基于Web+MongoDB+VsFTP的城市軌道交通智能巡檢感知告警系統研究

摘" 要：該研究旨在開發一種基于Web+MongoDB+VsFTP的智能巡檢感知告警系統，以提升城市軌道交通運維效率。此系統集成了數據接收、展示、存儲與轉發功能，能夠實時接收并展示城市軌道交通智能巡檢機器人采集的數據，并將其存儲于MongoDB數據庫中。系統具備數據判缺能力，確保數據的完整性和準確性。同時，系統支持數據共享，可將數據轉發給上層其他系統，并允許網內用戶訪問。此外，系統還提供了數據管理和缺陷展示功能，用戶可通過Web界面方便地管理數據，并快速定位病害位置。實踐證明，所設計系統有效促進了城市軌道交通檢測監測技術的發展，顯著提升了運維保障能力。

關鍵詞：城市軌道交通；智能巡檢感知告警系統；智能巡檢機器人

中圖分類號：U231.92 文獻標識碼：A" " 文章編號：2096-4706（2025）01-0120-08

Research on an Intelligent Inspection Perception and Alarm System for Urban Rail Transit Based on Web+MongoDB+VsFTP

Abstract： This study aims to develop an intelligent inspection perception and alarm system based on Web+MongoDB+ VsFTP to enhance the operation and maintenance efficiency of urban rail transit. The system integrates functions for data reception， display， storage， and forwarding. It can receive and display data collected by intelligent inspection robots in urban rail transit in real time and store it in a MongoDB database. The system possesses data validation capability to ensure data integrity and accuracy. At the same time， the system supports data sharing， enabling data to be forwarded to other upper-level systems and accessed by users within the network. Furthermore， the system also provides data management and defect display functions， allowing users to conveniently manage data and quickly locate defect positions through the Web interface. Practice has proven that the designed system effectively promotes the development of inspection and monitoring technologies in urban rail transit and significantly enhances the guarantee capabilities of operation and maintenance.

Keywords： urban rail transit; intelligent inspection perception and alarm system; intelligent inspection robot

0" 引" 言

隨著城市軌道交通檢測監測技術的進步及發展，檢測設備集成度越來越高，各檢測設備集成于巡檢機器人一身，簡化了數據對齊和網絡傳輸，便于實時收集和分析地鐵設施運行數據，達到精確展示缺陷，協助維修部門對缺陷的精確維修目的[1-2]。

由于以問題為向導的維修策略的改變，各類檢測監測裝置的不斷深入運用，如何做到快速感知地鐵基礎設施和車輛信息的變化，將重大安全隱患風險暴露在前期，及時發現問題并進行處理，來提高地鐵安全運營的管理水平，已成為地鐵智能運維管理領域最關鍵的需求[3]。

1" 功能概述

本文研究的基于Web+MongoDB+VsFTP的智能巡檢感知告警系統的主要功能是接收巡檢機器人各檢測設備的數據，檢測裝置包括弓網、靴軌檢測設備、限界檢測設備、隧道檢測設備、軌道狀態檢測設備。數據包括多種檢測設備的設備狀態數據、檢測數據及在線判缺告警數據，按分類制定數據上傳接口，實現檢測設備運行狀態機器人區站位置、告警數據及佐證材料，實現檢測設備的原始數據的接入，統計以及可視化展示[4]。

Web端采用SpringCloud微服務架構，實現各業務模塊解耦，支持功能模塊按需靈活組合，適應多場景需求[5]。采用MongoDB非關系型數據庫實現數據解耦，其靈活的數據結構解決不同專業的數據同表存儲難題，達到同表異構的效果。VsFTP獨立的分布式文件系統，將非結構文件存儲在獨立于操作系統的文件系統，有利于文件系統擴展、更換其他分布式文件管理系統。

2" 系統總體設計

2.1" 系統框架設計

本系統是基于B/S結構的Web+MongoDB+VsFTP實現的軟件框架，結合所采用技術的特性以及各軟件模塊的布局，本區間系統設計分為四大部分，Web前端、Web后端、結構數據庫、非結構化數據文件系統設計，系統框架如圖1所示。

Web前端界面設計：Web使用VUE漸進式前端框架，按子模塊開發，各子模塊按業務需求開發特性頁面，如圖像展示頁面、視頻展示頁面、曲線展示頁面等，綜合頁面組織各子模塊，綜合展示所有數據，同時作為各子模塊的入口。

Web后端業務邏輯：基于Spring Boot框架，采用模塊化架構提升擴展性與維護性。每個模塊涵蓋數據接口與業務邏輯處理，通過抽象公共業務模塊，實現高效代碼復用，加速開發進程。

數據庫設計：本系統使用主流NoSQL數據庫MongoDB，存儲線路、區站、缺陷庫、檢測數據、系統菜單、用戶信息及權限等結構化數據。

文件系統設計：部署獨立VsFTP文件系統，專門用于存儲缺陷佐證材料（短視頻、圖像、輪廓等）及檢測數據（如弓網、軌檢、靴軌、限界、隧道等原始文件），確保數據的安全與高效管理。

