基于Web的高速動(dòng)車組跟蹤監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化研究

周韶澤，周允鑫，聶春戈，張海峰，崔凱

(1.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028； 2.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130062)*

0 引言

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，高速列車實(shí)時(shí)安全服役狀態(tài)的監(jiān)測(cè)顯得越發(fā)重要.為了保證列車運(yùn)營(yíng)的安全，國(guó)內(nèi)對(duì)列車安全服役監(jiān)測(cè)及其數(shù)據(jù)可視化進(jìn)行了大量研究.浙江大學(xué)甄維超搭建了高速動(dòng)車組傳感數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，將系統(tǒng)產(chǎn)生的大量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用可視化技術(shù)的圖形、圖像手段對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示[1]；西南交通大學(xué)郭倪宏對(duì)列車走行部軸承的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行降維簡(jiǎn)約，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)可視化[2]；西南交通大學(xué)黃國(guó)輝設(shè)計(jì)了基于GPS/GIS的鐵路搶險(xiǎn)車定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)GPRS通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腉PS定位數(shù)據(jù)的處理，并結(jié)合VB和MapX組件技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、信息查詢、歷史回放[3]；西南交通大學(xué)郭宗昊設(shè)計(jì)了GPS和GIS相結(jié)合的區(qū)間列車定位可視化系統(tǒng)，通過(guò)GSM-R網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)車地信息傳輸，采用GIS組件式開(kāi)發(fā)定位可視化系統(tǒng)，以VS和ArcGIS為開(kāi)發(fā)工具，利用ArcGIS Engine開(kāi)發(fā)組件庫(kù)，在NET環(huán)境下采用C#語(yǔ)言進(jìn)行編程開(kāi)發(fā)，完成系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[4].然而，這些相關(guān)研究具有局限性：由于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如加速度、應(yīng)變等的實(shí)時(shí)采集頻率高而導(dǎo)致數(shù)據(jù)量巨大，難以滿足遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)可視化需求；跟蹤監(jiān)測(cè)多臺(tái)數(shù)采設(shè)備往往在各自車輛分散采集，難以反映在某一個(gè)地點(diǎn)、同一時(shí)刻各個(gè)采集量之間的相互關(guān)系；基于特定的應(yīng)用程序，多機(jī)更新和查看不方便，尤其不適于在當(dāng)今基于Web的移動(dòng)端的應(yīng)用；長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)后累積出海量數(shù)據(jù)，難以進(jìn)行快速調(diào)取、分析和顯示.

本文提出并開(kāi)發(fā)了基于Web的高速動(dòng)車組結(jié)構(gòu)跟蹤監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)，并在CRH380CL為期兩年的結(jié)構(gòu)跟蹤監(jiān)測(cè)中得到成功運(yùn)用，為動(dòng)車組長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)提供了便捷、高效的一體化工具.通過(guò)可視化的圖形或圖表可以及時(shí)、直觀和快速的了解列車關(guān)鍵部位振動(dòng)、受力和溫度情況，以及基于這些數(shù)據(jù)研究這些數(shù)據(jù)間的關(guān)系，對(duì)掌握列車運(yùn)行時(shí)的安全特性，認(rèn)識(shí)列車監(jiān)測(cè)部位隨地理位置和季節(jié)溫度變化等的服役規(guī)律，以及改進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有重要意義.

1 數(shù)據(jù)可視化層次框架

構(gòu)建跟蹤監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化層次結(jié)構(gòu)，以數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、處理、傳輸作為框架的重要組成，將整個(gè)體系分為數(shù)據(jù)采集層、服務(wù)層與表現(xiàn)層，見(jiàn)圖1.

