無軌膠輪車安全行車監測系統設計

劉超華，張 舉，李碾峰，衛中寬，王 磊，張 磊

（1.中煤平朔發展集團有限公司，山西朔州 036002；2.中煤天津設計工程有限公司，天津 300120）

0 引言

在數字礦山的建設中，針對無軌膠輪車的遠程監測與故障診斷是其中的關鍵一環。傳統無軌膠輪運輸車輛管理模式已經無法全面滿足煤礦的安全需求，嚴重影響煤礦輔助運輸系統的安全運行[1]。此外，目前煤礦正在逐步進行4G/5G 網絡[2]、輔助運輸管理系統[3]等方面的建設，但目前各系統之間相互獨立，數據不開放、接口不兼容，容易形成數據孤島[4]，不能實現系統之間的聯動，無法進行大數據和多種數據立體分析。本文結合無軌膠輪車安全運行的實際需求，提出無軌膠輪車安全運行監測與故障診斷平臺技術，以提高無軌膠輪車運行的安全性與可靠性，助力礦山數字化建設。

1 系統總體設計

提高數據采集的有效性是實現無軌膠輪車安全行車監測的關鍵。為有效采集目標膠輪車的油壓、水壓、油溫、水溫、轉速、里程等數據，本文對膠輪車的數據采集設備進行了改造升級。改造后的油壓采集設備能夠穩定、有效地采集油壓數據，并通過CAN 總線輸出，能夠有效幫助安全行車檢測系統判斷駐車制動系統是否存在故障。此外，本文設計了T-BOX 數據采集設備，它可以通過CAN 總線采集所有傳感器送出的信號，使得數據監測更加便捷（圖1）。

圖1 T-BOX 采集的油壓數據

本文基于無軌膠輪車相關數據的有效采集，設計了安全行車監測平臺，其基礎功能如下：

（1）實時監測：本系統重點監測車輛編號、類型、型號、位置、速度、行駛狀態、油壓、氣壓等。系統還可對井下車輛進行實時分析處理，確保車輛處于安全運行狀態。

（2）車輛數據采集：由于無軌膠輪車主要在井下工作，不可控因素較多，容易導致安全問題。在井下作業時，T-BOX 通過接口接入網絡，采集膠輪車的行駛狀態數據，包括油壓、水壓、油溫、水溫、轉速、里程等。

（3）數據保存：采集信息后，T-BOX 以最大間隔時間不超過1 s，并將實時數據保存到內部存儲介質和監測平臺中。

（4）可視化顯示：采集到的數據信息經過處理匯總，集中顯示在監控平臺的顯示屏上。

故障診斷系統基于大數據挖掘技術可以使實現實時數據查詢、歷史數據查詢、車輛狀態管理與預警信息管理等功能，滿足對井下膠輪車的運行狀態的在線實時監測與歷史查詢，工作人員可以通過中央管理設備獲取預警信息及相關報表，以便了解井下情況，合理安排膠輪車的運作強度、保養及檢修。

故障預診斷功能主要包括：①車輛運行狀態管理功能：根據歷史數據及實時運行狀態，通過神經網絡計算出未來短期內的車輛健康狀態，判斷其是否存在故障；若有，則發送指令，對其進行維護、檢修；②車輛故障診斷與維護保養及時提醒功能：對車輛進行計劃性保養，可設置在到期前1 天或1 周進行提醒，系統會在軟件頁面發出通知，提醒車輛需要進行例行保養。

2 車聯網平臺設計

2.1 平臺模塊劃分

車聯網平臺主要分為數據采集解析服務、數據轉發上報服務、數據分析服務、數據存儲服務、平臺Web服務等模塊，其具體工作流程如圖2 所示。

圖2 平臺模塊劃分示意

2.1.1 數據采集解析服務

數據采集解析服務中集成了車輛數據采集和數據解析功能，將接收到的車輛原始數據報文按照規定的協議格式實時解析成用戶需要的車輛數據項，如車速、里程、SOC 等。數據采集解析服務工作流程如圖3 所示，在接收車輛數據上報后，系統對其進行實時解碼。根據數據解析結果，匹配系統電子圍欄、平臺報警、重點關注等預設規則，并將結果推送至平臺。如果推送網絡發生阻塞，系統將數據寫入數據庫，推送數據主動丟包，以保證所推送數據是最新的實時數據。

圖3 數據采集解析流程

數據采集解析服務支持接入百萬級的車輛數，實時采集數據，延時低至1 s 內，車輛狀態與平臺數據展示同步性高；實時解析，解碼速度低至0.1 s 內；支持多種通信協議。