2.2" 軟件結構設計

本智能巡檢感知系統采用MVC框架，模塊化設計各業務功能，根據業務職能、性能需求將不同的業務封裝在不同的模塊中，保證模塊的高聚合和模塊間的低耦合；業務垂直一對一，每個不同類型的業務使用一個標簽頁加載，新增業務功能僅需新增標簽頁及相應處理模塊，無須修改既有軟件架構。整體軟件結構如圖2所示。

Web前端：功能包括弓網、靴軌、限界、線路區站示意圖展示、告警數據展示、檢測數據管理、基礎數據維護、系統管理。

Web后端業務邏輯層：邏輯接收檢測設備上傳的數據，按檢測類型和數據種類分類存儲，同時轉發到上層智能系統，調用各專業分析軟件對數據做分析，分析后的確認缺陷數據回傳到感知系統中。

數據持久層：MongoDB存儲系統業務數據，包括告警數據及附件材料、檢測數據元信息和檢測數據原始文件。

3" 關鍵技術

3.1" VUE前端

VUE作為漸進式框架，能隨需求增長靈活擴展組件。它根據檢測設備的差異，動態調整展示參數，并調用相應組件以展示不同附加材料：如弓網視頻、靴軌展示圖、限界展示輪廓圖、隧道則呈現點云數據。圖3為前端不同數據展示流程圖。

3.2" Spring Boot后端

本系統前后端分離，Spring Boot提供RestfullAPI數據接口，為前端數據服務，SpringMVC框架處理前端請求，從數據庫中查詢數據，將數據以JSON方式組織并返回到前端。圖4為后端數據返回流程圖。

3.3" 數據同表異構

本系統采用MongoDB 4.2為結構化數據存儲，其NoSQL為數據庫，靈活的表結構能有效解決同類型不同字段的問題，將所有缺陷存儲在缺陷表中，缺陷表根據不同的檢測設備，存儲不同的字段數據。圖5和圖6為根據不同數據顯示的軟件界面。

3.4" 多類檢測設備數據抽象統一

以往各檢測設備獨立發展，數據格式各不相 同[6-7]。現制定統一數據接口協議，旨在兼容所有設備的共性數據（如缺陷分類、缺陷級別、缺陷值、缺陷位置、附件名稱、公里標等），并靈活擴展特性數據[8-9]。特性數據包括不限于弓網的接觸網類型、結構標志、限界的侵限坐標、隧道的環片信息等[10]。

4" 主要功能實現

本智能巡檢感知系統的功能架構如圖7所示，實現系統管理、基礎數據管理、軌道檢測、隧道檢測、限界檢測、弓網檢測、靴軌檢測等功能。

4.1" 系統管理

圖8為系統管理界面。系統管理主要維護系統運行相關的參數和數據，包含菜單管理、部門管理、用戶及權限管理、系統字典等：

1）菜單管理。系統菜單的增刪改查。

2）部門管理。組織名稱的增刪改查。

3）用戶管理。用戶信息的增刪改查。

4）角色管理。權限的管理以管理角色權限設計，用戶繼承角色賦予的權限。

5）系統字典。系統必要參數的增刪改查。

4.2" 基礎數據管理

基礎數據管理涵蓋系統運行所需的核心信息，包括線路、區站、機器人、檢測設備、缺陷分類及缺陷等級等。

圖9為線路管理界面，列表顯示線路信息，權限控制增、刪、改、查，模糊查詢篩選線路名稱或線路編碼，排序號自動生成，值為當前表內排序號最大值加一，線路名稱、編碼不可重復。

圖10為區站管理界面。區站管理是對線路上的區站分上下行進行管理，列表顯示區站信息，權限控制增、刪、改、查，模糊查詢篩選區站名稱、區站編碼，根據線路下拉篩選，新增、編輯時，選擇線路后，排序號自動生成，值為當前線路所包含的區站排序號最大值加一，區站編碼不可重復。

機器人管理是對智能巡檢機器人進行管理，關聯檢測線路，列表顯示機器人信息，權限控制增、刪、改、查，模糊查詢篩選機器人名稱、機器人編號，新增時，排序號自動生成，值為當前機器人排序號最大值加一，機器人編號不可重復。

檢測設備管理是智能巡檢機器人上集成多個檢測設備，檢測設備與機器人關聯，列表顯示檢測設備信息，權限控制增、刪、改、查，模糊查詢篩選設備名稱、設備編碼、安裝位置描述。根據檢測類型下拉篩選，狀態下拉篩選，新增、編輯時，選擇檢測類型后，排序號自動生成，值為當前檢測類型下所包含的檢測設備排序號最大值加一。可選擇機器人編號，檢測設備編碼在同一檢測類型下不可重復。