圖1 跟蹤監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化層次框架

(1)數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層是數(shù)據(jù)可視化的來(lái)源.數(shù)據(jù)采集模塊以NI CompactRIO硬件為載體，以LabVIEW軟件為編譯平臺(tái)，基于可重新配置的FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)模塊對(duì)列車運(yùn)行時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集.數(shù)據(jù)的緩存與傳輸要通過(guò)車載RT(Real-Time) 實(shí)時(shí)控制器，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)或遠(yuǎn)程發(fā)送[5].遠(yuǎn)程發(fā)送的數(shù)據(jù)要進(jìn)行特征值的計(jì)算并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模塊經(jīng)由3G網(wǎng)絡(luò)傳送到服務(wù)層.由于車載存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)量巨大，需人工周期性定時(shí)拷貝到服務(wù)層進(jìn)行處理.

(2)服務(wù)層

服務(wù)層功能包括在線特征數(shù)據(jù)的接收和存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)采集層原始數(shù)據(jù)的拷貝和存儲(chǔ)，原始數(shù)據(jù)特征值與規(guī)律性數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，以及提供給Web服務(wù)器的瀏覽檢索服務(wù).服務(wù)層的數(shù)據(jù)庫(kù)用來(lái)存儲(chǔ)在線、離線數(shù)據(jù)的特征值，原始數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)位置和規(guī)律性數(shù)據(jù)等，等待Web服務(wù)器的調(diào)取請(qǐng)求.

(3)表現(xiàn)層

表現(xiàn)層的功能是在瀏覽器端對(duì)高速動(dòng)車組采集的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整合、按需調(diào)取與同步可視化顯示.列車運(yùn)行時(shí)的動(dòng)應(yīng)力、溫度、加速度和速度等數(shù)據(jù)，利用Web數(shù)據(jù)可視化圖表工具處理和顯示，最終獲得在線、離線特征數(shù)據(jù)和規(guī)律性信息.結(jié)合高速動(dòng)車組運(yùn)行的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，以Web地圖的形式動(dòng)態(tài)顯示在瀏覽器端.

2 關(guān)鍵方法

2.1 基于特征值的數(shù)據(jù)取值方法

高速動(dòng)車組長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)跟蹤監(jiān)測(cè)所獲得的實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)量巨大，單在每節(jié)車每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量就至少數(shù)GB.由于數(shù)據(jù)量巨大，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳送、在線可視化且能反映列車在運(yùn)營(yíng)期間某一地理位置、某一時(shí)刻的情況，需要對(duì)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行特征值的提取.特征值取值是生成服務(wù)器數(shù)據(jù)的重要步驟，是數(shù)據(jù)可視化的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段.重要步驟是數(shù)據(jù)可視化的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段.

在數(shù)采設(shè)備中，通過(guò)預(yù)處理數(shù)據(jù)程序，將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)去除溫飄和低通濾波等步驟后，提取出在線特征值存入數(shù)采設(shè)備緩存，以提供給遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行發(fā)送.設(shè)固定時(shí)間間隔內(nèi)的數(shù)據(jù)總量N：

N=HS

(1)

式中，H為數(shù)據(jù)采集頻率;S為設(shè)置的取值間隔，單位為s.以S秒內(nèi)溫度、應(yīng)力和加速度的最大值、平均值和最小值的作為特征值取值：

(2)

(3)

(4)

式中，T為溫度;σ為應(yīng)力;a為加速度;N1、N2、N3為數(shù)據(jù)總量.σ由采集的應(yīng)變計(jì)算，

σ=Eε

(5)

式中，E為彈性模量，ε為應(yīng)變.

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)特征值取值流程見(jiàn)圖2.在線特征值取值后，通過(guò)遠(yuǎn)程傳輸被存入服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù).跟據(jù)重點(diǎn)關(guān)注需要，還可將原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)人工數(shù)據(jù)預(yù)處理后，提取典型線路和典型日期的離線特征值.特征值取值后，由于數(shù)據(jù)量大大減少，有利于遠(yuǎn)程發(fā)送、快速存儲(chǔ)和瀏覽顯示.

