無軌膠輪車安全行車監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉超華，張 舉，李碾峰，衛(wèi)中寬，王 磊，張 磊

（1.中煤平朔發(fā)展集團(tuán)有限公司，山西朔州 036002；2.中煤天津設(shè)計(jì)工程有限公司，天津 300120）

0 引言

在數(shù)字礦山的建設(shè)中，針對(duì)無軌膠輪車的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與故障診斷是其中的關(guān)鍵一環(huán)。傳統(tǒng)無軌膠輪運(yùn)輸車輛管理模式已經(jīng)無法全面滿足煤礦的安全需求，嚴(yán)重影響煤礦輔助運(yùn)輸系統(tǒng)的安全運(yùn)行[1]。此外，目前煤礦正在逐步進(jìn)行4G/5G 網(wǎng)絡(luò)[2]、輔助運(yùn)輸管理系統(tǒng)[3]等方面的建設(shè)，但目前各系統(tǒng)之間相互獨(dú)立，數(shù)據(jù)不開放、接口不兼容，容易形成數(shù)據(jù)孤島[4]，不能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)，無法進(jìn)行大數(shù)據(jù)和多種數(shù)據(jù)立體分析。本文結(jié)合無軌膠輪車安全運(yùn)行的實(shí)際需求，提出無軌膠輪車安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)與故障診斷平臺(tái)技術(shù)，以提高無軌膠輪車運(yùn)行的安全性與可靠性，助力礦山數(shù)字化建設(shè)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

提高數(shù)據(jù)采集的有效性是實(shí)現(xiàn)無軌膠輪車安全行車監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵。為有效采集目標(biāo)膠輪車的油壓、水壓、油溫、水溫、轉(zhuǎn)速、里程等數(shù)據(jù)，本文對(duì)膠輪車的數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行了改造升級(jí)。改造后的油壓采集設(shè)備能夠穩(wěn)定、有效地采集油壓數(shù)據(jù)，并通過CAN 總線輸出，能夠有效幫助安全行車檢測(cè)系統(tǒng)判斷駐車制動(dòng)系統(tǒng)是否存在故障。此外，本文設(shè)計(jì)了T-BOX 數(shù)據(jù)采集設(shè)備，它可以通過CAN 總線采集所有傳感器送出的信號(hào)，使得數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)更加便捷（圖1）。

圖1 T-BOX 采集的油壓數(shù)據(jù)

本文基于無軌膠輪車相關(guān)數(shù)據(jù)的有效采集，設(shè)計(jì)了安全行車監(jiān)測(cè)平臺(tái)，其基礎(chǔ)功能如下：

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：本系統(tǒng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)車輛編號(hào)、類型、型號(hào)、位置、速度、行駛狀態(tài)、油壓、氣壓等。系統(tǒng)還可對(duì)井下車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理，確保車輛處于安全運(yùn)行狀態(tài)。

（2）車輛數(shù)據(jù)采集：由于無軌膠輪車主要在井下工作，不可控因素較多，容易導(dǎo)致安全問題。在井下作業(yè)時(shí)，T-BOX 通過接口接入網(wǎng)絡(luò)，采集膠輪車的行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括油壓、水壓、油溫、水溫、轉(zhuǎn)速、里程等。

（3）數(shù)據(jù)保存：采集信息后，T-BOX 以最大間隔時(shí)間不超過1 s，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)保存到內(nèi)部存儲(chǔ)介質(zhì)和監(jiān)測(cè)平臺(tái)中。

（4）可視化顯示：采集到的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過處理匯總，集中顯示在監(jiān)控平臺(tái)的顯示屏上。

故障診斷系統(tǒng)基于大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)可以使實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢、車輛狀態(tài)管理與預(yù)警信息管理等功能，滿足對(duì)井下膠輪車的運(yùn)行狀態(tài)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與歷史查詢，工作人員可以通過中央管理設(shè)備獲取預(yù)警信息及相關(guān)報(bào)表，以便了解井下情況，合理安排膠輪車的運(yùn)作強(qiáng)度、保養(yǎng)及檢修。

故障預(yù)診斷功能主要包括：①車輛運(yùn)行狀態(tài)管理功能：根據(jù)歷史數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算出未來短期內(nèi)的車輛健康狀態(tài)，判斷其是否存在故障；若有，則發(fā)送指令，對(duì)其進(jìn)行維護(hù)、檢修；②車輛故障診斷與維護(hù)保養(yǎng)及時(shí)提醒功能：對(duì)車輛進(jìn)行計(jì)劃性保養(yǎng)，可設(shè)置在到期前1 天或1 周進(jìn)行提醒，系統(tǒng)會(huì)在軟件頁(yè)面發(fā)出通知，提醒車輛需要進(jìn)行例行保養(yǎng)。

