地鐵車輛遠程數據分析平臺設計

董敬超　崔紅月

摘要：隨著城市軌道交通行業越來越發達，地鐵運營公司對于地鐵車輛的運營安全和實時數據顯示要求越來越高，傳統的車輛運行和故障數據是單獨存儲在列車監控系統上的，存在數據傳輸不及時、故障維護延后的缺點，搭建遠程數據分析平臺可以提高列車安全性和可靠性。文章對地鐵車輛遠程數據分析平臺設計進行了探討。

關鍵詞：故障數據；遠程數據分析；地鐵車輛；平臺設計；軌道交通；實時數據顯示 文獻標識碼：A

中圖分類號：U279 文章編號：1009-2374（2017）11-0007-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.11.004

1 概述

隨著城市軌道交通的快速發展，地鐵成為人們出行不可或缺的交通工具。地鐵車輛作為運送乘客的主要載體，具有封閉性強、起停頻繁、客流量大且來源復雜、乘客自助乘車、應急疏散難度大等固有特點，因此對其自身的可靠性及維修保障工作有著非常高的要求。搭建地鐵車輛遠程數據分析平臺可以運行地鐵車輛提供遠程決策支持，對列車開展實時監控和故障處理，并通過故障統計和數據分析進而達到車輛優化設計的目的。

2 平臺需求

2.1 功能需求

以列車運營管理的實際工作需求為核心，提高列車組效率和效能，節約維修費用，減少事故率為目標開展建設工作，其主要具有列車組及關鍵部件的實時監視、故障預測功能。

通過列車組及關鍵部件或子系統當前狀態，對故障進行診斷或識別，并對潛在的故障進行預測或報警；根據故障診斷及預測信息、當前維修可用資源情況以及對系統的使用需求等對列車組或關鍵部件的維修活動提供決策支持和建議。實現一套列車組及關鍵部件的狀態檢測、故障診斷、運行監控、故障預測及決策支持的完整系統，同時針對不同子系統/產品建立全生命周期的產品數據服務，滿足企業對生產、運營維護、設計優化、采購等不同環節決策的支撐要求。根據業務需求，系統具有以下功能：

2.1.1 車載系統。由系統檢測、故障診斷、集中報警及無線傳輸等組成。通過在列車組及各子系統上安裝各種傳感器，獲取動車組及關鍵子系統傳感器及控制系統的數據。利用故障特征提取、數據分析及對比、基于模型的系統辨識等多技術相融合的故障診斷技術，實現牽引、制動、輔助等各子系統的在線故障診斷（故障定位到最小可更換單元）和故障報告，通過車載無線傳輸系統將狀態數據和故障數據傳輸至地面。

2.1.2 運行監控系統。列車狀態、故障監控、綜合診斷及應急處置等組成。根據列車組和關鍵零部件的運行狀態，提取與列車組安全運行相關的數據及關鍵技術指標進行監控。根據車載系統傳輸的故障報告或關鍵設備技術狀態數據對當前列車組運行狀態進行評估，對潛在的故障進行綜合診斷，形成綜合評估和故障診斷報告，依據故障等級對列車組進行控制，對列車組現場人員提供技術指導和應急處置方案。

2.1.3 健康維護系統。由故障報告、健康評估、故障預測、維修管理等組成。根據列車組車載系統及運行監控系統報告的故障數據和列車組設備狀態數據以及積累的歷史數據，在地面利用高性能計算機及檢測系統實現智能故障推理、關鍵機械部件的故障發展趨勢模型，實現列車組及關鍵部件健康狀態評估及故障預測，給出列車組系統的綜合評價指標，提高列車組或部件的維修管理水平。

2.1.4 決策支持系統。由狀態維修、壽命預測、服役跟蹤、檔案管理等組成。根據地面系統存儲的列車組及關鍵部件的大量數據和歷史檔案數據，利用數據挖掘、故障模式識別等手段，建立關鍵機械部件故障發展趨勢模型庫，電子零部件的連續量、離散量、開關量等不同性質的故障預測模型庫，建立列車組及零部件健康檔案，進行零部件壽命預測、服役跟蹤和檔案管理，給出維修決策，形成列車組及關鍵部件健康評價指標體系。

2.2 業務需求

根據地鐵車輛遠程數據分析系統提供的核心功能，具體的業務需求為：

2.2.1 數據采集存儲模塊。主要實現列車實時數據和離線數據的接收、轉發、解析、存儲等功能。

2.2.2 實時狀態檢測模塊。對列車的關鍵部件工作狀態、運行線路、故障數據進行管理和處理，以可視化的形式進行展示。

2.2.3 分析統計模塊。對列車的歷史數據、離線數據結合知識庫，進行統計分析，以可視化的形式進行展示。

2.2.4 后臺管理模塊。對整個系統進行綜合的后臺管理，管理員通過Web登錄管理系統后，可以進行用戶管理、權限管理、日志管理以及資料管理等操作。

3 總體設計

3.1 搭建原則

以創新驅動、資源共享為引領，整合地鐵和現代信息技術等先進成果，打造創新、高效的列車遠程數據分析。系統是一種具有基礎性的支撐體系，數據來源廣泛而零散，它具有整合和共享的服務性質。

