基于?MQTT?協議的道岔安全 監測系統優化研究
2020-04-28 12:26:13張郁鄒勁柏張海娟
現代城市軌道交通 2020年4期
張郁 鄒勁柏 張海娟
摘 要：城市軌道交通道岔運行狀態實時監測，能有效提高列車運行安全性，并大幅度減少人工成本。從線纜傳輸帶寬受限角度出發，提出一種基于 消息隊列遙測傳輸協議（MQTT ）的城市軌道交通道岔安全監測系統，能夠對數據優先級進行分類并實現動態時隙分配。利用圖論的最短路徑算法，實現信息的高效傳輸。利用 MQTT 協議輕量特性，優化了多數據并發的傳輸性能，改善現場傳輸帶寬受限的不足，提高系統工作效率。
關鍵詞：城市軌道交通;消息隊列;遙測傳輸協議;道岔;監測;系統優化
中圖分類號：U284.5
0 引言
城市軌道交通線路日益擴增，日常往往承擔較高密度的運量。道岔轉轍機作為信號聯鎖設備的重要組成部分，其運行工作狀況直接影響著行車安全，因此對道岔的運用質量與狀態穩定性要求也越來越高。為更好地實現城市軌道交通道岔缺口監控，需要高安全可靠性、高抗干擾性、實時有效的監控反饋。
目前，鐵路的道岔缺口監控傳輸普遍采用電纜低帶寬傳輸技術長距離傳輸缺口動態音視頻信息，基本滿足圖像識別、測量判斷和人工觀測記錄的要求。然而，傳統人工查看和二代數據監控系統已經無法滿足業務需求，多傳感器數據監測能更好地保障道岔轉轍機所處環境的安全，以及動作信息的準確性和可靠性。但在實際城市軌道交通環境下，道岔缺口監控主要存在轉轍機信號控制線纜傳輸帶寬受限的問題，隨著線路的延長，距離站內控制室較遠的節點可能存在信息傳輸不穩定的情況，多線路數據并發可能存在時延或丟包現象。目前道岔監測的相關研究主要針對設備端的數據處理或客戶端的后臺數據分析，針對現場帶寬受限又不宜過多鋪設同軸電纜等工況研究較少。
本文主要考慮提高道岔監測系統數據傳輸的質量，提出基于物聯網輕量化協議的道岔監測系統，并對系統數據傳輸服務質量以及高效性提出優化措施，以提高整體工作效率。
1 系統設計
道岔監測系統結構如圖1所示，整個系統主要分為室內設備和室外設備2部分。現場室外設備端通過各類傳感器（溫濕度、振動液壓、油位及啟動傳感器）采集數據，由MQTT實現訂閱、發布模式的及時通信。服務器實現數據的存儲轉發，同時搭建數據庫，實現后臺數據存儲處理分析。系統自動推送報警信息，站內主機對各類傳感器數據進行實時顯示，存儲并分析歷史數據，生成統計報表以便維護。
2 信號線纜性能分析
城市軌道交通線路中鋪設的線纜是鐵軌中各設備之間的傳輸紐帶，承擔電力傳送、控制信號傳輸任務。道岔監測系統中的電纜主要負責轉轍機設備電力以及簡單控制信號的輸送，但傳統道岔監測系統無法滿足多傳感器數據以及圖像信息的傳輸需求。為更好地利用既有線路并滿足新一代道岔監測系統的需求，本文對既有傳輸信號線纜做出性能分析，并提出多層面的對策以實現受限帶寬下系統性能的穩固。
目前城市軌道交通信號電纜適用于額定電壓交流500 V或直流1 000 V，在站內選用四線組對絞線成對的電纜，采用SPTYWA23型數字綜合護套電纜，線纜結構如圖2所示。
衰減是信號控制電纜最重要的特性之一，主要由于導體本身和絕緣介質有損而產生，線纜的衰減可以明確反應線纜的傳輸能力，一般衰減都與傳輸信號的頻率成正比，同時隨著線纜長度增加而增大。通常α表示衰減常數，單位為dB/100 m。
信號控制線纜衰減計算如下：
（1）
式（1）中， R為線纜的電阻，Ω; C為線纜的等效電容，F; L為線纜回路電感，H; G為線纜的絕緣電導，S。
信號控制電纜的電阻R為：
R = ρ×Ll / S? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）
式（2）中，? ρ為線纜的電阻率，Ω · mm2 / m; Ll為線纜長度，m; S為線纜的橫截面積，mm2。
由于信號控制電纜的性能還受溫度影響（標準為20 ℃），所以電阻滿足如下公式：
（3）
式（3）中，t表示溫度，℃; R20為標準溫度20 ℃下的電阻值，Ω; Rt為任意溫度下的電阻值，Ω; αt為電阻的溫度系數，一般為0.00393。
在實際應用中，我們可以換算得出衰減常數α為：
（4）
式（4）中，為阻抗匹配時的最大功率與實際輸入功率之比。
