車載數據綜合分析處理系統

■ 趙鋼 許階

1 系統概況

1.1 開發背景

車載數據綜合分析處理系統依托國家863計劃重點項目——“最高試驗速度400 km/h高速檢測列車關鍵技術研究與裝備研制”，總體研究目標是要研制時速400 km高速綜合檢測列車和建立地面數據分析處理中心，滿足京滬高速鐵路等時速350 km以上高速鐵路基礎設施系統調試、驗收試驗和動態檢測的需要，為構建我國高速鐵路基礎設施管理和養護維修輔助決策系統奠定基礎。

項目要求研發新型車載數據綜合分析處理系統，實現多專業檢測數據的統一存儲管理集成，為多專業的病害數據綜合分析和評判提供手段，實現基于精確里程同步的多專業檢測數據透明訪問、多專業檢測數據集中處理、綜合報表統一生成、大值病害數據在線報警和車地傳輸功能。

1.2 系統功能

車載數據綜合處理系統由3個子系統構成：檢測數據管理子系統、檢測數據GIS綜合展示子系統、波形綜合展示子系統。

檢測數據管理子系統實現以下功能：（1）實時接收里程同步數據，并向GIS綜合展示子系統提供數據接口，實時展示列車運行位置信息；（2）向各檢測專業用戶提供檢測大值數據輸入界面，實現大值報警相關數據的統一存儲管理，根據系統配置自動獲取軌檢、動力學檢測的大值報警數據的相關輪軌視頻數據、波形數據，用于實時分析和綜合評判；（3）向各檢測專業提供短信發送功能，檢測過程中可向指定手機號或地面接收設備發送報警信息；（4）實現與無線數據傳輸系統的傳輸接口，實時向地面數據中心轉發列車運行定位數據、檢測過程中出現的大值報警數據和大值報警附件數據，可響應地面數據中心的請求傳輸指定數據；（5）向各檢測專業提供線路設備臺賬的查詢功能；（6）自動生成檢測日報；（7）配置FTP文件服務器和大容量磁盤陣列，實現大容量檢測波形數據的集中存儲和管理。

檢測數據GIS綜合展示子系統實現以下功能：（1）實現基于圖形化的檢測大值報警數據綜合查詢和形象化顯示，以圖形化方式實時展示各檢測專業的大值報警數據，以不同顏色顯示大值報警數據的嚴重程度；（2）檢測過程中實時展示檢測列車的運行位置信息和當前檢測交路、當前檢測任務信息；（3）用戶可選擇線路查詢當前里程范圍內的各檢測專業線路設備臺賬。

波形綜合展示子系統實現以下功能：（1）檢測過程中實時接收軌道幾何檢測、動力學檢測、車體加速度檢測、接觸網檢測的波形數據并存儲在磁盤陣列上，并能按里程同步顯示接收到的波形數據；（2）能夠根據配置同步顯示多專業檢測波形數據，檢測過程中為軌道檢測、動力學檢測、加速度檢測、弓網檢測提供綜合波形展示和相關性分析；（3）能對比歷史檢測波形數據。

2 系統軟件框架設計

車載數據綜合分析處理系統總體由三部分構成：數據庫系統、后臺數據處理服務進程和用戶操作界面。數據庫系統采用Microsoft SQL Server2008大容量數據庫；后臺數據處理服務進程包括時空同步及里程數據接收進程、列車運行定位數據發送服務進程、大值報警波形視頻獲取進程、大值報警及非關鍵運行數據發送服務進程、地面請求指令響應服務進程；用戶操作界面分為B/S和C/S 2種，B/S方式以IE瀏覽器為操作界面，實現大值報警數及附件數據管理、系統監控、綜合檢測業務管理、GIS綜合展示等功能，C/S方式主要實現實時接收里程同步數據、自動獲取各種視頻波形數據、向無線傳輸系統轉發各種數據等功能。系統總體架構見圖1。

