基于智能運(yùn)維平臺(tái)的城軌車輛關(guān)鍵部件異常實(shí)時(shí)監(jiān)測

劉 洋 李沛海 王遠(yuǎn)瑾

(1.重慶市軌道交通(集團(tuán))有限公司 重慶 401120；2.重慶長征重工有限責(zé)任公司 重慶 400083)

引言

城市化發(fā)展進(jìn)程的加快，再加上道路交通建設(shè)的不斷推進(jìn)，使得城市人口越發(fā)呈現(xiàn)出集中的趨勢。因此，城市軌道交通車輛數(shù)量也處在不斷增長的狀態(tài)之下，然而，大幅度增長的車輛使得車輛監(jiān)測工作成為了一個(gè)壓力較大的崗位。在未來的城市交通系統(tǒng)中，智能運(yùn)維平臺(tái)一定占據(jù)著重要位置[1]。隨著智能運(yùn)維平臺(tái)的不斷發(fā)展，向著信息化與自動(dòng)化不斷進(jìn)步，智能運(yùn)維平臺(tái)的應(yīng)用已經(jīng)是交通行業(yè)關(guān)注重點(diǎn)[2]。在經(jīng)歷了近些年的研究建設(shè)之后，智能運(yùn)維平臺(tái)在交通領(lǐng)域各方面都起到了巨大作用，例如：交通運(yùn)營、交通監(jiān)控等[3]。由于城軌車輛工作性質(zhì)的原因，車輛在運(yùn)營中過于頻繁啟動(dòng)、停車、加速、剎車等，車輛的關(guān)鍵部件非常容易發(fā)生異常，從而使得車輛運(yùn)行安全無法得到保障[4]。城軌車輛作為城市居民運(yùn)輸?shù)闹匾ぞ?，每天乘坐居民?shù)量極大，其安全性、穩(wěn)定性是發(fā)展的根本。因此，一套良好的車輛關(guān)鍵部件異常實(shí)時(shí)監(jiān)測方法，是支撐城市交通發(fā)展的基礎(chǔ)。本文通過對(duì)智能運(yùn)維平臺(tái)的分析，以此為依據(jù)，提出關(guān)于城軌車輛實(shí)時(shí)監(jiān)測的方法，希望可以提升城軌交通的安全性。

1 智能運(yùn)維平臺(tái)分析

所謂的智能運(yùn)維平臺(tái)，指的是以自動(dòng)化、智能化的平臺(tái)為基礎(chǔ)，運(yùn)維工程師需要低成本、高質(zhì)量完成客戶需求[5]。城軌車輛關(guān)鍵部位異常如果得不到及時(shí)的維修，極易造成交通事故，導(dǎo)致較大的安全隱患[6]。在城軌交通中，智能運(yùn)維理念的運(yùn)用，數(shù)據(jù)的收集與存儲(chǔ)是最基礎(chǔ)的項(xiàng)目，強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)是對(duì)城軌交通車輛安全質(zhì)量的保證。智能運(yùn)維是將多種先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行有效融合，其中的技術(shù)主要包括通信、計(jì)算機(jī)、電子器件等。將智能運(yùn)維應(yīng)用在城市交通管理中，在保證了應(yīng)用范圍廣、作用大的同時(shí)，還確保了應(yīng)用中的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性。

在城軌車輛運(yùn)行中，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，合理制定維修策略，在保證車輛安全的基礎(chǔ)上，延長車輛生命周期，以達(dá)到運(yùn)營的可持續(xù)發(fā)展，并最優(yōu)化配置資源[7-8]。隨著車輛監(jiān)測問題的重視不斷加強(qiáng)，已經(jīng)可以將智能設(shè)備放置于車輛頂部、底部、側(cè)面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛關(guān)鍵部件的異常實(shí)時(shí)監(jiān)測。在大數(shù)據(jù)支持下，對(duì)城軌車輛運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，保障車輛的運(yùn)行順暢[9-10]。

