地鐵列車車載數據可視化處理和狀態分析

王紅旗 張立國

摘 要：針對某地鐵列車車載狀態數據，闡述了實現數據提取和可視化的構成要素和實現策略，基于VC++和MATLAB聯合編程，解決了大容量車載數據快速解碼問題，實現了交互性全數據報表化，特性參數圖形化表達等功能，以列車車載數據為例詳細分析了列車故障提取、狀態分析的應用，為地鐵列車服役狀態的詳細分析和數據掘挖提供了重要手段。

關鍵詞：地鐵列車；數據后處理；可視化；狀態分析

列車運行狀態的實時監測和數據記錄是分析列車運行狀態、實現故障預警、實現狀態評估的重要手段，以某地鐵為例，車載數據記錄儀每200ms以串行通信方式獲取一次列車狀態信息包，容量可達700小時的列車狀態數據。現有數據處理軟件主要針對不同專業的單一功能，較少涉及系統狀態分析，有必要進一步開發專用數據處理軟件以挖掘車載數據信息，為列車狀態評估分析服務。

1 可視化分析軟件架構與功能模塊

1.1 車載數據處理分析

數據可視化過程是實現原始數據以直觀的，圖形化的物理現象或物理量呈現于用戶[1]，是連接用戶與原數據的中間環節，因此數據可視化分析需結合用戶實際需求及數據特征：即建立全面的數據管理體系，以實現對列車狀態監控；城軌列車的故障通常會以不同部件相同形式或同一形式由不同部件故障組合而成，因此需要能夠實現高度自由的可視化以排查故障；實現對于故障時刻數據的智能化處理，如故障的自動統計和分類。圖1為基于用戶需求分析的功能框圖。

圖1 軟件功能框圖

1.2 軟件功能模塊

基于上述數據解碼及可視化策略，軟件架構如圖2。軟件輸入為存儲狀態數據文件，由解碼器對數據進行加工并形成三種輸出形式：參數可視化輸出模塊、故障數據統計模塊和數據庫。其中：軟件解碼模塊及數據數據結構由MFC平臺搭建，繪圖模塊由matlab函數實現并編譯成動態鏈接庫使模塊和核心數據結構實現模塊對接。故障數據統計模塊以及全數據報表生成采用OLE操作實現Excel數據統計和圖表繪制，該方法是建立一OLE對象，并通過設定該對象的屬性和調用該對象實現對Excel操作。

圖2 軟件架構

1.2.1 參數可視化輸出模塊。該模塊實現共6節編組列車全部88個參數的自由選擇繪圖，由于色差過于接近會導致曲線無法識別，因此限制最多可在一張圖中繪制17條曲線。根據不同的研究需求，數據時間軸能夠設定為日期和計時兩種模式。此外，為了調節顯示效果，可以調整線寬和背景顏色。可視化輸出模塊的設置界面如圖3所示。根據數據解碼器生成的結構化數據，可將可視化數據分為三類：時間參數、列車局部參數和列車整體參數。其中列車整體參數為描述整個編組列車的某一狀態的數據，該數據可表征該編組列車六節車輛的某一狀態：如牽引制動級位，該狀態信息為司控機發出的牽引/制動信號，因此每節車具有相同的數據。另一方面列車局部參數為對應的編組，全部車輛具有不同值的某一狀態數據，如制動缸壓力值、軸速等。該數據需車輛編號與狀態信息配合來指定某一參數。

圖3 輸出模塊設置界面

1.2.2 故障統計功能模塊。故障統計模塊的功能是統計由傳感器得到并通過MVB網絡傳輸的列車狀態故障以及通過數學判據算法得到的故障信息數據，由于該數據無法進行可視化輸出，因此將該類數據由統計模塊進行輸出。在解碼模塊中，根據用戶選定對結構化數據進行讀取和處理，其流程如圖4所示。

圖4 故障輸出流程

2 基于軟件的列車狀態分析

2.1 列車狀態信息可視化分析

通常一個數據文件包含20000個數據包，而數據存儲周期為200ms，因此一個數據包包含的列車狀態信息長度為4000s，以時間跨度為2013年11月19日8點29分39秒至2013年11月19日9點36分19秒數據文件為例，對該文件進行解碼和分析。以列車制動系統分析為例，在繪圖模塊中選取局部參數選取A1車和B1車（一拖一動）電制動指令值和制動缸壓力值，整體參數選取牽引制動級位和列車防滑參考速度。圖5為列車運行中制動系統狀態參數曲線一次出站進站狀態信息。

圖5 實例所示列車狀態信息分析

由圖5，列車最高運行速度78km/h，運行正常。列車牽引、制動級位在牽引時表現平穩，而在制動時級位變化較多，與列車制動系統的控制防滑策略有關。考察列車制動時的狀態，可見該制動系統制動策略為以電制動為優先、空氣制動補充的制動形式。列車高速段制動時，制動力幾乎完全為電制動力，而列車速度小于5km/h時，電制動失效，制動缸壓力上升，制動力由空氣制動產生。基于列車狀態信息的參數可視化不僅可以對列車運行狀態進行評判，掌握列車運營健康狀況，還可以對列車關鍵系統內部實現策略和算法進行研究。

2.2 列車故障快速查找

列車故障信息主要依托列車各子系統上安裝的傳感器以及通過相關的判據算法得到。因為通過解碼器對于相關信息的提取和加工，能夠根據用戶需求快速得到列車故障信息。以相同的數據文件為例，對于該文件進行解碼分析。如圖6所示，故障信息通過快速定位以列表形式展示，所列故障信息可以輸出成數據報表進行進一步分析。

3 結束語

基于MFC平臺和matlab混合編程，開發以某地鐵為對象的列車車載數據可視化后處理軟件，有助于進一步掌握編組列車運行規律，輔助編組列車運用維護。（1）基于面向對象的城軌列車運行數據可視分析終端滿足了準確、全面地對列車運行數據進行監控管理與分析的需求，實現運行時段內任意時刻的列車運行狀態信息查詢，任意狀態信息組合輸出顯示，以實現對列車健康狀況輔助分析。（2）實現對列車故障信息進行快速查找和定位，根據用戶需求統計并顯示列車設備故障。

參考文獻

[1]高斌.面向對象軟件測試模型研究[J].信息技術與信息化，2008（3）：74-75.

[2]燕延，馬增強，楊明.基于LabVIEW的數據采集與處理軟件編程技巧[J].微計算機信息，2005（5）：153-155.

[3]李國厚，馮啟高.虛擬儀器技術及其開發與應用[J].自動化儀表，2002：23（7）：4-6.