城軌車輛遠程監測信息系統的設計與實現

陳 闖 陳廣泰 姜 正

(中車大連機車研究所有限公司 遼寧 大連 116023)

0 引 言

隨著城市軌道交通大規模、快速發展，除了安全性以外，城軌交通的服務質量以及服務效率也受到廣泛關注。運營調度對所有在線運營車輛進行遠程實時運維監測逐步成為提高城市軌道交通服務質量的重要方式。

目前，城市軌道交通運維部門對車輛的維護主要實行的是設備巡檢和計劃性維修制度，這種維修方式具有一定盲目性和主觀性。對于列車上的大部分部件，維修人員需要頻繁檢查與測量，有時甚至需要進一步拆卸來確認部件工作狀態，由此產生的大量多余勞動和能源消耗，浪費了人力、物力和財力[1]。

此外，車輛實時遠程運維監測的實現，必需建立在車地通信技術的基礎之上。雖然近些年基于Wi-Fi和LTE的車地通信技術得到了快速發展，但因其實施費用高，有些較早開通的城軌沿線沒有建立Wi-Fi環境，且已建線路也有相當一部分因Wi-Fi信號不穩定，造成車地無線通信系統很難在列車高速移動情況下，提供全線路、高可靠、低時延的帶寬通信。車廂視頻只能少量地傳回運營調度監控中心，大部分視頻信息只能事中記錄、事后查看，不是真正的車廂實時視頻監控，無法做到及時處置。目前，還有采用公網4G方式在城市交通領域實現車載視頻及車載運行監測數據的傳輸，但基于軌道交通領域的高可靠網絡環境的安全要求，無法真正應用在軌道交通領域[2]。

基于以上存在的現象和問題，結合當前先進的模塊化嵌入式編程、物聯網應用、Web應用開發、MySQL數據庫和Android移動應用等多種主流技術，本文設計一套基于APN網絡的城軌車輛遠程監測信息系統(Urban rail vehicle Remote Monitoring information system， URM)，及時掌握城軌車輛運用狀況，實現對列車設備狀態信息的遠程監測和車載視頻的集中監視，及時對城軌列車設備進行診斷維護和突發事件的應急響應，實現對列車設備進行故障預測健康管理，為提升城市軌道交通服務水平和推進智能化維修體系提供支持。

1 系統功能

URM系統的總體設計思路是采用先進的車載信息采集技術、無線通信技術、流媒體傳輸技術和故障預測健康管理技術，把城軌車輛TMS(Train Management System)及PIS(Passenger Information System)設備運行狀態數據、故障數據和視頻信息等車載數據處理整合后，利用APN(Access Point Name)專網無線傳輸技術傳至地面進行分析處理，地面系統通過計算機技術對城軌車輛在途監視、整備列檢等信息進行綜合應用。

1) 列車運行狀態監測。隨時掌握列車的正常使用、備用狀態，實時獲得車輛的車號、線路、速度、在線狀態、前方到站、硬盤狀態、信號強度、攝像頭狀態、PA(Passenger Audio)狀態、信息顯示系統狀態、車載網絡狀態及經緯度坐標等信息，便于車輛集中調度，充分利用車輛，提高車輛的利用率。

2) 及時了解列車故障狀態。遠程監測車輛的故障狀態，隨時掌握每臺列車的狀態是否完好，實時采集車載PIS系統故障信息，包括故障發生的車號、車廂、故障設備、故障模塊、IP地址、發生時間、故障等級及故障處置意見等信息，精準定位故障發生位置，節省故障維修時間和維修救援成本。

3) 車載視頻監控遠程監視。遠程點播司機室及客室等多路車載實時視頻信息，實現對司機規范駕駛、車廂應急指揮、火災監控和錄像取證等運行安全監測。采用流媒體分發技術，實現單路視頻無線，地面多路并發訪問應用，節省無線帶寬流量。

4) 及時了解列車網絡狀態。實時監測車載PIS系統的環網式以太網數字化網絡狀態，快速定位網絡故障節點。

5) 協助公安人員完成NVR視頻轉存。通過兩種模式實現視頻文件轉儲。遠程查看視頻文件列表，實現單個視頻文件的在途轉存；列車回段入庫后通過WLAN網絡將NVR(Network Video Recorder)視頻全程數據文件批量下載到地面。