2 基于智能運(yùn)維的城軌車輛關(guān)鍵部件異常實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)計(jì)

為了保證城軌交通安全可持續(xù)發(fā)展，以智能運(yùn)維系統(tǒng)平臺(tái)為基礎(chǔ)，通過各設(shè)備系統(tǒng)故障對(duì)車輛運(yùn)行的影響分析，以及智能化建設(shè)成本研究，進(jìn)行城軌車輛關(guān)鍵部件的實(shí)時(shí)監(jiān)測[11，12]。數(shù)據(jù)是智能運(yùn)維背景下，城軌車輛部件異常監(jiān)測的基礎(chǔ)。因此，在整個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測中，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)，然后是構(gòu)建ACE框架、制定異常判別標(biāo)準(zhǔn)、優(yōu)化部件異常判別，這三個(gè)步驟完成了對(duì)車輛的監(jiān)測工作，最后通過平臺(tái)將監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行展示，整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 城軌車輛異常監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 車輛部件數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)

所謂的數(shù)據(jù)采集，主要指的是城軌車輛關(guān)鍵部件信息數(shù)據(jù)的收集，并與車輛外部放置的外場設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，從而確保對(duì)關(guān)鍵部件數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性，以便保證城軌車輛運(yùn)行狀態(tài)的正常[13-14]。在保持通訊的前提下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在數(shù)據(jù)采集過程中需要保證外場設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)之間的連通性，以此才能有效采集部件信息。車輛部件數(shù)據(jù)采集的流程如圖2所示。

圖2 車輛部件數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集主要依靠采集服務(wù)器，通過服務(wù)器對(duì)車輛關(guān)鍵部件狀態(tài)、信息進(jìn)行收集。采集完成后將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。采集信息一般會(huì)隨著車輛實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況的變化而改變，屬于實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)。負(fù)責(zé)信息采集的服務(wù)器在建立正常通訊后，將進(jìn)行初始化工作，連接數(shù)據(jù)庫，并通過計(jì)時(shí)器設(shè)定數(shù)據(jù)采集周期，采集周期完成一次發(fā)送指令給外場設(shè)備。外場設(shè)備將設(shè)備的類型、運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行發(fā)送，將信息進(jìn)行解析后，把采集到的數(shù)據(jù)整理至數(shù)據(jù)庫保存。

而數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的核心就是將采集的數(shù)據(jù)按照邏輯進(jìn)行存儲(chǔ)，在這個(gè)過程中需要注意兩個(gè)重點(diǎn)：一個(gè)是要按照實(shí)際需求來規(guī)劃數(shù)據(jù)庫；另一個(gè)是要將數(shù)據(jù)盡量簡便處理，以減輕數(shù)據(jù)維護(hù)難度。除此之外，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)還有一個(gè)作用就是允許用戶對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。

