軌道交通綜合監控系統智能化研究

王寧

(煙臺汽車工程職業學院 信息與控制工程系, 山東 煙臺 265500)

0 引言

隨著城市居民車輛持有量的不斷上升，交通擁堵及安全等方面問題日益突出，促使各城市提高了對軌道交通控制的重視程度，軌道交通智能綜合控制系統不斷發展起來，該系統按功能劃分主要包括智能控制和綜合監控兩部分，通過使用該系統可有效避免交通擁堵，且具備節能環保、承載量大等優勢，成為廣大市民出行的常用選擇，這就要求智能綜合監控系統具備較高的安全性和穩定性，能夠實現智能高效的監控過程，并確保系統內各個監控分支間的有效合作，在各自控制范圍內實現高品質、高安全、高效率的運輸過程。城市軌道交通的快速發展為監控和管理過程提出了更高的要求，傳統監控系統普遍存在缺少車站決策層的問題，本文根據城市軌道交通智能綜合監控系統的特征及需求，對實現系統功能的關鍵技術進行了研究。

1 現狀分析

交通運輸事業的開展需綜合考慮各類交通運輸方式特征，采用現代科學技術及網絡技術確保軌道交通的可持續發展，這就為發展智能運輸行業提出了更高的要求，需根據目前城市軌道交通建設情況及市場動態走向采取相應技術和方法設計并實現城市軌道交通綜合監控系統，使包括資源短缺等在內的問題得以有效解決。現有軌道交通綜合監控系統普遍存在設計思想不統一、各軌道交通的信息無法有效共享、監控系統運營需求不明確等問題，一旦發生突發事故，協調性較差的不同軌道間難以及時作出相應，需要完成重復性較高的工作，耗時耗力，傳統軌道交通運營管理模式及方法已無法滿足高效安全的運輸需求，城市軌道交通綜合監控系統有待進一步完善。隨著軌道交通自動化程度的不斷提高，需為這些自動化系統搭建一個統一監控的平臺，以便有效提高運營管理效率[1]。計算機網絡控制技術(包括通信技術和人工智能技術等)為發展軌道交通綜合監控系統提供了技術支撐，本文在歸納和總結了綜合監控系統多年來的設計理念及發展趨勢的基礎上提出了一個設計方案，具體基于關聯性模型完成系統的構建，為使監控系統數據的可靠性得到有效提高，設計并實現了主動檢驗綜合監測數據功能(包括識別與監控非正常數據的使用情況)。

2 軌道交通智能綜合監控系統設計

為滿足快速發展的城市軌道交通運輸系統的功能需求，相關軌道交通監控子系統不斷被設計并投入使用，軌道交通綜合監控系統通常主要按照監控對象、控制功能、應用范圍劃分為若干個相互獨立建設的子系統，主要由智能控制(屬于一種網絡監管平臺)和綜合監控兩部分構成，智能控制負責在共同的監管平臺中納入各個監控支網系統，實現對各監控點數據的集合、共享及互動功能，該監管模式通過智能化的監控過程減少甚至無需人工監控；綜合監控系統，主要由若干各自擁有自身獨特功能特點的子監控系統構成，完成對固定范圍軌道交通的控制。

2.1 智能綜合監控系統概述

(1) 智能綜合監控系統的功能特點，作為綜合化的智能型監控系統，它是一個由較多小支節組成的系統網絡，主要借助共有平臺負責實現網絡間的信息共享及通信過程(通過各種細化分工)，并可在此基礎上采用大數據技術實現信息的融合及深入挖掘，進而獲取更有使用價值的數據信息。(2) 智能綜合監控系統結構，由眾多支網絡組成的智能綜合監控系統分工明確，負責收集包括語音、文字和圖像等在內的數據信息，不同支網對應不同的崗位任務及考核標準，以確保網絡分工的井然有序。通過系統中的共用分享平臺實現各種信息的共享功能，有固定行駛路線的軌道交通的行程大多是規劃好的，包含很多有潛在價值的信息，可使用一個專門負責信息挖掘的支網處理收集到的各種信息。(3) 智能綜合監控系統的聯動效果，該系統有一個共通的信息共享平臺，實現信息在各支網及系統的共享，使聯通的各支網構成，整個系統同各支網間呈現共通的關系，有效聯動的子系統間通過數據共享平臺傳遞監控信息，從而確保智能綜合監控系統的正常運行[1]。