測量計算在標準溫度20℃下線纜的電阻值，假設電阻率ρ = 0.0173Ω · mm2 / m;線纜長度Ll= 1000m;截面積 ;實測電阻Rt = 84.59Ω。同時假設電容C = 49.42×10-6F;線纜回路電感L = 4.1154×10-5H;線纜的電導G =10-11f×3.11S， f為傳輸頻率;可計算出當Rt = 84.59Ω時，衰減a = 4.234dB / 100m。
通過計算可以了解到，隨著信號控制線纜長度的增加，傳輸性能衰減明顯增大，道岔監測點距離站內主機越遠，傳輸性能越差，帶寬越受限。根據實際需求，下文提出一種適用于窄帶傳輸的物聯網輕量化協議MQTT，以解決系統長距離帶寬受限的困擾。
3 MQTT
3.1 MQTT 簡介
MQTT是一種多應用于各種物聯網環境的應用層協議，以訂閱/發布模式實現輕量化通信，構建于傳輸控制協議/網際協議（TCP/IP）協議之上。面對低帶寬、網絡不穩定的現場環境，優勢突出。MQTT設計精簡，只需創建客戶端即可連接通信，可縮減協議頭大小、減少傳輸量。針對監控設備的實時性建立連續會話，出現網絡異常等故障可斷線重連，數據格式靈活，且提供對網絡層、傳輸層以及應用層的安全特性。通過MQTT消息代理者通信來實現信息交互，對不同服務實現解耦。
系統中道岔監測裝置作為發布者，物聯網平臺作為消息代理，而室內主機為訂閱者。訂閱/發布通信模式示意如圖3所示。
3.2 MQTT 特性
目前針對設備環境受限的物聯網應用層協議主要包括MQTT、受限應用協議（COAP）以及可擴展通信和表示協議（XMPP）等，在同等競爭下，MQTT以其特有的優勢得到了更廣泛的應用。
3.2.1 訂閱/發布模式
訂閱/發布模式通過代理服務器可高度解耦發布和訂閱者之間的關聯，無需直接聯系，客戶端之間可以一對一、一對多和多對多方式進行雙向流通信。
3.2.2 消息格式精簡
MQTT數據包基于二進制格式實現，固定報頭最少只有2個字節，沒有應用消息頭，最大程度減少了網絡流量。該協議支持14種不同的消息類型，可根據實際應用需求選擇對象簡譜（JSON）、字符串或二進制等不同類型報文，數據包格式如圖4所示。
3.2.3 心跳和遺囑機制
MQTT客戶端與服務器之間可通過報文發送實現會話的長連接，同時可以設置心跳時間。特有遺囑機制保證MQTT應用客戶端在發生網絡故障時可實現斷線自愈，消息也不會丟失，不同于HTTP等協議需要刷新重新連接。
3.2.4 提高消息服務質量
MQTT對比其他協議的一大優勢就是提供3種不同的消息服務質量（Qos）等級，如表1所示，與消息類型（Message Type）一同存在于固定報文的第一字節中，可對不同的主題訂閱提供不同的服務質量，主要依據不同消息的可靠性需求。
通過多協議特征對比，如表2所示，可以看出，在道岔監測系統中采用輕量化協議MQTT 通信，優勢突出且適用于在可靠性低的網絡環境下進行低帶寬傳輸，并具備極大的可擴展性。同時作為標準化物聯網協議，其適用于多物聯網平臺，可滿足未來智能化軌道交通發展需求。
4 系統優化
本文在充分考慮帶寬有限的條件下，還要實現傳輸資源的有效均衡，所以針對系統的網絡拓撲結構提出最短路徑算法，以提高傳輸效率。
4.1 最短路徑算法
最短路徑是圖論與網絡拓撲結合的常用算法，常用于地理位置系統、工程規劃、軌道交通網絡以及傳感網絡中。由于城市軌道交通現場環境多樣，線路較長，道岔監控節點設置以道岔轉折點為準，多樣式組網實現了道岔監測節點之間信息傳輸的冗余保障，易于擴展且故障隔離較容易。將線纜連接的道岔監測節點設為網絡圖的各頂點，節點到節點之間的路線設為無向圖的邊，這樣各個節點的傳輸問題就轉化為了最短路徑問題，系統網絡拓撲如圖5所示。
最短路徑算法的基本思想為：取定兩個集合S和E，集合S中放置已處理的頂點，集合E中存放未被處理的頂點。初始狀態下，集合S中只存放起點V1，通過對相鄰點的遍歷，從集合E中取出至V1路徑最短的頂點并入集合S，重復遍歷、取值并修改更新集合，滿足兩點之間最短路徑的頂點都并入集合S。
假設上述拓撲圖節點V7為站內主機，V1至V7為站臺左側道岔監測節點拓撲圖，利用MATLAB仿真最短路徑如圖6所示，算法流程如下。
（1）首先設置集合S ={V1}，E ={未處理的其余頂點}，設W為頂點對應的距離值即權值。設置稀疏矩陣G = sparse（S，E，W）建立有向圖P。