2 車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 平臺(tái)模塊劃分

車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)主要分為數(shù)據(jù)采集解析服務(wù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)上報(bào)服務(wù)、數(shù)據(jù)分析服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)、平臺(tái)Web服務(wù)等模塊，其具體工作流程如圖2 所示。

圖2 平臺(tái)模塊劃分示意

2.1.1 數(shù)據(jù)采集解析服務(wù)

數(shù)據(jù)采集解析服務(wù)中集成了車輛數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)解析功能，將接收到的車輛原始數(shù)據(jù)報(bào)文按照規(guī)定的協(xié)議格式實(shí)時(shí)解析成用戶需要的車輛數(shù)據(jù)項(xiàng)，如車速、里程、SOC 等。數(shù)據(jù)采集解析服務(wù)工作流程如圖3 所示，在接收車輛數(shù)據(jù)上報(bào)后，系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)解碼。根據(jù)數(shù)據(jù)解析結(jié)果，匹配系統(tǒng)電子圍欄、平臺(tái)報(bào)警、重點(diǎn)關(guān)注等預(yù)設(shè)規(guī)則，并將結(jié)果推送至平臺(tái)。如果推送網(wǎng)絡(luò)發(fā)生阻塞，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，推送數(shù)據(jù)主動(dòng)丟包，以保證所推送數(shù)據(jù)是最新的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

圖3 數(shù)據(jù)采集解析流程

數(shù)據(jù)采集解析服務(wù)支持接入百萬(wàn)級(jí)的車輛數(shù)，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，延時(shí)低至1 s 內(nèi)，車輛狀態(tài)與平臺(tái)數(shù)據(jù)展示同步性高；實(shí)時(shí)解析，解碼速度低至0.1 s 內(nèi)；支持多種通信協(xié)議。

2.1.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)上報(bào)服務(wù)

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)上報(bào)服務(wù)負(fù)責(zé)將車輛上報(bào)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)上報(bào)給用戶指定的第三方平臺(tái)、地方平臺(tái)或國(guó)家平臺(tái)。系統(tǒng)首先將車輛數(shù)據(jù)上報(bào)給數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)上報(bào)服務(wù)，車輛數(shù)據(jù)上報(bào)服務(wù)后再接主平臺(tái)（回復(fù)車輛報(bào)文）和轉(zhuǎn)發(fā)上報(bào)平臺(tái)，最后數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)上報(bào)服務(wù)將車輛數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給客戶指定平臺(tái)。如果轉(zhuǎn)發(fā)上報(bào)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生阻塞，系統(tǒng)將接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到隊(duì)列中，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后補(bǔ)發(fā)。

該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)上報(bào)服務(wù)可以支持百萬(wàn)級(jí)車輛數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，并且實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)，延時(shí)低至0.1 s 內(nèi)。此外，該服務(wù)支持模擬終端→平臺(tái)、平臺(tái)→平臺(tái)兩種轉(zhuǎn)發(fā)形式，能夠確保轉(zhuǎn)發(fā)上報(bào)數(shù)據(jù)的完整性，即使出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)阻塞情況，在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后也能補(bǔ)發(fā)數(shù)據(jù)。

2.1.3 數(shù)據(jù)分析服務(wù)

數(shù)據(jù)分析服務(wù)包括數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)分析兩部分，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)信息包括車輛在線率、行停統(tǒng)計(jì)、車輛報(bào)警數(shù)等，數(shù)據(jù)分析包括車輛充電分析、能耗、速度分析、定位點(diǎn)分析等。數(shù)據(jù)分析服務(wù)在用戶發(fā)起請(qǐng)求，根據(jù)用戶定制分析條件，利用數(shù)據(jù)分析引擎在后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。分析完成后，將數(shù)據(jù)分析結(jié)果返回給用戶，以圖表等形式展現(xiàn)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。

數(shù)據(jù)分析服務(wù)具有高度可定制化、自定義數(shù)據(jù)分析內(nèi)容、快速返回分析結(jié)果、同時(shí)對(duì)熱數(shù)據(jù)和冷數(shù)據(jù)分析、可對(duì)PB 級(jí)海量數(shù)據(jù)做索引數(shù)據(jù)分析等優(yōu)點(diǎn)（圖4）。