圖2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)特征值的取值流程

2.2 基于時(shí)間戳的數(shù)據(jù)可視化

由于高速動(dòng)車組結(jié)構(gòu)跟蹤監(jiān)測(cè)數(shù)采設(shè)備多，且分散在各個(gè)車廂內(nèi)，需要構(gòu)建采用時(shí)間戳的多源數(shù)據(jù)同步采集及可視化方法，步驟如下：

(1)利用車載數(shù)據(jù)采集設(shè)備的GPS模塊的授時(shí)功能，將采集的數(shù)據(jù)以統(tǒng)一時(shí)間戳記錄，獲得有統(tǒng)一時(shí)間戳的原始數(shù)據(jù).在每次采集設(shè)備啟動(dòng)后，每隔一定周期(如半小時(shí))通過(guò)GPS模塊校準(zhǔn)一次本地采集時(shí)間；

(2)從原始數(shù)據(jù)中，根據(jù)上一小節(jié)方法基于時(shí)間戳取得特征值數(shù)據(jù)，并遠(yuǎn)程傳輸?shù)椒?wù)器存入數(shù)據(jù)庫(kù)中；

(3)數(shù)據(jù)可視化顯示時(shí)，通過(guò)Ajax異步讀取數(shù)據(jù).URL定義數(shù)據(jù)獲取地址，數(shù)據(jù)在HTTP下GET的請(qǐng)求，獲得預(yù)期定義數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù).各項(xiàng)數(shù)據(jù)以JSON這一輕量級(jí)的數(shù)據(jù)交換格式為輸出形式進(jìn)行輸出[6]；

(4)獲取JSON格式的數(shù)據(jù)后，在Web動(dòng)態(tài)圖表中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)圖表和折線的同步逐點(diǎn)刷新.在不重新刷新網(wǎng)頁(yè)的情況下，Ajax不斷從服務(wù)器端獲得各車的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)相同的時(shí)間戳實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步可視化.GPS地理位置也由JSON數(shù)據(jù)格式返回，由Web地圖(如Google地圖、百度地圖、高德地圖等)同步顯示.

采集數(shù)據(jù)同步可視化見(jiàn)圖3.因?yàn)镚PS授時(shí)精度高，守時(shí)能力強(qiáng)，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，所以由GPS產(chǎn)生的時(shí)間戳記錄適合于列車的長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)及同步可視化.而采用JSON的數(shù)據(jù)形式輸出，提升了數(shù)據(jù)信息的傳輸效率，也便于圖表工具的解析.

圖3 采集數(shù)據(jù)同步可視化

2.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)特征值取值后，被發(fā)送到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ).在接收遠(yuǎn)程發(fā)送的特征值數(shù)據(jù)過(guò)程中，由于3G信號(hào)強(qiáng)弱的問(wèn)題可能存在延遲，所以跟蹤數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示需在服務(wù)器端經(jīng)過(guò)一段緩存時(shí)間后再進(jìn)行顯示.

在動(dòng)態(tài)可視化端，依據(jù)不同監(jiān)測(cè)部位，不同預(yù)設(shè)警示閾值被設(shè)置到動(dòng)態(tài)圖表中.在可視化圖表的初始化中，設(shè)定超過(guò)閾值時(shí)的警示顏色.當(dāng)監(jiān)測(cè)值超過(guò)閾值，曲線警示顯示在動(dòng)態(tài)曲線上，同時(shí)，該警示值被記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中.例如，當(dāng)溫度和加速度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，會(huì)高亮顯示警示數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)曲線點(diǎn)，記錄下此刻的警示值以及列車的地理位置GPS信息、速度等其他信息進(jìn)行下一步的處理.

如圖4為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理流程.運(yùn)營(yíng)過(guò)程中經(jīng)常產(chǎn)生警示值的時(shí)間段和路段，需要提取原始數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析.為了詳細(xì)了解產(chǎn)生警示數(shù)據(jù)的原因，調(diào)出原始數(shù)據(jù)基于地理位置、速度、室外溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析.還可以進(jìn)一步根據(jù)這些原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行等效應(yīng)力的計(jì)算、依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞壽命分析等.