3.2 業務架構

以列車智能維護為目標應用領域，圍繞其數據增量的特點，建立流式數據接入、存儲管理、實時跟蹤以及異常識別的全業務鏈服務體系。結合當前技術缺陷，在平臺搭建中實現流式數據實時處理與離線分析工作的結合。

系統建設的目的是針對列車監測數據，提供一體化、智能化的數據支撐服務環境，實現多源數據的存儲、管理、分析。其主要包括采集層、現場處理層、接入層、IO層、持久化層、分析處理層以及服務層共七個基本層次。

3.2.1 采集層：其通過各種傳感器與車上網絡環境形成數據采集環境。采集的各種對象的監控數據經過匯聚后，統一開展現場處置與傳輸等后繼工作，其依賴列車通信設備。

3.2.2 現場處理層：其在采集層數據的基礎上，根據管理機制對數據進行檢測，發現異常對象的前兆與警報信息，并通過列控數據交換機制及時預警或值警，同時根據不同數據的業務重要性以多種方式回傳后臺。另外，結合列控網采集手段，在列車檢修階段采集有關數據并回傳，滿足后臺管理、分析與業務支撐的要求。

3.2.3 接入層：根據不同類別數據的規范要求，清洗數據并存儲入庫。

3.2.4 IO層：利用文件系統實現底層數據的基本IO存儲與讀取。通過文件系統有效實現系統整體IO讀寫負載的平衡，滿足數據持久化存儲的基本要求。

3.2.5 持久化層：由基本數據庫構成。在這一層中圍繞列車海量、多維流式監測數據提供高性能數據存儲管理系統。這一系統結合IO定向分布、流數據增量分段存儲模型等方式，實現流數據集的規模可控，解決由高增量引起的存儲膨脹問題；針對列車數據實時主動的需求特點，在鍵值存儲模型的基礎上，建立邊界溢出主動機制，為持久層中的實時主動提供基礎。

3.2.6 分析處理層：在內存數據集的基礎上構造基于連續窗口的事件多維數據主動協同機制；結合底層數據主動機制以及數據pub/sub機制實現增量過程中，事件的主動識別、跟蹤與觸發響應。

3.2.7 服務層：提供故障（報警）統計查詢、實時數據查詢等用戶服務。

3.3 邏輯結構

遠程數據分析平臺由服務器端軟件、Web端軟件兩部分組成。

3.3.1 服務器端軟件。根據數據類型有流式、結構化以及查詢模式化的特點，結合關系數據庫構成一體化的存儲管理支撐環境，完成數據的統一存儲、管理。

3.3.2 Web端軟件。提供系統實時狀態監測、數據分析和預警等基本功能；為整個系統的數據處理和數據發布等操作提供統一的配置管理平臺，包括用戶信息管理、用戶權限分配等系統管理功能，組成系統的綜合信息管理環境。

3.4 物理結構

3.4.1 實時數據。（1）列車實時通過地面4G無線傳輸通道通過以TCP協議將車載數據分別傳輸到檢修庫服務器和車輛段服務器；（2）檢修庫和車輛段的實時數據采集存儲軟件同時對協議數據進行數據采集、解析，解析后的數據通過以太網存儲到數據庫，對實時數據長期存儲；（3）Web程序讀取數據庫，對數據進行可視化展示；（4）用戶通過以太網使用瀏覽器，在網頁中進行查看。

3.4.2 離線數據。（1）車輛到庫后，維護人員使用HMI進行手動觸發進行車輛數據上傳或者TCMS根據時間觸發條件自動上傳車輛數據，借用庫內WLAN技術，以TCP或者FTP的協議發送到車輛段或者檢修庫服務器；（2）車輛段服務器中的離線數據采集存儲軟件對數據進行數據采集、解析，并將解析后的數據內容通過以太網的方式存儲到數據庫中；（3）Web程序讀取數據庫，對數據進行可視化展示；（4）用戶通過以太網使用瀏覽器，在網頁中進行查看。

4 結語

隨著地鐵車輛遠程數據分析平臺的搭建，可以大大提高車輛自診斷及維修智能化水平，提升維修診斷效率；降低人工成本，提高車輛的可靠性和安全性；更便于建立車輛維修智能化數據庫，優化維修模式，提升資源利用率，隨著車輛的數據累計，更加可以利用云計算、數據挖掘、神經元算法等提供車輛運行的安全性和可靠性，為后期車輛的設計改進提供強有力的數據支持。

參考文獻

[1] 仇輝.智能交通管控平臺中數據分析子系統的設計與實現[D].北京郵電大學，2015.

[2] 呂赫.動車組車載信息實時傳輸方案研究[J].鐵路計算機應用，2013，（1）.

作者簡介：董敬超（1989-），男，河北唐山人，中車唐山機車車輛有限公司工程師，研究方向：列車網絡。

（責任編輯：黃銀芳）