列車數據分析與預警系統研究

李福生+查小菲

摘 要：隨著城市軌道交通行業的快速發展，各地鐵運營公司對在線運營的地鐵車輛的安全性、車輛狀態數據的實時性以及后期車輛維修維護的指導性要求越來越迫切，而傳統的車輛運行數據存儲在車輛事件記錄儀中，數據只能通過人工下載方式才能傳輸到地面，造成數據傳輸不及時，車輛故障維護延后等缺點。地鐵列車數據分析與預警系統集成數據采集、分析和預警等多項功能，可以有效提供列車安全性和可靠性。本文對列車數據分析與預警系統進行探討。

關鍵詞：數據分析；預警；地鐵車輛；運營監控；數據采集

中圖分類號：U231 文獻標志碼：A

0 概況

系統以地鐵車輛運營管理的實際工作需求為核心開展建設工作，其主要具有列車組及關鍵部件的實時數據采集、數據分析、故障預測功能，即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。實現一套實現列車實時監控、數據分析和故障預警等功能的在線系統。

1 系統設計需求

接收列車的實時數據和離線數據，對數據進行解析，存儲到數據中心，圍繞數據中心提供列車運行狀態監測、數據分析、故障預警等各種擴展功能。

1.1 功能需求

系統以列車運營管理的實際工作需求為核心開展建設工作，其主要具有列車組及關鍵部件的實時監視、數據分析、故障預測功能，即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。實現一套實現列車實時監控、數據分析和故障預警等功能的在線系統。圍繞上述的業務需求，該系統可以劃分為兩大子系統。

（1）數據采集存儲子系統：負責各種數據資源的統一存儲管理。包括對列車的實時運行數據、離線數據、知識數據等進行解析、存儲、轉發。其根據列車行駛特點，建立緩存，在這一基礎上結合里程累計、閾值觸發實現增量累計分析。

（2）運營監控系統子系統：在監控緩存數據的基礎上，其根據預警與監控數據的閾值觸發建立對象監控跟蹤隊列。根據列車基礎數據，對列車的實時狀態、各個子系統的數值，以可視化的方法進行在線實時展示。對歷史的數據，結合知識庫，進行統計分析。

1.2 業務需求

依托“列車數據分析與預警系統”的平臺系統提供的核心功能，提供的具體業務功能如圖1所示。

（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）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。

（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。

（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。

1.3 性能需求

由于系統建設的目的是針對數據分析和預警的服務。 因此對于系統的整體可靠性、健康性要求較高。需要具備以下的服務能力：

7×24 在線不間斷在線服務能力；

典型運行周期內（365 天）三級系統故障發生<5；

具備快速啟動與恢復能力，典型故障發生時恢復時間<5min；

具備數據備份能力，能夠 100%恢復；

具備一定的系統檢測能力，能夠就系統存儲、計算能力邊界實現自動檢測，并提示系統運維管理人員及時處理；

管理信息系統并發量為500，能夠保證系統的穩定運行。

具有較好的系統擴展能力，能夠通過熱處理的方式，實現系統存儲、計算等資源節點的加入，在資源變化過程中不影響系統核心業務的開展。

2 總體設計

2.1 系統構架

列車的監控、數據分析、值警以及產品全生命周期數據管理無一不圍繞數據資源展開。

現場數據采集與處理：根據預設的各種子系統故障分析邏輯與閾值設置判斷不同對象的運行狀態、故障前兆開展預警。同時，其根據故障監測警報設置對發生故障的子系統及時監控。同時，其利用現場網絡環境。以多種方式將收集的數據上傳到服務端。在回傳過程中，根據不同數據的業務重要性分為以下幾種傳輸模式：

（1）實時傳輸：這些數據與列車安全狀態緊密攸關。在列車行駛過程中系統將采集的數據通過3G/4G網絡連續性回傳后臺，供監控、分析與處置活動利用。

（2）離線續傳：這類數據相對上述數據而言重要性、實時性相對較低。在列車行駛過程中，不需要實時采集傳輸。其通常以本地數據緩存對采集的數據進行組織。在一定條件下，將緩存數據整體回傳后臺。

（3）故障警報：這些數據包括各種子系統故障監控的值警信息。當傳感器采集的數據經過分析識別后，達到被監控對象的警報閾值時，一方面其通知現場處理單元處置，另一方面通過網絡即時回傳。在幾種傳輸模式中，這一類傳輸模式具有最高的優先級與實時性的要求。

在上述工作的基礎上，為上層的業務活動開展提供各種服務。其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。圖2中展示了這一研究工作的主要技術路線。