（2）初始認定若存在
（3）求節點V1到Vi的最小值，從集合E中選取1 個距離值最小且不在集合S中的頂點Vk（k≤7），加入集合S。
（4）將Vk作為中間點，對集合E中頂點的距離值進行修改，若從起點V1到頂點Vi的距離（經過頂點Vk）比原來距離（不經過頂點Vk）短，則修改距離值。
（5）重復上述步驟3、步驟4，遍歷所有鄰點，直到集合S中包含所有頂點。
4.2 時分多址技術
道岔監測系統中組網配置的單主機可能需要掛載20臺監測設備，因每個道岔監測點有多傳感器數據以及視頻圖像信息，同時考慮多數據并發時對數據傳輸實時可靠性的高要求，突發報警信息的第一時間到達顯得尤為重要，故而提出結合時分多址技術，對不同級別數據實現動態時隙分配。
在整個系統實際運行過程中，除了保證將列車進路道岔變動時的實時數據準確高效傳輸至客戶端外，還須將各個道岔轉轍機的狀態監測數據也要保障實時上傳。當出現異常數據時，更應該保障將這類數據可靠、及時地推送至客戶端。
考慮列車過車前道岔轉換是否到位直接關乎行車安全，故提出在傳感器數據沒有超過安全閾值時，以圖像信息為第一優先級分配時隙傳輸;若傳感器數據異常，則將預警信息視為第一優先級分配時隙傳輸。同一線路多個道岔，每個道岔也有多個信息需要傳輸，優先處理安全預警信息，有效避免多數據并發情況下的信息堵塞，提高了整個系統的安全可靠性。道岔轉轍機狀態監控信息優先傳輸原理如圖7所示。
5 結語
本文通過對既有線路道岔缺口監控設備現狀進行調研，進一步完善道岔缺口監控報警系統，采用更適用于低帶寬、不穩定網絡環境下的物聯網輕量化協議，解決系統抗干擾性能差、損壞和網絡化管理誤報多等問題;并根據數據重要性進行分類，動態分配時隙，進一步優化了數據傳輸服務質量，提高了整體運營效率;提出利用最短路徑算法改善不同道岔監測點到室內終端的傳輸效率，形成一套閉環且高效的傳輸網絡系統，且傳輸網路具備高度自愈性。
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收稿日期 2019-08-10
責任編輯 孫銳嬌
Optimization of turnout safety monitoring system based on MQTT protocol
Zhang Yu， Zou Jinbai， Zhang Haijuan
Abstract： The real-time monitoring of rail transit turnout operation effectively improves the safety of train operation and greatly reduces the labor cost. From the point of view of limited cable transmission bandwidth， this paper proposes a rail transit turnout safety monitoring system based on MQTT protocol， which classifies data priority and realizes dynamic slot allocation. The shortest path algorithm of graph theory is used to realize the efficient transmission of information. By using the light-weight characteristics of MQTT protocol， the transmission performance of multi data concurrency is optimized， both the limitation of field transmission bandwidth and the working efficiency of the system is improved.
Keywords： message sequence， telemetry transmission protocol， turnout， monitoring， system optimization