2.2 系統總體架構設計

本文設計的綜合監控系統的總體架構，如圖1所示。

圖1 監控系統總體功能架構

作為城市軌道交通運輸系統的主要功能框架，通過構建的監控系統框架對系統所具備的功能進行最大限度的描述，并提供相對應的服務(采用不同軟硬件間的組合完成不同的服務)，系統功能的聯通實現重要信息在系統以及其它部分間的流通和共享，功能間相互交融的監控系統框架為實現監控服務功能提供基礎。系統架構主要由八大監控模塊構成，通信監控模塊主要負責對閉路電視、無線電、公共信息顯示、電話和時鐘進行監控，環境與設備監控模塊主要負責對車站、隧道中的相關設備進行監控(包括空調、通風、給排水、照明與導向設備)，列車自動監控模塊負責監控路線定位、列調整情況，安檢監控模塊主要負責檢查乘客隨身攜帶物品，電力監控模塊主要負責監控照明系統、牽引力系統、高壓供給系統，售票監控模塊主要負責監控買票秩序、逃票行為等，報警監控模塊主要負責監控公共區域、滅火系統(如防火栓等)、排煙風機，危險物質監控模塊主要負責監控空氣質量、超標的有害物質等[2]。為有效實現軌道交通的綜合監控功能，根據系統總體功能架構通過關聯性模型的使用完成系統軟硬件的設計。

3 綜合監控系統的實現

設計硬件結構中的車站決策層時以車站內網信息為依據，采用的傳感器芯片為TSED-01型號，監控節點通過無線通信方式接收數據信息，再將精準的數據提供給綜合監控系統，系統根據不同路況對車站設備進行協調以確保高效穩定的運行，同時控制現場情況。對車站決策層軟件功能進行設計時，主要在對兩個傳感器測量值相關系數完成計算的基礎上，結合軌道交通實際運行情況完成具體關聯極差值的設定，從而實現城市軌道交通智能綜合監控功能，有效的提高了軌道交通綜合監控的精準度[3]。

3.1 系統硬件

在實現城市軌道交通智能綜合監控系統功能過程中進行關聯性分析，從數據流和控制流角度出發對系統硬件部分進行設計，為保證該智能綜合監控系統能夠同現有監控系統有效對接，應盡量遵循現行監控系統的執行規范，系統硬件部分結構，如圖2所示。

圖2 硬件結構設計

(1) 綜合決策層，該層的主要負責為交通運行制定科學合理的運行計劃，并在對整條軌道路線上的所有系統進行監控的基礎上實現數據和信息同外部系統間的交互，具體通過網絡通信共享平臺提供的數據傳輸技術完成，通信平臺負責傳輸各個應用系統的信息，并對異構數據源(由系統不同模塊產生)進行管理實現不同模塊數據的互相連接，最終將現場和車站的相關數據信息匯集到數據共享平臺(通過通信平臺)，以供綜合決策使用。(2) 車站決策層，為保證各模塊間的相對獨立性，具體以車站內網信息為依據完成車站決策層的設計，主要負責對該車站內的各個子系統進行監控，并據此對子系統聯動功能進行協調，可根據實際情況擴展系統功能，有效提高了系統的可擴展性。為實現節點統一匯聚處理，系統內的監控節點采用關聯性模型完成設計，將多個TSED-01傳感器同智能綜合監控系統借助無線通信技術進行連接，監控信息通過傳感器采集后向節點處傳送，車站決策傳感器結構示意圖，如圖3所示。