2.2 構(gòu)建數(shù)據(jù)處理框架

在城軌車輛關(guān)鍵部件異常實(shí)時(shí)監(jiān)測中，主要目標(biāo)是對(duì)車輛部件的異常分析。在獲取部件實(shí)時(shí)有效數(shù)據(jù)后，需要選擇合適的算法，完成對(duì)車輛部件異常判別工作。所以，對(duì)于異常判別算法的要求非常嚴(yán)苛，而構(gòu)建的框架決定了算法的選取。在構(gòu)建框架時(shí)，本文選擇的是最為流行的C++開發(fā)框架Adaptive Communication Environment，簡稱為ACE框架。該框架在車輛部件實(shí)時(shí)監(jiān)測應(yīng)用中的要求有：第一點(diǎn)是多線程，通過多線程對(duì)socket或者數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，同步是其中最需要思考的問題。當(dāng)多個(gè)部件檢測設(shè)備同時(shí)進(jìn)行請(qǐng)求，可以通過多線程完成ACE框架的并發(fā)機(jī)制處理。第二點(diǎn)在于業(yè)務(wù)處理方面，應(yīng)該將異常判別算法的C++實(shí)現(xiàn)作為重點(diǎn)處理工作。第三點(diǎn)是事件分離，多個(gè)部件檢測設(shè)備同時(shí)請(qǐng)求時(shí)，采用ACE分離機(jī)制進(jìn)行處理，將運(yùn)行效率進(jìn)行提高。以上述內(nèi)容為需求構(gòu)建的ACE框架，可以良好地實(shí)現(xiàn)部件異常監(jiān)測功能。構(gòu)建ACE框架過程中，有一個(gè)需要重視的環(huán)節(jié)就是處理中心類，在初始化數(shù)據(jù)庫、部件實(shí)例創(chuàng)建、分析線程設(shè)備啟動(dòng)方面都發(fā)揮巨大作用。在處理中心類中，包含三個(gè)接口，每個(gè)接口都有相應(yīng)的負(fù)責(zé)工作內(nèi)容，首先是DbInit()接口，它所負(fù)責(zé)的職責(zé)是初始化數(shù)據(jù)庫工作完成，還有數(shù)據(jù)庫與occi環(huán)境的連接。然后是CreateDevAlarm()接口，這個(gè)接口的職責(zé)是，需要同時(shí)進(jìn)行多個(gè)部件實(shí)例的創(chuàng)建。最后是DevAnalysis U函數(shù)接口，其工作內(nèi)容在于將CreateDevAlarm()接口創(chuàng)建的實(shí)例進(jìn)行分析線程的執(zhí)行工作。當(dāng)ACE框架構(gòu)建完成，投入運(yùn)用。

除此之外，后臺(tái)報(bào)警程序的開發(fā)，需要根據(jù)各部件的異常判斷方法來進(jìn)行設(shè)計(jì)。在數(shù)據(jù)庫同監(jiān)測平臺(tái)進(jìn)行聯(lián)系的過程中，ACE的線程等待也不可或缺。而線程作為處理函數(shù)的主動(dòng)對(duì)象具有異步性特點(diǎn)。

2.3 制定異常判別標(biāo)準(zhǔn)

在ACE框架搭建完成之后，檢測系統(tǒng)的輪廓就設(shè)計(jì)出來了。隨后進(jìn)行部件異常班別標(biāo)準(zhǔn)的制定，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)制定的原因，是為以后的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析提供一個(gè)模板。這樣下去，后面的分析工作都可以依據(jù)模板流程推進(jìn)。城軌車輛關(guān)鍵部件異常判斷，需要針對(duì)三方面進(jìn)行分析，網(wǎng)絡(luò)連接正常與否、車輛部件數(shù)據(jù)讀取是否正常、采集到數(shù)據(jù)與常規(guī)數(shù)據(jù)是否相符。以這三個(gè)問題作為標(biāo)準(zhǔn)制定的依據(jù)，本文設(shè)計(jì)了報(bào)警基類CBaseAlarm以及一些子類，子類分別對(duì)應(yīng)車輛的關(guān)鍵部件。在實(shí)時(shí)監(jiān)測過程中，基類CBaseAlarm負(fù)責(zé)接口的功能。表1所示的即基類接口的定義與功能。

表1 接口的定義及功能描述

2.4 優(yōu)化部件異常判別

車輛關(guān)鍵部件異常實(shí)時(shí)監(jiān)測，其本質(zhì)在于部件異常判斷技術(shù)。部件異常判斷的依據(jù)是特征提取，也就是通過數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)模塊實(shí)現(xiàn)后的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行有效分析數(shù)據(jù)的提取，將冗余數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除。然而,由于城軌車輛部件信息繁多、功能復(fù)雜，使得采集的數(shù)據(jù)依舊存在一部分的不相關(guān)或不重要數(shù)據(jù)。如果進(jìn)行特征提取時(shí)，使用這部分冗余數(shù)據(jù)，會(huì)造成資源消耗增加。作為異常判斷技術(shù)的重要環(huán)節(jié)，特征提取是整個(gè)監(jiān)測過程的導(dǎo)向。部件異常判斷算法的優(yōu)化，也要通過基類的三個(gè)接口來實(shí)現(xiàn)。

