智慧運維系統下的城軌列車運行狀態可視化回放功能研究

歷寧 劉安 王志云 劉斌 岳三川 邊林

摘要 城軌列車運行過程中，由于現有可視化回放功能在列車運行狀態異常的確認過程中與實際不符，文章提出了智慧運維系統下的城軌列車運行狀態可視化回放功能研究。在智慧運維系統中，利用大數據采集列車運行數據，以圖形方式呈現列車的運行狀態，匹配特征點；通過虛擬現實結合方式在仿真模型中注冊圖像視覺，結合列車運行數據，對目標軌跡按照需求進行增補，控制拖放延時。根據實際需求動態配置固定點的數量，運用分段索引查找對應的分段控制屬性；使用三維數據可視化技術在不同時間段顯示列車運行狀態，標記關鍵幀的數據點信息；選擇最優觀察角度，使用插補法對軌跡進行補充，對缺少的數據進行查缺補漏，回放歷史運行數據從而完成功能應用。實驗結果表明，在異常真實性確認過程中，不同維度下15：20之前的數據波動比較劇烈，15：20之后未見異常，符合實際異常區間，達到較好的回放功能效果。

關鍵詞 智慧運維系統；城軌列車；運行狀態；圖像視覺；可視化；回放功能

中圖分類號 TP391.9 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）02-0001-03

0 引言

隨著我國經濟社會的快速發展和城市化進程的不斷推進，城市交通壓力進一步顯現，如何保障城市軌道交通的安全運行成為熱點話題。運用智能化科技手段對城軌列車運行狀態進行監控，提高運營效率，能夠及時為運維工作提供新的解決方案。通過城軌列車運行狀態可視化回放功能，運用物聯網等功能化技術與維修決策統一應用，能夠合理控制進度并進一步對監控進行優化。通過城軌列車運行狀態可視化回放功能，能夠使得運維工作更加智能化。由于智能化設施落實不到位，在監控過程中引入智能系統需要投入大量的資金與人力，加之技術難度較大，對于技術水平低的城市來說具有一定壓力，系統中存儲的城軌列車數據安全性得不到保障，對運行數據安全也構成影響。該文通過實際需求，結合城軌列車具體情況進行精準控制分析[1]，以智慧運維系統下的城軌列車運行狀態可視化回放功能為研究對象，結合實際情況進行設計研究。

1 城軌列車運行狀態可視化回放

1.1 智慧運維系統下的圖像視覺注冊

智慧運維系統利用大數據采集列車運行數據，并以圖形方式呈現列車的運行狀態，獲得運行過程中的相關數據，幫助運維人員更好地了解列車運行狀況，及時發現故障信息[2]。運用網絡監控軟件OpManager實時監測端到端的增強現實特征識別，在圖像特征監測過程中，需要匹配特征點將真實環境映射到虛擬環境中，得到具體的坐標系如圖1所示。

將世界坐標與相機坐標進行轉換，其轉換公式為：

X=R+Y （1）

式中，R——旋轉矩陣；X——世界坐標系；Y——平移向量。通過坐標系確定模型中對象的具體位置，通過對給定圖像進行分析得到實際目標的相對位置和方向[3]。利用參照物陰影的變化，結合光源的方向，運用SIF算法進行不同尺度的降采樣以形成n組圖像。在相同組的圖像中進行差分運算，形成高斯差分金字塔，再根據像素與關鍵點之間的距離對關鍵點分配像素權值。采取關鍵點不同方向的向量值，以算法的識別特征值為變量來計算權重，得到當權重為0.6時，算法匹配特征點數最多。通過虛擬現實結合的方式，能夠將圖像視覺在仿真模型中注冊，運維工作可以在輔助信息的支持下完成。

1.2 列車運行軌跡分段預繪顯示控制

根據可視化回放功能能夠對列車的運行軌跡等進行回放研究，結合列車運行數據，使工作人員能夠及時對故障報警區域進行診斷，有效改善了日常運維中的綜合效率，為城軌列車安全化運行提供有力的數據支撐。智慧運維系統在收到列車定位數據后，按照具體要求讀取定位數據[4]。利用全局變量記錄當前運行狀態時間索引值，利用臨時變量記錄回放過程中的時間索引值，通過時間的先后順序更新控制目標位置及狀態，再對該目標進行運行軌跡點的布置。如果回放是向后拖動，則需要將該目標之前的軌跡點全部刪除，將播放進度條從T1拖放至T2時，目標軌跡按照需求進行增補。運維系統處理中要計算軌跡平均耗時，在軌跡點壓縮的同時對拖放延時進行控制[5]。控制過程為：將目標的全程軌跡分成N段，選擇其中一段進行軌跡繪制并設置屬性狀態。根據用戶拖動規則，通過時間標簽來控制不同段軌跡的狀態。當時間滑塊由O點拖向B點時，將所用時間進行約束并控制在一個軌跡分段中，將分段狀態設置與其他軌跡進行增補，使過程可以無縫切換，保證目標軌跡的連續性。處理過程所需時間為T，則不同段的軌跡點數量為k，計算處理時間的公式為：

（2）

式中，n——分段數量，將每一段軌跡點數量設置用戶配置的參數，根據實際需求動態配置固定點的數量[6]。建立軌跡分段時間標簽的索引，通過該索引查找對應的分段控制屬性。