2.2 系統組建

2.2.1 服務器端

（1）開發環境

操作系統：Windows 7；

開發工具：Qt；

開發語言：C++；

依賴庫：相關數據庫驅動。

（2）部署環境endprint

操作系統：Windows server 2008 r2或以上版本；

依賴庫：Windows系統庫、Qt庫、數據庫驅動庫、C++標準庫等。

2.2.2 Web端

展示層：管理用戶的請求和響應、提供一個控制起來將調用委托到業務邏輯和其他上游處理、組裝可以在視圖中表現的模型對象。執行UI 校驗等等。

業務邏輯層：采用Spring MVC框架，為平臺各個業務子應用系統提供標準邏輯組件、公共服務代理；

持久層：采用myBatis持久層封裝框架，提供數據持久化、數據訪問能力；DB采用oracle數據庫，如圖3所示。

部署環境：jdk + tomcat + Oracle

開發環境：jdk + eclipse + Oracle+ tomcat

版本管理：svn

3 系統功能設計

數據采集存儲模塊是整個系統的核心，其負責數據的采集、解析、存儲管理、跟蹤分析。其根據上層業務的需求建立數據庫，依據里程累積開展迭代跟蹤分析。在這一基礎上，結合底層集成的產品數據、維護業務數據等提供分析和預警的支撐服務。

（1）實時數據

ERM實時借用地面PIS系統的無線傳輸通道通過以太網UDP協議將車載數據傳輸服務器，服務器進行數據解析、分析、存儲等工作。

（2）離線數據

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，車輛運行數據及故障數據使用.CSV格式，文件經壓縮后借用地面PIS的無線傳輸通道，發送到服務器，服務器進行數據解析、分析、存儲等工作。

3.1 Web端

實時狀態監測主要包括列車狀態、線路監控、當前故障及故障預警。

（1）列車狀態

列車狀態模塊用于展示在線列車和離線列車的列車號、狀態、運行模式、網壓、網流、終點站、當前站、下一站、更新時間和故障信息，展示當前故障，并可以查看某列車的故障列表。

用戶點擊列車號可以查看該列車的詳細信息，包括運行狀態、通信狀態、牽引狀態、輔助狀態、制動狀態和空調狀態，如圖4所示。

（2）線路監控

線路監控以圖形方式展示列車的運行位置、速度、方向以及下一站等信息。

（3）當前故障

當前故障列表展示故障信息，包括列車號、車輛、故障代碼、故障描述、故障時間、車速、故障系統、故障處理指導、等級、類型、狀態信息，并能關聯明細和查看操作指南。用戶可以通過按列車號選擇和故障等級對當前故障信息進行過濾。

（4）故障預警

故障預警模塊列表展示故障預警信息，包括異常系統、異常設備名稱、異常設備狀態、預警故障等級、出現故障概率、預警故障描述以及應急措施等信息。通過按列號選擇、異常系統和預警故障等級3個條件對故障預警信息進行過濾，如圖5所示。

（5）分析統計

分析統計對列車的關鍵部件工作狀態的數據進行管理和處理，并可對數據進行可視化展示，便于對設備狀態做出正確的評估判斷，主要包括數據趨勢分析、類車故障查詢、故障統計分析、故障操作指南以及列車運營里程。

①數據趨勢分析

數據趨勢分析模塊提供用戶對本列車的關鍵部件工作狀態的數據查詢與可視化展示的功能。用戶可以選擇查看某個關鍵部件在某段時間內的某種數據信息，系統使用波形圖對用戶選擇的數據進行可視化展示。

圖表上面列出列車所有關鍵部件的重要變量，用戶可以使用多選的方式選擇需要查看的變量，在作圖區進行統一查看。

②列車故障查詢

列車故障查詢模塊可以通過列車號、車輛、系統選擇、故障代碼、開始時間和截止時間過濾條件對列車故障信息進行查詢，并以列表的形式進行展示。通過明細和查看鏈接可以關聯故障信息的明細和操作指南。

③故障統計分析

故障統計分析模塊按列車號、統計類型、開始時間和截止時間過濾條件對牽引系統、制動系統、門控系統、空調系統和PIS系統進行故障分布統計，統計結果以餅狀圖的形式進行可視化展示。

④故障操作指南

故障操作指南模塊用于提供列車故障的解決方案。該模塊以列表形式展示故障操作指南，包括車型、操作指南等信息，可以根據車型和故障代碼對故障操作指南進行查詢。

3.2 系統管理

系統管理的主要任務是對整個系統進行綜合管理，管理員通過web登錄管理系統后，可以進行用戶管理、角色管理、日志管理等操作。

結論

本文介紹了地鐵車輛列車數據分析與預警系統的開發和功能，系統極大地提高了車輛自身智能化診斷水平，通過對車輛運行狀態數據統計分析，給出車輛設備故障預警信息；通過對車輛故障信息的統計分析，有效地提高車輛維修維護的針對性，同時降低車輛計劃修人力資源成本。

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]金曦.智能車輛信息平臺研究及關鍵技術實現[M].浙江大學出版社，2014.endprint