首先是NetPing接口，其主要作用在于查看網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)。這個(gè)接口的實(shí)現(xiàn)方式在于IP地址是不是能Ping通，如果Ping通正常，就代表著網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)良好。反之，不能Ping通就表示部件出現(xiàn)了異常。Ping的進(jìn)行，依靠的是網(wǎng)絡(luò)IP協(xié)議，通過報(bào)文的數(shù)量、時(shí)間間隔等相關(guān)數(shù)據(jù)來判別。

然后是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析接口，第一步將各個(gè)部件的相關(guān)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀?。坏诙綄?duì)數(shù)據(jù)ID進(jìn)行判斷，當(dāng)是數(shù)據(jù)沒有顯示為空的狀態(tài)下，代表著部件正常，當(dāng)數(shù)據(jù)顯示為空，代表部件出現(xiàn)異常；第三步將異常情況與報(bào)警表異常記錄作對(duì)比，檢查所出現(xiàn)情況是否已經(jīng)做了記錄。沒有記錄的情況下，將異常補(bǔ)充進(jìn)去，如果之前有過記錄，就要檢查現(xiàn)在與之前的報(bào)警等級(jí)是否相同；第四步觀察報(bào)警等級(jí)，報(bào)警等級(jí)相同不用處理，等級(jí)出現(xiàn)變化時(shí)要進(jìn)行更新。

最后，關(guān)于報(bào)警信息入庫的實(shí)現(xiàn)。需要將接口與數(shù)據(jù)庫相連接。接口中包含返回結(jié)果集查詢、數(shù)據(jù)庫的插入等，將相關(guān)接口通過occi進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。先利用Connection類對(duì)象完成一個(gè)對(duì)象的生成，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)循環(huán)填充。循環(huán)結(jié)束后，將生成的對(duì)象批量插入數(shù)據(jù)庫，最后完成事務(wù)提交。在過程中加入異常檢錯(cuò)代碼，從而進(jìn)行部件異常信息捕捉。通過以上所有步驟，完成車輛部件異常監(jiān)測工作。

2.5 展示監(jiān)測結(jié)果

在城軌車輛關(guān)鍵部件實(shí)時(shí)監(jiān)測實(shí)現(xiàn)后，還需要進(jìn)行一個(gè)平臺(tái)規(guī)劃，將監(jiān)測結(jié)果展示出來。因?yàn)?，?dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到異常信息后，工作人員可以通過可視化操作進(jìn)一步判斷關(guān)鍵部件的狀態(tài)。因此，需要以平臺(tái)為載體，將監(jiān)測結(jié)果具體呈現(xiàn)出來，為之后工作人員進(jìn)行異常解決提供指導(dǎo)。監(jiān)測平臺(tái)就是將檢測結(jié)果展示出來的重要環(huán)節(jié)，按照系統(tǒng)的要求，將報(bào)警信息在平臺(tái)詳細(xì)展示，以表格作為直觀的表達(dá)形式。通過異常實(shí)時(shí)監(jiān)測的后臺(tái)設(shè)計(jì)完成，數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)、構(gòu)建ACE框架、制定異常判別標(biāo)準(zhǔn)、優(yōu)化部件異常判別實(shí)現(xiàn)車輛關(guān)鍵部件的監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果可以存放在報(bào)警信息表中，等待平臺(tái)進(jìn)行展現(xiàn)。除此之外，城軌車輛部件異常信息的展示，有利于后期的異常運(yùn)維處理。所以，平臺(tái)展示是監(jiān)測工作與運(yùn)維工作的連接點(diǎn)，將監(jiān)測與運(yùn)維進(jìn)行聯(lián)系，進(jìn)行快速高效溝通。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證本文所提出監(jiān)測方法的有效性，特進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證，實(shí)驗(yàn)論證采用同一輛城市軌道車。首先采用視頻監(jiān)測方法，也就是通過攝像機(jī)采集城軌車輛部件實(shí)時(shí)圖像，經(jīng)過處理器進(jìn)行處理，以監(jiān)測車輛關(guān)鍵部件的異常情況，進(jìn)行五次監(jiān)測實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)中同時(shí)檢測的關(guān)鍵部件數(shù)量進(jìn)行增加，記錄其檢測結(jié)果。然后利用微波監(jiān)測方法，在車輛上設(shè)置發(fā)射天線和發(fā)射接收器，通過低能量的連續(xù)頻率調(diào)制微波信號(hào)發(fā)射，根據(jù)回波信號(hào)，對(duì)車輛不同部件情況進(jìn)行檢測，也是進(jìn)行五次實(shí)驗(yàn)，監(jiān)測部件依次增加，將監(jiān)測情況記錄。最后采用本文所提出的實(shí)時(shí)監(jiān)測方法，將部件相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行提前的采集與存儲(chǔ)，在關(guān)鍵部件的附近放置相關(guān)設(shè)備，根據(jù)設(shè)備實(shí)時(shí)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行后臺(tái)的分析，判斷部件異常情況，與前兩種方法相同，也進(jìn)行五次測驗(yàn)，并記錄了監(jiān)測結(jié)果。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，三種方法的監(jiān)測情況如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)論證結(jié)果