缺陷分類管理是缺陷分類根據檢測設備檢測項點定義，如弓網檢測缺陷分類定義為導高超限、拉了值超限，靴軌檢測缺陷分類定義為軌高超限、軌偏超限，限界檢測缺陷分類定義為設備限界超限，隧道檢測缺陷分類定義為襯砌內輪廓變形、錯臺、滲漏水、掉塊等，軌道檢測缺陷分類定義為鋼軌表面傷損、鋼軌內部傷損、焊縫傷損、絕緣塊破損、螺帽脫落、扣件缺、彈條斷裂、軌距超限、超高超限等。列表顯示缺陷類型信息，權限控制增、刪、改、查權，模糊查詢篩選缺陷名稱、缺陷編碼。根據檢測類型下拉篩選，根據缺陷等級下拉篩選，新增、編輯時，選擇檢測類型后，排序號自動生成，值為當前檢測類型下所包含的缺陷類型排序號最大值加一，缺陷名稱在同一檢測類型下不可重復。

缺陷等級管理是缺陷等級一般分為三級，分別是一級、二級、三級，列表顯示缺陷等級信息，權限控制增、刪、改、查，新增時，排序號自動生成，值為當前缺陷等級表排序號最大值加一，缺陷等級不可重復。

4.3" 各檢測模塊

圖11為首頁概覽模塊，直觀展示軌道、隧道、限界、弓網等檢測線路的實時運行狀態圖，全面匯總各檢測線路的缺陷報警、區站報告及月度趨勢統計。通過這一模塊，用戶可以迅速掌握各項檢測工作的整體概況，為決策提供即時、全面的數據支持。

告警管理模塊是在線識別并上報各類檢測缺陷（包括軌道、隧道、限界、弓網），根據缺陷類型自動定義為相應的告警（如軌道告警、隧道告警、限界告警、弓網告警）。啟動告警流程管理，支持用戶對告警進行確認與排除操作。通過流程化管理，確保告警信息的準確傳遞和及時處理。

圖12為缺陷管理模塊，聚焦于已確認的各類檢測缺陷（軌道、隧道、限界、弓網），提供統一的缺陷管理流程。用戶可查看缺陷詳情，執行消缺操作，或針對無法直接處理的缺陷制定相應的處理方案。通過這一模塊，實現對檢測缺陷的全生命周期管理，確保缺陷得到及時、有效的處理。

檢測數據管理模塊是全面管理上傳的各類檢測數據（軌道、隧道、限界、弓網），支持多種格式的原始數據按趟次組織。確保了分析軟件能夠輕松解析并高效利用這些數據。無論是軌道的幾何尺寸數據、隧道的結構健康監測數據，還是限界和弓網的接觸狀態數據，都能得到妥善管理和有效利用。

5" 系統功能驗證

5.1" 軟件系統測試

整個系統驗證是通過軟件測試來驗證軟件的各項指標是否達到預期目標，按照設計技術，生成說明文檔，內容包括項目、功能點的輸入參數、測試過程、預期結果、性能參數等，根據以上設計的測試周期，按照大綱和用例，對軟件完整測試。

使用Blaze MeterV 5.3.0錄制測試腳本和JMeterV 5.4.3逐個運行腳本。使用JMeterV 5.4.3模擬客戶端向目標系統發送業務請求并接收返回結果的腳本，在系統無壓力情況下使用1個用戶重復執行30次，獲取操作的平均響應時間作為衡量指標，檢驗系統登錄、系統首頁、告警列表、缺陷管理、檢測記錄、基礎數據、系統管理的單點操作是否在5秒鐘內完成。測試結果如表1所示。

通過連續一周的運行測試，驗證本智能巡檢感知告警系統能正常運行，數據傳輸、展示、故障判斷均有效，沒有發現缺陷和異常錯誤。

5.2" 現場功能測試

在某地鐵2號線、11號線利用網隧限一體化巡檢機器人如圖13所示，軌道綜合巡檢機器人如圖14所示，開展線路基礎設施巡查，測試系統可靠性。網隧限一體化巡檢機器人可完成隧道襯砌內輪廓變形、接觸網幾何參數、接觸軌幾何參數等巡檢；軌道綜合巡檢機器人可完成軌道幾何尺寸、鋼軌表面及淺表層裂紋、鋼軌內部缺陷、鋼軌焊縫缺陷、扣件缺失等巡檢。

以鋼軌傷損檢測為例，機器人現場鋼軌傷損檢測數據如圖15所示，系統集成顯示的鋼軌傷損告警數據如圖16所示，經過現場數據與系統顯示數據對比分析，得出的鋼軌傷損數據完全一致，證明該系統能接收巡檢機器人上傳檢測數據，實現巡檢數據集成管理、缺陷判別告警及統計分析。

6" 結" 論

基于Web+MongoDB+VsFTP的城市軌道交通智能巡檢感知告警系統能夠實現接收各檢測設備的數據，并按模塊存儲，各模塊可正確展示缺陷及附件，可對檢測原始數據管理并調用分析軟件進行分析；經測試，系統操作方便，運行可靠，為下一步開展城市軌道交通基礎設施病害缺陷巡檢、感知、定位打下堅實的基礎。

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