圖3 車站決策傳感器內部結構

由電源、開關控制、信息采集、無線傳感及決策執行幾個主要模塊構成，各模塊通過收發接口進行實時通信，對傳感器所獲取的信息通過低功耗網絡通信技術的使用完成信息智能傳輸過程，包含多種信息種類可有效滿足不同信息的傳輸需求。數據信息的協調處理過程使用物聯網服務器完成，進而提高了信息的傳輸效率[4]。此外還能夠通過提取全部信息有效控制車站各子系統的決策過程，將更加精準的數據提供給系統。(3) 現場控制層，主要劃分為面向服務(包括運輸綜合服務、自動售票服務等)、面向運營(包括列車控制、電力調度系統等)、面向安全(包括環境控制系統、防火災報警)三大種類，該層主要負責采集現場信息，具備故障自診斷能力的現場設備管理及維護顯著提高了故障報修效率。針對該軌道交通只能綜合監控系統的8個功能模塊通過關聯性模型的使用實現全面有效的管理過程，以充分發揮各個設備功能。以實際不同運行工況為依據對車站運行設備進行協調，保證軌道交通正常運行[5]。

3.2 系統軟件設計

設計基于關聯性模型的監控系統軟件時需完成對軌道交通的有效監控功能(包括運行列車、相關設備、售檢票、電力、環境)，本文以車站決策層的軟件功能設計為例進行闡述，車站決策層的軟件功能示意圖，如圖4所示。

圖4 軟件功能

車站決策層所必須的數據包括綜合各個業務的動態數據及業務靜態數據(交通運輸調度、車輛運行線路等)，通過監控數據共享實現數據的統一傳輸與共享(包含不同通信制式、數據格式)[6]。

針對城市軌道交通為統一不同通信制式和數據格式，采用關聯性模型實現綜合監控功能，考慮到各軌道交通間存在不同程度的聯系，但缺少嚴謹的數量關系，為此本文對兩個變量間的密切程度采用相關系數表示，再通過對各指標進行統計分析完成對不同路況間的相關關系、交通方向及密切程度的確定。交通運行情況同車站決策層測出的路況存在直接關系，軌道交通運行區域通常具有較低的路況故障事故發生率，監控系統在軌道交通運行過程中的兩個傳感器測量值存在一定的相關系數，假設，相關系數由p表示，兩組傳感器的測量數據由A、B表示，變量A、B的數學期望分別由E(A)和E(B)表示，兩個變量的相關系數的計算表達式[7]如下。

低度相關對應0.2≤p<0.4，中度相關對應0.4≤p<0.7，高度相關對應0.7≤p<1。在對軌道交通實際運行情況進行充分考慮的基礎上，平移本站監控點的測量值設置其同下一站監控點間的相關系數為大于0.4，作為兩傳感器間的關聯性模型，在此基礎上對極差值進行設定即10分鐘內傳感器監測數據的最大值同最小值的差值，靠近主要路況的傳感器極差值超過遠離主要路況傳感器極差值，對軌道交通工作面和路況面的極差值進行計算(以關聯性模型的研究數據為依據)，為監控系統提供數據支撐[8]。

3.3 實驗測試與結果分析

通過對比實驗驗證本文設計的合理性，如圖5所示。

圖5 原始影像

圖5為某日軌道交通設備獲取的監控影像(1024×1024)，對原始影像分別采用傳統監控系統(直接對影像文件進行采集)同本文系統(以某個影像特征為依據采集對影像文件)進行測試，原始影像監控結果，如圖6所示。

相比傳統系統獲取的監控影像，本文系統獲取的監控影像中軌道的清晰度明顯提升，同原始影像基本吻合。在此基礎上對比分析系統的監測精準度，如圖7所示。

圖7 兩種系統監測精準度對比分析

證明本文基于關聯性模型的軌道交通智能綜合監控系統顯著提高了監控精準度[9]。

4 總結

本文主要針對城市軌道交通管理完成了一種基于關聯性模型的智能綜合監控系統的設計，有機連接器位于城市軌道交通網絡中的各子系統，通過對車站決策層進行設計實現對傳感器失效及現行交通使用不規范情況的有效監控，整個軌道交通基于網絡共享平臺通過關聯性模型的使用實現了對完整有效的運行數據的管理和使用，確保及時解決路障問題，有效降低故障帶來的損失。并通過對比實驗驗證了該系統的有效性，監控精準度(最高可達90%)顯著高于傳統監控系統高，進一步提高服務質量和效率。本文建立的綜合監控系統由于受到實驗條件的限制導致難以科學準確的評估監測效果，因此在實際應用中獲取的數據范圍較廣，需對模型的適用性及不同測試點間的關聯性進行充分分析，并針對監測效果進行精準分析，不斷豐富完善系統實用性能。