圖4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理流程

3 跟蹤監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化實(shí)例

依據(jù)上文設(shè)計(jì)的可視化層次框架，基于B/S模式開(kāi)發(fā)了高速動(dòng)車組結(jié)構(gòu)跟蹤監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)，并以為期兩年的高速CRH380CL高速動(dòng)車組設(shè)備艙關(guān)鍵結(jié)構(gòu)跟蹤監(jiān)測(cè)作為實(shí)例驗(yàn)證該系統(tǒng).

系統(tǒng)采用Apache作為Web服務(wù)器、PHP作為Web腳本語(yǔ)言以及MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)作為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建[7].其中，經(jīng)過(guò)處理生成的存儲(chǔ)的特征值數(shù)據(jù)以時(shí)間戳為首列，包括動(dòng)應(yīng)力、溫度、加速度的最大值、平均值和最小值，以及對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)的經(jīng)緯度坐標(biāo)、速度等.

Highstock是高效的Web前端可視化圖表工具，適合將動(dòng)應(yīng)力、溫度、加速度等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)折線圖進(jìn)行可視化.在可視化界面上，每個(gè)動(dòng)態(tài)圖表分別對(duì)動(dòng)應(yīng)力、溫度、加速度、列車速度、經(jīng)緯度數(shù)據(jù)進(jìn)行URL取值地址定義.各項(xiàng)數(shù)據(jù)的Ajax在循環(huán)下獲得JSON格式數(shù)據(jù).在y軸設(shè)置許用值報(bào)警線plotLines.當(dāng)動(dòng)態(tài)加載的數(shù)據(jù)超過(guò)閾值時(shí)，以警示顏色高亮超過(guò)閾值的點(diǎn)顯示在圖表上，并將警示數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ).

百度地圖API被采用作為跟蹤數(shù)據(jù)同步顯示的Web地圖[8].在各項(xiàng)跟蹤數(shù)值動(dòng)態(tài)繪制時(shí)，以列車圖標(biāo)動(dòng)態(tài)同步顯示列車地理位置.地圖的快速縮放功能，提供比當(dāng)前地圖更大范圍的視角，為關(guān)注列車運(yùn)行位置提供方便.

通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)各項(xiàng)數(shù)據(jù)快速同步同屏顯示，直觀獲得列車運(yùn)行中的關(guān)鍵監(jiān)測(cè)部位的運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)列車監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化界面如圖5.在列車運(yùn)行時(shí)可以查看實(shí)時(shí)特征值動(dòng)態(tài)曲線.在線和離線特征值歷史數(shù)據(jù)可以根據(jù)日期、小時(shí)等時(shí)間查詢和調(diào)取，并再現(xiàn)運(yùn)行時(shí)的跟蹤值和地理位置.系統(tǒng)能夠方便、形象和快速地瀏覽長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并能依托累積的原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資源，進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)分析，開(kāi)展更深入的研究.例如，根據(jù)某日期數(shù)據(jù)，分析線路對(duì)車輛的運(yùn)行狀態(tài)、結(jié)構(gòu)的影響；不同季節(jié)溫度對(duì)設(shè)備艙溫度的影響，對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響等.

圖5 高速動(dòng)車組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化界面

應(yīng)用結(jié)果表明，系統(tǒng)可以適用于高速動(dòng)車組的長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)并進(jìn)行數(shù)據(jù)的可視化，為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效使用提供高效工具.

4 結(jié)論

通過(guò)構(gòu)建基于Web的高速動(dòng)車組結(jié)構(gòu)跟蹤監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化三層結(jié)構(gòu)，使用基于特征值與時(shí)間戳的數(shù)據(jù)取值方法，開(kāi)發(fā)了可視化系統(tǒng)，并在CRH380CL高速動(dòng)車組設(shè)備艙關(guān)鍵結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)中進(jìn)行了應(yīng)用.高速動(dòng)車組跟蹤監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化方法可提供快速瀏覽跟蹤監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，更充分利用累積的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資源的能力，為掌握列車運(yùn)行情況、總結(jié)運(yùn)行規(guī)律和改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供便捷、高效的一體化工具.