2.1 檢測數據管理設計

（1）在一臺工作站上安裝反射內存卡，采用VC++語言開發硬件接口和里程同步數據接收程序，實時讀取當前檢測列車運行定位信息。實時接收里程同步數據流程見圖2。

（2）向各檢測專業用戶提供操作界面，由各檢測專業負責人管理大值報警數據和附件數據（大值報警點波形截圖）并保存在數據庫中；向各檢測專業用戶提供短信報警功能，檢測過程中各檢測專業負責人可向指定手機號發送或群發報警短信；在數據庫表中建立檢測線路的工務、供電、信號設備臺賬，提供查詢界面，按線路、里程、鐵路局、設備類型等條件查詢相關設備臺賬信息。用戶界面采用Ajax技術和JQuery庫相結合的動態頁面刷新技術，將用戶界面分為菜單區和功能區，上部是公共菜單區，下部分是功能區。功能區左部分是檢測列車運行信息及檢測任務顯示區域，按每秒1次的頻率顯示接收到的檢測列車運行定位里程數據和檢測任務信息，功能區右側下部是系統的關鍵服務進程、無線傳輸系統狀態監視區，功能區右側上部是用戶操作業務功能區，用戶通過操作公共菜單刷新此區域內容。用戶操作界面功能布局見圖3。

（3）軌道幾何、動力學、接觸網這3個檢測專業的檢測數據相關性最高，出現大值報警數據時，需要提供該大值發生時刻前后約30 s的輪軌接觸視頻數據及車頭、車尾視頻數據和大值發生里程點前后約1 km的檢測波形數據，用于綜合判斷；開發系統服務進程，自動監視軌道幾何、動力學、接觸網這3個檢測專業的大值報警數據，自動獲取大值發生時刻前后約30 s的輪軌接觸視頻片段數據和波形片段數據，作為該大值報警數據附件數據保存到數據庫中，當大值報警數據變化時（檢測日期、檢測線路、里程點發生變化），系統能再次獲取相關視頻片段數據和波形片段數據。自動獲取視頻片段和波形片段流程見圖4。

圖2 實時獲取列車運行定位數據流程

圖3 檢測數據管理用戶界面功能布局

（4）開發專用的通信服務進程，實現與車載無線傳輸系統的接口，向地面中心即時傳輸列車運行定位數據，并轉發大值報警數據和大值報警附件數據，通過地面中心即時向全部鐵路局發布檢測列車運行的最新信息和最新病害數據；檢測線路的管轄鐵路局、工務段、供電段、電務段可通過地面中心向車載系統發送請求，即時獲取檢測相關數據。

圖4 獲取大值報警相關里程點的視頻及波形數據流程

車載數據綜合分析處理系統與車載無線傳輸系統的接口采用數據庫表形式，由數據綜合分析處理系統通信服務進程將各種數據統一封裝成固定格式的數據包記錄，每傳輸一次數據就向車載無線傳輸系統通信服務器數據庫表插入一條記錄，由無線傳輸系統負責將此記錄傳輸到地面通信服務器的數據庫；同時地面通信服務器將地面中心的指令傳輸到車載通信服務器的請求指令表中，由車載數據綜合分析處理系統通信服務進程讀取請求指令表，將反饋的數據再次封裝成統一格式的數據包記錄插入到車載通信服務器數據表中，實現對地面請求的回應。系統數據傳輸流程見圖5。

（5）開發統一的通信服務進程，將大值報警的附件視頻數據自動獲取、波形片段數據自動獲取、定時發送列車運行定位數據、自動發送大值報警數據、自動發送大值報警的各種附件數據、自動回應地面請求數據指令等服務進程封裝成Windows標準服務并與服務器操作系統集成，采用雙機熱備方式，提供高穩定可靠的系統服務。

2.2 GIS綜合展示設計

檢測數據GIS綜合展示采用層次化的思想和設計理念，對整個展示所需涉及的各環節進行分層，從上到下依次為用戶接口層、地圖處理層、數據處理層、數據庫層，各層分別完成各自功能，并向上層提供接口，這樣的設計思路和處理方法有利于系統的開發和擴展。

用戶接口層提供人機交互的用戶界面，用戶可通過界面訪問數據和功能，并以形象友好的方式返回到用戶界面；地圖處理層負責從數據處理層獲取數據，形成地圖語言，并以可視化、形象化的方式展示在地圖上；數據處理層分業務提供訪問各類數據的接口及對數據進行初級處理，為向上提供可用的經過分析處理后的數據。

GIS展示子系統分層結構見圖6。

2.3 波形綜合展示子系統設計

圖5 數據綜合處理系統與無線傳輸系統接口數據流程

波形綜合展示子系統軟件架構采用基于C/S體系架構，系統設計采用框架式結構，包括服務處理層和客戶端，客戶端又分為波形數據上傳客戶端和波形顯示客戶端，并可響應其他外部數據請求，所有業務服務采用服務組件方式提供，采用多線程解決方案。此框架設計具有良好的重用性和可擴展性，系統架構見圖7。