通過表2數(shù)據(jù)，我們可以得出結(jié)論，三種監(jiān)測方法，在監(jiān)測條件與監(jiān)測部件數(shù)量完全相同的情況下，隨著監(jiān)測部件數(shù)量的增加，傳統(tǒng)視頻監(jiān)測與微波監(jiān)測方法的準(zhǔn)確度不斷下降。從一開始監(jiān)測2個(gè)部件時(shí)，視頻監(jiān)測準(zhǔn)確度為87%，微波監(jiān)測為94%，本文方法監(jiān)測的準(zhǔn)確度為96%，隨后兩種傳統(tǒng)方法準(zhǔn)確度不斷下降，直到同時(shí)監(jiān)測10個(gè)部件時(shí)，視頻監(jiān)測準(zhǔn)確率下降到57%，微波監(jiān)測下降到65%，而本文監(jiān)測方法并未受到影響，無論監(jiān)測數(shù)量的變化情況如何，其準(zhǔn)確度保持在90%以上。因此，我們可以得出結(jié)論，本文所提出的城軌車輛關(guān)鍵部件異常實(shí)時(shí)監(jiān)測方法在實(shí)際應(yīng)用中是更加有效的，可以在同時(shí)監(jiān)測多個(gè)部件時(shí)仍舊保持其監(jiān)測準(zhǔn)確度。本文方法是以數(shù)據(jù)為依托，基于智能運(yùn)維平臺(tái)所設(shè)計(jì)出的一種監(jiān)測方法，其針對(duì)城軌車輛的關(guān)鍵部件異常實(shí)時(shí)監(jiān)測，保證檢測工作的順利進(jìn)行與監(jiān)測準(zhǔn)確度的提升，從而保證城軌車輛安全、可靠發(fā)展。

4 結(jié)束語

本文以智能運(yùn)維平臺(tái)為基礎(chǔ)，對(duì)城軌車輛關(guān)鍵部件異常實(shí)時(shí)監(jiān)測進(jìn)行研究，在明確監(jiān)測現(xiàn)狀后，提出了新的監(jiān)測方法，并經(jīng)由實(shí)驗(yàn)進(jìn)行論證，該方法效果良好。通過本文的研究，加強(qiáng)城軌車輛監(jiān)測力度，推進(jìn)智能運(yùn)維平臺(tái)的應(yīng)用，從而保證城市交通安全發(fā)展。