6) 車載日志文件的無線下載。基于FTP服務及端口映射技術，實現遠程下載列車PIS系統中各智能模塊中的日志文件，方便地面運維人員進一步分析設備故障。

2 系統結構與組成

系統主要包括：位于車載端的數據采集傳輸裝置和專用車載天線及配套線纜；位于地面監測中心的車地數據無線通信接入設備和智能手持終端模塊。車地無線傳輸方式采用專用APN物聯網和整備庫WLAN無線局域網進行實時數據、視頻文件及事件記錄文件的傳輸[3]。系統組成架構如圖1所示。

圖1 系統組成架構圖

2.1 數據采集傳輸裝置組成

本裝置采用標準3U機箱結構，與車載PIS網絡及車載組合天線相互連接。采用ARM的嵌入式模塊化開發技術，各模塊間采用統一背板總線連接，基于以太網方式傳輸，由供電模塊、組網接口模塊、主控模塊、無線傳輸模塊、I/O轉換模塊、合路器模塊及背板等模塊組成。裝置組成如圖2所示。

圖2 裝置組成圖

其中，主控模塊是整個裝置的核心模塊，用于接收車載PIS數據，同時存儲故障發生時的關鍵特征數據，包括車輛語音報站、車輛開關門、車輛速度、車輛定位、信號強度及車載PIS系統設備運行狀態信息。主控模塊每隔1秒從PIS網絡實時采集關鍵特征數據并保存到行車記錄儀文件中，同時每隔3秒向地面監控中心實時發送設備運行狀態數據；當列車發生故障，啟動車載故障分析處理模塊，將定位后的故障信息實時發送至地面監控中心，同時存儲故障發生時的前后各100條與故障相關的變量數據信息，供地面數據點播應用。

組網接口模塊采用百兆帶寬的背部總線和內部交換矩陣，具有12路M12輸出端口與背部總線掛接，每路端口都具有POE供電功能，通過內部交換矩陣控制數據包的過濾和轉發。

供電模塊輸入端為直流110 V，用于為主控模塊及組網接口模塊提供直流48 V和直流12 V電源供電輸出。

無線傳輸模塊集成了物聯網APN、WLAN及GPS通信模組。APN物聯網通信模塊集成專用物聯網SIM卡(13位)，綁定APN專網IP地址，用于在途車輛運行工況與車輛監測中心的通信；WLAN無線局域網主要應用車輛入庫后與車輛監測中心通信，具有Wi-Fi信號自動識別和連接功能，通過收發庫內廣播報文方式實現與局域網內服務器的多對一連接，用于下載車載多個視頻及事件記錄文件，以及為車載PIS系統上傳預制節目；GPS模塊主要實現列車的經緯度定位功能。

合路器模塊用于將車載專用組合天線輸入的多頻段3G/4G、WLAN及GPS信號分離傳輸。

I/O轉換模塊與列車網絡連接，作為預留模塊，負責后期與列車TMS網絡接口通信，具有網關轉換功能。

2.2 地面數據監測中心建設

車輛監測中心由數據庫服務器、流媒體服務器、應用服務器、交換機、監控拼接屏及多臺操作終端組成，用于車載PIS數據的接收、解析、入庫、流媒體轉發及Web服務應用展示。主要包括數據接收及解析模塊、流媒體分發模塊、Web數據應用模塊及手持終端模塊[4]。

數據接收及解析模塊用于多臺車輛與監測中心之間建立通信連接、協議解析及數據實時入庫。

流媒體分發模塊用于接收車載RTSP(Real Time Streaming Protocol)視頻源，通過轉發、處理、編碼、封包、推流、傳輸、轉碼、分發、解碼等過程，最終以RTP/RTSP私有流式協議將視頻流傳輸到客戶及智能終端實時播放，實現單路視頻源采集，多路高并發訪問的流媒體直播服務，節省流量[5]。