圖4 數(shù)據(jù)分析流程

圖5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)工作流程

2.1.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。根據(jù)目前的車輛數(shù)據(jù)情況，每臺(tái)車每年所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)有300 MB～1 GB（根據(jù)車輛上報(bào)數(shù)據(jù)頻率和內(nèi)容不同，每年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量也不同），1000 臺(tái)車每年就會(huì)產(chǎn)生300 GB～1 TB的數(shù)據(jù)。針對(duì)如此大的數(shù)據(jù)，穩(wěn)定且安全的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)是非常必要的。數(shù)據(jù)接收解析服務(wù)從車輛上報(bào)接收車輛數(shù)據(jù)包后，將其交給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)將車輛實(shí)時(shí)信息寫入快照數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，將數(shù)據(jù)建立索引寫入熱數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并將原始報(bào)文建立索引寫入冷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。當(dāng)用戶請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)，利用索引信息找到相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息并發(fā)送給用戶。

2.1.5 Web 服務(wù)

Web 服務(wù)向用戶提供Web 頁(yè)面形式的車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)管理服務(wù)。整個(gè)平臺(tái)采用MVC（Model-View-Controller）結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)訪問層采用對(duì)象—關(guān)系映射（ORM）在數(shù)據(jù)訪問層（Active Record）和數(shù)據(jù)庫(kù)（Database）之間建立映射。邏輯應(yīng)用層主要通過控制器（Controller）來實(shí)現(xiàn)。表現(xiàn)層分為兩部分：網(wǎng)頁(yè)呈現(xiàn)部分（Action View）和Web 服務(wù)部分（Action WebService）。

2.2 系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是一個(gè)特殊的Web 應(yīng)用系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)、實(shí)施過程中需要按照Web 應(yīng)用系統(tǒng)的一般性要求，并充分考慮安全性設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)是面向車輛的監(jiān)控監(jiān)管系統(tǒng)，其中部分功能，例如報(bào)警和遠(yuǎn)程控車，涉及到車輛安全，具有高度的敏感性。在系統(tǒng)使用過程中，一旦出現(xiàn)系統(tǒng)故障，將造成車輛駕駛安全問題，導(dǎo)致車輛數(shù)據(jù)丟失等事故，后果不堪設(shè)想。因此，本文特別進(jìn)行了針對(duì)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)安全性問題的設(shè)計(jì)，保證關(guān)鍵權(quán)限、防止誤操作，出現(xiàn)誤操作時(shí)平臺(tái)會(huì)自動(dòng)屏蔽相關(guān)指令，如車輛高速行駛禁止執(zhí)行操作開車門指令，并對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)、多機(jī)、異地備份。

3 平臺(tái)應(yīng)用與驗(yàn)證

平臺(tái)提供監(jiān)控、分析、管理、系統(tǒng)等功能模塊。動(dòng)態(tài)監(jiān)控可用于實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛數(shù)據(jù)，如車輛狀態(tài)、行駛速度、地理位置等信息。車輛的詳細(xì)信息可通過信息卡實(shí)時(shí)獲取（圖6）。

圖6 車輛信息卡

利用動(dòng)態(tài)監(jiān)控能可以實(shí)時(shí)車輛跟蹤，在地圖中跟蹤顯示該車輛的行駛軌跡，并在跟蹤列表中顯示出該車上報(bào)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，查詢車輛指定時(shí)間段內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)明細(xì)（圖7）。此外，報(bào)警監(jiān)控會(huì)列出車輛報(bào)警的詳細(xì)信息，默認(rèn)顯示車輛名稱、報(bào)警開始時(shí)間、報(bào)警結(jié)束時(shí)間、報(bào)警類型、報(bào)警等級(jí)、最高報(bào)警等級(jí)、行駛速度、報(bào)警位置、消息流水號(hào)、處理狀態(tài)、處理時(shí)間等信息，并提供車輛報(bào)警管理功能。

圖7 車輛跟蹤信息

在管理功能模塊中，可以從終端輸入其生產(chǎn)廠商、終端型號(hào)、軟硬件版本等信息。在管理車輛時(shí)可以添加或選擇車輛分組，并支持導(dǎo)入、導(dǎo)出功能，使操作更加方便、快捷。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文開發(fā)的車輛運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)無軌膠輪車的安全監(jiān)測(cè)與故障預(yù)警，并支持移動(dòng)端、云端和車端聯(lián)動(dòng)。在數(shù)字礦山的建設(shè)中，無軌膠輪車的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)至關(guān)重要，本文結(jié)合無軌膠輪車安全運(yùn)行的實(shí)際需求，對(duì)于提高無軌膠輪車運(yùn)行的安全性與可靠性、助力礦山數(shù)字化有著重要意義。