìn)行計算(以關(guān)聯(lián)性模型的研究數(shù)據(jù)為依據(jù))，為監(jiān)控系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐[8]。

3.3 實(shí)驗(yàn)測試與結(jié)果分析

通過對比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文設(shè)計的合理性，如圖5所示。

圖5 原始影像

圖5為某日軌道交通設(shè)備獲取的監(jiān)控影像(1024×1024)，對原始影像分別采用傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)(直接對影像文件進(jìn)行采集)同本文系統(tǒng)(以某個影像特征為依據(jù)采集對影像文件)進(jìn)行測試，原始影像監(jiān)控結(jié)果，如圖6所示。

相比傳統(tǒng)系統(tǒng)獲取的監(jiān)控影像，本文系統(tǒng)獲取的監(jiān)控影像中軌道的清晰度明顯提升，同原始影像基本吻合。在此基礎(chǔ)上對比分析系統(tǒng)的監(jiān)測精準(zhǔn)度，如圖7所示。

圖7 兩種系統(tǒng)監(jiān)測精準(zhǔn)度對比分析

證明本文基于關(guān)聯(lián)性模型的軌道交通智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)顯著提高了監(jiān)控精準(zhǔn)度[9]。

4 總結(jié)

本文主要針對城市軌道交通管理完成了一種基于關(guān)聯(lián)性模型的智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，有機(jī)連接器位于城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)中的各子系統(tǒng)，通過對車站決策層進(jìn)行設(shè)計實(shí)現(xiàn)對傳感器失效及現(xiàn)行交通使用不規(guī)范情況的有效監(jiān)控，整個軌道交通基于網(wǎng)絡(luò)共享平臺通過關(guān)聯(lián)性模型的使用實(shí)現(xiàn)了對完整有效的運(yùn)行數(shù)據(jù)的管理和使用，確保及時解決路障問題，有效降低故障帶來的損失。并通過對比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性，監(jiān)控精準(zhǔn)度(最高可達(dá)90%)顯著高于傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)高，進(jìn)一步提高服務(wù)質(zhì)量和效率。本文建立的綜合監(jiān)控系統(tǒng)由于受到實(shí)驗(yàn)條件的限制導(dǎo)致難以科學(xué)準(zhǔn)確的評估監(jiān)測效果，因此在實(shí)際應(yīng)用中獲取的數(shù)據(jù)范圍較廣，需對模型的適用性及不同測試點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行充分分析，并針對監(jiān)測效果進(jìn)行精準(zhǔn)分析，不斷豐富完善系統(tǒng)實(shí)用性能。