2.1.2 數據轉發上報服務

數據轉發上報服務負責將車輛上報的數據轉發上報給用戶指定的第三方平臺、地方平臺或國家平臺。系統首先將車輛數據上報給數據轉發上報服務，車輛數據上報服務后再接主平臺（回復車輛報文）和轉發上報平臺，最后數據轉發上報服務將車輛數據轉發給客戶指定平臺。如果轉發上報網絡發生阻塞，系統將接收到的數據存儲到隊列中，待網絡恢復后補發。

該數據轉發上報服務可以支持百萬級車輛數據轉發，并且實時轉發，延時低至0.1 s 內。此外，該服務支持模擬終端→平臺、平臺→平臺兩種轉發形式，能夠確保轉發上報數據的完整性，即使出現網絡阻塞情況，在網絡恢復后也能補發數據。

2.1.3 數據分析服務

數據分析服務包括數據統計和數據分析兩部分，數據統計信息包括車輛在線率、行停統計、車輛報警數等，數據分析包括車輛充電分析、能耗、速度分析、定位點分析等。數據分析服務在用戶發起請求，根據用戶定制分析條件，利用數據分析引擎在后臺進行數據分析。分析完成后，將數據分析結果返回給用戶，以圖表等形式展現統計分析結果。

數據分析服務具有高度可定制化、自定義數據分析內容、快速返回分析結果、同時對熱數據和冷數據分析、可對PB 級海量數據做索引數據分析等優點（圖4）。

圖4 數據分析流程

圖5 數據存儲服務工作流程

2.1.4 數據存儲服務

數據存儲服務是系統的數據存儲模塊。根據目前的車輛數據情況，每臺車每年所產生的數據有300 MB～1 GB（根據車輛上報數據頻率和內容不同，每年產生的數據量也不同），1000 臺車每年就會產生300 GB～1 TB的數據。針對如此大的數據，穩定且安全的數據存儲服務是非常必要的。數據接收解析服務從車輛上報接收車輛數據包后，將其交給數據存儲服務。數據存儲服務將車輛實時信息寫入快照數據存儲，將數據建立索引寫入熱數據存儲，并將原始報文建立索引寫入冷數據存儲。當用戶請求數據時，利用索引信息找到相應的數據信息并發送給用戶。

2.1.5 Web 服務

Web 服務向用戶提供Web 頁面形式的車聯網平臺管理服務。整個平臺采用MVC（Model-View-Controller）結構，數據訪問層采用對象—關系映射（ORM）在數據訪問層（Active Record）和數據庫（Database）之間建立映射。邏輯應用層主要通過控制器（Controller）來實現。表現層分為兩部分：網頁呈現部分（Action View）和Web 服務部分（Action WebService）。

2.2 系統安全設計

本系統是一個特殊的Web 應用系統，在設計、實施過程中需要按照Web 應用系統的一般性要求，并充分考慮安全性設計。本系統是面向車輛的監控監管系統，其中部分功能，例如報警和遠程控車，涉及到車輛安全，具有高度的敏感性。在系統使用過程中，一旦出現系統故障，將造成車輛駕駛安全問題，導致車輛數據丟失等事故，后果不堪設想。因此，本文特別進行了針對系統和數據安全性問題的設計，保證關鍵權限、防止誤操作，出現誤操作時平臺會自動屏蔽相關指令，如車輛高速行駛禁止執行操作開車門指令，并對關鍵數據進行定時、多機、異地備份。

3 平臺應用與驗證

平臺提供監控、分析、管理、系統等功能模塊。動態監控可用于實時監控車輛數據，如車輛狀態、行駛速度、地理位置等信息。車輛的詳細信息可通過信息卡實時獲取（圖6）。

圖6 車輛信息卡

利用動態監控能可以實時車輛跟蹤，在地圖中跟蹤顯示該車輛的行駛軌跡，并在跟蹤列表中顯示出該車上報的實時數據，查詢車輛指定時間段內的歷史數據明細（圖7）。此外，報警監控會列出車輛報警的詳細信息，默認顯示車輛名稱、報警開始時間、報警結束時間、報警類型、報警等級、最高報警等級、行駛速度、報警位置、消息流水號、處理狀態、處理時間等信息，并提供車輛報警管理功能。

圖7 車輛跟蹤信息

在管理功能模塊中，可以從終端輸入其生產廠商、終端型號、軟硬件版本等信息。在管理車輛時可以添加或選擇車輛分組，并支持導入、導出功能，使操作更加方便、快捷。

4 結束語

本文開發的車輛運行安全監測系統，能夠實現對無軌膠輪車的安全監測與故障預警，并支持移動端、云端和車端聯動。在數字礦山的建設中，無軌膠輪車的遠程監測與故障診斷技術至關重要，本文結合無軌膠輪車安全運行的實際需求，對于提高無軌膠輪車運行的安全性與可靠性、助力礦山數字化有著重要意義。