波形數據上傳客戶端安裝在軌道檢測、動力學檢測、加速度檢測、接觸網檢測系統的工作站上，讀取各檢測專業產生的CIT波形數據，并通過Socket通信程序發送給服務處理程序。

波形顯示客戶端以圖形化展示的方式實現各類具有里程信息數據的綜合展示。借鑒圖層概念，即每個檢測波形文件為一個單獨圖層，各層均為透明顯示，享有同等繪圖空間，通過在通道配置文件中設置通道基線偏移值確定各通道繪制位置。設備臺賬類和數據集圖層具有單獨繪圖區域，既可與波形類圖層并列顯示，也可疊加顯示。前端展示層還提供放大、測量、打印、截圖等常用分析功能，并提供分析結果標注、無效區段標注及索引設置功能。

服務處理程序由CIT數據文件讀取解析處理模塊、數據庫訪問模塊和數據分析處理、網絡模塊等組成。網絡模塊負責接收各檢測專業客戶端上傳的波形數據并以文件形式存儲在服務器磁盤陣列上，在數據庫中記錄保存的CIT文件信息；數據文件讀取解析處理模塊負責對實體數據文件的讀?。粩祿煸L問模塊封裝了對設備臺賬數據、偏差數據、索引及標注數據等存儲于數據庫內的記錄類數據的訪問接口。

網絡接口層采用“Socket通信協議+XML數據交換協議”為前端展示層提供數據服務接口，包括網絡傳輸、通信調度、狀態監控、指令處理和數據封裝等模塊。網絡接口層設計了一套數據訪問指令集，波形顯示客戶端的各種數據調用請求均以指令形式傳輸到數據處理層。

3 功能特點及實際應用

（1）檢測數據管理子系統通過CSS與Java Script技術結合使用，在B/S界面下實現了動態菜單，為用戶提供美觀、方便、簡潔的操作界面，系統運行界面見圖8。

（2）檢測數據管理子系統自動根據軌檢大值和動力學大值獲取對應里程點的輪軌接觸視頻數和波形數據，為檢測人員在檢測運營過程中準確分析判斷大值病害提供依據。自動獲取大值報警附件數據后查詢界面見圖9。

（3）系統自動向無線傳輸系統傳輸檢測過程出現的各專業大值報警數據和報警附件數據。系統可根據地面要求傳送指定數據，為地面中心實時分析檢測運營中的大值

圖6 GIS展示子系統分層結構

圖7 車載波形綜合展示子系統架構

圖8 檢測數據管理子系統運行界面

用戶界面報警數據提供有效手段，為高速鐵路穩定運營和輔助維修提供保障和支持。系統能監視各種數據的發送狀態，監視界面見圖10、圖11。

（4）GIS綜合展示子系統在檢測過程中可將檢測大值報警數據信息按照不同專業分級別顯示在地圖上（系統運行界面見圖12），便于檢測人員及時發現問題。

圖9 自動獲取大值報警視頻附件數據查詢界面

圖10 數據發送狀態監視界面

圖11 大值報警數據發送狀態監視界面

圖12 綜合GIS展示界面

4 結論

新型車載數據綜合分析處理系統在檢測過程中為各檢測專業人員的現場評判和數據分析提供了多種有效的評價手段和方法，檢測過程中大值報警能及時傳輸到地面數據中心，及時向全路發布并實時預警，實現了檢測過程中車載系統與地面數據中心及檢測線路的工務段、電務段、供電段一體化，滿足高速鐵路檢測運營和輔助維修要求，保障線路的運營安全。

目前車載數據綜合分析處理系統除應用在CRH380B-002外，還應用于CRH380A-001，并可用于升級0號高速綜合檢測車和CRH2-010A高速綜合檢測車的數據綜合處理系統，同時，也能在地方鐵路、城市軌道交通的檢測車中推廣應用。

[1]中國鐵道科學研究院．最高試驗速度400 km/h高速檢測列車——關鍵技術研究與裝備研制，2009

[2]中國鐵道科學研究院．400公里檢測車綜合系統實施方案ver1.4.2，2009

[3]中國鐵道科學研究院．時速400公里高速檢測列車綜合系統技術條件，2009