1.3 特征點可視化回放進程控制

在進行運行狀態可視化回放時，使用三維數據可視化技術在不同時間段顯示列車運行狀態。因此，需要進行三維場景建模，使用戶直觀分析該列車的運行狀態情況，驅動模型形成動態的可視化三維圖像，回放運行過程中列車的姿態及不同列車之間的相對位置變化。為了再現列車運行的過程，要對數據根據實際時間點信息進行動態回放，按照指定時間間隔進行指定操作。在回放進程控制過程中，要將待回放的數據從數據庫中提取出來，標記關鍵幀的數據點信息[7]。當用戶開始回放操作時，將數據幀作為發送后的第一數據幀，從而得到相關數據幀的回放時間。判斷用戶操作，更新回放幀的公式表達為：

c=Tk+Δt×g （3）

式中，c——回放數據幀；Δt——時間間隔；g——回放率。通過判斷用戶的操作，計算數據的回放倍率，更新時間后不斷地重復操作，直至所有數據回放完為止。在三維場景回放展示時，通過改變位置和視角來顯示在相同時間內的三維場景變化。當有多趟列車在運行的過程中時，系統需要根據不同的位置關系選擇最優位置，找到最優觀察角度，使得圖像畫面中的列車均存在一定的相對關系。要選擇最優觀測角度，要先獲得列車的主要幾何點平面坐標（a，b，c），在三維建模中設定幾何中心為o1，軸兩端的頂點為p。另一輛列車同理，以o1為原點，將連接o2的直線進行延長后得到視點。利用運動軌跡模型不斷改變視點角度以消除盲區，選取延長線上頂點坐標公式表達為：

（4）

式（4）中，（xa， xb）、（ya， yb）為坐標點。通過調整觀測角度，使其與正北方向存在夾角，其夾角表達式為：

（5）

式中，z——視點延長距離中的點。根據最佳交叉角度，使用插補法對軌跡進行補充，對缺少的數據進行查缺補漏，將列車運行參數提供給運維人員進行狀態分析[8]。運維人員對歷史運行數據進行回放并繪制曲線表示不同參數隨時間的變化情況，再結合列車的實際數據，形成列車運行軌跡完整回放功能。

2 實驗測試與分析

2.1 搭建實驗環境

為了驗證該文方法的有效性，以深圳城軌列車在歷史時間內的運行數據為研究對象，利用列車運行異常狀態的可視化智能運維系統對列車運行中的異常進行檢測。針對異常的反饋操作決策進行分析，已知實際列車運行狀態異常發生在11：20—15：20之間，在明確異常運行情況的前提下，運用該文方法對在11：20—15：20時間段內的異常狀態開展回放檢測，設置列車編號、選擇運行時間并選擇維度，具體運行數據如表1所示。

仿真實驗中，運用的仿真平臺為處理器Inter i7，內存16 GB，操作系統Windows11，開發過程中從后端數據庫導入數據。智慧運維系統實時做數據處理與分析，用戶可以整體觀看具體布局，判斷是否出現故障。在列車上布置不同類型的傳感器并使用數據采集裝置，對運行數據通過網關進行傳輸，再將傳輸的數據存儲到數據庫中。運用智慧運維系統在開發過程中提供系統基本的可視化圖表，采用flexible布局方式適用于UI顯示器中。

2.2 結果與分析

確定在具體時間間隔內輸入數據維度之后，查看進程區域中數據點劃分中的VENN圖，得到運行中在維度上的2D分布圖像，如圖2所示。

由實驗結果可知，在進行異常真實性確認過程中，15：20之前的數據波動比較劇烈，數據處于數據密集點處變化較為明顯。15：20之后在不同維度下未見異常，符合實際異常區間，說明運用該文方法可視化回放功能準確，數據敏感程度高，實時分析出真實場景下的異常數據，能從異常數據點列表中移除，達到較好的回放效果。根據城軌列車定位數據的時間和坐標繪制列車運行軌跡，運用基于列車線路的插補法對軌跡進行補充，對現有數據的校正和對缺失數據的彌補，在繪制軌跡曲線時提供多種繪制速度方便使用。城軌列車參數回放模塊基于列車狀態數據，對歷史運行參數進行回放，即對參數以繪制曲線的方式生動展示出各個參數隨時間變化的情況，且與列車定位數據相關聯，最終形成列車運行軌跡與參數回放功能。城軌列車運行軌跡和參數按數據包查詢模塊實現在對列車運行軌跡和參數變化回放完成后，可以對每一包數據進行查詢，能夠直觀查看某個或某段時間的列車運行情況。

綜上所述，運用該文方法能夠確認時變數據點真實情況，動態展示列車運行軌跡，整理相關狀態參數變化，按照時間順序進行排序后對缺失數據進行補充。在系統中通過拖拽方式能夠隨機查看不同時間段內的參數值，對每一項數據進行查詢并將列車軌跡與參數進行關聯，實現了對列車軌跡和參數變化的回放功能，使運維人員能更加準確地判斷掌握列車的實時運行狀態，切實保障了行車安全。

3 結束語

該文從城軌列車運行狀態入手，通過設計智慧運維系統，探究了智慧運維系統下的城軌列車運行狀態可視化回放功能，使城軌列車的智慧運維系統更加實時化、智能化，解決了列車運行中的一系列相關安全問題。通過對列車運行狀態異常與否的判斷，結合可視化回放功能進行分析，實現了對城軌列車運行過程中的實時監控。回放觀察列車運行軌跡，結合線路特征數據，將城軌列車的狀態數據與線路數據進行關聯，使運維過程變得更加合理化。但是方法中還存在著不足，例如列車定位數據缺失，列車線路如何交匯等問題。在以后的研究工作中，要不斷優化系統設計，完善對列車運行軌跡和狀態的實時監測，進一步提高對智慧運維系統下的城軌列車運行狀態的可視化回放功能研究。

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收稿日期：2023-11-03

作者簡介：歷寧（1981—），女，本科，工程師，研究方向：地鐵車輛技術。

通信作者：劉安（1981—），男，本科，工程師，研究方向：車輛智能運維。