Web數據應用模塊用于為操作終端或智手持終端端提供車隊管理、實時視頻、實時故障、網絡狀態、視頻轉存及日志轉存等應用服務。

手持終端模塊為Android三防手機，安裝專用的物聯網SIM卡，其上部署定制開發的APP應用程序，實時查看列車的運行狀態、實時故障和流媒體視頻信息。

2.3 車地無線傳輸網絡建設

車地無線傳輸建設主要包括專用APN網絡和整備庫WLAN網絡。

(1) 專用APN網絡，用于在途運行車輛數據的傳輸，基于MSTP專線+GRE隧道方式實現。建立該種通信方式，需向運營商申請專用接入點名稱APN；租用到運營商的專線；SIM卡配置域名及IP，加入APN。車載設備和前置服務器之間的數據通信不通過Internet網絡[6]。

(2) 地面WLAN網絡，用于車輛回段入庫時的文件自動下載。通過在庫內合理布置無線熱點，當列車進入整備庫時，自動連接庫內Wi-Fi熱點，實現對入庫車輛車載記錄文件及視頻文件的轉儲[7]。

3 技術路線及設計方法

3.1 車載終端業務實現技術路線

車載數據采集傳輸裝置以模塊化設計為基礎，采用單進程、多線程資源管理方式，滿足降低程序復雜度、可復用、易于維護、易于擴展、利于團隊開發的要求。同時，通過分層的結構劃分，各層次各模塊之間界限清晰、接口明確、相互獨立，確保程序整體運行高穩定性。車載終端技術架構圖如圖3所示。

圖3 車載終端技術架構圖

車載終端數據流業務較為復雜，需要與車載PIS及TMS網絡保持實時雙向通信。每個設備的通信協議與協商邏輯各不相同，并且從不同設備獲取到的數據的規格、協議以及用途也無法統一，1對N、N對1的數據使用場景交錯出現，同時不同硬件板卡的特殊用途也提升了程序的復雜度。因此必須從復雜的業務現狀中抽象出一個清晰、可靠的框架用于約束數據流的業務邏輯，否則程序的可靠性、可維護性無從談起。設計原則如下：

1) 確保各業務模塊的獨立性。主控(cpu_freq)、IP動態分配(net_mngr)、端口代理(camera_client)及無線路由(ap_init)等模塊作為獨立的業務單元以獨立模塊存在，業務上互不影響。不同業務單元獨立實現各自的協議要求，對外屏蔽數據來源、硬件板卡規格及數據協議等差異。

2) 關注于各種數據報文僅當前最新一幀的時效性,即獲取到新報文后，同類型的舊報文將失去意義。引入數據緩沖區機制，通過數據緩沖區隔離數據流的輸入端業務與輸出端業務。輸入端業務統一接收端口，通過唯一的數據流接收過濾模塊將接收到的所有數據分類存入數據緩沖區。輸出端業務只需按照各自業務要求隨時從數據緩沖區中獲取所需任意一類數據，并進行任意處理。通過數據緩沖區機制將車載設備復雜的數據流業務梳理清晰，有效降低了程序的業務流和數據流的耦合，保證了程序的可靠性、可維護性。

3) 整合通用函數為基礎功能模塊，為其他模塊提供統一接口服務，提高程序的穩定性和可復用性。基礎功能模板包括線程池(ThreadPool)、日志記錄(LOG)、消息鏈表隊列(MessageList)、合法性驗證(VOS)及指示燈(LIGHT)等通用模塊。

3.2 車地無線通信機制設計

創建四個線程，用于接收實時數據、車載端心跳、故障點播指令及文件遠程傳輸四類報文。

定義DealwithRealtimeData()線程回調函數，用于接收實時報文，通過CRC校驗，合法后將報文通過DataBuf_InsertByType()方法存入數據緩存區，供數據解析層獲取。

定義DealwithHeartBeat()線程回調函數，用于處理收到的心跳報文(無需CRC校驗以及加解密)。收到心跳報文后，若此時存在待發送至該車載端的指令報文，則通過當前的心跳報文套接字將指令報文發送至車載端，反之，則發送默認應答報文。

定義UdpServer4Web()線程回調函數，處理Web端發送的指令報文。收到指令報文后將報文存放入對應車載端的待發送數據緩存區，供心跳應答流程獲取。

定義TcpReceive()線程回調函數，處理車載端發起的文件傳輸請求。TCP鏈路建立后，等待車載端發送請求報文，請求報文合法，發送確認報文，開始接收數據流，接受完畢后檢查實際接受的數據是否正確。不正確則認為傳輸失敗，傳輸流程終止；正確則將接收到的數據流存入數據緩存區，供數據應用層獲取。

3.3 數據接收及入庫模塊設計方法

數據接收及入庫模塊基于Linux的C編碼實現，其流程主要包括初始化連接、創建接收流線程、創建緩沖區、策略處理、FTP下載、報文解析、數據入庫及故障點播等模塊算法，如圖4所示。

圖4 數據解析服務流程圖

初始化連接模塊主要負責Socket通信和線程池的建立，通過APN專網實現車載端與地面服務器之間的UDP連接。

當有多臺列車同時在線運行時，系統會從線程池建立多個接收數據流線程和相應的緩沖區，負責接收列車的實時數據流報文及記錄文件數據，并將數據傳入數據緩沖區。當列車不在線時，自動釋放掉占用的線程和緩沖區資源。

策略處理模塊根據報文頭屬性決定通信層的發送方式以及報文重發周期。若為點播指令，則啟用FTP下載記錄文件模塊；若為實時報文數據流，則啟用報文解析模塊。FTP下載模塊封裝了車載端與地面服務器之間通過FTP協議傳輸的行車記錄和點播數據文件的業務邏輯。報文解析模塊封裝了設備運行狀態及實時故障自定義報文協議流，實現對車載報文數據拆包解析的過程。數據入庫模塊調用數據庫存儲過程，實現對解析后的數據報文及FTP下載記錄入庫操作。數據點播指令模塊封裝了點播指令監聽及點播報文封裝服務。

3.4 地面遠程監測系統技術架構

為了后期新功能的擴展和方便部署考慮，本系統利用Java EE技術，采用JFinal+EasyUI+Pushlet+MySql技術框架，基于面向服務(SOA)的B/S架構設計開發。在服務器上統一部署應用服務，技術檢修人員通過瀏覽器輸入服務地址，直接訪問及應用，無需在各個操作終端安裝客戶端軟件。同時，系統采用WebService集成接口技術向其他應用系統提供數據接口服務。

4 裝車驗證情況

本系統已在國內某地既有快軌線路小批量裝車應用，整條線路基于4 Mbit/s帶寬的APN專網實現車地無線傳輸，點播視頻清晰流暢、GPS定位準確。驗證結果如下：

1)司機室采用2Mbit/s碼流(分辨率1080P)視頻傳輸，地面系統能夠分辨出司機操作動作及儀表盤上的指針數據。

2) 車輛前方攝像頭采用1 Mbit/s碼流(分辨率720 P)視頻傳輸，能夠識別前方路況、路標及前方障礙物。

3) 客室攝像頭采用1 Mbit/s碼流(分辨率720 P)視頻傳輸，能夠看清客室內的人群客流量及擁擠情況。

4) 緊急報警攝像頭采用2 Mbit/s碼流(分辨率1 080 P)視頻傳輸，能夠分清當前報警人臉及現場細節情況。

5) 流量估算。假設每輛車視頻點播時長為40小時/月，若按2 Mbit/s碼流，經使用驗證平均產生流量為350 MBit/小時，即每月/車總流量不超過14 GBit。

6) 若采用4～8 Mbit/s帶寬APN專網，至少同時可傳送4至8路高清視頻及實時信息。

URM系統通過近兩年的裝車運用考核，實現了對城軌車輛遠程運行狀態監測及車廂視頻實時監視，極大地提高了運維檢修效率。采用APN專網無線通信技術，有效地保證了數據傳輸的安全性，相對于沿線建立LTE及WLAN專網專線，節約了用戶的初期建設投資和運行維護費用。系統應用界面如圖5所示。

圖5 系統應用界面

5 結 語

本文基于APN網絡的城軌車輛遠程監測信息系統實現了城軌車輛的前瞻性運用維護服務，降低了設備全壽命周期維護成本，提高了運輸設備利用效率，改善了運輸管理[8]。系統的實施能夠為保障城軌車輛的正常和安全運營、車輛設備安全監控、設備故障排查和檢修等提供重要的數據支撐。將領域知識與大數據技術的結合，實現規范駕駛、應急指揮、智能診斷和錄像取證等城軌車輛的運行安全，為建立一整套先進的城軌車輛管理、監測、應急和維修體系提供支持。